Le son, les ondes acoustiques et notre perception auditive

Le son fait partie intégrante de notre quotidien. Qu’il s’agisse de la douce mélodie d’un oiseau au petit matin, du vrombissement d’une moto qui passe à côté de nous ou encore des voix qui s’élèvent lors d’une conversation, nous sommes constamment entourés de sons. Mais d’où viennent ces sons ? Comment se propagent-ils jusqu’à nos oreilles ? Et comment font nos oreilles pour les interpréter et leur donner un sens ? Dans cet article, nous allons plonger au cœur du fonctionnement du son, de sa mesure et de notre perception auditive.

Le son : une vibration mécanique qui se propage sous forme d’ondes

Commençons par comprendre ce qu’est réellement le son. Lorsqu’un objet vibre, par exemple une corde de guitare que l’on vient de pincer ou la membrane d’un haut-parleur, il communique ses oscillations aux molécules d’air qui l’entourent. Ces molécules se mettent alors aussi à vibrer et entrent en collision avec les molécules voisines, initiant ainsi une réaction en chaîne. Une zone de compression et de raréfaction se propage alors dans l’air ambiant sous la forme d’une onde sonore. Le son n’est donc rien d’autre que la propagation d’une vibration mécanique dans un milieu élastique comme l’air.

Caractéristiques d’une onde sonore

• Longitudinale : le déplacement des molécules d’air se fait dans le sens de propagation de l’onde
• Périodique : la vibration se répète dans le temps
• Fréquence : nombre de cycles de vibration par seconde, exprimé en Hertz (Hz)
• Longueur d’onde : distance parcourue par l’onde pendant une vibration
• Amplitude : écart maximal de la position d’équilibre des molécules
• Célérité : vitesse de propagation du son dans le milieu, dépendant de ses caractéristiques (température, densité, etc.)

Lorsqu’elle rencontre un obstacle sur son passage, comme une paroi par exemple, l’onde sonore est réfléchie : c’est le phénomène d’écho que l’on peut facilement observer en criant dans une cavité fermée comme une grotte ou un tunnel.

Propagation du son dans l’air

Dans l’air, la vitesse de propagation du son dépend essentiellement de deux paramètres :

• La température : plus l’air est chaud, moins il est dense et mieux le son se propage
• L’humidité : un air sec favorise la propagation du son

A 20°C et sans humidité, la vitesse du son dans l’air est d’environ 343 m/s. A titre de comparaison, elle est près de 5 fois plus rapide dans l’eau !

Comment mesure-t-on le son ?

Maintenant que nous savons ce qu’est réellement le son, intéressons-nous à la façon de le mesurer. Deux grandes caractéristiques permettent de quantifier un son :

• Son intensité : à quel point il est fort ou faible
• Sa hauteur : grave ou aiguë

L’intensité du son

L’intensité d’un son, que l’on assimile à son volume ou sa puissance, est liée à l’amplitude de vibration des molécules d’air lors du passage de l’onde sonore. Plus l’amplitude est grande, plus les écarts de pression par rapport à la pression atmosphérique sont importants et plus le son sera perçu comme fort.

L’intensité acoustique s’exprime en Watt par mètre carré (W/m2). Mais on lui préfère en général le décibel (dB) pour quantifier le volume sonore. Le décibel est une unité logarithmique qui présente l’avantage de mieux correspondre à la perception subjective de notre oreille. Ainsi, augmenter l’intensité sonore de 60 dB à 70 dB sera perçu par notre oreille comme un doublement du volume sonore. Alors qu’en termes d’intensité réelle, 70 dB correspondent en fait à 10 fois plus de puissance acoustique que 60 dB !

Quelques repères en décibels

• 0 dB : seuil d’audition
• 20 à 30 dB : murmure
• 40 dB : bibliothèque
• 60 dB : conversation
• 80 dB : aspirateur
• 110 dB : concert de rock
• 120 dB : seuil de la douleur

Au delà de 85 décibels, une exposition prolongée peut endommager notre système auditif de façon irrémédiable. Les casques audio, responsables de nombreuses surdités précoces, sont donc à manier avec précaution !

La hauteur du son : grave ou aiguë

La hauteur d’un son, que l’on qualifie de grave ou d’aigu, est directement liée à la fréquence de vibration de la source sonore. Plus la fréquence est élevée, plus le son sera perçu comme aigu. Chez l’être humain, le spectre de fréquences audibles s’étend approximativement de 20 Hz à 20 kHz. Mais selon les individus et l’âge, cette étendue peut varier. Les enfants entendent généralement des sons plus aigus que leurs parents !

La fréquence d’un son s’exprime en Hertz (Hz), soit en cycles de vibration par seconde de la source. Un son grave de 100 Hz signifie ainsi que la source effectue 100 allers-retours complets chaque seconde. Pour un son aigu à 10 000 Hz, cela représente 10 000 vibrations par seconde !

Perception auditive et sons purs / complexes

Après avoir quantifier les caractéristiques physiques du son (intensité, hauteur), il est temps de s’intéresser à la façon dont celui-ci est perçu et interprété par notre appareil auditif. Tout se joue au niveau de l’oreille interne, une vrai bijou de miniaturisation en termes d’anatomie !

L’oreille, un transducteur sophistiqué

Le pavillon de l’oreille capte les variations de pression provoquées par l’onde sonore et les transmet au tympan, une fine membrane souple qui se met à vibrer à l’unisson. Ces vibrations sont ensuite amplifiées et transmises à la cochlée, remplie d’un liquide, via un système d’osselets articulés très fin : le marteau, l’enclume et l’étrier. La membrane basilaire qui tapisse la cochlée joue alors le rôle de transducteur mécano-électrique en transformant les vibrations mécaniques en influx électriques grâce à ses cellules ciliées. Ces influx sont ensuite transmis au cerveau via le nerf auditif.

Sons purs et sons complexes

Jusqu’ici on a surtout parlé de sons purs, produits par des sources vibrant à des fréquences uniques comme un diapason. Hélas, la plupart des sons qui nous entourent sont bien plus complexes. Ils résultent de la superposition d’un grand nombre d’ondes de fréquences (et donc de hauteurs) différentes. L’analyse de Fourier nous apprend qu’on peut en fait décomposer n’importe quel signal périodique en une somme de sinus et cosinus de fréquences multiples :

• Sons périodiques : décomposables en fréquences pures multiples d’une fréquence fondamentale
• Sons non périodiques : décomposables de façon continue sur toute l’échelle des fréquences

Heureusement, notre oreille et notre cerveau sont capables de dissocier avec brio les différentes fréquences composant un son complexe pour en identifier la source : le timbre caractéristique d’un violon ou d’une trompette, le contour mélodique d’une chanson, ou encore les voyelles et consonnes qui composent la parole.

Les ultrasons et les infrasons

Le spectre sonore tel que perçu par l’humain présente des limites évidentes. Mais qu’en est-il des animaux ou même des chauves-souris ? Ces dernières émettent et reçoivent des sons de bien plus haute fréquence que ce que notre oreille peut percevoir. De même, certains animaux comme les éléphants communiquent grâce à des sons infrasonores inaudibles par notre oreille.

Les ultrasons, au delà de 20 kHz

Les ultrasons désignent l’ensemble des vibrations acoustiques de fréquence supérieure à 20 kHz, soit la limite haute du spectre audible par l’oreille humaine. Ils présentent des propriétés intéressantes :

• Inaudibles par l’homme mais utilisés par certains animaux : chauves-souris, dauphins, chiens, etc.
• Excellente directivité et résolution
• Non absorbés par l’air, propagation efficace sur longue portée
• Réflexion spéculaire sur les obstacles
• Générés par effet piézoélectrique ou par haut-parleur spécifique

Les ultrasons sont notamment très largement utilisés en imagerie médicale (échographie), pour les sonars des chauve-souris ou encore pour le contrôle non destructif des matériaux dans l’industrie.

Les infrasons, en dessous de 20 Hz

A l’opposé du spectre acoustique se situent les infrasons, dont la fréquence est inférieure au seuil auditif humain situé vers 20 Hz. Quelques sources d’infrasons dans la nature et leurs effets sur l’homme :

• Orage : effets anxiogènes possibles
• Vagues océaniques : nausée des passagers sur les paquebots
• Vent dans les orgues basaltiques : sensation de malaise
• Éruption volcanique : détectée par les animaux avant les hommes
• Certains animaux comme les éléphants ou les baleines utilisent les infrasons pour communiquer

Même s’ils sont inaudibles, les infrasons n’en restent pas moins perceptibles par l’homme car ils provoquent des résonances dans tout le corps, notamment au niveau du thorax et des organes internes. Des expositions continues à certains types d’infrasons (tonalités aiguës autour de 10Hz) peuvent même s’avérer très désagréables, voire nocives physiologiquement et psychologiquement à plus ou moins long terme.

Applications et reproduction du son

La maîtrise de la production et de la reproduction des sons et de la musique s’est beaucoup affinée au cours des deux derniers siècles, notamment grâce à l’arrivée de l’électricité et de l’électronique.

L’enregistrement du son

Les premiers enregistrements sonores mécaniques sont apparus à la fin du XIXème siècle avec l’invention du phonographe par Thomas Edison en 1877. Le son était alors gravé sous forme analogique sur un cylindre (puis un disque) en rotation à l’aide d’un cornet acoustique. La lecture se faisait via une pointe qui suivait le sillon gravé, faisait vibrer une membrane et reproduisait ainsi le son enregistré de façon analogique.

Aujourd’hui, l’enregistrement du son que ce soit en studio ou sur le terrain se fait encore majoritairement de façon analogique via des microphones électrodynamiques, qui produisent un courant électrique analogique du son perçu. Ce signal électrique analogique est ensuite échantillonné et converti en signal numérique par un convertisseur A/N avant d’être traité informatiquement. Le stockage final se fait sur support numérique mais la diffusion des musiques enregistrées se fait encore largement de façon analogique, que ce soit via les haut-parleurs de votre chaîne Hi-Fi ou les écouteurs de votre téléphone portable.

La restitution sonore

Parallèlement aux techniques d’enregistrement, les moyens de restituer et de reproduire les sons n’ont cessé de progresser depuis la fin du 19ème siècle, utilisant des transducteurs acoustiques de plus en plus performants.

• 1877 : phonographe de Edison
• 1887 : gramophone sillon spiralé de Berliner
• 1925 : enceintes électrodynamiques
• 1947 : transistor et circuits imprimés
• 1964 : électret (condensateur électrostatique polarisé) dans les micros
• 1970 : casque audio stéréo
• 1980 : CD audio 44.1 kHz 16 bits
• 1990 : MP3 et premiers codecs audio
• 2000 : mémoires flash et streaming

Le résultat de cette quête effrénée de la perfection sonore aboutit aujourd’hui à des restitutions d’une qualité et d’une précision exceptionnelle, comme avec l’audio haute-résolution 24bits/192kHz, le tout streamé en Bluetooth 5.0 depuis un smartphone vers une paire d’écouteurs de monitoring de studio à réduction de bruit active. Du rêve !