Tous les êtres humains perçoivent le son émis par la voix d’un chanteur, par un instrument musical ou bien par un haut-parleur grâce à l’oreille, mais, vous êtes vous déjà demandé comment ces sons se répandent dans l’air ? Si vous obser vez un haut-parleur pen-dant l’émission d’un son, vous verrez
que son cône vibre très vite sans pro-voquer aucun mouvement d’air.
Cette vibration fait à son tour vibrer automatiquement les molécules d’air provoquant ainsi des ondes sonores qui, en atteignant notre oreille, font vibrer la petite membrane placée à l’in-térieur.
Le ner f acoustique relié à cette mem-brane les transforme en impulsions électriques et les envoie au cer veau.
On peut donc comparer notre oreille à un microphone qui transforme tous les sons qu’il réussit à capter en une ten-sion électrique.
Pour essayer d’expliquer comment sont générées ces ondes sonores, qui bien qu’elles se répandent dans l’air, ne créent aucun courant électrique, nous pouvons comparer ce phénomène à celui du caillou que l’on jette dans un étang.
On voit se former des vaguelettes concentriques à l’endroit où tombe le caillou (voir figure 192). Ces vague-lettes se propagent vers l’extérieur à une cer taine vitesse, sans provoquer de courants.
En ef fet, si on pose un bouchon de liège sur la sur face de l’étang, on le verra seulement se soulever et s’abais-ser, mais pas se déplacer du centre vers l’extérieur.
Si les vibrations émises par le cône d’un haut-parleur sont comprises entre 16 et 100 Hz (de 16 à 100 oscillations par seconde), on entendra un son d’une tonalité très basse ; si au contraire elles sont comprises entre 5 000 et 10 000 Hz (de 5 000 à 10 000 Figure 191 : Sur cette photo nous vous présentons les minuscules capsules piézo-électriques, équipées d’un étage
préamplificateur qui est alimenté à travers leurs broches.
L E C O U R S
oscillations par seconde), on entendra un son d’une tonalité très aiguë.
Si on frappe deux barres métalliques dont la longueur est dif férente, elles vibreront en produisant des sons dif-férents car propor tionnels à leur lon-gueur.
Si on prend deux barres métalliques dont la longueur est identique et qu’on les place l’une à côté de l’autre, le son généré par le fait d’en faire vibrer une fera aussitôt vibrer l’autre car, cette seconde barre étant de même longueur que la première, résonnera.
Ce phénomène est utilisé pour accorder sur la même fréquence les cordes de deux guitares différentes, de deux pia-nos ou de deux harpes, etc. Pour accor-der les instruments musicaux, on utilise un morceau de fer en forme de U appelé diapason et qui émet, lorsqu’il vibre, une “fréquence échantillon” de 440 Hz correspondant à la note “LA” de la troi-sième octave (voir le tableau 15).
Si on place un second diapason, accordé sur la même fréquence, près de celui qui est déjà en vibration, il com-mencera à vibrer lui aussi, excité par les ondes sonores générées par le pre-mier (voir figure 193).
La vitesse à laquelle les ondes acous-tiques se propagent dans l’air est de 340 mètres par seconde, par consé-quent, beaucoup plus lente que la
NOTE Fonda- 1re 2e 3e 4e 5e 6e 7e 8e
FRANCE USA mentale octave octave octave octave octave octave octave octave DO C 32,69 65,38 130,76 261,52 523,04 1 046,08 2 092,16 4 184,32 8 368,64 DO# C# 34,62 69,24 138,48 276,92 553,84 1 107,68 2 215,36 4 430,72 8 861,44 RÉ D 36,68 73,36 146,72 293,44 586,88 1173,76 2 347,52 4 695,04 9 390,08 RÉ# D# 38,84 77,68 155,36 310,72 621,44 1 242,88 2 485,76 4 971,52 9 943,04 MI E 41,20 82,40 164,80 329,60 659,20 1 318,40 2 636,80 5 273,60 10 547,20 FA F 43,64 87,28 174,56 349,12 698,24 1 396,48 2 792,96 5 585,92 11 171,84 FA# F# 46,21 92,42 184,84 369,68 739,36 1 478,72 2 957,44 5 914,88 11 829,76 SOL G 48,98 97,96 97,96 391,84 783,68 1 567,36 3 134,72 6 269,44 12 538,88 SOL# G# 51,87 103,74 207,48 414,96 829,92 1 659,84 3 319,68 6 639,36 13 278,72 LA A 55,00 110,00 220,00 440,00 880,00 1 760,00 3 520,00 7 040,00 14 080,00 LA# A# 58,24 116,48 232,96 465,92 931,84 1 863,68 3 727,36 7 454,72 14 909,44 SI B 61,73 123,46 246,92 493,84 987,68 1 975,36 3 950,72 7 901,44 15 802,88
Tableau 15 : Nous reportons sur ce tableau toutes les fréquences fondamentales des notes musicales et leurs octaves supérieures. Comme vous pouvez le remarquer, chaque octave supérieure a une fréquence double par rapport à l’octave inférieure. Si on prend la fréquence fondamentale de la note “LA”, qui est de 55 Hz, on remarquera que pour chaque octave, sa fréquence double : 110 - 220 - 440 - 880 Hz, etc.
Figure 192 : Pour comprendre comment une onde sonore se forme, essayez de jeter un caillou dans un étang. Vous verrez se former des cercles (ondes) concentriques qui se propageront du centre vers l’extérieur, sans créer de courants mais seulement des ondulations. En effet, si l’on pose sur l’étang un bouchon de liège, on le verra seulement descendre et remonter, sans jamais se déplacer vraiment. Les ondes sonores font osciller les molécules d’air sans remuer l’air, au contraire des hélices d’un ventilateur qui génèrent du vent mais pas de son.
Figure 193 : En faisant vibrer un diapason avec un petit marteau, il émettra des ondes sonores qui parviendront à faire vibrer un autre diapason, pourvu qu’il soit proche et accordé sur la même fréquence.
vitesse de la lumière qui atteint 300 000 kilomètres par seconde ! Cette dif férence de vitesse se remarque facilement lors des tempêtes.
En effet, nous voyons immédiatement la lumière de l’éclair de la foudre, mais le son du tonnerre ne par vient à notre oreille qu’après plusieurs secondes.
La vitesse à laquelle se propage le son dépend du conducteur, comme vous pouvez le remarquer :
air 340 mètres par seconde eau 1 480 mètres par seconde terre 3 000 mètres par seconde acier 5 050 mètres par seconde Pour calculer, en mètres, la longueur d’onde d’un son qui se répand dans l’air à une température de 20 degrés
centigrade, on peut utiliser cette for-mule :
mètres = 340 : hertz Un son bas ayant une fréquence de 100 Hz a une longueur d’onde dans l’air égale à :
340 : 100 = 3,4 mètres
Un son aigu ayant une fréquence de 6 000 Hz, a une longueur d’onde dans l’air égale à :
340 : 6 000 = 0,0566 mètre, c’est-à-dire 5,66 centimètres.
L’oreille humaine réussit à percevoir une large gamme de fréquences
acoustiques qui par tent normalement d’un minimum de 20 Hz pour arriver à un maximum de 17 000, voire 20 000 Hz.
Cette limite maximum dépend beau-coup de l’âge. Une personne très jeune réussit à entendre toute la gamme jus-qu’à 20 000 Hz, et même au-delà.
Orgue
Octavin
Contrebasson
Ténor fondamentale 1re
octave
2e octave
3e octave
4e octave
5e octave
6e octave
PercussionsClaviersCuivresBoisCordesVoies humaines DO RE MI FA SOL LA SI
LA SI DO RE MI FA SOL LA SILA SI DO RE MI FA SOL LA SILA SI DO RE MI FA SOL LA SILA SI DO RE MI FA SOL LA SILA SI DO RE MI FA SOL LA SILA SI DO RE MI FA SOL LA SILA SI
27,50 30,86 32,69 36,68 41,20 43,64 48,98 55,00 61,73 65,38 73,36 82,40 87,28 97,96 110,00 123,46 130,76 146,72 164,80 174,56 195,92 220,00 246,92 261,52 293,44 329,60 349,12 391,84 440,00 493,84 523,04 586,88 659,20 698,24 783,68 880,00 987,68 1 046,08 1 173,76 1 318,40 1 396,48 1 567,36 1 760,00 1 975,36 2 092,16 2 347,52 2 636,80 2 792,96 3 134,72 3 520,00 3 950,72
Voie masculine Voie féminine Basse
Baryton
Alto Mezzo-soprano
Soprano Violon Violoncelle
Contrebasse Clarinette
Hautbois Flûte Saxophone
Trombone Tuba
Trompette Piano
Timbale
Tambour Xylophone
Cymbales
Figure 194 : Nous avons reporté sur ce tableau, toutes les fréquences minimales et maximales pouvant être générées par les différents instruments musicaux et les voix humaines. Dans la fréquence fondamentale sont incluses les fréquences des notes basses et, dans la 6e octave, les fréquences des notes des aiguës.
L E C O U R S
80 000 Hz
20 000 Hz
10 000 Hz 40 000 Hz
20 Hz
SONS AUDIBLESUTRASONS
1 000 Hz CHIEN
CHAT
HOMME
Après 30 ans, une personne ne peut plus percevoir les fréquences supé-rieures à 15 000 ou 16 000 Hz, et après 40 ans, elle ne réussit plus à percevoir toutes les fréquences supé-rieures à 10 000 ou 12 000 Hz.
Dans les pays de langue latine, et donc par conséquent en France, on appelle les 7 notes musicales :
DO - RÉ - MI - FA - SOL - LA - SI Dans le tableau 15, nous avons repor té la fréquence fondamentale de chaque note et, dans les colonnes qui suivent, les octaves supérieures.
Comme vous pouvez le remarquer, la fréquence de chaque octave supé-rieure correspond à un redoublement de la fréquence de l’octave inférieure, et donc, il suf fit pour la connaître de multiplier la fréquence fondamentale par :
2 - 4 - 8 - 16 - 32 - 64 - 128 - 256 Par exemple, la fréquence fondamen-tale de la note “LA” est de 55 Hz, la fréquence du “LA” de la 1re octave est de 55 x 2 = 110 Hz, la fréquence du
“LA” de la 2e octave est de 55 x 4 = 220 Hz, la fréquence du “LA” de la 3e octave, également appelée “octave cen-trale”, est de 55 x 8 = 440 Hz et ainsi de suite.
La fréquence de DO# RÉ# FA# -SOL# - LA# a une valeur intermédiaire entre la note inférieure et la note supérieure.
Note : le symbole graphique # s’appelle
“dièse”.
Vous trouverez, dans le tableau de la figure 194, les fréquences minimales et maximales divisées par octaves pou-vant être générées par les dif férents instruments musicaux et les voix humaines.
Ultrasons
On appelle ultrasons tous les sons ayant une fréquence supérieure à celle pouvant normalement être perçue par l’être humain, c’est-à-dire tous les sons supérieurs à environ 25 000 Hz.
Beaucoup d’animaux réussissent à entendre ces fréquences que nous n’entendons pas.
A titre d’exemple, les chats perçoivent des fréquences allant jusqu’à environ 40 000 her tz, les chiens jusqu’à 80 000 hertz et les chauves-souris jus-qu’à environ 120 000 her tz.
Signalons, sans pour autant rentrer dans les détails, que l’on trouve dans le commerce des capsules émettrices et réceptrices capables d’émettre et de capter ces fréquences ultraso-niques.
Etant donné que ces fréquences ultra-soniques ont quasiment les mêmes propriétés que celles des rayons lumi-neux, elles peuvent être concentrées dans des faisceaux bien définis. Si elles rencontrent un obstacle, elles sont immédiatement réfléchies, comme cela arrive à n’impor te quel rayon lumineux rencontrant un miroir.
C’est pour cette caractéristique qu’elles sont utilisées dans des anti-vols et des échosondeurs qui, comme vous le savez cer tainement, ser vent en navigation pour mesurer les pro-fondeurs marines et pour localiser les obstacles, comme par exemple des rochers, des sous-marins ennemis ainsi que pour repérer des bancs de poissons. L’échosondeur envoie une impulsion d’ultrasons dans une direc-tion précise et, pour connaître la dis-tance d’un obstacle, on évalue le temps mis par cette impulsion pour revenir à sa source.
Il est facile d’évaluer la distance de l’obstacle, sachant que la vitesse de transmission des ultrasons dans l’eau est d’environ 1 480 mètres par seconde.
Les ultrasons sont également utilisés dans le domaine industriel pour contrô-ler les matériaux métalliques afin de
repérer d’éventuels défauts internes et pour émulsionner des liquides, des crèmes et des vernis. Ils sont égale-ment utilisés dans le domaine médical pour les échographies ou pour les thé-rapies ultrasoniques. En fait, les ultra-sons génèrent de la chaleur en traver-sant les tissus visqueux et sont donc très efficaces pour traiter des arthrites rhumatismales, des névrites, des scia-tiques, etc.
Pour conclure, nous pouvons affirmer que les ultrasons sont des sons par ti-culiers qui, bien utilisés, peuvent aussi ser vir à guérir.
◆ G. M.
Figure 195 : Tous les sons de fréquence supérieure à 20 000 Hz, qui ne sont pas audibles par un être humain, rentrent dans la gamme des fréquences “ultrasoniques”. Les ultrasons sont utilisés dans le domaine médical pour effectuer des échographies ainsi que pour soigner des rhumatismes, sciatiques, etc.