Les ondes sonores

Tout élément matériel qui se déplace alternativement engendre une vibration de l'air, se traduisant par des compressions et des dilatations de l'air. Lorsque les modifications de lapression sont suffisantes on observe alors l'apparition d'un son : le son (ou vibration acoustique) est un mouvement des particules d’un milieu élastique de part et d’autre d’une position d’équilibre (position au repos)

Une molécule subit un ébranlement, communiqué de proche en proche aux molécules voisines puis à tout le milieu : c'est la propagation. Pour qu'il puisse y avoir propagation d'une onde acoustique, il faut un milieu matériel : le son ne se propage pas dans le vide.

On distingue deux types d'ondes :

• les ondes longitudinales (dans les fluides tels que l'air, l'eau...) :  le mouvement des particules s'effectue dans le sens de la propagation

• les ondes transverses (dans les solides, le long d'une corde,...) : le mouvement des particules est perpendiculaire au sens de propagation. Ce type d'ondes, s’ajoutant aux ondes longitudinales, est lié à la présence de forces de cisaillement dûes à la structure microscopique de ces éléments du solide.

Les sons

Il existe plusieurs types de sons, déterminées à partir de leur composition en fréquence. La fréquence représente le nombre de fluctuations par secondes. Elle est exprimée en Hertz (Hz). L'oreille est sensible aux sons dont la fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 000 Hz.

• les sons purs : la pression p(t) varie de façon sinusoïdale dans le temps : p(t) = P_max cos(ωt+φ), avec ω = 2πf, la période étant T = 1/f. Un son pur est donc composé d'une seule fréquence f.

• les sons complexes : c'est une somme de sons purs de différentes fréquences, ayant entre elles des rapports particuliers (sons harmoniques) ou non (sons aléatoires).

• Le bruit : on peut définir le bruit comme une variation aléatoire de la pression acoustique (i.e. somme de plusieurs fréquences, combinées aléatoirement). Exemple : le bruit blanc (même énergie à toutes les fréquences), ou le bruit rose (même énergie à toutes les bandes de fréquences). Le bruit est également défini comme phénomène acoustique provoquant une sensation considérée comme gênante ou désagréable.

Grandeurs acoustiques

Pression atmosphérique, pression totale, pression acoustique et pression efficace

Dans le cas d'un son pur, on montre que :

où c₀ est la célérité des ondes acoustiques dans l'air (c₀ = 340 m.s^-1), ρ₀ la masse volumique de l'air et r le rayon de la sphère.

Niveaux sonores

Entre le bruit le plus faible audible (seuil d’audibilité) et le seuil de la douleur, la pression est multipliée par x1000000 !!! Il est donc pratique d'utiliser une autre échelle : les décibels (dB).

Pour représenter les grandeurs acoustiques, on définit :

• Le niveau de pression : C'est la pression après la conversion en décibels. Il correspond à la valeur lue sur un sonomètre.

• Le niveau d'intensité : C'est l'intensité après la conversion en décibels.

• Le niveau de puissance : C'est la puissance après la conversion en décibels.

• Sommation de sources sonores : Il est important de rappeler que les niveaux en décibel ne s'additionne pas. Lorsque deux sources produisent des sons en un point, ce sont les intensités acoustiques (ou les carrés des pressions acoustiques) qui s’ajoutent et non pas les niveaux sonores en décibels (60 dB + 60 dB ≠ 120 dB). En premier recours il est pratique d'utiliser un abaque pour additionner deux niveaux sonores.
  Par exemple pour deux sons identiques de 60 dB (différence de 0 dB entre les deux) on obtient donc 60 dB + 60 dB = 63 dB. Si le niveau sonore du premier son n'est que de 56 dB (4 dB de moins que le second) on obtient 56 dB + 60 dB = 61.5 dB.
  
  Du point de vue mathémathique, le niveau global produit par n source en un point s'obtient par la formule suivant :

dB et dB(A)

L’oreille transforme les pressions acoustiques en sensation auditives. Elle ne perçoit pas de la même manière toutes les fréquences. Entre 20 Hz et 20000 Hz, la sensation d’un son pur de niveau L_p varie en fonction de la fréquence. Dans la zone d’audibilité, la sensibilité est forte entre 500 Hz et 5000 Hz et plus faible pour les sons graves. On a la même sensation pour un son 1000 Hz à 40 dB, un son 125 Hz à 48 dB, et un son 8000 Hz à 48 dB.

Le microphone - qui sert pour les mesures physiques de pression acoustique – a une sensibilité constante quelle que soit la fréquence ou le niveau sonore. Par défaut, il fourni un niveau en dB. Le dB(A) est issu d'une pondération qui a pour objectif d’essayer de tenir compte des variations de la sensibilité de l’oreille en fonction de la fréquence (niveau physiologique).

Le niveau global en dB(A) se calcule de la même façon qu'un niveau global en décibel, mais cette fois-ci en tenant compte de la pondération A :

Même si le dB(A) fourni une bonne indication sur le niveau sonore ressenti par les personnes, il reste un indicateur insufissant  dans de nombreux cas, comme  par exemple la qualification de la gêne des bruits basses fréquences.

Isolation phonique et correction acoustique

Lorsque qu'une onde acoustique rencontre une paroi, trois phénomènes se produisent :

1. la réflexion : Une partie de l'onde rebondie sur la paroi et sa direction de propagation est modifiée.
2. l'absorption : Une partie de l'énergie de l'onde est absorbée par les matériaux constituant la paroi.
3. la transmission : Une partie de l'onde passe à travers la paroi.

L'isolation phonique consiste à diminuer la transmission acoustique, c'est à dire la capacité du bruit à traverser une paroie.

La correction acoustique consiste à modifier le comportement d'un local vis-à-vis des bruits qui y sont émis. Ceci revient souvent à modifier les réflexions et les propriétés d'absorption du local.