Cours 1 : Notions de physique et d'acoustique

Question 1

Qu’est-ce que la pression ?

Answer 1

Force appliquée sur une surface

Question 2

Comment calcule-t-on la pression

Answer 2

p= F/S
où
F = Force
S = Surface

Question 3

Comment l’objet sur lequel une pression s’exerce peut-il réagir et de quoi est-ce que ça dépend?

Answer 3

Peut :

• Se casser
• Se déformer (de manière permanente ou réversible)
• Rester inchangé

Dépend de sa caractéristique d’élasticité

Question 4

Qu’est-ce que l’élasticité ?

Answer 4

Représente l’opposition d’un objet à un changement de volume

Ex : balle en mousse = compresse et tendance à se rouvrir (= opposition au changement)

Question 5

Quels sont les deux termes opposés utilisés pour décrire/caractériser l’élasticité ?

Answer 5

Rigidité : résistance d’une substance aux forces de torsion, de cisaillement, etc., qui tendent à la déformer

Compliance : propriété d’élasticité qui permet à une substance, une structure, de se déformer selon les forces qui s’y appliquent (si on arrête de faire pression, reprendra sa forme)

Question 6

Qu’est-ce que l’énergie ?

Answer 6

Correspond à la possibilité d’effectuer un travail, c-à-d un changement dans un système donné

Question 7

Vrai ou Faux

L’énergie totale d’un système est très variable

Answer 7

FAUX
L’énergie totale d’un système est invariable (LOI DE CONSERVATION DE L’ÉNERGIE), mais celle-ci peut prendre plusieurs formes :
- Énergie cinétique
- Énergie potentielle (comme la balle que le compresse, elle emmagasine de l’É. potentielle - qui fait qu’elle s’ouvre à nouveau)
- Énergie de rayonnement
- Chaleur, etc

Question 8

Comment pourrions-nous décrire le son en termes acoustiques ?

Answer 8

Onde mécanique progressive longitudinale à 3D

• [Onde mécanique progressive] = propagation dans un milieu matériel SANS TRANSPORT DE MATIÈRE
• [Mécanique] = car la perturbation est une déformation du milieu matériel lui-même.
• [Progressive] = car la propagation de la perturbation s’effectue de proche en proche +/- rapidement

Question 9

Vrai ou Faux

La propagation d’une onde s’accompagne toujours d’une propagation d’énergie

Answer 9

VRAI

Question 10

Pourquoi le son doit-il se propager dans un milieu physique (il n’y a pas de son dans le vide) ?

Answer 10

Parce que la propagation d’un son est la propagation d’une onde de compression et de raréfaction dans le milieu (et donc besoin de matière à comprimer et raréfier).

Question 11

De quoi dépend la vitesse d’un son ?

Answer 11

Elle ne dépend que des caractéristiques du milieu.
La vitesse d’un son est un rapport entre l’élasticité (compliance) du milieu et son inertie (sa densité [“rigidité”]).

Elle ne dépend PAS des caractéristiques du son

Question 12

Quelle est la vitesse du son dans l’AIR et dans l’EAU ?

Answer 12

Air = 343 m/s
Eau = 1480 m/s

Question 13

Comment ce fait-il que le son voyage plus rapidement dans l’acier (5600-6200 m/s) que dans le plomb (1200 m/s) ?

Answer 13

Parce qu’il y a une différence au niveau de la densité et de l’élasticité du milieu.
L’acier est plus élastique que le plomb.

Question 14

Quels sont les trois mesures que l’on peut faire d’une onde sinusoïdale (répétition d’une même forme) ?

Answer 14

• L’amplitude (A)
• La période (T) : temps que prend un cycle
• La fréquence (f) : 1/T
  Changement d’intensité avec l’augmentation et la diminution de pression dans le temps

Haute fréquence : cycles très brefs (moins de temps pour faire un cycle)

Question 15

Quelle est l’intervalle de sons audibles chez l’humain “moyen” ?

Answer 15

Variations inter-individuelles et intra-individuelles
Infrasons < 20 Hz - 20 kHz > Ultrasons
(infrasons/ultrasons : terminologie basées sur nous)

Voix : 200 Hz à 4000 Hz
(et ça tombe bien car c’est la zone de fréquence où l’on entend le mieux !)

Question 16

Qu’est-ce qu’une longueur d’onde (λ) ?

Answer 16

Pendant un cycle, l’onde traverse une certaine distance, et c’est ce qu’on appelle la longueur d’onde.

λ = c (= vitesse du son) / f

Plus la fréquence est haute, plus le cycle est court et moins on a de temps, moins loin ira le son.
λ dépend des caractéristiques du SON et du MILIEU

Question 17

Qu’est-ce que l’intensité sonore ?

Answer 17

Pour produire un son, il faut transformer de l’énergie pour produire un travail.
Plus l’énergie est élevée, plus la vibration a une grande intensité

= Puissance (pression) par unité de surface : W/m2

Question 18

Pourquoi l’intensité d’un son a-t-elle tendance à diminuer avec la distance ?

Answer 18

• À cause de la friction entre les atomes qui entraine une perte d’énergie (transformation en chaleur)
• Parce que la même énergie doit faire bouger des masses d’air de plus en plus grandes (sphère qui va en s’agrandissant) [pression par unité de surface]

Question 19

Qu’est-ce que l’énergie acoustique (E_a) et les deux mesures de niveau sonore (intensité d’un son) ?

Answer 19

Énergie acoustique : énergie mécanique qui est transmise sous forme d’un son

Niveau sonore (intensité d’un son) :

• Pression acoustique (P_a)
• Intensité acoustique (I_a)
• • Notion de force du son, mais pas de la même façon**

Question 20

Je suis la valeur efficace, sur un intervalle de temps donné, de l’amplitude de la variation rapide de la pression atmosphérique qui cause une impression sonore.
Qui suis-je ?

Answer 20

PRESSION ACOUSTIQUE (P_a)
Donc une variation rythmé de certaines fréquences de cette pression sur notre tympan.
Un son dans la bonne fréquence (normalement audible) mais trop faible (pas suffisamment de pression) ne pourra être perçu.
C’est ce qu’on utilise le plus dans notre pratique.

L’unité SI pour la pression est le pascal [Pa] (= N/m2)

Question 21

Qu’est-ce que le seuil d’audition en pression acoustique ?

Answer 21

Seuil d’audition : seuil de l’amplitude d’un son (besoin d’une certaine pression pour l’entendre).
Seuil audible = 20 μPa (0.00002 Pa)
Seul de la douleur = 200 Pa
**Différence entre les 2 de 10^7

Question 22

Qu’est-ce que l’intensité acoustique (I_a) et quel est son seuil d’audition ?

Answer 22

C’est la puissance transportée par les ondes sonores dans une direction donnée, par unité de surface perpendiculairement à cette direction.
(Intensité = travail - énergie transmise qui arrive perpendiculaire sur notre tympan)

L’unité SI pour l’intensité est le watt par mètre carré
Seuil audible : 10^-12 W/m2
Seuil de la douleur : 100 W/m2
**Différence entre les 2 de 10^14

Question 23

Quelque soit l’unité ou la façon utilisée pour calculer la force d’un son dont on parle, il va y avoir une différence très importante entre le seuil d’audition et de la douleur.
Qu’avons-nous fait pour remédier à ce problème ?

Answer 23

Intensité et pression acoustiques ont des valeurs qui varient considérablement (l’intensité minimale d’un son que nous percevons est 10.000.000.000.000 fois plus faible que le seuil de la douleur auditive)

Utilise une échelle logarithmique de base 10 pour évaluer l’intensité ou la pression acoustique, le Bel, et pour des raisons pratiques, on utilise le dB.

Concrètement :
14 unités pour donner seuil de puissance = 140 dB
7 unités pour donner seuil de pression = 70 dB

On a pas tous le même seuil…ça change l’intensité sonore perçue !
Intensité/Pression acoustiques perçue est différente de celle qui est émise (parce que le système n’est pas le même entre nous !)
Important car en audiométrie, on mesure ce qu’on entend

Question 24

Comment fonctionne le dB et quelles sont les valeurs de référence pour l’intensité et la pression acoustique ?

Answer 24

Il s’agit de deux systèmes différents (intensité vs pression) et on veut les ramener sur une même échelle afin de pouvoir les comparer au besoin.
Le dB est un rapport entre 2 valeurs, la valeur mesurée et une valeur de référence (ici, valeur du seuil audible).

Valeurs de seuil audible :
I_a-ref = 10^-12 W/m2
P_a-ref = 2x10^-5 Pa

Donc :
I_a = 10log_10(I_a/I_a-ref) en dB IL (“intensity level”)
P_a = 20log_10(P_a/P_a-ref) en dB SPL (“Sound pressure level”)
[20 plutôt que 10 parce que P_a 2x I_a]

Ainsi :
Seuil d’audition = I_a ET P_a = 0
Voix parlée = I_a ET P_a = 60
(voir diapo 20 pour des exemples avec une fréquence de 1 000Hz)

Question 25

Vrai ou Faux

Il y a toujours une correspondance entre dB IL et dB SPL, cela dépend de ce que l’on mesure, mais la valeur est la même.

Answer 25

VRAI

Question 26

Vrai ou Faux

Un son de 0 dB signifie qu’il n’y a aucun son

Answer 26

FAUX

Un son de 0 dB ne signifie pas qu’il n’y a pas de son, mais que celui-ci est égal à la pression de référence qui correspond au seuil de l’audition.

Question 27

Que ce passe-t-il si :

a) la pression d’un son double
b) la pression d’un son est multipliée par 10
c) si l’intensité d’un son double
d) si l’intensité d’un son est multipliée par 10

Answer 27

a) il augmente de 6 dB SPL
b) il augmente de 20 dB SPL
c) elle augmente de 3 dB IL
d) elle augmente de 10 dB IL

Question 28

En gardant en tête que l’amplitude d’un son diminue avec la distance puisque l’énergie se disperse sur une sphère et que la surface d’une sphère augment avec le carré de son rayon:
Qu’arrive-t-il au niveau de pression acoustique et d’intensité acoustique lorsqu’on se trouve dans un milieu homogène, dans des conditions de champ libre (c-à-d qu’il n’y a pas de réflexion sur les murs) et que la distance depuis la source est multipliée par deux ?

Answer 28

La pression se divise par deux et l’intensité acoustique, proportionnelle au carré de la pression, se divise par quatre.
P_a diminue de 6 dB
I_a diminue de 3 dB

Question 29

Que se passe-t-il si la P_a d’un son diminue de :

a) 50%
b) 90%
c) 99%
d) 99.9%

Answer 29

a) elle diminue de 6 dB SPL
b) elle diminue de 20 dB SPL
c) elle diminue de 40 dB SPL
d) elle diminue de 60 dB SPL

Question 30

Vrai ou Faux

L’addition de sources sonores se calcule simplement par une addition de dB

Answer 30

FAUX !!!!

Ex: 2 hauts-parleurs de 90 dB chacun, donneront un son de pression acoustique de 96 dB.
Si on en met 10, nous aurons à peine 110 dB

Question 31

Vrai ou Faux

La perception sonore diffère selon la fréquence

Answer 31

VRAI

voir diapo 25

Question 32

Lorsque le milieu n’est pas homogène, il y a transfert d’énergie d’un milieu à un autre, mais ce n’est pas simple.
Quand une onde sonore arrive à l’interface entre 2 milieux, il peut y avoir 4 scénarios. Lesquels ?

Answer 32

L’onde sonore peut être :

1) absorbée : mur subit la pression mais ne la laisse pas passer - milieu souple (densité faible) et peu élastique
2) réfléchie : tape sur le mur et revient - milieu très rigide et un peu élastique (double source sonore)
3) transmise : milieu différent mais transmet, partie de cette énergie traverse et sera transmise
4) diffractée : modification de l’amplitude du au fait que le milieu n’est pas complet (partie de la transmission qui se fait en “contournant” l’objet) - ex : trou de serrure

Question 33

Que veut-on dire lorsqu’on dit que l’énergie est absorbée ?

Answer 33

L’énergie est généralement dissipée sous forme de chaleur.
Les milieux les plus absorbants sont des matières molles déformables qui sons souvent utilisées comme isolants acoustiques
Ex : laine de verre, mousse en “bte d’œufs”

Question 34

Que se passe-t-il lorsque l’interface sur lequel arrive une onde sonore est très dure et non déformable ?

Answer 34

Le son sera réfléchi, comme une image dans un miroir selon un angle différent que l’angle d’origine.
Les ondes incidentes et réfléchies vont interagir en se renforçant ou s’amenuisant l’une l’autre.
L’écho est une onde réfléchie :
* Surface dure qui renvoie la voix
* Doit être certaine distance (sinon, on entend en même temps)

Les ondes dans les couleurs sont beaucoup réfléchies (augmentation de l’amplitude)

Question 35

Comment fonctionne la transmission d’un son entre deux milieux ?

Answer 35

Dépend de l’impédance des milieux

Impédance = opposition d’un milieu au transfert d’énergie
L’impédance dépend de deux caractéristiques du milieu : la résistance et la réactance - plus les 2 milieux ont une impédance différente, plus il y aura de perte d’énergie à leur interface (si pas de changement entre les 2 milieux, il n’y aura pas de changement).

La proportion de l’énergie transmise
x = (4Za*Zb)/(Za + Zb)^2
Ex : Zair = 415 Nm^-3 Zeau = 1500000 Nm^-3
Slmt 0.001 de l’énergie est transmise, le reste est réfléchi (ici, l’absorption est négligeable)
Ceci représente une perte de 99.9% de l’énergie soit 60 dB SPL

Question 36

Qu’est-ce que la diffraction ?

Answer 36

Capacité d’une onde à contourner un obstacle ou à passer dan une fente.
Grâce à ce phénomène que nous pouvons entendre un son émis derrière un obstacle.
Il faut que l’obstacle ou la fente soit de taille relativement petite et cela dépend de la longueur d’onde.
Si la longueur d’onde est 5 fois plus grande que l’obstacle, elle traversera sans être perturbée, sinon elle sera absorbée, réfléchie ou transmise dans des proportions qui dépendent des caractéristiques des milieux (cause une diminution de l’amplitude car une bonne partie de la pression est arrêtée par l’obstacle)
Basses fréquences passent bien et traversent tout
C’est ce dont se sert notre oreille pour calculer, entre autre, d’où vient le son.

Question 37

Qu’est-ce que la résonance ?

Answer 37

Nécessite 2 systèmes physiques qui peuvent vibrer.
Le premier en vibrant fournit l’énergie au deuxième qui entre alors en vibration mais avec la même fréquence que le premier.
Pour que ce transfert d’énergie soit optimal, il faut que la vibration du 1er système soit aussi proche que possible de la fréquence de résonance du 2ème système.
Les 2 systèmes ne se touche pas, mais doivent être relativement proche car sinon, perte d’énergie trop importante (passe par plusieurs milieux [solide-air-solide])

Question 38

Chaque système a une fréquence de résonance. Celle-ci dépend d’une des composantes de l’impédance. Laquelle ?

Answer 38

La réactance

Question 39

Qu’est-ce que la réactance ?

Answer 39

L’une des deux composantes de l’impédance.
Alors que la résistance d’un milieu au transfert d’énergie dépend des forces de frottements entre les molécules du milieu, la réactance est la capacité du milieu d’emmagasiner l’énergie en tant qu’énergie potentielle et dépend de la masse et de l’élasticité du milieu.
Réactance totale (Rt) = réactance de masse (Rm) - réactance de compliance (Rc)
Les deux dépendent de la fréquence du son

Question 40

Comment fonctionne la réactance ?

Answer 40

La réactance de masse (Rm) tend à augmenter avec la fréquence du son, la réactance de compliance (Rc) diminue avec l’augmentation de fréquence.
Il existe une fréquence, caractéristique de chaque milieu où Rm = Rc et donc Rt = 0 , et c’est la fréquence de résonance (voir démo ppt 37).
Ex : pont de Tacoma
Si Rt = 0, ne va pas résister au transfert d’énergie et celui-ci sera fait complètement.
Fréquence de résonance = c’est la fréquence où il n’y a pas la capacité de résister au transfert d’énergie et où il y aura donc un transfert d’énergie facilité.
Notre oreille interne fonctionne selon ce principe

Question 41

Plus la fréquence de la vibration du 1er système est proche de la fréquence de résonance du second, plus il y a ________________ de l’intensité de la vibration transmise.

Answer 41

AUGMENTATION

Question 42

Qu’est-ce qu’un son pur et qu’est-ce qu’un son complexe ?

Answer 42

Son pur = ne contient qu’une seule fréquence
Son complexe = contient plusieurs sons purs
(l’oreille fait la décomposition de Fourier et transmet les sons purs)

Question 43

Quelle est la théorie élaborée par Fourier ?

Answer 43

Dit que tout son est formé de la somme d’un certains nombre de sons purs et ses équations permettent d’analyser n’importe quel son et de le décomposer en ses composantes = transformation de Fourier

Question 44

Qu’est-ce qu’un son harmonique ?

Answer 44

Son complexe composé de sa fondamentale [f0] (fréquence la plus basse du spectre des fréquences) et de multiples entiers de la fondamentale, f0, f1, f2, f3, etc
Si la f0 = 100 Hz, les harmoniques sont 200 Hz, 300 Hz
Tout son, dans la vraie vie, est complexe

Question 45

Qu’est-ce que le timbre ?

Answer 45

À fréquence identiques, les sons émis par deux instruments différents ne résonnent pas de la même manière. Chacun se caractérise par son timbre, qui permet de l’identifier.
Aucun son naturel n’est réellement simple : il résulte de la combinaison d’un son principal (f0), qui fixe la fréquence perçue par l’oreille et d’un grand nombre de ses harmoniques dont les amplitudes relatives déterminent le timbre.
Les caisses de résonance des instrument sont pour beaucoup dans la richesse du timbre - c’est ainsi pour les résonateurs que sont le pharynx, les cavités buccale et nasales.

Question 46

Comment représente-t-on la parole en acoustique ?

Answer 46

C’est un signal acoustique complexe.
Non seulement elle contient un grand nombre de “tons purs” mais l’intensité et les fréquences sont modulées selon l’axe temporel.
Une simple analyse de Fourier n’est pas significative car elle représenterait seulement un instantané de la parole.
Afin de la représenter, nous utilisons classiquement une “image” de la voix sous forme de spectrogramme.
(le temps est représenté en abscisse, la fréquence en ordonnée, l’amplitude en densité de noir ou en couleur)