La perception d'un son Cours

Sommaire

IAnalyse spectrale d'un sonALe spectre d'un sonBLes sons purs et les sons complexesCLes caractéristiques physiologiques d'un sonIIL'intensité et les niveaux d'intensité sonoreAL'intensité sonoreBLe niveau sonoreCÉchelle de niveaux d'intensité sonore
I

Analyse spectrale d'un son

A

Le spectre d'un son

La plupart des sons sont composés de plusieurs composantes. Le spectre en fréquence d'un son fait apparaître leur fréquence et leur amplitude relative. On distingue alors plusieurs types de composantes :

-

Les fréquences des harmoniques (Fn) sont des multiples de celle de la fondamentale  (F1). Ainsi, pour une harmonique de rang n :

F_n = n \times F_1

Si la fréquence fondamentale d'un son est de 220 Hz, ses premières harmoniques sont :

-

A priori, les amplitudes de la fondamentale et des harmoniques ne suivent aucune règle.

Dans le spectre en fréquence d'un son, certaines harmoniques peuvent être absentes car leur amplitude est nulle.

B

Les sons purs et les sons complexes

La forme (ou représentation temporelle) ou le spectre en fréquence d'un son permettent de distinguer les sons purs des sons complexes.

-
C

Les caractéristiques physiologiques d'un son

Plus la fréquence d'un son est importante, plus celui-ci est perçu comme aigu.

Un son de fréquence 80 Hz est grave alors qu'un son de fréquence 1320 Hz est aigu.

L'oreille humaine est capable de percevoir les sons dont la fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 kHz, on parle de sons audibles. Les sons de fréquence inférieure sont les infrasons et ceux de fréquence supérieure sont les ultrasons.

-

Les éléphants peuvent communiquer sur des distances atteignant les 10 km grâce à des infrasons, les chauves-souris emploient des ultrasons de fréquence comprise entre 50 kHz et 200 kHz pour percevoir l'environnement.

La fréquence d'un son est liée à sa hauteur (nature de la note perçue), tandis que ses harmoniques influent sur son timbre. Ces deux caractéristiques physiologiques peuvent mettre en évidence dans son spectre en fréquence :

-

Ainsi, des instruments de musique jouant la même note émettent des sons de même hauteur mais dont les timbres sont différents, ce qui permet à un auditeur de les distinguer.

L'analyse spectrale des sons émis par une guitare et une trompette jouant la même note permet de mettre en évidence :

  • la même fréquence fondamentale, la hauteur de la note jouée est donc bien la même ;
  • une répartition différente des harmoniques et de leur amplitude, le timbre des deux sons est donc différent, ce qui permet de les distinguer.
-
II

L'intensité et les niveaux d'intensité sonore

A

L'intensité sonore

La grandeur liée au volume d'un son est l'intensité sonore.

Intensité sonore

L'intensité sonore, notée I, d'une onde sonore correspond à l'énergie transportée par cette onde par unité de surface et par unité de temps. Elle s'exprime en watts par mètre carré (W.m−2). Il s'agit donc d'une puissance par mètre carré.

Pour être audible par une oreille humaine, un son doit avoir une intensité sonore minimale de 10−12 W.m−2 (bien qu'en toute rigueur ce seuil dépende de la fréquence du son).

L'intensité sonore augmente avec l'amplitude du signal, que l'on peut observer sur sa représentation temporelle.

L'amplitude de ce signal sonore, converti en tension par un récepteur, est de 15 V. Si cette amplitude était plus grande, l'intensité sonore le serait aussi.

-
B

Le niveau sonore

Pour comparer le volume ou l'intensité sonore de deux sons, on utilise plus facilement le niveau sonore dont l'échelle, en décibels, est plus adaptée.

Le niveau sonore est défini par la relation suivante :

\displaystyle{L = 10 \times \log\left(\dfrac{I}{I_0}\right)}
Avec :

  • L  le niveau sonore (en dB)
  • I  l'intensité acoustique de l'onde sonore (en W.m−2)
  • I_0 le seuil d'audibilité fixé à 10−12 W.m−2

Le niveau sonore d'un son d'intensité sonore 10−7 W.m−2 est :

\displaystyle{L = 10 \times \log\left(\dfrac{I}{I_0}\right)}

\displaystyle{L = 10 \times \log\left(\dfrac{10^{-7}}{10^{−12}}\right)}

\displaystyle{L = 50}\:\text{dB}

C

Échelle de niveaux d'intensité sonore

L'exposition à des ondes sonores peut comporter des risques pour notre santé : elle peut provoquer une perte d'audition temporaire ou durable. Ces risques augmentent avec l'intensité sonore et la durée d'exposition.

-

L'utilisation prolongée d'écouteurs est risquée. Les normes européennes limitent leur niveau sonore à 100 dB et obligent une validation par l'utilisateur dès lors qu'il dépasse 85 dB.

La sensibilité de l'oreille dépend aussi de la fréquence du son et évolue d'un sujet à l'autre et pour un même individu en fonction de l'âge ou des maladies et accidents.

La sensibilité d'une oreille saine est maximale entre 1000 Hz et 5000 Hz.