Intensité – Ondes sonores

1. Intensité – Ondes sonores A.G. Bell

2. Points essentiels • Fronts d’onde et rayons • Perception de l’intensité • Niveau de puissance acoustique Section 3.5 de Benson

3. Fronts d’onde et rayons Fronts d’onde rayons

4. Définitions • Front d’onde : l’ensemble des points de l’onde qui ont la même phase. • Rayons: lignes perpendiculaires aux fronts d’onde.

5. Distribution de l’énergie Si une source émet uniformément dans toutes les directions, l’énergie à une distance « r » de la source sera distribuée sur une coquille sphérique de rayon « r » et de surface « 4 π r2  ». Si « P » est la puissance émise par la source, on définit l’intensité de la façon suivante: Intensité: Puissance moyenne par unité de surface normale à la direction de propagation.

6. Distribution de l’énergie (suite) En utilisant: et On peut démontrer que: Imoy = p (ws0)2 v /2 Imoy = (p0)2 / (2 p v) Remarque: L’intensité d’une onde sonore est proportionnelle au carré de l’amplitude !

7. Caractéristiques d’un son L ’impression auditive nous permet d’apprécier trois qualités physiologiques des sons, chacune rattachée à une grandeur physique mesurable: • VOLUME: Distinction entre un son faible et un son fort. • Grandeur physique: Intensité (énergie par unité de temps et par unité de surface) • HAUTEUR: Distinction entre un son grave et un son aigu • Grandeur physique: Fréquence (nombre de cycles par unité de temps) • TIMBRE: Distinction entre des sons émis par des sources différentes. • Grandeur physique: Spectre des fréquences

8. Volume d’un son Lois générales: 1- L’intensité du son est fonction de l’amplitude des vibrations de la source sonore. Lorsque l’amplitude de la vibration est trop petite pour produire une intensité assez grande, on peut utiliser une caisse de résonance, qui amplifie le son en mettant une plus grande surface d’air en mouvement. 2- L’intensité du son est fonction de la distance séparant la source sonore et le récepteur. 3- L’intensité du son dépend de la nature du milieu de propagation. Un milieu peu élastique aura tendance, par exemple, à diminuer l’amplitude de la vibration et, par conséquent, à diminuer l’intensité.

9. Perception de l’intensité La perception de l’intensité est une sensation subjective décodée par le cerveau. La prévisibilité d’un son, la fatigue et l’âge d’un sujet, sont autant de facteurs qui peuvent modifier la perception. L’oreille humaine peut capter des sons dont l’intensité varie de 10-12 à 1 W/m2. Par contre, pour qu’un son nous paraisse deux fois plus fort qu’un autre, il faut que l’intensité soit 10 fois plus grande. À cause de cette relation entre la mesure subjective de volume et la mesure physique d’intensité, on exprime habituellement l’intensité sonore non pas en W/m2, mais plutôt selon le niveau d’intensité β, en décibel.

10. Niveau de puissance acoustique b β (en dB) = 10 log I/I0 où I = intensité du son étudié; I0 = seuil d’audibilité (10-12 W/m2) • 0 dB correspond au seuil d’audibilité; le seuil de douleur de l’oreille humaine est environ à 100 dB. • Une augmentation de 3 dB correspond à une intensité doublée; une augmentation de 10 dB correspond à une augmentation de l’intensité d’un facteur 10; une augmentation de 20 dB correspond à une intensité 100 fois plus grande. • Un être humain moyen ne peut distinguer une différence de niveau que d’environ 1 dB.

11. Quelques exemples • Seuil d’audibilité 0 dB • Respiration normale 10 dB • Chuchotement 30 dB • Conversation normal (à 1 m) 60 dB • Concert Rock 120 dB

12. Exercice 1 Un petit chien jappe avec une puissance de 1 mW . Si la puissance est distribuée uniformément dans toutes les directions: a) Calculez I et b à 5 mètres.

13. Exercice 1 (suite) b) Si deux chiens identiques jappent, calculez I et β à 5 mètres. Remarque: Si l’intensité est doublée, le niveau de puissance acoustique augment de 3 dB. Le niveau de puissance acoustique varie avec la fréquence. Pour comparer on utilise f = 1 000 Hz. L’oreille humaine a une sensibilité maximale à 4 000 Hz.

14. Exercice 2 • Un haut-parleur de puissance électrique 150 W et de rendement acoustique 2%, est placé à 20 m des auditeurs. Quel est le niveau d'intensité sonore qu'ils perçoivent ? A quelle distance les auditeurs devraient-ils se trouver pour que le niveau soit de 60 dB ?

15. Travail personnel • Faire les exemples 3.5, 3.6 et 3.7 • Question 5 • Exercice 41 • Problème aucun