Une onde est caractérisée par un transport d’énergie et d’information sans transport de matière.
L’onde sonore est une onde mécanique car elle nécessite un milieu matériel pour se propager.
L’onde sonore est une onde longitudinale car la perturbation se fait dans la même direction que sa propagation.
Un son musical est un signal périodique caractérisé par :
sa hauteur (liée à la fréquence du signal),
son intensité (liée à l'amplitude du signal),
son timbre (lié au spectre du signal).
Intensité sonore
L’intensité sonore $I$ (ou intensité acoustique) est la puissance $P$ transportée par l’onde sonore par unité de surface.
$$I=\frac{P}{S}$$
$P$ en $\pu{W}$
$S$ en $\pu{m2}$
$I$ en $\pu{W*m-2}$
La surface doit être perpendiculaire à la direction de propagation.
L’intensité sonore est additive :
s'il y a 2 ou 10 fois plus de sources sonores (de même puissance), l'intensité (à la même distance) est multipliée par 2 ou 10.
Mais notre sensation auditive ne semble pas, elle, proportionnelle au nombre de sources.
C’est cette non proportionnalité qui permet
d’avoir une plage de sensibilité si étendue :
le seuil d'audibilité à $\pu{1 kHz}$, appelé intensité sonore de référence $I_0$ vaut $\pu{1,0E-12 W*m-2}$.
Le seuil de douleur est de l'ordre de $\pu{1 W*m-2}$.
Il y a un facteur mille milliards entre les deux 🤯
Notre sensibilité est logarithmique.
On peut par exemple mesurer que l'intensité du son émis par quelqu'un qui parle fort est environ 10 000 fois plus grande que celle d'une personne
qui chuchote à la même distance !
On n'a pourtant pas la sensation d'un son 10 000 fois plus fort...
Point mathématique
$\log$ est la fonction logarithme décimal (logarithme en base 10) :
$$\log(x) = \frac{\ln(x)}{\ln(10)}$$
On a ainsi $\log(10)=$ $1$.
Les règles de calcul de $\log$ sont les mêmes
que celles de $\ln$ :
Comment obtenir l’intensité sonore $I$ à partir du niveau d’intensité sonore $L$ ?
$$I=I_0\times 10^{\frac{L}{10}}$$
Atténuation
L’atténuation (en dB) mesure la diminution du niveau d’intensité sonore.
Il y a deux types d'atténuation.
Atténuation géométrique
Elle est due à l’éloignement entre la source et l’observateur.
En effet, plus la source est éloignée et plus la surface sur laquelle la puissance sonore se répartie est grande et donc plus l'intensité sonoreest faible.
Si la source est omnidirectionnelle (même intensité sonore dans toutes les directions), alors l’intensité sonore à une distance $d$ de la source se répartit sur une sphère de rayon $d$ centrée sur la source.
On a donc :
$$I=\frac{P}{\color{#FFD932}4\pi d^2}$$
Conclusion :
L'intensité sonore varie inversement proportionnellement au carré de la distance à la source.
Conséquences :
doubler la distance divise l’intensité sonore par 4, ce qui correspond à une atténuation de6 dB du niveau sonore. $d\rightarrow 2d\Rightarrow I\rightarrow I/4 \Leftrightarrow L\rightarrow L-6$
multiplier par 10 la distance divise l’intensité sonore par 100, ce qui correspond à une atténuation de 20 dB du niveau sonore. $d\rightarrow 10d\Rightarrow I\rightarrow I/100 \Leftrightarrow L\rightarrow L-20$
Atténuation par absorption
Le niveau d’intensité sonore d’une onde sonore rencontrant un obstacle est atténuée car une partie de son énergie est absorbée par le milieu matériel composant l’obstacle.
La proportion d'énergie absorbée dépend du matériau composant l'obstacle et de l'épaisseur de celui-ci.
Pourquoi les bouchons moulés sont-ils plus adaptés à des musiciens ?