Jolle Pire 2003 1

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Facult des

Sciences

Dossier physique n1 Niveau 6

Les ondes sonores extrait du dossier

Plus besoin de fil ni de branchement pour tlphoner

Jolle Pire

Formation continue 2003 CECAFOC

Document tlchargeable

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Avant-Propos

Ce dossier didactique est un extrait dun dossier plus large, qui explique le fonctionnement du GSM et des technologies qui lui sont associes. Il est conu de manire permettre la comprhension globale des phnomnes sonores, en principe sans pr requis ni connaissance pralable en physique. On introduit ainsi la notion donde, qui sera ncessaire galement pour la comprhension des phnomnes lectromagntiques (ceux-ci font lobjet dun autre dossier). Les termes habituellement utiliss mais parfois galvauds tels que la hauteur dun son , son timbre et bien dautres encore, sont replacs en contexte et prcisment dfinis. Y sont galement expliqus les fonctionnements de loreille, ainsi que des haut-parleurs, lments essentiels de lmission et la rception des messages.

La ralisation de ce dossier rsulte dun minutieux rassemblement dinformations ralis par

Jolle Pire, travail de recherche complt par le remaniement des images et lorganisation de ces informations en un dossier multimdia cohrent, disponible sur le site Internet de e-mediasciences. Le retraitement graphique, la rdaction du prsent document et la mise en page sont de Damien Bertrand.

Avant-Propos .1

1. Quest-ce quune onde ?..3

2. Les ondes sonores .5

3. La production dun son : le haut-parleur ..7

4. Loue .9

5. La courbe audiomtrique .10

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Le son

Quest-ce que le son ? Attaquons demble par une dfinition scientifique rigoureuse, qui introduit galement un lment de comparaison :

Le son est la partie audible du spectre des vibrations acoustiques.

La lumire est la partie visible du spectre des vibrations lectromagntiques.

Le son et la lumire peuvent donc tous les deux tre dcrit comme tant des ondes.

Ce chapitre sera divis en quatre parties. La premire dcrira ce quest une onde, le vocabulaire qui lui est associ et les proprits essentielles associes aux phnomnes ondulatoires. Nous dcrirons alors plus en dtail les ondes sonores, en introduisant un metteur de son bien connu : le haut-parleur. Les diffrents sons seront alors prsents, puis dans la dernire partie nous dcrirons brivement notre rcepteur : loreille et loue.

Entendu ? Alors on y va

1. Quest-ce quune onde ?

Qui na jamais lanc des cailloux dans un tang et regard avec admiration stendre vers les bords des vaguelettes concentriques ? Ces vagues qui partent du point de chute du caillou et dessinent des cercles de plus en plus grands vers les bords de ltang sont des ondes. Regardons alors le flotteur rouge attach au fil du pcheur assis sur lautre rive (et oublions son regard furieux en voyant les garnements lancer ces cailloux !) : on constate que le bouchon monte et descend au gr des vagues qui passent, mais sa position sur la surface de leau ne se modifie pas. Nous sommes amens la constatation suivante, qui dfinira prcisment ce quest une onde :

Une onde est la propagation dune perturbation (on dit parfois un branlement ) sans dplacement net de matire.

En effet, la surface de leau est bien anime dun mouvement doscillation du haut vers le bas, mais aprs le passage de la vague la surface reprend sa forme initiale, et lobservation du bouchon ou des nnuphars montre que leau ne sest pas

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dplace : cest la vague elle-mme, cest dire linformation associe au mouvement de haut en bas, qui sest dplace du plouf ! vers le bord.

Une onde semblable aux vagues sur un tang est appele transversale : la dformation seffectue dans la direction perpendiculaire son dplacement. Une autre manire de visualiser une onde transversale est lbranlement dune corde tendue dont une extrmit est fixe au mur : on voit nettement la perturbation se diriger vers le mur, et mme rebondir sur celui-ci et revenir sa source ; au final la corde ne sest pas dplace !

Dautres ondes peuvent tre produites en imposant une perturbation dans la direction mme de sa propre propagation : on parle alors donde longitudinale. On peut par exemple observer celles-ci en tendant horizontalement un long ressort souple fix un mur et en pinant quelques spires de celui-ci : lorsquon les lche, cette compression se propage vers le mur et revient.

Afin dintroduire les paramtres essentiels dune onde, nous allons reprsenter une onde transversale ; ces dfinitions sont bien entendu identiques pour les ondes longitudinales.

La hauteur A entre la position de repos et le point maximal dbranlement est appele amplitude. On nomme parfois front donde le passage par un maximum, cest dire le sommet de la vague . La frquence f est le nombre de fois quun mme phnomne se rpte en une seconde ;

alternativement on peut donner la priode T, qui est le temps sparant deux stades identiques dun branlement ondulatoire 1 : priode et frquence sont ainsi linverse lune de lautre. Nous appellerons encore longueur donde l la distance sparant deux fronts successifs de londe. On montre aisment que la vitesse de dplacement de londe est le produit de la longueur donde par la frquence : v = l f.

1 Notons que deux stades identiques doivent prsenter la mme amplitude et la mme pente : ainsi lorsquon choisit de calculer la priode partir des passages successifs par la position initiale, il faut bien compter le temps qui scoule entre deux passages par zro en flanc montant ou en flanc descendant , sous peine de ne compter quune demi-priode. Le plus simple est finalement de considrer les maxima ou les minima

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2. Les ondes sonores

Comme nous lavons dj voqu plus haut, le son est une onde. Deux manires permettent de le remarquer : dune part si on place la main devant sa bouche lorsquon parle, on peut parfois ressentir lair vibrer ; dautre part si on cogne un diapason avec un petit marteau puis quon approche le manche de celui-ci dune branche du diapason, on entend celui-ci vibrer.

Si le son est une onde, cela signifie donc notamment quon pourra le caractriser par une frquence. Mais quest-ce qui oscille, au juste ? En fait londe sonore est une variation de la pression de lair : il sagit dune onde longitudinale (identique la propagation dune perturbation le long dun ressort) que lon peut caractriser par la pression acoustique. Dans lensemble lair se trouve la pression atmosphrique, mais lorsquil est sollicit par une onde sonore il peut localement voir sa pression augmenter (on parle alors de compression) ou diminuer (ce que lon nomme rarfaction).

Bien que les dfinitions habituelles des proprits des ondes sappliquent galement aux ondes sonores, celles-ci sont gnralement compltes par dautres notions propres 2.

La hauteur du son est lie sa frquence, exprime en hertz (Hz) : un son aigu prsente une haute frquence tandis quun son grave est de basse frquence. Rappelons qu une haute frquence, cest dire un nombre lev de rptitions du mme motif par seconde, correspond forcment une courte priode, et vice-versa. Une frquence de rfrence bien connue est celle, par exemple, de la sonnerie tlphonique ou du diapason de musicien : il sagit du la majeur, dont le frquence est de 440 Hz. Cela signifie quune tranche dair oscille 440 fois par seconde, ce qui explique pourquoi on ne peut voir lair osciller

2 Notons que les schmas qui illustrent les dfinitions prsentes reprsentent des ondes transversales alors que les ondes sonores sont longitudinales. Puisquil est difficile de reprsenter graphiquement ces dernires, nous avons simplement reprsent lanalyse dun son au moyen dappareils lectroniques, par exemple une mesure de la vibration de la membrane dun micro.

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Son pur aigu : f=3000 Hz

Son pur grave : f= 300 Hz

Lintensit du son est dfinie par lamplitude de londe sonore qui lui est associe. Elle est habituellement exprime en dcibels (dB), o 1dB correspond au rapport entre lintensit absolue et A titre dinformation, la table suivante prsente lintensit de certains sons de la vie quotidienne.

Son fort et son faible

Le timbre dun son est li la forme de londe elle-mme. En effet, nous avons lhabitude de dcrire les ondes au moyen de courbes parfaitement uniformes, prsentant la forme dune sinusode parfaite. Ce sont alors des sons purs. La ralit est bien plus complexe, et les sons que lon entend rsultent de la superposition de plusieurs ondes. Ainsi un son musical prsente la mme frquence dite fondamentale quun son pur, laquelle sajoutent des ondes de frquences qui sont des multiples entiers de la frquence fondamentale, appeles harmoniques. La prsence ventuelle de ces frquences harmoniques (certains sons peuvent en contenir un nombre impressionnant !) et leur importance relative caractrisent le timbre de la voix ou dun instrument, et expliquent pourquoi le piano prsente un son diffrent de la trompette. Enfin, un bruit est aussi un son, mais pour lequel on ne peut identifier de frquence caractristique.

Le son se dplace dans lair une vitesse approximative de 340 m/s ; il est nettement plus rapide dans les liquides (1200 m/s), puisque les molcules du liquide sont plus proches et transmettent mieux les ondes ; dans les solides il est encore plus rapide et peut atteindre 5000 m/s.

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3. La production dun son : le haut-parleur

Le haut-parleur est probablement lappareil qui permet le mieux de visualiser la gnration dun son. Son principe est simple : par le mouvement de va-et-vient rpt dune membrane, lengin cre des compressions et des rarfactions de lair et ralise ainsi prcisment une onde sonore. En se dplaant ainsi davant en arrire au rythme su signal lectrique, la voix ou la musique est recre avec plus ou moins de fidlit.

A. Aimant circulaire

B & D. Pice polaire

C. Noyau central

F. Bobine mobile

G. Membrane conique

I & J. Suspensions de la bobine et de la membrane

Un haut-parleur est constitu de trois parties essentielles :

Un aimant symtrie cylindrique (A), qui cre un champ magntique radial trs intense dans lentrefer (B & D), cest--dire entre le cylindre extrieur et la pice mtallique centrale ;

Une bobine mobile (F) parcourue par un courant, capable de coulisser le long de la partie centrale, autour de laquelle elle est enroule ;

Une membrane (G) solidaire de la bobine mobile, qui va donc suivre le mouvement de cette dernire et raliser les compressions et rarfactions de lair devant le haut-parleur. Notons que la membrane est conique et non plane, de sorte que londe sonore se propage dans toutes les directions et pas seulement devant le haut-parleur.

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Le mouvement de la bobine rsulte de la force lectromagntique dite de Lorentz entre le champ magntique de laimant et le courant lectrique qui circule dans la bobine.

De manire gnrale, lorsquun champ magntique est appliqu un fil parcouru par un courant perpendiculairement celui-ci, ce fil ressent une force perpendiculaire la fois au champ magntique et au courant, dont lintensit est proportionnelle la fois lintensit de lun et de lautre. Les trois grandeurs (force, courant et champ magntique) peuvent tre symbolises par les trois doigts de la main droite (pouce, index et majeur) disposs perpendiculairement les uns aux autres (rgle de la main droite).

Imaginons maintenant quun petit courant circule dans le bobinage, de telle sorte que, sur notre dessin, il sorte de la feuille dans la partie suprieure de la bobine et y rentre par le dessous (on voit donc le courant descendre dans la partie de la bobine dessine sur le papier !). Si lon regarde la partie suprieure de cette bobine, elle est soumise un champ magntique du bas vers le haut, toujours orient en effet du ple nord vers le ple sud. En, vertu de lorientation relative de ces deux grandeurs, la force agissant sur la partie suprieure du bobinage sera dirige vers la gauche. Regardons prsent la partie infrieure : le champ magntique est maintenant dirig vers le bas, tandis que le courant rentre dans le plan de la feuille. Les deux grandeurs ayant chang leur orientation, la force changera deux fois la sienne, et donc restera oriente vers la gauche. Imaginons le dispositif trois dimensions, prsentant une symtrie cylindrique, et on comprend que, pour un courant circulant dans un sens, la bobine subira une force donne, et quen inversant le courant nous observerons une force dans le sens oppos, mais dans tous les cas aligne sur laxe de la bobine. Cest lintensit et la frquence du courant qui sont modifies pour faire varier la force, donc lamplitude du mouvement de va-et-vient de la bobine et finalement le son qui en rsulte.

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4. Loue

Loue est la facult de percevoir les sons et dpend dun organe complexe : loreille. Celle-ci se compose de trois parties.

Loreille externe est la partie en contact avec le monde extrieur. Elle se compose du pavillon, la partie visible de loreille, qui concentre les variations de pression dans le conduit auditif vers le tympan. Celui-ci est une membrane semblable celle dun micro ou dun haut-parleur, qui dlimite la frontire de loreille externe et va transmettre les vibrations sonores la partie intrieure de loreille.

Loreille moyenne assure lamplification des variations de pression ressenties par le tympan. Cette amplification est ralise par le mouvement de trois osselets : le marteau, directement reli au tympan, lenclume et ltrier qui est attach la cochle.

Loreille interne se compose de la cochle (ou limaon ) et du nerf auditif. Le canal cochlaire est rempli de liquide et tapiss de fines cellules cilies (environ 20 000). Les vibrations des osselets se propagent dans le liquide et excitent ces cellules ; celles-ci activent leur tour le nerf auditif grce un mcanisme complexe. Celui-ci transmet finalement les informations sonores au cerveau.

Nous observons que la cochle est prolonge par les canaux semi-circulaires : ce sont eux qui sont responsables de lquilibre.

La connaissance des diffrentes parties de loreille permet de mieux comprendre pourquoi il est important de prendre soin de celles-ci. Lorsquon le soumet un bruit trop important, le tympan peut vibrer jusqu un point de rupture,

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provoquant non seulement une gne temporaire dans laudition, mais aussi un accs dangereux pour les infections de loreille moyenne. Plus loin en aval, une intensit sonore trop importante peut entraner la rupture dune partie des cellules ciliaires ; or ces petits btonnets ne se rgnrent pas, et une lsion de ce type est donc irrversible ! On comprend enfin pourquoi les personnes ges perdent une partie de laudition : comme les autres articulations, les jonctions entre les osselets se font progressivement moins souples, et altrent ainsi lamplification des signaux.

5. La courbe audio mtrique

Loreille humaine ne peut entendre les sons produits toutes les frquences ; cette sensibilit est propre lhomme, et dautres espces peuvent percevoir dautres hauteurs de son : ainsi les chiens et les chauves-souris, par exemple, peuvent entendre des sons nettem ent plus haut.

Le diagramme de perception sonore sappelle la courbe audio mtrique. Pour lhomme, elle stend gnralement entre 20 Hz et 20 kHz, mais peut varier dun individu lautre et par ailleurs, on ne peroit pas tous les sons avec la mme facilit. Ainsi, la courbe infrieure reprsente les seuils de perception de loreille humaine en parfait tat aux diffrentes frquences. La courbe suprieure donne les limites

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suprieures de perception : au-del de celle-ci, il y a douleur et/ou destruction dans loreille interne. Entre ces deux courbes, on constate que la sensibilit diffre dune frquence lautre : les mieux perues se situent dans la gamme moyenne entre 1 et 3 kHz, o le seuil avoisine 0 dB. Cest aussi dans cette gamme que la dynamique de sensation est la plus grande, puisque la gamme stend entre 0 et 130 dB. La zone conversationnelle dfinit les sons utiliss pour la communication vocale. Il est vident que la bande passante des appareils tels que le GSM, cest--dire la gamme de frquences qui doivent pouvoir tre transmises, doit se situer dans cette zone. On observe quelle est nettement plus rduite que le champ auditif complet : la perte dune partie du champ auditif peut ainsi ne pas altrer la zone conversationnelle, on dit que le handicap auditif apparat lorsque celle-ci est atteinte.

Les sons graves dont la frquence est infrieure au seuil frquentiel infrieur de perception sont appels infrasons, tandis que les sons aux frquences plus leves que le seuil suprieur de perception sont appels ultrasons. Ce sont ces derniers qui sont utiliss par les chauve-souris pour leur orientation.

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Ce dossier est mis la disposition des enseignants par J. Pire

lAntenne Facultaire pour la Promotion des Sciences (AFPS) de lUCL

http://www.sc.ucl.ac.be/e-mediasciences

Conception et mise au point : Jolle PIRE-VAN GOETHEM, licencie en Physique

Textes, graphisme, mise en page : Damien BERTRAND, assistant en Physique

Photographie, logistique : Philippe BERTRAND, photographe

Informations complmentaires : Benot STOCKBROECKX & Etienne SICARD

J. Pire & e-mediasciences

Juin 2003