Onde sonore : formule, propriétés. Sources d'ondes sonores

2024 Auteur: Angel Austin | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-17 05:26

Une onde sonore est un processus ondulatoire qui se produit dans des milieux gazeux, liquides et solides, qui, lorsqu'il atteint les organes auditifs humains, est perçu par eux comme un son. La fréquence de ces ondes est comprise entre 20 et 20 000 oscillations par seconde. Nous donnons des formules pour une onde sonore et examinons ses propriétés plus en détail.

Pourquoi y a-t-il une onde sonore ?

Beaucoup de gens se demandent ce qu'est une onde sonore. La nature du son réside dans l'occurrence d'une perturbation dans un milieu élastique. Par exemple, lorsqu'une perturbation de pression sous forme de compression se produit dans un certain volume d'air, cette zone a tendance à s'étendre dans l'espace. Ce processus entraîne une compression de l'air dans les zones adjacentes à la source, qui ont également tendance à se dilater. Ce processus couvre de plus en plus d'espace jusqu'à ce qu'il atteigne un récepteur, par exemple l'oreille humaine.

Caractéristiques générales des ondes sonores

Considérons ce qu'est une onde sonore et comment elle est perçue par l'oreille humaine. Onde sonoreest longitudinal, il, lorsqu'il pénètre dans la coquille de l'oreille, provoque des vibrations du tympan avec une certaine fréquence et amplitude. Vous pouvez également représenter ces fluctuations comme des changements périodiques de pression dans le microvolume d'air adjacent à la membrane. D'abord, elle augmente par rapport à la pression atmosphérique normale, puis diminue, obéissant aux lois mathématiques du mouvement harmonique. L'amplitude des changements de compression de l'air, c'est-à-dire la différence entre la pression maximale ou minimale créée par une onde sonore, et la pression atmosphérique est proportionnelle à l'amplitude de l'onde sonore elle-même.

De nombreuses expériences physiques ont montré que la pression maximale que l'oreille humaine peut percevoir sans l'endommager est de 2800 µN/cm². À titre de comparaison, disons que la pression atmosphérique près de la surface de la Terre est de 10 millions µN/cm^{2. Compte tenu de la proportionnalité de la pression et de l'amplitude d'oscillation, on peut dire que cette dernière valeur est insignifiante même pour les vagues les plus fortes. Si nous parlons de la longueur d'une onde sonore, alors pour une fréquence de 1000 vibrations par seconde, ce sera un millième de centimètre.}

Les sons les plus faibles créent des fluctuations de pression de l'ordre de 0,001µN/cm², l'amplitude d'oscillation d'onde correspondante pour une fréquence de 1000 Hz est de 10^{- 9}cm, alors que le diamètre moyen des molécules d'air est de 10^{-8 cm, c'est-à-dire que l'oreille humaine est un organe extrêmement sensible.}

Le concept d'intensité des ondes sonores

Avec géométrieDu point de vue d'une onde sonore, il s'agit d'une vibration d'une certaine forme, du point de vue physique, la propriété principale des ondes sonores est leur capacité à transférer de l'énergie. L'exemple le plus important de transfert d'énergie des vagues est le soleil, dont les ondes électromagnétiques émises fournissent de l'énergie à toute notre planète.

L'intensité d'une onde sonore en physique est définie comme la quantité d'énergie transportée par une onde à travers une surface unitaire, qui est perpendiculaire à la propagation de l'onde, et par unité de temps. En bref, l'intensité d'une onde est sa puissance transférée à travers une unité de surface.

La force des ondes sonores est généralement mesurée en décibels, qui sont basés sur une échelle logarithmique, pratique pour une analyse pratique des résultats.

Intensité des différents sons

L'échelle de décibels suivante donne une idée de la signification des différentes intensités sonores et des sensations qu'elles provoquent:

le seuil des sensations désagréables et inconfortables commence à 120 décibels (dB);
le marteau riveteur génère un bruit de 95 dB;
train à grande vitesse - 90 dB;
trafic routier - 70 dB;
le volume d'une conversation normale entre personnes est de 65 dB;
Une voiture moderne se déplaçant à vitesse modérée génère un bruit de 50 dB;
volume radio moyen - 40 dB;
conversation silencieuse - 20 dB;
bruit du feuillage des arbres - 10 dB;
Le seuil minimum de sensibilité au son humain est proche de 0 dB.

La sensibilité de l'oreille humaine dépend defréquence du son et est la valeur maximale pour les ondes sonores avec une fréquence de 2000-3000 Hz. Pour un son dans cette gamme de fréquences, le seuil inférieur de sensibilité humaine est de 10-5 dB. Des fréquences supérieures et inférieures à l'intervalle spécifié entraînent une augmentation du seuil de sensibilité inférieur de telle sorte qu'une personne n'entend les fréquences proches de 20 Hz et 20 000 Hz qu'à leur intensité de plusieurs dizaines de dB.

En ce qui concerne le seuil supérieur d'intensité, après lequel le son commence à causer des désagréments à une personne et même de la douleur, il faut dire qu'il ne dépend pratiquement pas de la fréquence et se situe entre 110 et 130 dB.

Caractéristiques géométriques d'une onde sonore

Une onde sonore réelle est un ensemble oscillatoire complexe d'ondes longitudinales, qui peut être décomposé en simples vibrations harmoniques. Chacune de ces oscillations est décrite d'un point de vue géométrique par les caractéristiques suivantes:

Amplitude - l'écart maximal de chaque section de l'onde par rapport à l'équilibre. Pour cette valeur, la désignation A.
Période. C'est le temps qu'il faut à une onde simple pour terminer son oscillation complète. Après ce temps, chaque point de l'onde commence à répéter son processus oscillatoire. La période est généralement désignée par la lettre T et mesurée en secondes dans le système SI.
Fréquence. Il s'agit d'une grandeur physique qui montre combien d'oscillations une onde donnée fait par seconde. Autrement dit, dans son sens, il s'agit d'une valeur inverse de la période. Il est désigné par la lettre latine f. Pour la fréquence d'une onde sonore, la formule pour la déterminer sur une période est la suivante: f=1/T.
La longueur d'une onde est la distance qu'elle parcourt en une période d'oscillation. Géométriquement, la longueur d'onde est la distance entre deux maxima les plus proches ou deux minima les plus proches sur une courbe sinusoïdale. La longueur d'oscillation d'une onde sonore est la distance entre les zones les plus proches de compression de l'air ou les lieux les plus proches de sa raréfaction dans l'espace où se déplace l'onde. Il est généralement désigné par la lettre grecque λ.
La vitesse de propagation des ondes sonores est la distance sur laquelle se propage la zone de compression ou la zone de raréfaction de l'onde par unité de temps. Cette valeur est notée par la lettre v. Pour la vitesse d'une onde sonore, la formule est: v=λf.

La géométrie d'une onde sonore pure, c'est-à-dire d'une pureté constante, obéit à une loi sinusoïdale. Dans le cas général, la formule d'une onde sonore est: y=Asin(ωt), où y est la valeur de la coordonnée d'un point donné de l'onde, t est le temps, ω=2pif est la fréquence d'oscillation cyclique.

Son apériodique

De nombreuses sources sonores peuvent être considérées comme périodiques, par exemple, le son d'instruments de musique tels que la guitare, le piano, la flûte, mais il existe également un grand nombre de sons dans la nature qui sont apériodiques, c'est-à-dire que les vibrations sonores changent leur fréquence et leur forme dans l'espace. Techniquement, ce type de son est appelé bruit. brillantdes exemples de sons apériodiques sont le bruit urbain, le son de la mer, les sons d'instruments à percussion, comme un tambour, etc.

Support de propagation du son

Contrairement au rayonnement électromagnétique, dont les photons n'ont besoin d'aucun support matériel pour se propager, la nature du son est telle qu'un certain support est nécessaire à sa propagation, c'est-à-dire que selon les lois de la physique, les ondes sonores ne peuvent se propager dans le vide.

Le son peut traverser les gaz, les liquides et les solides. Les principales caractéristiques d'une onde sonore se propageant dans un milieu sont les suivantes:

la vague se propage linéairement;
il se propage également dans toutes les directions dans un milieu homogène, c'est-à-dire que le son diverge de la source, formant une surface sphérique parfaite.
quelles que soient l'amplitude et la fréquence du son, ses ondes se propagent à la même vitesse dans un milieu donné.

La vitesse des ondes sonores dans divers médias

La vitesse de propagation du son dépend de deux facteurs principaux: le milieu dans lequel l'onde se déplace et la température. En général, la règle suivante s'applique: plus le support est dense, et plus sa température est élevée, plus le son s'y déplace rapidement.

Par exemple, la vitesse de propagation d'une onde sonore dans l'air près de la surface de la terre à une température de 20℃ et une humidité de 50% est de 1235 km/h ou 343 m/s. Dans l'eau à une température donnée, le son se propage 4,5 fois plus vite, puisil y a environ 5735 km/h ou 1600 m/s. Quant à la dépendance de la vitesse du son à la température dans l'air, elle augmente de 0,6 m/s avec une augmentation de la température pour chaque degré Celsius.

Timbre et tonalité

Si une corde ou une plaque métallique est autorisée à vibrer librement, elle produira des sons de fréquences différentes. Il est très rare de trouver un corps qui émettrait un son d'une fréquence particulière, généralement le son d'un objet a un ensemble de fréquences dans un certain intervalle.

Le timbre d'un son est déterminé par le nombre d'harmoniques qu'il contient et leurs intensités respectives. Le timbre est une valeur subjective, c'est-à-dire qu'il s'agit de la perception d'un objet sonore par une personne spécifique. Le timbre est généralement caractérisé par les adjectifs suivants: haut, brillant, sonore, mélodique, etc.

Le ton est une sensation sonore qui permet de la classer comme haute ou basse. Cette valeur est également subjective et ne peut être mesurée par aucun instrument. Le ton est associé à une quantité objective - la fréquence d'une onde sonore, mais il n'y a pas de relation univoque entre eux. Par exemple, pour un son à fréquence unique d'intensité constante, le ton monte à mesure que la fréquence augmente. Si la fréquence du son reste constante, mais que son intensité augmente, alors le ton devient plus bas.

Forme des sources sonores

Selon la forme du corps qui vibre mécaniquement et génère ainsi du son, il existe trois principaux types de sources d'ondes sonores:

Source ponctuelle. Il produit des ondes sonores de forme sphérique et se décompose rapidement avec la distance de la source (environ 6 dB si la distance de la source est doublée).
Source ligne. Il crée des ondes cylindriques dont l'intensité décroît plus lentement qu'à partir d'une source ponctuelle (à chaque doublement de la distance à la source, l'intensité diminue de 3 dB).
Une source plate ou bidimensionnelle. Il ne génère des ondes que dans une certaine direction. Un exemple d'une telle source serait un piston se déplaçant dans un cylindre.

Sources sonores électroniques

Pour créer une onde sonore, les sources électroniques utilisent une membrane spéciale (haut-parleur), qui effectue des vibrations mécaniques dues au phénomène d'induction électromagnétique. Ces sources incluent les éléments suivants: