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Son

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En physique, le son est une vibration qui se propage généralement comme une onde de pression audible, à travers un moyen de transmission tel qu’un gaz, un liquide ou un solide.

En physiologie humaine et en psychologie, le son est la réception de telles ondes et leur perception par le cerveau. Les humains ne peuvent entendre les ondes sonores sous forme de sons distincts que lorsque la fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 kHz environ. Les sons supérieurs à 20 kHz sont des ultrasons et ne sont pas perceptibles par les humains. Les ondes sonores inférieures à 20 Hz sont appelées infrasons. Différentes espèces animales ont des plages d’audition variables.

Acoustique

L’acoustique est la science interdisciplinaire qui étudie les ondes mécaniques dans les gaz, les liquides et les solides, y compris les vibrations, le son, les ultrasons et les infrasons. Un scientifique travaillant dans le domaine de l’acoustique est un acousticien, tandis que quelqu’un travaillant dans le domaine de l’ingénierie acoustique peut s’appeler un ingénieur en acoustique. Un ingénieur du son, d’autre part, s’occupe de l’enregistrement, de la manipulation, du mixage et de la reproduction du son.

Les applications de l’acoustique se retrouvent dans presque tous les aspects de la société moderne. Les sous-disciplines incluent l’aéroacoustique, le traitement du signal audio, l’acoustique architecturale, la bioacoustique, l’électroacoustique, le bruit ambiant, l’acoustique musicale, le contrôle du bruit, la psychoacoustique, la parole, les ultrasons, l’acoustique sous-marine et les vibrations.

Définition

Le son est défini comme «(a) Oscillation de pression, contrainte, déplacement de particules, vitesse de particule, etc., propagée dans un milieu avec des efforts internes (par exemple, élastique ou visqueux), ou la superposition d’une telle oscillation propagée. (b) Auditive sensation évoquée par l’oscillation décrite en (a).» Le son peut être vu comme un mouvement de vague dans l’air ou un autre média élastique. Dans ce cas, le son est un stimulus. Le son peut également être vu comme une excitation du mécanisme auditif qui entraîne la perception du son. Dans ce cas, le son est une sensation.

Physique du son

The Elements of Sound
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:The_Elements_of_Sound_jpg.jpg

(Un graphique de «pression en fonction du temps» d’un enregistrement d’une sonorité de clarinette pendant 20 ms illustre les deux éléments fondamentaux du son: la pression et le temps. )

Le son peut se propager dans un milieu tel que l’air, l’eau et les solides sous forme d’ondes longitudinales et également sous forme d’ondes transversales dans les solides. Les ondes sonores sont générées par une source sonore, telle que le diaphragme vibrant d’un haut-parleur stéréo. La source sonore crée des vibrations dans le milieu ambiant. Tandis que la source continue à faire vibrer le support, les vibrations se propagent loin de la source à la vitesse du son, formant ainsi l’onde sonore. À une distance fixe de la source, la pression, la vitesse et le déplacement du milieu varient dans le temps. À un instant donné, la pression, la vitesse et le déplacement varient dans l’espace. Notez que les particules du support ne voyagent pas avec l’onde sonore. Ceci est intuitivement évident pour un solide, et il en va de même pour les liquides et les gaz (c’est-à-dire que les vibrations des particules dans le gaz ou le liquide transportent les vibrations, alors que la position moyenne des particules dans le temps ne change pas). Pendant la propagation, les ondes peuvent être réfléchies, réfractées ou atténuées par le milieu.

Le comportement de la propagation du son est généralement affecté par trois facteurs:

  • Une relation complexe entre la densité et la pression du milieu. Cette relation, affectée par la température, détermine la vitesse du son dans le support.
  • Mouvement du médium lui-même. Si le support est en mouvement, ce mouvement peut augmenter ou diminuer la vitesse absolue de l’onde sonore en fonction de la direction du mouvement. Par exemple, la vitesse de propagation du son traversant le vent sera augmentée de celle du vent si le son et le vent se déplacent dans la même direction. Si le son et le vent se déplacent dans des directions opposées, la vitesse de l’onde sonore sera diminuée de la vitesse du vent.
  • La viscosité du milieu. La viscosité moyenne détermine la vitesse d’atténuation du son. Pour de nombreux milieux, tels que l’air ou l’eau, l’atténuation due à la viscosité est négligeable.

Lorsque le son se déplace dans un milieu ne possédant pas de propriétés physiques constantes, il peut être réfracté (dispersé ou concentré).

Les vibrations mécaniques pouvant être interprétées comme des sons peuvent traverser toutes les formes de matières: gaz, liquides, solides et plasmas. La matière qui soutient le son s’appelle le médium. Le son ne peut pas traverser le vide.

Ondes longitudinales et transversales

Le son est transmis par les gaz, le plasma et les liquides sous forme d’ondes longitudinales, également appelées ondes de compression. Cela nécessite un support pour se propager. Cependant, à travers les solides, il peut être transmis sous forme d’ondes longitudinales et transversales. Les ondes sonores longitudinales sont des ondes d’écarts de pression alternants par rapport à la pression d’équilibre, provoquant des régions locales de compression et de raréfaction, tandis que les ondes transversales (dans les solides) sont des ondes d’effort de cisaillement alternatif perpendiculaires à la direction de propagation.

Les ondes sonores peuvent être «visualisées» à l’aide de miroirs paraboliques et d’objets produisant un son.

L’énergie transportée par une onde sonore oscillante se convertit en aller-retour entre l’énergie potentielle de la contrainte supplémentaire de compression (dans le cas d’ondes longitudinales) ou de déplacement latéral (dans le cas d’ondes transversales) de la matière, et l’énergie cinétique de la vitesse de déplacement de particules du milieu.

Propriétés et caractéristiques des ondes sonores

Sunetele pot fi reprezentate ca un amestec al undelor sinusoidale (Les sons peuvent être représentés par un mélange de leurs ondes sinusoïdales constitutives de fréquences différentes. Les ondes du bas ont des fréquences plus élevées que celles ci-dessus. L’axe horizontal représente le temps.)

Bien qu’il existe de nombreuses complexités liées à la transmission des sons, au moment de la réception (c’est-à-dire aux oreilles), le son peut facilement être divisé en deux éléments simples: la pression et le temps. Ces éléments fondamentaux constituent la base de toutes les ondes sonores. Ils peuvent être utilisés pour décrire, en termes absolus, chaque son entendu.

Afin de mieux comprendre le son, une onde complexe telle que celle qui apparaît dans un arrière-plan bleu dans l’image est généralement séparée en ses composants, qui sont une combinaison de différentes fréquences d’onde sonore (et de bruit).

Les ondes sonores se résument souvent à une description en termes d’ondes planes sinusoïdales, caractérisées par ces propriétés génériques:

  • Fréquence, ou son inverse, longueur d’onde
  • Amplitude, pression acoustique ou intensité
  • Vitesse du son
  • Direction

Le son perceptible par l’homme a des fréquences comprises entre 20 Hz et 20 000 Hz environ. Dans l’air à température et pression normales, les longueurs d’onde correspondantes des ondes sonores vont de 17 m à 17 mm. Parfois, la vitesse et la direction sont combinées en tant que vecteur de vitesse; le nombre et la direction de la vague sont combinés en un vecteur d’onde.

Les ondes transversales, également appelées ondes de cisaillement, ont la propriété supplémentaire, la polarisation, et ne sont pas caractéristiques des ondes sonores.

Vitesse du son

FA-18 Hornet breaking sound barrier (La marine américaine F/A-18 s’approche de la vitesse du son. Le halo blanc est formé de gouttelettes d’eau condensées qui résulteraient d’une chute de la pression atmosphérique autour de l’avion.)

La vitesse du son dépend du milieu traversé par les ondes et constitue une propriété fondamentale du matériau. Le premier effort significatif pour mesurer la vitesse du son a été fait par Isaac Newton. Il croyait que la vitesse du son dans une substance particulière était égale à la racine carrée de la pression agissant sur elle divisée par sa densité:

c = √(p/ρ).

Cela a été prouvé plus tard mal quand il s’est avéré dériver incorrectement la vitesse. Le mathématicien français Laplace a corrigé la formule en déduisant que le phénomène de déplacement du son n’est pas isotherme, comme le croit Newton, mais adiabatique. Il a ajouté un autre facteur à l’équation – gamma – et a multiplié √γ par √(p/ρ), aboutissant ainsi à l’équation c = √(γ·p/ρ). Puisque K = γ·p, l’équation finale a été c = √(K/ρ), également connue sous le nom d’équation de Newton – Laplace. Dans cette équation, K est le module d’élasticité élastique, c est la vitesse du son et ρ est la densité. Ainsi, la vitesse du son est proportionnelle à la racine carrée du rapport du module de masse du support à sa densité.

Ces propriétés physiques et la vitesse du son changent avec les conditions ambiantes. Par exemple, la vitesse du son dans les gaz dépend de la température. À 20 °C de l’air au niveau de la mer, la vitesse du son est d’environ 343 m/s (1.230 km/h) en utilisant la formule v [m/s] = 331 + 0,6 T [°C]. En eau douce, également à 20 °C, la vitesse du son est d’environ 1.482 m/s (5.335 km/h). En acier, la vitesse du son est d’environ 5.960 m/s (21.460 km/h). La vitesse du son est également légèrement sensible, étant soumise à un effet anharmonique de second ordre, à l’amplitude du son, ce qui signifie qu’il existe des effets de propagation non linéaires, tels que la production d’harmoniques et de tons mélangés non présents dans le son d’origine.

Si les effets relativistes sont importants, la vitesse du son est calculée à partir des équations d’Euler relativistes.

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