Ondes sonores et intensité sonore

Une onde sonore est une onde mécanique progressive périodique longitudinale due à des successions de compressions et de dilatations de couches dans le milieu dans lequel elle se propage (solide, liquide ou gaz).

L’oreille humaine est sensible aux ondes sonores dont la fréquence est approximativement comprise entre $\rm 20~Hz$ et $\rm 20~ kHz$.

Les sons graves sont les sons de basses fréquences et les sons aigus sont les sons de hautes fréquences.

La période temporelle et la longueur d’onde sont liées par la relation suivante :

\[\displaystyle \lambda = v \times \mathrm T = \frac{v}{f}\]

Avec :

• $\lambda$ (lambda) la longueur d’onde (en $\rm m$)
• $\rm T$ la période temporelle (en $\rm s$)
• $v$ la célérité de l’onde (en $\rm m.s^{−1}$)
• $f$ la fréquence temporelle (en $\rm Hz$)

Un son pur est associé à un signal dépendant du temps de façon sinusoïdale (enregistrement 2).

Un son composé est périodique mais non sinusoïdal (enregistrement 1).

Son pur :

Son complexe :

Un signal périodique de fréquence $f$ se décompose en une somme de signaux sinusoïdaux de fréquences multiples de $f$. Le son associé est un son composé (complexe). La plus basse fréquence relevée sur le spectre est appelée fréquence fondamentale notée $f$. Les autres sont les harmoniques, ce sont des multiples de la fréquence fondamentale.

$f$ est appelée fréquence fondamentale, les autres fréquences sont appelées harmoniques.

Le signal périodique d’un son complexe peut ainsi se décomposer en une somme de fonctions sinusoïdales dont les fréquences sont des multiples entiers, dites harmoniques, de la fréquence la plus basse appelée, elle, fondamentale.

L’analyse spectrale consiste à décomposer le signal périodique et à obtenir son spectre en fréquence fondamentale, c’est la hauteur de la note jouée. Les autres pics correspondent aux fréquences des harmoniques. Leur nombre et leur amplitude déterminent le timbre du son.  

Un son musical est également caractérisé par son niveau d’intensité sonore $L$, mesuré par un sonomètre. Ce niveau d’intensité sonore, exprimé en décibel (dB), est lié à une échelle logarithmique à son intensité sonore $I$, qui correspond à la puissance sonore par unité de surface, en Watt par mètre carré $\rm (W.m^{-2})$, transporté par l’onde sonore.

• L’intensité sonore est multipliée par $2$ (deux instruments identiques par exemple), le niveau sonore augmente de $\rm +3~dB$.
• Si l’intensité sonore est multipliée par 10 (dix instruments identiques par exemple), le niveau sonore augmente de $\rm +10~dB$.
• Le niveau sonore n’est pas additif $(L \neq L_1 + L_2)$ au contraire de l’intensité sonore $(I = I _1 + I_2)$.