Cours de physique générale - Ondes sonores - PDF

Chapitre 24 Ondes sonores – audition et production d'un son...

Chapitre 24 Ondes sonores – audition et production d'un son Pr François Bochud FBM – BMed – module B1.1 Cours de physique générale https://www.wonderopolis.org/wonder/can-you-ride-a-sound-wave  Objectifs Citer les caractéristiques principales d'une onde sonore et calculer des niveaux d'intensité sonores dans des situations simples Expliquer ce qui se passe lorsqu'une onde stationnaire est sur une corde ou dans un tuyau rempli d'air et calculer les fréquences propres correspondantes Expliquer comment les caractéristiques physiques d'une onde sonore influent sur la production de la parole humaine et décrire les principales étapes physiques de l'audition humaine, jusqu'à la production d'un influx nerveux  Le son est une onde longitudinale dont la vitesse de propagation est indépendante de sa fréquence. La résistance qu'un milieu présente à une onde sonore est quantifiée par son impédance. En passant d'un milieu à un autre, un son est d'autant plus réfléchi que la différence d'impédance est grande. L’absorption d’une onde sonore est exponentielle (Comme les ondes électromagnétique) et est d’autant plus importante que la fréquence est élevée. L’onde sonore est quantifiée par son intensité (W^2/m^2) par la variation de pression, ou par l'amplitude du déplacement des particules du milieu L’oreille humaine perçoit les sont de manière logarithmique, donc sont quantifiés souvent leur niveau d’intensité sonore (en dB). Grandeur normalisée par rapport a la plus petite intensité sonore perceptible par un être humain. Prenant en compte que nous percevons plus facilement les hautes que les basses fréquences, le niveau sonore en dB(A) est utilisé pour définir les limites légales de nuisances sonore. Pour une longueur L donnée la fréquence la plus basse est dites fondamentales ou premier harmonique alors que les fréquences plus élevées sont des harmoniques de modes supérieurs. Ces concepts permettent d’expliquer les bases de la parole humaine ( la fréquence de la voix dépend de la longueur des cordes vocales et la modulation des sons est grandement influencée par la taille et la forme des cavités bucco-nasales) la captation d’une onde sonore par le corps humain se fait en 3 phases par les oreilles externes moyenne et interne. L’oreille externe canalise le son sur le tympan de l’oreille moyenne. Le passage au travers des osselets de l’oreille moyenne permet de concentrer l’énergie de l’onde sonore incidente sur une petite surface a l’entrée de l’oreille interne. La transformation de l’énergie mécanique en signal neuronal se fait dans la cochlée de l’oreille  Combien de temps faut-il attendre pour qu'un mouvement sur Terre se manifeste sur la Lune ? Ne prenez pas en compte : la gravité les frottements la mécanique des orbites la cinématique newtonienne la dilatation les problèmes de génie civil etc.  Combien de temps faut-il attendre pour qu'un mouvement sur Terre se manifeste sur la Lune ? 21 heures 1. instantané 2. 1.2 secondes 3. 1 heure 4. beaucoup plus long  Définition et caractéristiques d’un onde sonore Le son est une onde qui décrit une modification de pression dans le milieu où elle se propage. Dans un gaz ou un liquide, l'onde est longitudinale : le déplacement des particules du milieu se produit dans la même direction que la propagation de la pression Dans les solides, en plus de la composante longitudinale, il peut y avoir une légère composante transversale, parce que les forces liant entre elles les molécules ont également une composante perpendiculaire à la direction de propagation. (Composante non considérée dans le cours) les variations de pression et de densité sont en phase l'une avec l'autre : (elles augmentent ou diminuent ensemble) le déplacement des molécules est déphasé de λ/4 par rapport à la pression : lorsque la pression est maximale, le déplacement des particules est nul (positif juste à gauche et négatif juste à droite). Lorsque la pression est minimale, le déplacement est également nul (le déplacement des particules est négatif juste à gauche et positif juste à droite). Rappel : une fonction quelconque peut s’exprimer comme une somme de sinusoïdes (transformée de Fourier)  d'une onde sonore sous la forme YouTube AlphaPoenix Are solid objects really solid? https://youtu.be/DqhXsEgLMJ0  vitesse de propagation de l'onde (sonore) pression dans l'acier cs = 5'100 m/s ≈ 18'360 km/h onde longitudinale direction de propagation durée de transmission Terre-Lune ∆x cs = ∆t ∆x 384'402'000 ⇒ ∆t = = = 75'373 s ≅ 21h cs 5'100 direction de propagation Une onde sonore dans l'air se propage de manière similaire onde longitudinale  Vitesse de propagation du son dans l'air : 343 m/s Et dans l'eau ? Les ondes sonores se déplacent à une vitesse cs déterminée par les propriétés du milieu. Cette vitesse est d’autant plus grande que les atomes 1. < 343 m/s qui composent le milieu sont légers et sont liés entre eux. On constate que le son se déplace 2. 343 m/s cs(eau) ≈ ____ m/s 1500 environ quatre fois plus vite dans le tissu que dans l'air, à deux exceptions près : dans l'os la vitesse est environ deux fois plus grande que dans 3. > 343 m/s le tissu mou, et dans le poumon, la vitesse est environ deux fois plus petite que dans le tissu mou. Pour l'os, cela s'explique par sa rigidité qui favorise le transfert d'énergie d'un atome à l'autre. Pour le poumon, c'est l'inverse : le tissu a peu de En imagerie par ultrasons, rigidité et la présence d'air réduit sa densité. les basses fréquences sont mieux transmises au les images sont reconstruites en supposant travers des os que dans les tissus mous. Comme le son de notre voix nous parvient également par cs = ______ 1540 m/s = ______ 1054 mm/µs conduction dans nos propres os, nous nous entendons avec une voix légèrement plus grave, que celle que perçoivent les personnes qui nous entourent.  cs d’autant plus grande que les atomes qui composent le milieu sont légers et sont liés entre eux acoustique Z 1ère loi de Newton impedance on meilleure transmission la rigidit cmesure (inertie) des tissus) du mouvement et flexibilité ~ vitesse de propagations ↳ Z = pls A masse v au milieu cs (diamant) ≈ 12'000 m/s GYassineMrabet — Travail personnel, Domaine public, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8403713 https://www.futura-sciences.com/planete/actualites/pierres-precieuses-vous-pourrez-bientot-acheter-diamants-fluorescents-81744/  L’eau atténue très peu les ondes sonores, expliquant pourquoi les baleines communiquent sur de très grandes distances et également pourquoi le bruit des hélices de bateau est une véritable pollution pour les animaux marins. Pour les tissus humains la CDA du son (10kHz) varie typiquement entre 10cm et 10m alors que pour les ultrasons 1MHz la CDA varie entre 1mm et 10cm Absorption d’une onde sonore Lorsqu’une onde sonore pénètre dans la matière elle est atténuée de manière le son est transmis de l'air à l'oreille moyenne par le conduit auditif, puis exponentielle en fonction d’une profondeur x à l'oreille interne. Cela peut être compris en analysant ce qui arrive à pénétrée. L’amplitude de l’onde en terme de une onde sonore incidente sur une interface plane entre deux milieux semi‐infinis 1 et 2 variation de pression a un profondeur x L'onde sonore se propage à vitesse c1 et fréquence f=f1 dans le milieu 1, s’exprime comme pour les ondes et arrive avec une amplitude Pi sur l'interface. La partie réfléchie dans le électromagnétiques (loi Lambert-beer) même milieu a l'amplitude Pr, et la partie transmise au milieu 2 a l'amplitude Pt. Les pressions devant s'équilibrer pour qu'il n'y ait pas de force nette sur l'interface, on a Pi+Pr=Pt. Au passage de l'interface, la Cef d'absorption = ↳ d'autant plus fréquence ne change pas, car les oscillations sinusoïdales de la pression P(X) importante que la gréquence : et du mouvement de la matière des deux côtés de l'interface doivent Nestproportipursone grande toujours correspondre. En revanche, si la vitesse du son est différente - est Lamplitude liquides et dans le milieu 2, la longueur d'onde change selon la relation λ=c2/f. de l'onde sonore l'air est proportionnel les tissus a l'entrée du af pour Materian (X = 0) Les amplitudes transmise et réfléchie dépendent des impédances des milieux 1 et 2. la transmission est d'autant plus grande que les impédances des deux milieux ont des valeurs proches On observe que la plupart des sons externes incidents sur le corps sont réfléchis. A l'intérieur du corps humain, la transmission des sons entre les tissus mous est très bonne. En revanche, il y a une réflexion significative entre les tissus mous et les poumons et entre les tissus mous et les os. Pression acoustique et intensité de l'onde en W/m2 Les unités de l'onde sonore dépendent de la grandeur physique décrite par l'onde : variation de pression (Pa), variation de densité (kg/m3), déplacement des particules (m). En plus de ces grandeurs, et comme pour les ondes électromagnétiques, on décrit souvent une onde sonore en terme de puissance transportée par unité de surface (en W/m2). Sans autres indications, c'est la grandeur qu'on sous‐entend lorsqu'on parle simplement d'intensité de l'onde I. La relation qui lie I et la pression P est : I = L'audition humaine dans l'air couvre une gamme de pressions qui va de 30 μPa (à peine audible) à 30 Pa (douloureux). En utilisant la relation ci‐dessus, cela correspond à des intensités de 10‐12 et 1 W/m2 respectivement.  Résonnance et ondes stationnaires De nombreuses propriétés des ondes sonores dépendent du milieu dans lequel l'onde se propage et de ses caractéristiques géométriques  Ondes stationnaires (résonnance) Onde progressive avance dans un direction donner https://twitter.com/MasayukiTsuda2/status/1639424279824728070  Ondes stationnaires λ grande L λ petite (résonnance) f basse f haute L https://twitter.com/MasayukiTsuda2/status/1639424279824728070 Un son qui résonne dans un tube est la manifestation d'une onde stationnaire. la cavité bucco‐ nasale ou l'oreille externe peuvent être considérées comme étant des tubes Comme pour la corde, lorsqu'une onde stationnaire se forme dans un tube, la longueur d'onde dépend de la longueur du tube L. Sur une extrémité fermée, les molécules touchent la paroi : elles ne peuvent donc pas osciller et cela nécessite d'avoir un nœud sur l'onde stationnaire décrivant le mouvement des particules. Sur une extrémité ouverte, l'interférence liée à la réflexion du son peut générer un nœud ou un ventre, mais dans la plupart des cas on cherche à avoir un ventre, car on veut que le son soit maximal à cet endroit  des particules déplacement 0 harmonique 1 - oscillation des particules d'ais Considérons une corde de longueur L, fixée rigidement aux deux extrémités. Si on la frappe, une onde transversale s'y propage. Pour que l'onde soit stationnaire (et sinusoïdale), il faut qu'elle ait un nœud à chaque extrémité, car elle doit rester immobile à ces positions. la longueur de la corde satisfaisant cette condition est celle pour laquelle L est égal à un multiple de 1⁄2 λ https://en.m.wikipedia.org/wiki/Acoustic_resonance#Resonance_of_a_tube_of_air https://en.m.wikipedia.org/wiki/Acoustic_resonance#Resonance_of_a_tube_of_air https://en.m.wikipedia.org/wiki/Acoustic_resonance#Resonance_of_a_tube_of_air https://en.m.wikipedia.org/wiki/Acoustic_resonance#Resonance_of_a_tube_of_air  tube n onde stationnaire dans un tube À l'extrémité ouverte, les molécules peuvent se déplacer librement, ce qui correspond à un ventre de déplacement  Pour qu'une onde stationnaire se forme dans un tube ouvert aux deux extrémités, il faut donc que l'onde des déplacements des molécules ait un ventre à chaque extrémité Onumero de l'harmonique la longueur du tube doit être égale à un nombre entier de demi‐longueurs d'onde. Les fréquences propres sont donc les mêmes que celles de la corde tendue.  tube onde stationnaire dans un tube Si uniquement une des extrémités du tube est ouverte, il faut que l'onde des déplacements des molécules ait un ventre à une extrémité et un nœud à l'autre molecules touchent paroi Che peuvent pas oscille) Sur une extrémité fermée, les molécules touchent la paroi. Elles ne peuvent pas osciller, ce qui correspond à un nœud de déplacement  tube onde stationnaire dans un tube la longueur du tube peut avoir une longueur égale à λ/4 pour le premier mode, (λ/4+λ/2) pour le deuxième mode, (λ/4+λ) pour le troisième mode, etc. cs cs fm' = = m' λm' 4L avec m ' = 1,3,5,... L harmonique& fondamentale L = hm = Am = harmoniqueanane - cs cs fm' = = m' m= mode λm' 4L donde hm = longueur avec m ' = 1,3,5,... correspondante Les harmoniques effectivement présentes dans la vibration de la corde sont appelés modes propres. Lorsqu'une telle corde se trouve dans l'air, ses oscillations modifient la pression environnante et génèrent une onde sonore contenant les fréquences d'oscillation de la corde.  Quelle montagne vibre avec la plus haute fréquence ? Mt Cervin 4478 m Gr. Mythen 1898 m (plusieurs réponses possibles) Mêmes Ne vibrent Pas fréquences pas mesurable ① ② ③ ④ ⑤ 1. Cervin 2. Gross Mythen 3. Mêmes fréquences 4. Ne vibrent pas 5. Pas mesurable Le continent est excité par des vibrations contenant une large gammes de fréquences Les fréquences qui font vibrer les montagnes sont celles qui résonnent (celles qui sont stationnaires)  fréquence propre (fondamentale) du Mont Cervin : f = 0.43 Hz Oscillations stimulées par les ondes sismiques du sol générées par des sources naturelles telles que les marées, la houle marine, le vent ou les tremblements de terre Weber et al, Earth and Planetary Science Letters (2022) https://dm oi.org/10.1016/j.epsl.2021.117295 https://www.rts.ch/info/regions/valais/12740965-le-sommet-du-cervin-oscille-en-permanence-selon-une-etude.html  f0 = 0.43 Hz Grande taille = Basse fréquence Mont Cervin 4478 m f0 = 2-3 Hz Petite taille = Haute fréquence Gross Mythen 1898 m https://www.boris-baldinger.com/produkt/grosser-mythen-schweiz/ https://www.rhonefm.ch/actualites/une-piece-de-theatre-commemorera-les-150-ans-de-lascencion-du-cervin https://fr.aliexpress.com/item/32286886447.html Production d’un son par l’être humain  nasopharynx La parole fonctionne grâce à des tuyaux et langue des cordes en vibration oropharynx harmonique Chez l'être humain, la première étape de production d'un son est réalisée par les cordes vocales qui font vibrer l'air provenant des poumons. La gorge et la cavité bucco‐nasale servent ensuite de cavité résonante. Notre capacité à produire des sons aussi variés a deux origines : 1. La tension des cordes vocales peut être variée, ce qui permet de épiglotte changer la distribution des harmoniques. 2. Les structures résonantes – et en particulier la cavité buccale – laryngopharynx peuvent changer de forme et de dimension de manière à modifier le contenu en fréquences des sons. cordes vocales larynx trachée cordes vocales œsophage  nasopharynx Lorsqu'on ne parle pas, les cordes vocales sont langue relâchées et n'obstruent pas le larynx. Lorsqu'on se prépare à émettre un son, la tension des cordes augmente et le larynx se ferme. La pression de oropharynx l'air issue des poumons augmente jusqu'à forcer l'ouverture des cordes, qui se mettent à vibrer. épiglotte laryngopharynx pression quasi constante des poumons cordes vocales pas d'oscillation larynx trachée cordes vocales fermée œsophage Le méchanisme de vibration des cordes vocales s’explique par l’équation de bernoulli. cette équation nous dit que la pression diminue si la vitesse de l'air augmente en passant dans une conduite. Ainsi, au moment où l'air franchit l'ouverture entre les cordes vocales, sa vitesse est passablement élevée et la pression devient rapidement suffisamment faible pour que les cordes se referment. Immédiatement après, la pression en amont des cordes augmente à nouveau et celles‐ci s'ouvrent à nouveau. Ce cycle d'ouverture/fermeture des cordes vocales se poursuit tant que l'exhalation persiste. La longueur L des cordes vocales d'un individu est fixe et sa fréquence fondamentale est toujours égale à cs/2L. Cette fréquence varie légèrement d’un individu à l’autre, surtout si on compare les hommes avec les femmes, car la longueur de leurs cordes vocales diffère, de même que leur densité. Les modes propres des cordes vocales consistent en une série d'harmoniques qui peuvent être ajustés par la tension musculaire qui y est appliquée. Le résultat consiste en l'émission d'un ensemble de fréquences d'amplitude relativement constante dans la gamme 300‐3'000 Hz. Sans traitement adéquat, cette superposition d'harmoniques ne produirait que du bruit (comme un rot par exemple). La sélection des fréquences a lieu dans la cavité bucco‐nasale qui agit comme une structure résonante. Bien qu'elle soit complexe, cette cavité peut être raisonnablement approximée par un tube de 17 cm de long dont une extrémité (la bouche et le nez) est ouverte et l'autre (les cordes vocales) est pratiquement fermée.  nasopharynx 2ème harmonique 3ème harmonique 1ère harmonique langue oropharynx épiglotte laryngopharynx cordes vocales larynx mêmes harmoniques vibrations définies par les que pour un tube ouvert mais… trachée harmoniques des cordes … avec des nœuds œsophage vocales aux extrémités  nasopharynx fréquences harmoniques produites par les cordes vocales langue oropharynx épiglotte En considérant une vitesse du son cs = 343 m/s, les fréquences de résonance sont laryngopharynx environ 500 Hz pour la fondamentale (1ère harmonique), 1'500 Hz et 2'500 Hz respectivement pour la 3ème et la 5ème cordes vocales harmonique. On vérifie que ces fréquences sont bien situées dans la gamme 300‐3'000 larynx Hz produite par les cordes vocales. vibrations définies par les trachée harmoniques des cordes œsophage vocales  1ère harmonique (fondamentale) nasopharynx langue 3ème harmonique oropharynx 5ème harmonique épiglotte laryngopharynx cordes vocales larynx trachée œsophage  nasopharynx langue son "a" de "âne" oropharynx épiglotte laryngopharynx f1 ≈ 500 Hz f3 ≈ 1'500 Hz cordes vocales f5 ≈ 2'500 Hz fréquences harmoniques des cordes vocales larynx sélectionnée par la cavité bucco-nasale trachée pour produire le son "a" du mot "âne" œsophage  audition https://www.francebleu.fr/emissions/les-mots-de-l-actu/107-1/le-mot-du-jour-l-ane-envase L'appareil auditif humain perçoit des fréquences allant de 20 Hz à 20 kHz. Il se compose des oreilles externe, moyenne et interne. L'oreille externe est essentiellement un canal qui conduit l'onde sonore vers l'oreille moyenne. L'oreille moyenne commence par le tympan et se poursuit par trois osselets connectés mécaniquement : le marteau, l'enclume et l'étrier. L'oreille interne (pour sa partie auditive) est constituée de la cochlée et du nerf auditif qui est connecté au cerveau. La transformation de l'énergie acoustique du son en signal neuronal se fait en quatre étapes : 1. L'onde sonore pénètre dans l'oreille externe. 2. Le mouvement de la membrane tympanique est transféré mécaniquement à travers les osselets jusqu'à la fenêtre ovale de la cochlée. 3. Le mouvement de la fenêtre ovale génère une onde de compression (sonore) dans le liquide de la cochlée. 4. Cette onde déplace des cellules ciliées qui génèrent des signaux électriques, qui sont envoyés au cerveau.  Chez l'être humain, quelle sont les fonctions principales du pavillon ? (plusieurs réponses possibles) 1. amplifier les sons 2. aider à la localisation 3. capter et diriger les ondes sonores vers le conduit auditif 4. filtrer les hautes fréquences provenant de l'arrière  Certains sont mieux équipés que d'autres ! caracal https://x.com/tannokasa5/status/1791461167908663462  tympan fenêtre ovale Oreille externe Oreille moyenne Oreille interne marteau enclume canaux semi-circulaires étrier nerf auditif cochlée tympan pavillon canal auditif  tympan fenêtre ovale Oreille externe Oreille moyenne Oreille interne YouTube Brandon Pletsch, Auditory Transduction (2002) https://youtu.be/PeTriGTENoc  tympan fenêtre ovale Oreille externe Oreille moyenne Oreille interne le pavillon offre une capacité de collecte et d'amplification du son négligeable. Sa forme très asymétrique et irrégulière aide toutefois à la localisation des sources sonores. Bien qu'il soit courbé, on peut modéliser le canal auditif comme un tube droit, ouvert à l'extrémité du pavillon et fermé à celle du tympan. Avec une longueur typique L = 2.5 cm, la fréquence fondamentale vaut 3'430 Hz.222 Cela montre que ce modèle est une bonne première approximation, car cette fréquence est très proche de la sensibilité auditive maximale des humains (environ 3 kHz). On pourrait affiner le modèle en notant que l'ouverture progressive "en entonnoir" du canal auditif favorise également passablement de fréquences proches de cette première harmonique.  tympan fenêtre ovale Oreille externe Oreille moyenne Oreille interne Canal auditif f1=3'430 Hz proche maximum sensibilité audition humaine réflexion sur le tympan : 999/1'000 transmist solide 1/1000 = an perte de 30 dB  tympan fenêtre ovale Oreille externe Oreille moyenne Oreille interne Sans le tympan et le transfert par les osselets, le son du canal auditif serait directement incident sur la fenêtre ovale, à l'entrée de la cochlée. En première approximation, le liquide cochléaire est de l'eau et uniquement 1/1’000de puissance incidente en W/m^2 est transmise entre l’air et l’eau. Facteur 1’000 équivaut a une réduction de 30dB, correspondant a rendre a peine perceptible une voix moyennement forte La fonction principale de l'oreille moyenne est d'améliorer l'efficacité de ce transfert d'énergie. Contrairement à ce qu'on entend souvent, cela ne se fait pas par une adaptation d'impédance de l'air à celle du liquide cochléaire. La majeure partie de l'énergie incidente sur l'oreille moyenne est en effet perdue par réflexion. L'efficacité de l'oreille moyenne s'explique par deux mécanismes : 1. La surface du tympan (St ≈ 55 mm2) est bien plus grande que celle de la fenêtre ovale (Sfo ≈ 3.5 mm2) qui transmet l'énergie à l'oreille interne. Cela produit une augmentation de la pression d'un facteur St/Sfo ≈ 17. 2. La disposition géométrique des osselets est telle qu'elle contient deux leviers dont les avantages mécaniques augmentent la force appliquée à la fenêtre ovale (et donc la pression) d'un facteur égal à environ 1.3. Au total, l'oreille moyenne permet donc de multiplier la pression par un facteur 22 (= 17x1.3). Cela se traduit par une augmentation du niveau d'intensité sonore à l'entrée de la cochlée de : YouTube Brandon Pletsch, Auditory Transduction (2002) https://youtu.be/PeTriGTENoc  tympan fenêtre ovale Oreille externe Oreille moyenne Oreille interne Bier transfer · : e ondes grandes en perises les osselets forment deux leviers avantage mécanique : 1.3 "concentration" de l'énergie transmise (surfaces) St/Sfo = 17 pression : 17 x 1.3 = 22 Ces 27 dB compensent presque les 30 dB qui gain seraient perdus par St = 55 mm2 Sfo = 3.5 mm2 réflexion sur la fenêtre ovale s'il n'y avait pas de 27 dB d'oreille moyenne.  tympan fenêtre ovale Oreille externe Oreille moyenne Oreille interne cochlée ~ e o a  tympan fenêtre ovale Oreille externe Oreille moyenne Oreille interne allee - - il y cellules a des reveases aussi qui vibrent > - retour YouTube Brandon Pletsch, Auditory Transduction (2002) https://youtu.be/PeTriGTENoc Les vibrations reçues au travers de la fenêtre ovale via l’étrier sont transmises au fluide de la cochlée dans le canal vestibulaire. L’onde sonore crée est transportée jusqu’à l’apex de la cochlée puis poursuit sa trajectoire dans le canal tympanique, parallèlement a son parcours initial jusqu’à la fenetre ronde Le fait que la membrane soit 3 à 4 fois plus épaisse et 100 fois moins rigide à l'apex qu'à la base explique que les fréquences plus élevées provoquent des vibrations d'amplitude plus grande près de la base, alors que les basses fréquences induisent des vibrations d'amplitude plus grande plus près de l'apex. Ceci permet au cerveau de distinguer les fréquences en fonction de la position des nerfs afférents dans la cochlée. L'organe de Corti qui tapisse la membrane basilaire contient deux types de cellules ciliées : les cellules ciliées internes et externes. Les premières sont les moins nombreuses (≈3'500) mais fournissent 95 % des signaux nerveux. Il s'agit de cellules vibratiles qui sont connectées au cerveau par voie afférente. Les cellules ciliées externes (≈12'000) sont des cellules contractiles activée par le système efférent. Elles jouent un rôle essentiel dans notre capacité à sélectionner des fréquences sensiblement identiques jouées en même temps (sélectivité fréquentielle).  tympan fenêtre ovale Oreille externe Oreille moyenne Oreille interne La cochlée est un tube "en colimaçon" enroulé sur 2.75 tours. Déroulé, cela correspond à un double‐cylindre d'environ 2 mm de diamètre et de 35 mm de long. La membrane basilaire est située entre les canaux vestibulaire et tympanique et contient l'organe de Corti, qui transforme l'énergie mécanique de l'onde sonore en signal neuronal grâce à des cellules ciliées. cochlée "déroulée" fenêtre ovale étrier membrane basilaire  tympan fenêtre ovale Oreille externe Oreille moyenne Oreille interne peu rigide basse cs basses épais grande L fréquences apex 20 Hz harmoniques cs c fm = =m s de la membrane λm 2L 20 kHz rigide haute cs hautes fin petite L fréquences  Perception Bien que le niveau sonore soit relativement proche de notre perception, cela ne correspond pas à la loi de Stevens (voir Section 3.5). En effet, dans le cas d'un son, lorsque le stimulus est l'intensité de l'onde I (W/m2), la perception P – qu'on appellera niveau sonore perçu – vaut 0 , 06251 Perception = Curité : sone) https://freedomhearing.com/its-your-brain-that-hears-not-your-ears/  direction de propagation Variation de Déplacement Intensité I L'onde sonore peut pression ΔP longitudinal Δd s'exprimer en termes Force S (N/m2 = Pa) distance (m ) Energie S ⋅ ∆t ( W/m ) 2 Notre perception est-elle proportionnelle à ΔP à Δd ou I ? 1. à ΔP 2. à Δd 3. àI On constate que lorsque l'intensité sonore I est multipliée par 10, le niveau sonore βA 4. A aucun des trois augmente de 10 dB(A), alors que le niveau sonore perçu est multiplié par un facteur 2. Loi de Stevens son : n ≈ 0.3 constante d'échelle exposant perception P P = K ( S − S0 ) n n=0.3 perception stimulus stimulus de seuil stimulus S  intensité de Niveau sonore l'onde sonore perçu (W/m2) (sone) Perception ≅ 0.0625 ( I − Iref ) 0.3 I P = K ( S − S0 ) 250 n Niveau sonore perçu (sone) 200 K = 0.0625 150 S=I à basse intensité à haute intensité S0 = Iref = 10-12 W/m2 100 nous percevons des nous ne percevons que n = 0.3 petites différences des grandes différences 50 d'intensité d'intensité 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 2 Intensité sonore (W/m )  intensité de Niveau sonore l'onde sonore perçu (W/m2) (sone) I0 P0 sones 2 I0 1.2 P0 sones 10 I0 2 P0 sones  Mesure des sons https://de.aliexpress.com/item/33054582875.html?gatewayAdapt=glo2deu  Niveau d'intensité sonore β ; unité : dB (décibel) 106 180 une multiplication par 10 de l'intensité correspond à +10 dB, une multiplication par 100 correspond à +20 dB, une multiplication par 1'000 à +30 dB, etc. Intensité de l'onde acoustique (W/m2) 104 160  I  Niveau d'intensité sonore (dB) β = 10 log10   100 140 1 120  Iref  10-2 100 10-4 80 Iref : intensité audible la plus basse 10-6 60 Le niveau d'intensité sonore n'a pas d'unité au sens 10-12 W/m2 SI du terme, mais on lui attribue celui de décibel 10-8 40 (dB). La zone de perception sonore (10‐12 à 1 W/m2) correspond à la gamme s'étendant entre 0 et 120 dB 10-10 20 Comme cette échelle est logarithmique, une multiplication de l'intensité de l'onde (en W/m2) se traduit par une addition en terme de niveau 10-12 0 d'intensité sonore (en dB). Par exemple, un doublement de l'intensité correspond une augmentation de 3 dB : x 10 = +10  Un niveau d'intensité donné (par exemple 90 dB) est perçu de la même manière, quelle que soit la fréquence 1. oui En moyenne, l'oreille humaine est sensible aux fréquences qui vont de 20 2. non, un son grave est perçu Hz à 20 kHz. Mais pour un niveau d'intensité donné (en dB), nous comme étant plus sonore qu'un percevons un son aigu comme étant son aigu "plus sonore" qu'un son grave. Pour avoir une grandeur plus proche de 3. non, un son aigu est perçu notre perception, les instruments de mesure appliquent souvent une comme étant plus sonore qu'un correction pA qui diminue le niveau d'intensité dans les basses fréquences : son grave Niveau sonore βA ; unité : dB(A) Le niveau sonore en dB(A) est utilisé pour définir des contraintes légales. pA se rapporte à une personne jeune ayant une très bonne ouïe. Pour une personne plus âgée, la perception des sons diminue, en particulier à hautes fréquences β A ( f ) = β ( f ) + pA ( f ) (unité : dB ( A ) ) Fonction de pondération utilisée par les sonomètres pour prendre en compte la réponse fréquentielle de la perception humaine  intensité de Niveau sonore Niveau sonore l'onde sonore (dB(A)) perçu (W/m2) (sone) I0 P0 sones 2 I0 Δ = 3 dB(A) 1.2 P0 sones 10 I0 Δ = 10 dB(A) 2 P0 sones 3x 3xn  Risque pour la santé et gestion légale Selon l'OMS, le stress diurne et les troubles du sommeil nocturnes provoqués par des niveaux sonores continus trop importants, les sons forts peuvent affecter le cœur et les vaisseaux sanguins, perturber le système endocrinien et rendre difficile la réflexion et l'apprentissage. Pour limiter ces effets, l'OMS recommande que l'exposition au bruit de la circulation routière soit limitée à 53 dB(A) pendant la journée, et à 45 dB(A) en moyenne durant la nuit. En Suisse, la protection du voisinage contre les nuisances sonores n’est pas régie au niveau fédéral, mais fait l'objet de législations cantonales et communales. En revanche, les nuisances sonores pour les manifestations publiques sont gérées au niveau fédéral par l'O‐LRNIS (avec les rayonnements optiques). Ce texte fixe à 100 dB(A) la valeur limite du niveau sonore des manifestations. Celles dont le niveau sonore se situe entre 93 et 100 dB(A) doivent être annoncées aux autorités et les organisateurs doivent remettre gratuitement des protections auditives. La protection des travailleurs n’est pas régie par l’O‐LRNIS mais par la Loi sur l'assurance‐accidents (LAA), la Loi sur le travail (LTr) et leurs ordonnances d’exécution. Les employés pouvant être exposés nettement plus longtemps que le public lors de manifestations, il est possible de fixer pour eux des valeurs limites plus basses. En outre, le port de protections auditives peut s’avérer nécessaire. Ceci est géré par la Caisse nationale d'assurance (SUVA).  Résumé Le son est une onde longitudinale Parole – harmoniques générées – supporté par un milieu par les cordes vocales – harmoniques sélectionnées – atténuation exponentielle par la cavité bucco-nasale – la vitesse cs dépend de la liaison et de Audition la masse des atomes – oreille externe : transmission air ≈ 340 m/s – oreille moyenne : passage air-liquide eau ≈ 1500 m/s – oreille interne : sélection des fréquences par l'oscillation de la membrane basilaire génération du signal nerveux Ondes stationnaires Perception et mesure du son – réflexion aux interfaces – Perception : intensité x10 = perception x2 – génération de – Mesure : niveau sonore en dB(A) intensité x2 = +3 dB(A) fréquences harmoniques intensité x10 = +10 dB(A) Exemple de question d'examen  Combien de temps faut-il à une onde sonore pour parcourir 3 km dans l'eau ? ceau = 1500 m/s f = 1 kHz λ = 1.5 m 1. 0.67 s 2. 1.5 s 3. 2s 4. 2.25 s  Objectif correspondant Chap 24 – objectif 1 – Citer les caractéristiques principales d'une onde sonore et calculer des niveaux d'intensité sonores dans des situations simples Chap 6 – objectif 3 – Décrire les paramètres d'une onde lorsqu'elle est décomposée en termes de fonctions sinusoïdales et expliquer leurs liens