Acoustique

Est-ce que vous vous êtes déjà demandé comment le son fonctionne, pourquoi nous pouvons l'entendre et de quoi il s'agit ? Ce domaine est l'objet de l'acoustique, ou l'étude du son. Plus précisément, c'est la science qui étudie comment le son est généré, comment il se propage et comment il interagit avec ce qu'il rencontre sur son chemin. Donc l'acoustique contient tout ce qui concerne le son.

Figure 1. Exemple typique d'onde sonore. Si les sommets et les creux sont plus nombreux, alors la fréquence est plus élevée. Une telle onde peut se propager à notre oreille que l'on interprète comme un son. Auteur : Richard F. Lyon. Source : Cochlea waves.svg

Quels sont les domaines de l'acoustique ?

On compte cinq domaines distincts en acoustique, chacun s'intéressant à des types différents de sons. Certains domaines ont plus d'utilité que d'autres et certains types de sons sont simplement des nuisances pour nous. Voici les cinq domaines de l'acoustique :

Bruit Environnemental

Le bruit environnemental est, comme son nom l'indique, l'étude de tous les sons que l'on rencontre dans l'environnement. En fait, la plupart des objets et corps émettent des sons et des vibrations comme forme secondaire d'énergie.

Par exemple, une voiture qui roule sur la route utilise l'énergie cinétique comme forme principale d'énergie, mais elle émet également des sons principalement à cause du moteur. Tout son de ce genre, typiquement les sons non souhaités, font partie du bruit environnemental. On cherche typiquement à réduire ces sons le plus possible car ils n'ont pas de but à servir et ils peuvent être une nuisance.

Acoustique musicale

À l'autre bout du spectre, l'acoustique musicale s'intéresse aux sons créés intentionnellement. En particulier, cela porte sur les sons utilisés pour générer des notes musicales. Cela comprend les sons émis par les instruments de musique ainsi que par la voix humaine. L'étude de l'acoustique musicale comporte également la façon dont on écoute et perçoit les sons musicaux, et comment notre oreille répond à chaque forme de son musical.

Ultrasons

Les ultrasons sont des sons que l'on ne peut pas entendre, car leur fréquence est au-dessus de la limite supérieur de l'audition humaine. En effet, leurs fréquences sont trop élevées pour que les êtres humains les entendent car ils n'entendent que jusqu'à environ 20 000 Hertz.

Les ultrasons, bien qu'ils ne soient différents des sons habituels que par leur fréquence, ont toute une panoplie d'application. Par exemple, les ultrasons peuvent être utilisés pour mesurer des longues distances ou pour détecter des objets derrière des barrières physiques.

Figure 2. Exemple d'écholocalisation. Le corps A émet un son vers le corps B et cherche à entendre l'écho qui revient vers lui. Son cerveau est ainsi capable de déterminer la distance qui le sépare au corps B. Auteur : Marek M. Source : Chiroptera echolocation

Infrasons

Les infrasons sont les sons dont la fréquence est trop basse pour être entendus par l'oreille humaine. Le bas du spectre d'audition humaine est aux alentours de 20 Hertz, donc tout ce qui se trouve en dessous fait partie des infrasons. Les ultrasons sont très utiles pour détecter des choses sous la surface de la Terre. Par exemple, les séismes produisent des ondes sismiques, et celles-ci ont des fréquences très basses, en dessous du seuil de l'audition humaine. En utilisant les infrasons, on est capable de détecter les séismes, leur point d'origine et leur potentiel ampleur.

Vibration et dynamique

Ce domaine de l'acoustique porte sur le bruit émis comme perte d'énergie dans des systèmes mécaniques, ou pour tout appareil avec de nombreuses parties mobiles. Ce bruit résulte typiquement de vibrations, et ces vibrations dans un système complexe peuvent assez facilement empêcher l'appareil de fonctionner de façon optimale et même l'endommager au cours du temps.

Un enjeu critique est de limiter ce qu'on appelle la résonance vibratoire, qui fait que la vibration résonne avec la machine de sorte que des vibrations encore plus violentent en résultent. Ce domaine concerne également les séismes, puisque les dégâts qu'ils causent résultent principalement de vibrations sur une très grande échelle. Ce domaine cherche à contribuer à la diminution des dégâts que ces vibrations causent.

En quoi l'acoustique est-elle importante ?

L'acoustique et l'étude générale des sons et des vibrations jouent un rôle important dans les applications de la physique. Nous avons déjà évoqué l'importance dans de nombreux domaines de minimiser le bruit et les vibrations qui sont des nuisances. Les vibrations et le son peuvent engendrer des complications dans de nombreux systèmes.

Comme nous l'avons vu, une vibration peut à long terme endommager une machine et même l'empêcher de fonctionner. Les sons et les vibrations peuvent également endommager l'oreille humaine, en particulier le tympan. Ce sont des enjeux importants qui font partie de l'acoustique.

Un des précurseurs de l'acoustique est la musique. Il fut un temps où les musiciens faisaient des expérimentations afin de développer les instruments et les gammes musicales que l'on utilise encore à l'heure actuelle. La théorie musicale fut développée dans différentes cultures de différentes manières. Une autre application pratique de l'acoustique est l'analyse des sons qui se produisent naturellement. Les scientifiques étudient les sons et les vibrations provenant de l'océan, de la croûte terrestre sous forme de séismes et dans l'atmosphère avec le mouvement de masses d'air en météorologie. On peut, par exemple, utiliser l'intensité des sons et des vibrations en plusieurs endroits pour localiser la source d'un son.

Son, acoustique et audition humaine

La relation entre l'acoustique et le son est que l'acoustique est une étude et le son est l'objet de cette étude. Le son est considéré en physique comme une onde produite par une vibration mécanique se propageant dans un milieu. Dans le langage courant, le son fait référence non pas au phénomène physique de la propagation d'une onde sonore, autrement dit d'un transport d'énergie mécanique, mais à ce que l'on entend, donc à une perception. Dans ce cas, c'est l'impression faite par les ondes sonores audibles par l'être humain, c'est-à-dire celles dont la fréquence se situe entre 20 Hertz et 20 000 Hertz. Mais en fait, le même phénomène physique a lieu pour d'autres fréquences, de la même façon que la lumière visible fait partie d'un spectre bien plus large d'ondes électromagnétiques.

Les humains perçoivent les sons à travers l'oreille interne. Certaines parties de l'oreille sont incroyablement sensibles aux vibrations du son, et vibrent à la même fréquence que les ondes sonores qui les atteignent. C'est ce que l'on appelle la résonance. Ces vibrations sont ensuite converties en signaux électriques que le cerveau interprète comme des sons. La résonance à l'intérieur de l'oreille fonctionne comme dans tout solide et elle a ainsi une limite. C'est pourquoi, on ne peut entendre que jusqu'à 20 000 Hz. Au-delà de cette fréquence, l'oreille interne est incapable de résonner avec les ondes sonores incidentes.

Figure 3. Schéma de l'oreille humaine. Les différentes parties qui composent l'oreille interne comme le marteau, l'enclume, l’étrier et le tympan résonnent lorsqu'un son les atteint. Auteur : Inductiveload. Source : Anatomy of Human Ear with Cochlear Frequency Mapping.svg

L'acoustique s'intéresse à tout le processus depuis la génération d'un son, son interaction avec le milieu dans lequel il se propage, et comment le son est atténué, absorbé et diffusé ou réfléchi par des matériaux environnants.