Dossier physique n 1 Niveau 6 Scienceinfuse Les ondes sonores extrait du dossier «Plus besoin de fil ni de branchement pour téléphoner» Joëlle Pire Formation continue 2003 CECAFOC Faculté des Sciences Document téléchargeable Joëlle Pire 2003 1
Avant-Propos Ce dossier didactique est un extrait d un dossier plus large, qui explique le fonctionnement du GSM et des technologies qui lui sont associées. Il est conçu de manière à permettre la compréhension globale des phénomènes sonores, en principe sans pré requis ni connaissance préalable en physique. On introduit ainsi la notion d onde, qui sera nécessaire également pour la compréhension des phénomènes électromagnétiques (ceux-ci font l objet d un autre dossier). Les termes habituellement utilisés mais parfois galvaudés tels que la «hauteur d un son», son «timbre» et bien d autres encore, sont replacés en contexte et précisément définis. Y sont également expliqués les fonctionnements de l oreille, ainsi que des haut-parleurs, éléments essentiels de l émission et la réception des messages. La réalisation de ce dossier résulte d un minutieux rassemblement d informations réalisé par Joëlle Pire, travail de recherche complété par le remaniement des images et l organisation de ces informations en un dossier multimédia cohérent, disponible sur le site Internet de e-mediasciences. Le retraitement graphique, la rédaction du présent document et la mise en page sont de Damien Bertrand. Avant-Propos.1 1. Qu est-ce qu une onde?..3 2. Les ondes sonores.5 3. La production d un son : le haut-parleur..7 4. L ouïe.9 5. La courbe audiométrique.10 Joëlle Pire 2003 2
Le son Qu est-ce que le son? Attaquons d emblée par une définition scientifique rigoureuse, qui introduit également un élément de comparaison : Le son est la partie audible du spectre des vibrations acoustiques. La lumière est la partie visible du spectre des vibrations électromagnétiques. Le son et la lumière peuvent donc tous les deux être décrit comme étant des ondes. Ce chapitre sera divisé en quatre parties. La première décrira ce qu est une onde, le vocabulaire qui lui est associé et les propriétés essentielles associées aux phénomènes ondulatoires. Nous décrirons alors plus en détail les ondes sonores, en introduisant un émetteur de son bien connu : le haut-parleur. Les différents sons seront alors présentés, puis dans la dernière partie nous décrirons brièvement notre récepteur : l oreille et l ouïe. Entendu? Alors on y va 1. Qu est-ce qu une onde? Qui n a jamais lancé des cailloux dans un étang et regardé avec admiration s étendre 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 l étang sont des ondes. Regardons alors le flotteur rouge attaché au fil du pêcheur assis sur l autre rive (et oublions son regard furieux en voyant les garnements lancer ces cailloux!) : on constate que le bouchon monte et descend au gré des vagues qui passent, mais sa position sur la surface de l eau ne se modifie pas. Nous sommes amenés à la constatation suivante, qui définira précisément ce qu est une onde : Une onde est la propagation d une perturbation (on dit parfois un ébranlement ) sans déplacement net de matière. En effet, la surface de l eau est bien animée d un mouvement d oscillation du haut vers le bas, mais après le passage de la vague la surface reprend sa forme initiale, et l observation du bouchon ou des nénuphars montre que l eau ne s est pas Joëlle Pire 2003 3
déplacée : c est la vague elle-même, c est à dire l information associée au mouvement de haut en bas, qui s est déplacée du «plouf!» vers le bord. Une onde semblable aux vagues sur un étang est appelée transversale : la déformation s effectue dans la direction perpendiculaire à son déplacement. Une autre manière de visualiser une onde transversale est l ébranlement d une corde tendue dont une extrémité est fixée au mur : on voit nettement la perturbation se diriger vers le mur, et même rebondir sur celui-ci et revenir à sa source ; au final la corde ne s est pas déplacée! D autres ondes peuvent être produites en imposant une perturbation dans la direction même de sa propre propagation : on parle alors d onde longitudinale. On peut par exemple observer celles-ci en tendant horizontalement un long ressort souple fixé à un mur et en pinçant quelques spires de celui-ci : lorsqu on les lâche, cette compression se propage vers le mur et revient. Afin d introduire les paramètres essentiels d une onde, nous allons représenter une onde transversale ; ces définitions sont bien entendu identiques pour les ondes longitudinales. La hauteur A entre la position de repos et le point maximal d ébranlement est appelée amplitude. On nomme parfois front d onde le passage par un maximum, c est à dire le «sommet de la vague». La fréquence f est le nombre de fois qu un même phénomène se répète en une seconde ; alternativement on peut donner la période T, qui est le temps séparant deux stades identiques d un ébranlement ondulatoire 1 : période et fréquence sont ainsi l inverse l une de l autre. Nous appellerons encore longueur d onde l la distance séparant deux fronts successifs de l onde. On montre aisément que la vitesse de déplacement de l onde est le produit de la longueur d onde par la fréquence : v = l f. 1 Notons que deux stades identiques doivent présenter la même amplitude et la même pente : ainsi lorsqu on choisit de calculer la période à partir des passages successifs par la position initiale, il faut bien compter le temps qui s écoule entre deux passages par zéro en flanc montant ou en flanc descendant, sous peine de ne compter qu une demi-période. Le plus simple est finalement de considérer les maxima ou les minima Joëlle Pire 2003 4
2. Les ondes sonores Comme nous l avons déjà évoqué plus haut, le son est une onde. Deux manières permettent de le remarquer : d une part si on place la main devant sa bouche lorsqu on parle, on peut parfois ressentir l air vibrer ; d autre part si on cogne un diapason avec un petit marteau puis qu on approche le manche de celui-ci d une branche du diapason, on entend celui-ci vibrer. Si le son est une onde, cela signifie donc notamment qu on pourra le caractériser par une fréquence. Mais qu est-ce qui oscille, au juste? En fait l onde sonore est une variation de la pression de l air : il s agit d une onde longitudinale (identique à la propagation d une perturbation le long d un ressort) que l on peut caractériser par la pression acoustique. Dans l ensemble l air se trouve à la pression atmosphérique, mais lorsqu il est sollicité par une onde sonore il peut localement voir sa pression augmenter (on parle alors de compression) ou diminuer (ce que l on nomme raréfaction). Bien que les définitions habituelles des propriétés des ondes s appliquent également aux ondes sonores, celles-ci sont généralement complétées par d autres notions propres 2. La hauteur du son est liée à sa fréquence, exprimée en hertz (Hz) : un son aigu présente une haute fréquence tandis qu un son grave est de basse fréquence. Rappelons qu à une haute fréquence, c est à dire un nombre élevé de répétitions du même motif par seconde, correspond forcément une courte période, et vice-versa. Une fréquence de référence bien connue est celle, par exemple, de la sonnerie téléphonique ou du diapason de musicien : il s agit du la majeur, dont le fréquence est de 440 Hz. Cela signifie qu une tranche d air oscille 440 fois par seconde, ce qui explique pourquoi on ne peut voir l air osciller 2 Notons que les schémas qui illustrent les définitions présentées représentent des ondes transversales alors que les ondes sonores sont longitudinales. Puisqu il est difficile de représenter graphiquement ces dernières, nous avons simplement représenté l analyse d un son au moyen d appareils électroniques, par exemple une mesure de la vibration de la membrane d un micro. Joëlle Pire 2003 5
Son pur aigu : f=3000 Hz Son pur grave : f= 300 Hz L intensité du son est définie par l amplitude de l onde sonore qui lui est associée. Elle est habituellement exprimée en décibels (db), où 1dB correspond au rapport entre l intensité absolue et A titre d information, la table suivante présente l intensité de certains sons de la vie quotidienne. Son fort et son faible Le timbre d un son est lié à la forme de l onde elle-même. En effet, nous avons l habitude de décrire les ondes au moyen de courbes parfaitement uniformes, présentant la forme d une sinusoïde parfaite. Ce sont alors des sons purs. La réalité est bien plus complexe, et les sons que l on entend résultent de la superposition de plusieurs ondes. Ainsi un son musical présente la même fréquence dite fondamentale qu un son pur, à laquelle s ajoutent des ondes de fréquences qui sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale, appelées harmoniques. La présence éventuelle de ces fréquences harmoniques (certains sons peuvent en contenir un nombre impressionnant!) et leur importance relative caractérisent le timbre de la voix ou d un instrument, et expliquent pourquoi le piano présente un son différent de la trompette. Enfin, un bruit est aussi un son, mais pour lequel on ne peut identifier de fréquence caractéristique. Le son se déplace dans l air à une vitesse approximative de 340 m/s ; il est nettement plus rapide dans les liquides (1200 m/s), puisque les molécules du liquide sont plus proches et transmettent mieux les ondes ; dans les solides il est encore plus rapide et peut atteindre 5000 m/s. Joëlle Pire 2003 6
3. La production d un son : le haut-parleur Le haut-parleur est probablement l appareil qui permet le mieux de visualiser la génération d un son. Son principe est simple : par le mouvement de va-et-vient répété d une membrane, l engin crée des compressions et des raréfactions de l air et réalise ainsi précisément une onde sonore. En se déplaçant ainsi d avant en arrière au rythme su signal électrique, la voix ou la musique est recréée avec plus ou moins de fidélité. A. Aimant circulaire B & D. Pièce polaire C. Noyau central F. Bobine mobile G. Membrane conique I & J. Suspensions de la bobine et de la membrane Un haut-parleur est constitué de trois parties essentielles : Un aimant à symétrie cylindrique (A), qui crée un champ magnétique radial très intense dans l entrefer (B & D), c est-à-dire entre le cylindre extérieur et la pièce métallique centrale ; Une bobine mobile (F) parcourue par un courant, capable de coulisser le long de la partie centrale, autour de laquelle elle est enroulée ; Une membrane (G) solidaire de la bobine mobile, qui va donc suivre le mouvement de cette dernière et réaliser les compressions et raréfactions de l air devant le hautparleur. Notons que la membrane est conique et non plane, de sorte que l onde sonore se propage dans toutes les directions et pas seulement devant le haut-parleur. Joëlle Pire 2003 7
Le mouvement de la bobine résulte de la force électromagnétique dite de Lorentz entre le champ magnétique de l aimant et le courant électrique qui circule dans la bobine. De manière générale, lorsqu un champ magnétique est appliqué à un fil parcouru par un courant perpendiculairement à celui-ci, ce fil ressent une force perpendiculaire à la fois au champ magnétique et au courant, dont l intensité est proportionnelle à la fois à l intensité de l un et de l autre. Les trois grandeurs (force, courant et champ magnétique) peuvent être symbolisées par les trois doigts de la main droite (pouce, index et majeur) disposés perpendiculairement les uns aux autres (règle de la main droite). Imaginons maintenant qu un petit courant circule dans le bobinage, de telle sorte que, sur notre dessin, il sorte de la feuille dans la partie supérieure de la bobine et y rentre par le dessous (on «voit» donc le courant descendre dans la partie de la bobine dessinée sur le papier!). Si l on regarde la partie supérieure de cette bobine, elle est soumise à un champ magnétique du bas vers le haut, toujours orienté en effet du pôle nord vers le pôle sud. En, vertu de l orientation relative de ces deux grandeurs, la force agissant sur la partie supérieure du bobinage sera dirigée vers la gauche. Regardons à présent la partie inférieure : le champ magnétique est maintenant dirigé vers le bas, tandis que le courant rentre dans le plan de la feuille. Les deux grandeurs ayant changé leur orientation, la force changera deux fois la sienne, et donc restera orientée vers la gauche. Imaginons le dispositif à trois dimensions, présentant une symétrie cylindrique, et on comprend que, pour un courant circulant dans un sens, la bobine subira une force donnée, et qu en inversant le courant nous observerons une force dans le sens opposé, mais dans tous les cas alignée sur l axe de la bobine. C est l intensité et la fréquence du courant qui sont modifiées pour faire varier la force, donc l amplitude du mouvement de va-et-vient de la bobine et finalement le son qui en résulte. Joëlle Pire 2003 8
4. L ouïe L ouïe est la faculté de percevoir les sons et dépend d un organe complexe : l oreille. Celle-ci se compose de trois parties. L oreille externe est la partie en contact avec le monde extérieur. Elle se compose du pavillon, la partie visible de l oreille, qui concentre les variations de pression dans le conduit auditif vers le tympan. Celui-ci est une membrane semblable à celle d un micro ou d un haut-parleur, qui délimite la frontière de l oreille externe et va transmettre les vibrations sonores à la partie intérieure de l oreille. L oreille moyenne assure l amplification des variations de pression ressenties par le tympan. Cette amplification est réalisée par le mouvement de trois osselets : le marteau, directement relié au tympan, l enclume et l étrier qui est attaché à la cochlée. L oreille interne se compose de la cochlée (ou «limaçon») et du nerf auditif. Le canal cochléaire est rempli de liquide et tapissé de fines cellules ciliées (environ 20 000). Les vibrations des osselets se propagent dans le liquide et excitent ces cellules ; celles-ci activent à leur tour le nerf auditif grâce à un mécanisme complexe. Celui-ci transmet finalement les informations sonores au cerveau. Nous observons que la cochlée est prolongée par les «canaux semicirculaires» : ce sont eux qui sont responsables de l équilibre. La connaissance des différentes parties de l oreille permet de mieux comprendre pourquoi il est important de prendre soin de celles-ci. Lorsqu on le soumet à un bruit trop important, le tympan peut vibrer jusqu à un point de rupture, Joëlle Pire 2003 9
provoquant non seulement une gêne temporaire dans l audition, mais aussi un accès dangereux pour les infections de l oreille moyenne. Plus loin en aval, une intensité sonore trop importante peut entraîner la rupture d une partie des cellules ciliaires ; or ces petits bâtonnets ne se régénèrent pas, et une lésion de ce type est donc irréversible! On comprend enfin pourquoi les personnes âgées perdent une partie de l audition : comme les autres articulations, les jonctions entre les osselets se font progressivement moins souples, et altèrent ainsi l amplification des signaux. 5. La courbe audio métrique L oreille humaine ne peut entendre les sons produits à toutes les fréquences ; cette sensibilité est propre à l homme, et d autres espèces peuvent percevoir d autres 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 s appelle la courbe audio métrique. Pour l homme, elle s étend généralement entre 20 Hz et 20 khz, mais peut varier d un individu à l autre et par ailleurs, on ne perçoit pas tous les sons avec la même facilité. Ainsi, la courbe inférieure représente les seuils de perception de l oreille humaine en parfait état aux différentes fréquences. La courbe supérieure donne les limites Joëlle Pire 2003 10
supérieures de perception : au-delà de celle-ci, il y a douleur et/ou destruction dans l oreille interne. Entre ces deux courbes, on constate que la sensibilité diffère d une fréquence à l autre : les mieux perçues se situent dans la gamme moyenne entre 1 et 3 khz, où le seuil avoisine 0 db. C est aussi dans cette gamme que la dynamique de sensation est la plus grande, puisque la gamme s étend entre 0 et 130 db. La zone conversationnelle définit les sons utilisés pour la communication vocale. Il est évident que la bande passante des appareils tels que le GSM, c est-à-dire la gamme de fréquences qui doivent pouvoir être transmises, doit se situer dans cette zone. On observe qu elle est nettement plus réduite que le champ auditif complet : la perte d une partie du champ auditif peut ainsi ne pas altérer la zone conversationnelle, on dit que le handicap auditif apparaît lorsque celle-ci est atteinte. Les sons graves dont la fréquence est inférieure au seuil fréquentiel inférieur de perception sont appelés infrasons, tandis que les sons aux fréquences plus élevées que le seuil supérieur de perception sont appelés ultrasons. Ce sont ces derniers qui sont utilisés par les chauve-souris pour leur orientation. Joëlle Pire 2003 11
Ce dossier est mis à la disposition des enseignants par J. Pire à l Antenne Facultaire pour la Promotion des Sciences (AFPS) de l UCL http://www.sc.ucl.ac.be/e-mediasciences Conception et mise au point : Joëlle PIRE-VAN GOETHEM, licenciée en Physique Textes, graphisme, mise en page : Damien BERTRAND, assistant en Physique Photographie, logistique : Philippe BERTRAND, photographe Informations complémentaires : Benoît STOCKBROECKX & Etienne SICARD J. Pire & e-mediasciences Juin 2003 Joëlle Pire 2003 12