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Oscillations et ondes

Caractéristiques physiques et perceptives du son

La hauteur est liée à la fréquence fondamentale, la sonie dépend du niveau et de l’audition, et le timbre reflète le spectre et la forme d’onde.

Une même note diffère au timbre entre flûte et violon ; un même niveau physique n’est pas perçu de façon identique par tous. Il faut distinguer les grandeurs mesurées des sensations auditives.

L_I=10log_{10}!left( rac{I}{I_0} ight) mathrm{dB},qquad I_0=10^{-12} mathrm{W,m^{-2}}

Définition: Hauteur, sonie et timbre

La hauteur perçue est principalement liée à la fréquence fondamentale. Le niveau d’intensité LIL_I est une grandeur physique logarithmique, distincte de la sonie ; celle-ci dépend aussi de la fréquence, de la durée et de l’auditeur. Le timbre dépend des harmoniques, du spectre et de son évolution temporelle.

Modifiez la fréquence et les harmoniques pour observer la pression ; la hauteur suit la fondamentale, le timbre reflète le spectre.

Niveau sonore et spectre

Le niveau relatif à l’intensité de référence I0I_0 se mesure en décibels ; une hausse de 10 dB signifie une intensité multipliée par dix, mais la sonie ne suit pas un rapport fixe. Un son pur n’a qu’une fréquence ; les instruments produisent généralement un son complexe avec fondamentale et harmoniques.

Exemple: Exemple

Un son a une intensité I=10−6I=10^{-6} W/m². Calculer son niveau par rapport à I0=10−12I_0=10^{-12} W/m².

Solution

LI=10log10(106)=60L_I=10log_{10}(10^6)=60 dB. Il s’agit du niveau d’intensité ; la sonie perçue dépend aussi de l’auditeur.

Vérification rapide

Deux sons de même hauteur fondamentale et de même niveau peuvent différer par leur timbre, car les amplitudes relatives de leurs harmoniques changent. Le spectre montre les composantes fréquentielles ; l’enveloppe temporelle distingue attaque, maintien et décroissance. La perception dépend aussi de l’audition et du niveau d’écoute : les dB seuls ne prédisent pas exactement la sensation de chacun.

Pour appliquer un modèle, précisez les grandeurs maintenues constantes et choisissez le référentiel adapté. Inscrire les unités à côté des valeurs numériques évite de confondre des grandeurs ou des mesures avec des prédictions. Après le calcul, vérifiez dimensions, signes et cas limites : le résultat doit respecter les hypothèses, par exemple petites oscillations, milieu uniforme ou frottement négligeable. Si la situation réelle s’en écarte, expliquez la différence plutôt que d’appliquer une formule mécaniquement.

Pour vérifier le sens physique d’une relation, considérons des cas particuliers : équilibre, déplacement maximal, période complète ou absence de mouvement relatif. Une grandeur s’annule ou atteint souvent un extrême, ce qui révèle les erreurs de signe et la confusion entre période et fréquence. Pour comparer des expériences, ne modifiez qu’une condition à la fois afin d’identifier la cause d’un changement.

Un son a I=100I0I=100I_0. Quel est son niveau d’intensité ?

Qu’est-ce qui différencie principalement le timbre de deux instruments jouant la même note ?

Références

  1. Young, Freedman (2019). University Physics