L'analyse spectrale d'un son
Le spectre en fréquence d'un son est un tableau ou une représentation graphique qui fait apparaître les fréquences d'un son et les amplitudes des fréquences. L'amplitude d'un son est liée à son intensité sonore. Un spectre sonore fait apparaître la fondamentale et les harmoniques d'un son. On détermine si un son est pur ou complexe à l'aide de sa fondamentale et de ses harmoniques.
L'intensité sonore
L'intensité sonore est la puissance transportée par les ondes sonores par unité de surface. L'intensité sonore est la grandeur liée au volume sonore d'un son.
Intensité sonore
L'intensité sonore, notée I, d'une onde sonore correspond à l'énergie transportée par cette onde par unité de surface et par unité de temps. Elle s'exprime en watts par mètre carré (W.m-2). Il s'agit donc d'une puissance par mètre carré.
Pour être audible par une oreille humaine, un son doit avoir une intensité sonore minimale de 10-12 W.m-2 (bien qu'en toute rigueur ce seuil dépende de la fréquence du son).
L'intensité sonore augmente avec l'amplitude du signal, que l'on peut observer sur sa représentation temporelle.
L'amplitude de ce signal sonore, converti en tension par un récepteur, est de 15 V. Si cette amplitude était plus grande, l'intensité sonore le serait aussi.
La fondamentale et les harmoniques d'un son
La plupart des sons sont composés de plusieurs composantes. La composante de plus faible fréquence est appelée la fondamentale. Les autres composantes sont appelées les harmoniques.
Les fréquences des harmoniques (Fn) sont des multiples de celle de la fondamentale (F1). Ainsi, pour une harmonique de rang n :
\bf F_n = n \times F_1
Si la fréquence fondamentale d'un son est de 220 Hz, ses premières harmoniques sont :
A priori, les amplitudes de la fondamentale et des harmoniques ne suivent aucune règle.
Dans le spectre en fréquence d'un son, certaines harmoniques peuvent être absentes car leur amplitude est nulle.
La perception humaine et les dangers d'un son
L'homme perçoit les sons grâce à ses oreilles. L'échelle des niveaux d'intensité sonore permet de définir les niveaux d'audibilité et les dangers pour l'oreille humaine.
La perception humaine des sons
L'oreille humaine est capable de percevoir un intervalle limité de fréquences. L'intervalle des fréquences audibles par l'homme permet de définir les infrasons et les ultrasons. Les multiples fréquences composant un son permettent de définir sa hauteur et son timbre.
Les fréquences audibles, les infrasons et les ultrasons
L'oreille humaine est capable de percevoir les sons dont la fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 kHz, on parle de sons audibles. Les sons en dessous de 20 Hz sont les infrasons et les sons au-dessus de 20 kHZ sont les ultrasons.
Plus la fréquence d'un son est importante, plus celui-ci est perçu comme aigu.
Un son de fréquence 80 Hz est grave alors qu'un son de fréquence 1 320 Hz est aigu.
L'oreille humaine est capable de percevoir les sons dont la fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 kHz, on parle de sons audibles. Les sons de fréquence inférieure sont les infrasons et ceux de fréquence supérieure sont les ultrasons.
D'autres animaux ont une ouïe plus développée et perçoivent des fréquences très éloignées du spectre audible par l'homme. Les éléphants peuvent communiquer sur des distances atteignant 10 km grâce à des infrasons, les chauves-souris emploient des ultrasons de fréquence comprise entre 50 kHz et 200 kHz pour percevoir leur environnement.
La hauteur et le timbre d'un son
La fréquence d'un son est liée à sa hauteur, c'est-à-dire la nature de la note perçue. Les harmoniques d'un son déterminent son timbre, c'est-à-dire la forme du signal perçu.
La fréquence d'un son est liée à sa hauteur (nature de la note perçue), tandis que ses harmoniques influent sur son timbre. Ces deux caractéristiques physiologiques peuvent mettre en évidence dans son spectre en fréquence :
L'analyse spectrale des sons émis par une guitare et une trompette jouant la même note permet de mettre en évidence :
- la même fréquence fondamentale, la hauteur de la note jouée est donc bien la même ;
- une répartition différente des harmoniques et de leur amplitude, le timbre des deux sons est donc différent, ce qui permet de les distinguer.
Ainsi, des instruments de musique jouant la même note émettent des sons de même hauteur mais dont les timbres sont différents, ce qui permet à un auditeur de les distinguer.
L'échelle des niveaux sonore et les dangers des sons
Le niveau sonore dépend de l'intensité sonore mesurée et son échelle est définie en dB. L'exposition à certaines ondes sonores peut comporter des risques pour la santé humaine. Sur l'échelle des niveaux d'intensité sonore, 0 dB représente le seuil d'audibilité et 120 dB le seuil de douleur.
Le niveau sonore est défini par la relation suivante :
\displaystyle{L = 10 \times \log\left(\dfrac{I}{I_0}\right)}
Avec :
- L le niveau sonore (en dB) ;
- I l'intensité acoustique de l'onde sonore (en W.m-2) ;
- I_0 le seuil d'audibilité fixé à 10-12 W.m-2.
Le niveau sonore d'un son d'intensité sonore 10-7 W.m-2 est :
\displaystyle{L = 10 \times \log\left(\dfrac{I}{I_0}\right)}
\displaystyle{L = 10 \times \log\left(\dfrac{10^{-7}}{10^{-12}}\right)}
\displaystyle{L = 50}\:\text{dB}
L'exposition à des ondes sonores peut comporter des risques pour notre santé : elle peut provoquer une perte d'audition temporaire ou durable. Ces risques augmentent avec l'intensité sonore et la durée d'exposition.
L'utilisation prolongée d'écouteurs est risquée. Les normes européennes limitent leur niveau sonore à 100 dB et obligent une validation par l'utilisateur dès lors qu'il dépasse 85 dB.