Théorie du son: Comportement du son

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Dans cette section on décrira le comportement du son dans son interaction avec les obstacles. Généralement, le matériel dont l'obstacle est composé et ses dimensions conditionnent la nature de l'interaction ainsi que le contenu des fréquences du son en question.

Les comportements qui seront examinés sont valables pour tous genres d'ondes, même si nous les circonscrirons dans le domaine du son. On analysera dans l'ordre suivant:

  • Réflexion

  • Diffraction

  • Réfraction

  • Absorption

1.10.1. Réflexion

Prenons comme référence la figure suivante qui illustre une onde (sonore) qui se répercute sur une superficie et y est reflétée. Il est important de tenir en compte que les fronts d'onde produits par les compressions et par les dilatations sont perpendiculaires à la direction de propagation de l'onde:

Théorie du son - Réflexion

Réflexion

Une onde qui se répercute sur une surface plane avec un angle d'incidence α (entre la perpendiculaire à la surface et la direction de propagation de l'onde) sera reflétée avec un angle de réflexion égal à α. Dans la figure citée plus haut, on traite le cas d'une surface plane et celui d'une surface concave où tous les rayons reflétés convergent vers le foyer de la surface courbe (pour plus de détails sur le foyer, consultez n'importe quel texte de géométrie); ici, il suffira de dire que dans une circonférence, ou une sphère si on pense en 3D, le foyer coïncide avec le centre. En acoustique, les surfaces concaves sont à éviter pour la raison qu'elles tendent à concentrer le son vers un endroit précis, notamment le foyer, créant une distribution du son non homogène. Elles sont en revanche utilisées pour la construction de microphones directionnels car elles rendent possible l'amplification des signaux les plus faibles.

En contrepartie, les superficies convexes ont la propriété de diffuser le son et sont donc largement utilisées pour améliorer l'acoustique des lieux. Quand une onde se reflète sur une superficie convexe, le prolongement de l'onde reflétée passe par le foyer de la superficie.



1.10.2. Réflexion à l'intérieur d'une pièce

Quand un son est diffusé dans un lieu fermé, il atteint l'auditeur de différentes manières. Le premier signal qui lui parvient est le plus fort et est direct, autrement dit, c'est celui qui fait le trajet le plus court entre la source sonore et l'auditeur. A la suite du signal direct et après un bref décalage, arrivent les signaux qui ont subi une seule réflexion sur une paroi et auront une ampleur inférieure par rapport au signal direct, à cause de la perte partielle d'énergie due à la réflexion. Appelons ces signaux premières réflexions (dans certains traités, appelés son précoce). Ensuite, arrivent toutes les ondes qui ont subi plus d'une réflexion, d'une ampleur encore plus petite par rapport aux premières réflexions. Celles-ci sont appelées amas de reverbération (reverb cluster) à indiquer que ces signaux ne doivent pas être traités individuellement mais plutôt comme un corps unique. La figure ci-après nous montre la distribution de ces signaux dans le temps et leurs ampleurs.

Théorie du son - Réflexion à  l'intérieur d'une pièce

Réflexion à l'intérieur d'une pièce



1.10.3. Réfraction

Par ce terme on indique le phénomène par lequel une onde qui traverse deux supports de différentes densités change de direction lors de son passage de l'un à l'autre. Un tel comportement est facile à expliquer si l'on tient compte de ce que nous avons dit à propos de la vitesse du son a l'interieur de supports à densité différente.

Nous savons que le son voyage plus rapidement dans les supports plus denses. Observons une onde qui traverse un mur, comme esquissé ci-après:

Théorie du son - Réfraction

Réfraction

Le mur a une densité supérieure à l'air, ce qui fait que les fronts d'onde qui commencent à y pénétrer sont plus rapides par rapport à ceux qui sont encore à l'extérieur. En conséquence, en entrant dans le mur le même front d'onde a une partie plus avancée (celle à l'intérieur du mur) et l'autre plus en recul (celle qui se trouve encore à l'extérieur). Quand tout le front de l'onde a pénétré le mur, la direction de la propagation a changé d'angle. A la sortie du mur, se produit le même phénomène dans le sens contraire, et l'onde retourne à sa direction d'origine. Ci-après, nous allons voir comment ce phénomène devient important durant les concerts en plein air, où les conditions changent totalement en raison des facteurs atmosphériques, modifiant en conséquence la propagation du son dans l'environnement.

Théorie du son - Réfraction en plein air

Réfraction en plein air

Le matin on note que la couche supérieure (air froid) a une densité plus grande que la couche inférieure (air chaud), ainsi le son tend à dévier son parcours vers le haut, comme démontré à la figure précédente.

Le soir la situation s'inverse et la couche plus dense (air froid) se déplace plus bas. Ceci amène le son à dévier vers le bas, comme on peut le voir à la figure précédente. On doit en tenir compte lors de l'installation pour un concert en plein air [Son live ] , à cause de la longue préparation et des tests effectués bien avant le début du concert, et donc dans des situations climatiques qui se modifient au fur et à mesure du temps qui passe.



1.10.4. Diffraction

La manière la plus immédiate, mais efficace, pour décrire ce phénomène est de dire qu'il se manifeste quand un son évite un obstacle. Ceci dépend beaucoup de la fréquence, vu que les sons avec une grande longueur d'onde (donc basse fréquence) surmontent facilement les obstacles de dimension inférieure à leur longueur d'onde. Ceci est une des raisons pour lesquelles les premières fréquences qui sont atténuées sont les hautes, alors que les basses se propagent à des distances beaucoup plus grandes.



1.10.5. Absorption

On peut la décrire comme étant la conversion de l'énergie acoustique en énergie thermique par une superficie. En d'autres mots, quand un son recontre un obstacle, il lui transmet de l'énergie qui est dissipée sous forme de chaleur. En général ces quatre phénomènes sont tous présents au moment où une onde sonore rencontre un obstacle. La figure suivante illustre une situation typique:

Théorie du son - Réflexion, diffraction, réfraction et absorption ensemble

Réflexion, diffraction, réfraction et absorption ensemble