Sunetul este o vibrație mecanică a unui fluid , care se raspandeste sub forma undelor longitudinale Gratie deformarea elastică a acestui fluid. Ființele umane, ca multe animale , experimentează această vibrație prin simțul auzului .
De Acustica este știința care studiază sunetele; a Psihoacustice studiile modul în care organele ale corpului uman sentimentul și omul percepe și interpretează sunete.
Într-un mediu fluid comprimabil, o variație de presiune se propagă sub forma unei unde . Sunetul nu se propagă în vid : este nevoie de materie, astfel încât vibrația sa să se poată propaga în unde sonore. Aer , în care trăiesc oamenii, este un mediu favorabil, precum și modificări ale presiunii aerului constituie un sunet. Amplitudinea variației de presiune este mică în comparație cu statică presiunea ( presiunea atmosferică ); pentru a fi perceptibil, trebuie să fie suficient de rapid și repetat.
O sursă de sunet este un obiect care vibrează, cum ar fi un instrument muzical sau un difuzor , care provoacă vibrații ale aerului. Perturbarea se propagă, dar particulele de aer oscilează doar cu câțiva micrometri în jurul unei poziții stabile, în același mod ca atunci când arunci o piatră în apă, valurile se îndepărtează de punctul de cădere, dar apa rămâne în același loc, se mișcă doar pe verticală și nu urmează valurile (un dop pus pe apă rămâne în aceeași poziție fără să se miște). În fluide, unda sonoră este longitudinală, adică particulele vibrează paralel cu direcția de deplasare a undei.
Solid , în vibrant , poate transmite un sunet. Vibrația se propagă acolo, la fel ca în fluide, cu o oscilație slabă a atomilor în jurul poziției lor de echilibru, rezultând o tensiune a materialului, echivalentă cu presiunea dintr-un fluid, dar mai dificil de măsurat. Rigiditatea materialului permite transmiterea undelor de stres transversale. De asemenea, deși într-o măsură mai mică, vâscozitatea unui fluid poate modifica, în special în condiții extreme, ecuațiile de propagare calculate pentru un gaz ideal .
Viteza sunetului sau vitezei sunetului depinde de natura, temperatura și presiunea mediului de .
Modelul matematic al gazului ideal oferă un rezultat aproximativ pentru propagarea în aer uscat. Rezultă o formulă în care viteza este proporțională cu rădăcina pătrată a temperaturii absolute, în Kelvins :
Pentru temperaturile obișnuite din locurile locuite, formula
unde este temperatura în grade Celsiuspermite un calcul rapid. Rezultatul acestor două aproximări se abate cu mai puțin de 1 m / s de la viteza sunetului în aerul uscat la presiunea atmosferică normală între -25 și +35 ° C calculată mai precis.
Asimilarea aerului uscat la un gaz ideal are ca rezultat discrepanțe cu valorile măsurate, în special la presiune ridicată și la temperatură scăzută. Calcule mai precise sau valide pe o gamă mai largă trebuie să ia în considerare relațiile mai complexe care există în gazul real .
Umiditatea aerului crește ușor viteza sunetului. Aerul fierbinte poate reține mai mulți vapori de apă; variație, exponențială este insensibil sub 10 ° C . La 30 ° C , viteza sunetului în aer la 85% umiditate relativă este cu 2 m / s mai mare decât în aerul uscat.
Variația vitezei sunetului în aer are uneori o importanță practică considerabilă. În acustică muzicale , această viteză determină frecvența de undei sonore care iese dintr - o țeavă rezonează ca o țeavă de organe . În laboratoare, măsurarea vitezei sunetului în diferite condiții este o modalitate de a accesa caracteristicile unui material.
Viteza sunetului crește:
În apă , atât mult mai densă, cât și mult mai puțin compresibilă decât aerul, viteza sunetului este de aproximativ 1.500 m s -1 . În alte setări, vibrațiile se pot răspândi și mai repede. În oțel , vibrațiile se propagă de la 5600 la 5900 m s −1 .
Puterea unei unde sferice este distribuită peste o sferă, a cărei zonă este proporțională cu pătratul razei. Ca urmare, puterea sonoră pe unitate de suprafață scade proporțional cu pătratul distanței până la sursă, dacă nu există obstacole care deviază sunetul.
De cele mai multe ori, atenuarea absorbției în mediul de propagare variază în funcție de frecvență . În aer, la 500 m , amplitudinea unei unde la 8000 Hz este de zece ori mai slabă decât o undă la frecvență joasă. Se cunosc doar anumite cauze. Vâscozitatea aerului determină o atenuare proporțională cu pătratul frecvenței; schimburile de căldură determină o atenuare suplimentară, proporțională cu frecvența și variabilă în funcție de compoziția aerului, în special în funcție de umiditatea acestuia. Măsurarea arată o atenuare suplimentară care nu a fost încorporată în modelele teoretice.
Studiul propagării într-un loc dat se realizează din presiunea sonoră , care exprimă puterea sonoră. Este adesea exprimată în decibeli în raport cu limita perceptivă sau din intensitatea acustică , care exprimă cantitatea și direcția puterii care este transferată de vibrația mediului. Construim astfel un model matematic al câmpului acustic.
Condițiile atmosferice și meteorologice influențează propagarea acustică locală și pe distanțe lungi.
Pentru a prezice propagarea sunetului, este necesar să se cunoască temperatura medie, dar și structura termică și higrometria masei de aer traversate, precum și direcția vântului.
Prezența picăturilor de apă în atmosferă, cum ar fi în nori și ceață, cum ar fi cristalele de gheață, în condiții de zăpadă schimbă semnificativ propagarea sunetului. Rezultă o scădere și o dispersie a vitezei și o atenuare cu atât mai marcată cu cât frecvența este scăzută.
În medii eterogene, sunetul suferă reflexii și refracții pe interfețe, ceea ce duce la difuzii și absorbții care stau la baza izolației fonice .
Viteza sunetului poate fi rotunjită la un kilometru la fiecare trei secunde pentru a calcula destul de ușor, deși aproximativ, distanța dintre observator și un fulger în timpul unei furtuni . Într-adevăr, blițurile sunt suficient de apropiate încât să ne putem gândi să percepem lumina instantaneu. Fiecare perioadă de trei secunde pe care trebuie să o aștepți pentru a auzi tunetul este, prin urmare, de aproximativ un kilometru. Astfel, pentru o așteptare de 8 secunde, distanța care separă observatorul de bliț este de 8 × 340 = 2720 m ; sau, mai simplu, 2 kilometri două treimi.
Având în vedere metoda de estimare, mai multă precizie este iluzorie. Chiar și fără a lua în considerare timpul de reacție uman (dacă s-a numărat, de exemplu, timpul scurs pe o înregistrare video), este puțin probabil ca într-o atmosferă deranjată de vânturi puternice și diferențe considerabile de temperatură și umiditate, unde sonore să călătorească întotdeauna într-o linie dreaptă și cu aceeași viteză.
Orice ființă vie dotată cu un auz poate defini un spectru sonor ; multe specii folosesc sunetul pentru comunicarea dintre indivizi. Gama de frecvențe sonore variază în funcție de specie. În timp ce oamenii aud sunete de până la aproximativ 15 kHz , la mamifere:
Unele animale își folosesc capacitatea de a acoperi o bandă largă de frecvențe în diverse scopuri :
Sunetele pe care le percep păsările se suprapun în mare măsură cu cele pe care oamenii le aud și le folosesc pentru comunicare.
Peștii percep vibrațiile apei. Pentru mai multe specii, percepția direcției originale este îmbunătățită de un șir lung de receptori așezați în linia mediană. Sunetul este util atât pentru prădători, cât și pentru pradă, pentru a vâna sau a scăpa. Frecvențele în cauză sunt adesea imperceptibile pentru oameni .
Ca și în cazul tuturor fenomenelor percepute, timpul joacă un rol fundamental. Sunetul fiind o variație a presiunii, iar informațiile sonore o variație a acestei variații, impresia sonoră depinde în mai multe privințe de timp. Deoarece sunetul este, de asemenea, o undă care se propagă în spațiu în timp, există relații strânse între spațiu și timp, atât în studiul sunetului, cât și în percepția acestuia.
Există mai multe caracteristici ale sunetului:
Este suficient ca una dintre aceste caracteristici să varieze, celelalte rămânând neschimbate, pentru a fi percepută o diferență. Repetarea unei forme în timp implică noțiunea de ritm . În plus, ființele umane sunt capabile să distingă și să urmărească o emisie sonoră dotată cu o anumită continuitate a personajelor în mijlocul altora ( efect cocktail ).
Psihoacustica studiază intensitatea sunetului experimentată în prezența unui sunet fizic dat. Această senzație de sunet puternic sau moale (muzicienii spun tare sau pian ) depinde în principal de valoarea RMS a presiunii sonore , care este variația mică a presiunii atmosferice care definește sunetul.
Două cantități corelate pot fi utilizate pentru a exprima nivelul sonor: intensitatea sunetului , în wați pe metru pătrat sau presiunea sonoră , în pascale ( newton pe metru pătrat, N m −2 ). Presiunea sonoră este măsurată într-un punct cu un sonometru ; intensitatea acustică, care include direcția de propagare a undelor, este mai puțin direct legată de percepție. Mai puțin accesibil pentru măsurare, este utilizat pentru calcule acustice.
Cu toate acestea, aceste unități fizice sunt rareori utilizate în comunicarea de zi cu zi:
Presiunea și intensitatea sunetului sunt adesea exprimate în decibeli (dB). Este o cantitate adimensională , de zece ori logaritmul zecimal al raportului de putere dintre o cantitate caracteristică a sunetului studiat și cea a unui sunet de referință. Aceste valori de referință sunt, pentru intensitatea sunetului, I 0 = 1 × 10 −12 W m −2 (un picowatt pe metru pătrat) și pentru presiunea sonoră P 0 = 2 × 10 −5 Pa (20 micropascale). Un decibel este aproximativ cea mai mică modificare a volumului sonor pe care o percepe un om. Nivelul de 0 dB corespunde unui sunet aproape imperceptibil. Prin urmare, toate nivelurile sonore sunt numere pozitive.
Decibeli se referă la logaritmul zecimal al puterii. Intensitatea acustică este o putere pe metru pătrat, deci înmulțirea intensității sunetului cu 10 înseamnă creșterea nivelului de sunet cu 10 dB , multiplicarea acestuia cu 100, creșterea nivelului cu 20 dB etc. Puterea sonoră este proporțională cu pătratul presiunii: multiplicarea presiunii sonore cu 10 înseamnă multiplicarea puterii cu 100, deci creșterea nivelului cu 20 dB și multiplicarea presiunii sonore cu 100, multiplicarea puterii cu zece mii și adăugați 40 dB la nivel.
Nivelul presiunii sonore oferă doar o primă idee despre intensitatea sau zgomotul (senzația de sunet percepută). Sensibilitatea urechii variază în funcție de frecvența sunetului; urechea este mai sensibilă la frecvențe medii. Pentru a vă apropia de această sensibilitate, semnalul electric care reprezintă presiunea sonoră poate fi filtrat. Multe legi și reglementări necesită un filtru ponderat „A”. Aceasta este denumită decibel ponderat A (dB A).
Volumul unui sunet, adică senzația de sunet, depinde de puterea transmisă urechilor ascultătorilor. Pentru a-l evalua, folosim un microfon care transformă presiunea sonoră într-un semnal electric pe care îl măsurăm. Mărimea care reflectă nivelul sonor este valoarea RMS a presiunii sonore sau a tensiunii electrice care o reprezintă, care este valoarea continuă care produce aceeași putere ca semnalul. Valoarea RMS este rădăcina pătrată a mediei pătratice a valorilor semnalului, cunoscută și sub numele de valoare RMS ( Root Mean Square ).
În studiile de protecție împotriva zgomotului, luăm în considerare:
Toate aceste măsurători sunt efectuate pe un punct cu un sonometru . Dar sunetul se propagă în unde în atmosferă în toate direcțiile. Studiul unui sunet include studiul propagării sale în trei dimensiuni, iar pentru un punct dat, măsurarea poate include și cea a direcției de propagare (vezi Intensitatea acustică ).
De fiziologi sunt de acord că cuvântul uman percepe media sunetele dintr - o gamă de frecvență de aproximativ 16 Hz pentru joasă și bas profund la la 15 la 18 kHz pentru mai fine și cele înalte mai mari.
Sensibilitatea scade treptat la frecvențele extreme și variază în funcție de individ, percepția maximelor scade în special odată cu vârsta, iar cea a frecvențelor joase se îmbină în cele din urmă cu cea a vibrațiilor, nu putem desemna o limită absolută:
Spectrul de sunet este direct legat de sentimentul de claritate a unui sunet, care este exprimat prin a spune că sunetul este mai „acută“, în cazul în care spectrul este centrat pe frecvențele înalte, sau mai „grave“ sau „înăbușit“. " in caz contrar. Această senzație relativ imprecisă se extinde de la cele mai grave sunete, în jurul valorii de 16 Hz , la cele mai acute, în jurul valorii de 15.000 Hz .
Dacă sunetul este armonic, adică conține în principal frecvențe aproximativ multiple ale unui fundamental audibil, frecvența respectivă, exprimată în hertz (Hz), îi determină tonul . Percepția unui ton se exercită pentru frecvențe fundamentale între aproximativ 30 Hz și 5000 Hz . Se exprimă prin posibilitatea de a reproduce nota cântând-o; o persoană instruită în teoria muzicii își poate spune numele.
Oamenii sunt destul de buni în identificarea distribuției frecvențelor, iar în sunetele armonice, aceasta este o parte importantă a timbrului muzical. Pitch discriminează fin frecvențele apropiate, deși dacă spectrul este bogat în armonici, erorile de o octavă sunt mai frecvente decât altele. Se pot crea iluzii auditive precum cea a scării Shepard , care pare să crească etern în gradele sale, jucând pe aceste două aspecte ale percepției frecvențelor sonore.
Ștampila este „în care semnalul acustic poate identifica sursa“ .
Elementele fizice ale ștampilei includ:
Selectarea elementelor relevante este o întrebare psihoacustică .
Toate semnalele pot fi definite și analizate fie în spațiu de timp, fie în spațiu de frecvență. În primul caz, studiem istoria valorii semnalului. Avem o idee precisă a timpului, dar nici una dintre frecvențe.
A defini un semnal în spațiul de frecvență, înseamnă a spune care este spectrul său , calculat prin intermediul transformării Fourier . Spectrul unui semnal reprezintă frecvențele diferitelor sinusoide sau „tonuri pure” care, dacă s-ar adăuga, l-ar reconstitui. Aceste componente ale unui sunet complex sunt numite parțiale . Când aceste frecvențe sunt multiple ale aceleiași frecvențe, numite fundamentale , celelalte sunt armonice . Dacă frecvențele prezente sunt perfect cunoscute, nu avem nicio idee despre valoarea presiunii sonore la un moment dat. Spectrul prezintă fiecare valoare sub forma unei „linii” a cărei înălțime sau culoare variază în funcție de amplitudinea sa. Spectrul unui sunet pur prezintă o singură linie.
În aceste studii, acționăm ca și cum semnalul ar fi început și continuat întotdeauna la infinit. Dar semnalele sonore reale încep și se termină și, în practică, suntem interesați atât de frecvențele pe care le conține, cât și când le putem detecta. O sonogramă reprezintă frecvențele prezente și intensitatea lor în funcție de timp. Reprezentarea face obiectul unui compromis. Se pot calcula frecvențele cu precizie și astfel se pot discrimina două frecvențe apropiate, numai cu o durată suficient de lungă; dar se pot localiza evenimentele sonore în timp cu precizie numai dacă durata este scurtă. Produsul incertitudinilor de timp și frecvență este constant.
Studiem sunetul fie ca mediu de transmitere a informațiilor precum vorbirea sau muzica, fie ca o neplăcere ( zgomot ). Pentru a face acest lucru, generăm semnale acustice, ale căror caracteristici le cunoaștem bine în ceea ce privește emisia, și examinăm ce devin acestea atunci când trec prin sistemul pe care îl studiem, care ar putea fi, de exemplu, un perete anti-zgomot sau o sală în care mesajele urmează să fie difuzate, o sală de concerte, un studio de înregistrări.
Studiem răspunsul acustic al sistemelor analizând răspunsul acestora la trei clase majore de semnale:
Electronica digitală a făcut posibilă crearea de semnale care participă la aceste trei categorii, chirps ( (en) chirps ), care permit studiul automat al caracteristicilor unei camere sau a unui material. Cunoscut și repetabil cu precizie, studiul modificării lor prin trecerea în mediul studiat oferă rapid date despre proprietățile acustice care merg de la amortizare și lățimea de bandă la reverberație .