1. Le son : une onde qui a besoin d'un milieu matériel
Sur un plateau de tournage, la voix du comédien arrive au micro de la perche grâce à l'air. Dans le vide, rien ne se propagerait :
Onde sonore : perturbation (compression/dilatation) qui se propage dans un milieu matériel (air, eau, solide) en transportant de l'énergie, sans transport de matière. Le son ne se propage pas dans le vide.
Mettre en évidence la nécessité d'un milieu matériel (protocole) :
- 1. Placer un réveil ou un petit haut-parleur sous une cloche à vide reliée à une pompe.
- 2. Faire fonctionner la sonnerie : le son est nettement audible au départ.
- 3. Actionner la pompe : à mesure que l'air est retiré, le son s'affaiblit jusqu'à devenir quasi inaudible, alors que l'on voit toujours la sonnerie fonctionner.
- 4. Réintroduire l'air : le son redevient audible. Conclusion : sans milieu matériel, pas de propagation du son.
Vitesse de propagation (célérité) du son — ordres de grandeur :
- dans l'air : c ≈ 340 m·s−1 (à 20 °C) ;
- dans l'eau : c ≈ 1 500 m·s−1 ;
- dans les solides (acier) : c ≈ 5 000 m·s−1.
La vitesse du son dépend du milieu : plus le milieu est rigide et dense en liaisons, plus le son s'y propage vite.
Mesurer la vitesse du son dans l'air (protocole) :
- 1. Placer deux micros sur une règle, séparés d'une distance d connue (par exemple d = 1,70 m), reliés à une interface d'acquisition.
- 2. Produire un son bref (claquement) près du premier micro.
- 3. Mesurer sur l'acquisition le décalage temporel Δt entre les deux signaux reçus.
- 4. Calculer : c = d / Δt. Exemple : Δt = 5,0 ms = 0,0050 s → c = 1,70 / 0,0050 = 340 m·s−1.
- 5. Recommencer plusieurs fois et faire la moyenne (réduction de l'incertitude).
2. Période, fréquence et longueur d'onde
Un son pur est une perturbation périodique : la période T (en s) est la durée d'un motif ; la fréquence f (en hertz, Hz) est le nombre de motifs par seconde : f = 1 / T. La longueur d'onde λ (lambda, en m) est la distance parcourue par l'onde pendant une période.
L'oreille humaine perçoit les sons dont la fréquence se situe approximativement entre 20 Hz (graves) et 20 kHz (aigus). En dessous : infrasons ; au-dessus : ultrasons.
λ = cson × T = cson / f
- λ : longueur d'onde en mètre (m)
- cson : vitesse de propagation en m·s−1
- T : période en seconde (s) ; f : fréquence en hertz (Hz)
Exemple résolu — Traitement acoustique d'un plateau : un ventilateur de machine d'imprimerie émet un son grave de fréquence f = 100 Hz. Quelle est sa longueur d'onde dans l'air (c = 340 m·s−1) ?
λ = c / f = 340 / 100 = 3,4 m.
Un tel son « contourne » facilement les cloisons minces : les graves sont les plus difficiles à isoler sur un plateau. Pour un son aigu de 5 000 Hz : λ = 340 / 5 000 = 0,068 m = 6,8 cm.
3. Pression acoustique, intensité et niveau en décibels
Pression acoustique p : variation locale de la pression du milieu due au passage de l'onde (en pascal, Pa). C'est elle que mesure un microphone.
Intensité acoustique I : puissance moyenne transportée par l'onde par unité de surface, en W·m−2. Référence (seuil d'audibilité) : I0 = 10−12 W·m−2.
Niveau d'intensité acoustique L : échelle logarithmique en décibel (dB), adaptée à la sensibilité de l'oreille. Référence de pression : p0 = 2,0 × 10−5 Pa.
L = 10 × log ( I / I0 ) avec I0 = 10−12 W·m−2
ou, à partir de la pression acoustique : L = 20 × log ( p / p0 ) avec p0 = 2,0 × 10−5 Pa
Repères : 0 dB = seuil d'audibilité ; conversation ≈ 60 dB ; seuil de danger : 85 dB (exposition prolongée) ; seuil de douleur : 120 dB.
Propriété utile : quand l'intensité I est multipliée par 2, le niveau augmente de 10 × log 2 ≈ +3 dB ; multipliée par 10 → +10 dB.
Exemple résolu — Niveau près d'une machine d'imprimerie : un capteur mesure une intensité acoustique I = 1,0 × 10−4 W·m−2 à côté d'une presse. Quel est le niveau L ?
L = 10 × log ( 10−4 / 10−12 ) = 10 × log ( 108 ) = 10 × 8 = 80 dB.
80 dB reste sous le seuil de danger (85 dB), mais une exposition 8 h par jour justifie déjà une surveillance et des protections dès que l'on se rapproche de la machine.
Exemple résolu — à partir de la pression acoustique : un micro mesure p = 0,20 Pa à un concert photographié. L = 20 × log ( 0,20 / (2,0 × 10−5) ) = 20 × log ( 1,0 × 104 ) = 20 × 4 = 80 dB.
4. Atténuation avec la distance et protection auditive
Même dans un milieu qui n'absorbe pas le son, l'intensité acoustique diminue quand la distance à la source augmente : l'énergie émise se répartit sur une surface de plus en plus grande (sphères croissantes). C'est pourquoi, sur plateau, on rapproche le micro (perche) de la source plutôt que d'augmenter le gain.
Étudier l'atténuation avec la distance (protocole) :
- 1. Placer une source sonore de niveau constant (haut-parleur sur générateur BF) dans un espace dégagé.
- 2. Mesurer le niveau L au sonomètre à plusieurs distances d (0,5 m, 1 m, 2 m, 4 m...).
- 3. Reporter L en fonction de d dans un tableau et un graphe.
- 4. Observer la décroissance et en déduire une distance de recul pour repasser sous un niveau cible (par exemple sous 85 dB).
Sécurité — protection auditive : au-delà de 85 dB en exposition prolongée, l'oreille subit des lésions irréversibles (perte d'audition, acouphènes). En atelier (machines d'impression, extracteurs), porter des protections auditives (casque ou bouchons) dès que le niveau mesuré l'exige, limiter la durée d'exposition et s'éloigner des sources. Le seuil de douleur (120 dB) peut causer un dommage immédiat.
Mesures et incertitudes : un sonomètre a une précision typique de ± 1 à 2 dB ; les mesures fluctuent avec le temps : réaliser plusieurs relevés, moyenner et présenter le résultat avec un nombre de chiffres significatifs raisonnable (ex. L ≈ 80 dB, pas 80,347 dB).