Acoustique - Acoustics

La roue de l'acoustique de Lindsay
La roue de l'acoustique de Lindsay, qui montre les champs au sein de l'acoustique

L'acoustique est une branche de la physique qui traite de l'étude des ondes mécaniques dans les gaz, les liquides et les solides, y compris des sujets tels que les vibrations , le son , les ultrasons et les infrasons . Un scientifique qui travaille dans le domaine de l'acoustique est un acousticien tandis qu'une personne travaillant dans le domaine de la technologie acoustique peut être appelée ingénieur acoustique . L'application de l'acoustique est présente dans presque tous les aspects de la société moderne, le plus évident étant les industries de l'audio et du contrôle du bruit .

L'ouïe est l'un des moyens de survie les plus cruciaux dans le monde animal et la parole est l'une des caractéristiques les plus distinctives du développement humain et de la culture. En conséquence, la science de l'acoustique s'étend à de nombreuses facettes de la société humaine : musique, médecine, architecture, production industrielle, guerre et plus encore. De même, les espèces animales telles que les oiseaux chanteurs et les grenouilles utilisent le son et l'ouïe comme élément clé des rituels d'accouplement ou du marquage des territoires. L'art, l'artisanat, la science et la technologie se sont mutuellement provoqués pour faire avancer l'ensemble, comme dans de nombreux autres domaines du savoir. "Wheel of Acoustics" de Robert Bruce Lindsay est un aperçu bien accepté des différents domaines de l'acoustique.

Histoire

Étymologie

Le mot « acoustique » est dérivé du mot grec ἀκουστικός ( akoustikos ), signifiant « de ou pour entendre, prêt à entendre » et celui de ἀκουστός ( akoustos ), « entendu, audible », qui à son tour dérive du verbe ἀκούω ( akouo ), "j'entends".

Le synonyme latin est "sonique", après quoi le terme sonique était autrefois synonyme d'acoustique et plus tard d'une branche de l'acoustique. Les fréquences au-dessus et au-dessous de la plage audible sont respectivement appelées « ultrasons » et « infrasoniques ».

Les premières recherches en acoustique

La fondamentale et les 6 premières harmoniques d'une corde vibrante. Les premiers enregistrements de l'étude de ce phénomène sont attribués au philosophe Pythagore au 6ème siècle avant JC.

Au 6ème siècle avant JC, l'ancien philosophe grec Pythagore voulait savoir pourquoi certaines combinaisons de sons musicaux semblaient plus belles que d' autres, et il a trouvé des réponses en termes de rapports numériques représentant les harmoniques série harmoniques sur une chaîne. Il est réputé avoir observé que lorsque les longueurs des cordes vibrantes sont exprimables sous forme de rapports d'entiers (par exemple 2 à 3, 3 à 4), les sons produits seront harmonieux, et plus les entiers sont petits, plus les sons sont harmonieux. Par exemple, une corde d'une certaine longueur sonnerait particulièrement harmonieusement avec une corde deux fois plus longue (toutes choses étant égales par ailleurs). Dans le langage moderne, si une corde sonne la note C lorsqu'elle est pincée, une corde deux fois plus longue sonnera un C une octave plus bas. Dans un système d' accord musical , les tons intermédiaires sont alors donnés par 16:9 pour D, 8:5 pour E, 3:2 pour F, 4:3 pour G, 6:5 pour A et 16:15 pour B, par ordre croissant.

Aristote (384-322 av. J.-C.) a compris que le son consistait en des compressions et des raréfactions de l'air qui "tombe sur et frappe l'air qui est à côté de lui...", une très bonne expression de la nature du mouvement ondulatoire . On Things Heard , généralement attribué à Straton de Lampsacus , déclare que la hauteur est liée à la fréquence des vibrations de l'air et à la vitesse du son.

Vers 20 avant JC, l'architecte et ingénieur romain Vitruve a écrit un traité sur les propriétés acoustiques des théâtres, notamment sur les interférences, les échos et la réverbération, les débuts de l' acoustique architecturale . Dans le livre V de son De architectura ( Les dix livres d'architecture ), Vitruve décrit le son comme une onde comparable à une vague d'eau étendue à trois dimensions, qui, lorsqu'elle est interrompue par des obstructions, refluerait et se briserait les vagues suivantes. Il a décrit les sièges ascendants dans les théâtres antiques comme conçus pour empêcher cette détérioration du son et a également recommandé que des récipients en bronze de tailles appropriées soient placés dans les théâtres pour résonner avec la quatrième, la cinquième et ainsi de suite, jusqu'à la double octave, afin de résonner avec les notes les plus désirables et harmonieuses.

Au cours de l' âge d'or islamique , Abū Rayhān al-Bīrūnī (973-1048) aurait postulé que la vitesse du son était beaucoup plus lente que la vitesse de la lumière.

Les principes de l'acoustique sont appliqués depuis l'Antiquité : un théâtre romain dans la ville d' Amman

La compréhension physique des processus acoustiques a progressé rapidement pendant et après la révolution scientifique . Principalement Galileo Galilei (1564-1642) mais aussi Marin Mersenne (1588-1648), indépendamment, ont découvert les lois complètes des cordes vibrantes (complétant ce que Pythagore et Pythagore avaient commencé 2000 ans plus tôt). Galilée a écrit "Les ondes sont produites par les vibrations d'un corps sonore, qui se propagent dans l'air, apportant au tympan de l' oreille un stimulus que l'esprit interprète comme un son", une déclaration remarquable qui indique les débuts de l'acoustique physiologique et psychologique . Des mesures expérimentales de la vitesse du son dans l'air ont été réalisées avec succès entre 1630 et 1680 par un certain nombre de chercheurs, en particulier Mersenne. Pendant ce temps, Newton (1642-1727) a dérivé la relation pour la vitesse des ondes dans les solides, une pierre angulaire de l'acoustique physique ( Principia , 1687).

Âge des Lumières et au-delà

Des progrès substantiels en acoustique, reposant sur des concepts mathématiques et physiques plus solides, ont été réalisés au cours du XVIIIe siècle par Euler (1707-1783), Lagrange (1736-1813) et d'Alembert (1717-1783). À cette époque, la physique du continu, ou théorie des champs, a commencé à recevoir une structure mathématique définie. L'équation d'onde a émergé dans un certain nombre de contextes, y compris la propagation du son dans l'air.

Au XIXe siècle, les figures majeures de l'acoustique mathématique étaient Helmholtz en Allemagne, qui a consolidé le domaine de l'acoustique physiologique, et Lord Rayleigh en Angleterre, qui a combiné les connaissances antérieures avec ses propres contributions copieuses dans le domaine dans son œuvre monumentale La théorie du son. (1877). Toujours au 19ème siècle, Wheatstone, Ohm et Henry ont développé l'analogie entre l'électricité et l'acoustique.

Le vingtième siècle a vu fleurir les applications technologiques du vaste corpus de connaissances scientifiques qui était alors en place. La première de ces applications a été le travail révolutionnaire de Sabine en acoustique architecturale, et de nombreuses autres ont suivi. L'acoustique sous-marine a été utilisée pour détecter les sous-marins pendant la première guerre mondiale. L'enregistrement sonore et le téléphone ont joué un rôle important dans une transformation globale de la société. La mesure et l'analyse du son ont atteint de nouveaux niveaux de précision et de sophistication grâce à l'utilisation de l'électronique et de l'informatique. La gamme de fréquences ultrasonores a permis de tout nouveaux types d'applications en médecine et dans l'industrie. De nouveaux types de transducteurs (générateurs et récepteurs d'énergie acoustique) ont été inventés et utilisés.

Concepts fondamentaux de l'acoustique

Au pavillon Jay Pritzker , un système LARES est combiné à un système de sonorisation zoné , tous deux suspendus à un treillis en acier au plafond, pour synthétiser un environnement acoustique intérieur à l'extérieur.

Définition

L'acoustique est définie par ANSI/ASA S1.1-2013 comme « (a) la science du son , y compris sa production, sa transmission et ses effets, y compris les effets biologiques et psychologiques. (b) les qualités d'une pièce qui, ensemble, déterminent son caractère en ce qui concerne les effets auditifs.

L'étude de l'acoustique s'articule autour de la génération, la propagation et la réception des ondes mécaniques et des vibrations.

Le processus acoustique fondamental

Les étapes illustrées dans le diagramme ci-dessus peuvent être trouvées dans n'importe quel événement ou processus acoustique. Il existe de nombreux types de causes, à la fois naturelles et volontaires. Il existe de nombreux types de processus de transduction qui convertissent l'énergie d'une autre forme en énergie sonore, produisant une onde sonore. Il existe une équation fondamentale qui décrit la propagation des ondes sonores, l' équation des ondes acoustiques , mais les phénomènes qui en découlent sont variés et souvent complexes. L'onde transporte l'énergie dans tout le milieu de propagation. Finalement, cette énergie est à nouveau transduite sous d'autres formes, d'une manière qui peut à nouveau être naturelle et/ou volontairement inventée. L'effet final peut être purement physique ou il peut atteindre loin dans les domaines biologiques ou volitionnels. Les cinq étapes de base se retrouvent aussi bien qu'il s'agisse d'un tremblement de terre , d'un sous-marin utilisant un sonar pour localiser son ennemi, ou d'un groupe jouant dans un concert de rock.

L'étape centrale du processus acoustique est la propagation des ondes. Cela relève du domaine de l'acoustique physique. Dans les fluides , le son se propage principalement sous forme d' onde de pression . Dans les solides, les ondes mécaniques peuvent prendre de nombreuses formes , y compris des ondes longitudinales , les ondes transversales et les ondes de surface .

L'acoustique examine d'abord les niveaux de pression et les fréquences dans l'onde sonore et comment l'onde interagit avec l'environnement. Cette interaction peut être décrite comme une diffraction , une interférence ou une réflexion ou un mélange des trois. Si plusieurs milieux sont présents, une réfraction peut également se produire. Les procédés de transduction sont également d'une importance particulière pour l'acoustique.

Propagation des ondes : niveaux de pression

Spectrogramme d'une jeune fille disant "oh, non"

Dans les fluides tels que l'air et l'eau, les ondes sonores se propagent sous forme de perturbations du niveau de pression ambiante. Bien que cette perturbation soit généralement faible, elle est toujours perceptible à l'oreille humaine. Le plus petit son qu'une personne peut entendre, connu sous le nom de seuil d'audition , est de neuf ordres de grandeur plus petit que la pression ambiante. L' intensité de ces perturbations est liée au niveau de pression acoustique (SPL) qui est mesuré sur une échelle logarithmique en décibels.

Propagation des ondes : fréquence

Les physiciens et les ingénieurs acoustiques ont tendance à discuter des niveaux de pression acoustique en termes de fréquences, en partie parce que c'est ainsi que nos oreilles interprètent le son. Ce que nous ressentons comme des sons « aigus » ou « graves » sont des vibrations de pression ayant un nombre plus ou moins élevé de cycles par seconde. Dans une technique courante de mesure acoustique, les signaux acoustiques sont échantillonnés dans le temps, puis présentés sous des formes plus significatives telles que des bandes d'octave ou des tracés temps-fréquence. Ces deux méthodes populaires sont utilisées pour analyser le son et mieux comprendre le phénomène acoustique.

L'ensemble du spectre peut être divisé en trois sections : audio, ultrasonique et infrasonique. La plage audio se situe entre 20 Hz et 20 000 Hz. Cette plage est importante car ses fréquences peuvent être détectées par l'oreille humaine. Cette gamme a un certain nombre d'applications, y compris la communication vocale et la musique. La gamme ultrasonore fait référence aux très hautes fréquences : 20 000 Hz et plus. Cette gamme a des longueurs d'onde plus courtes qui permettent une meilleure résolution dans les technologies d'imagerie. Les applications médicales telles que l' échographie et l'élastographie reposent sur la gamme de fréquences ultrasonores. À l'autre extrémité du spectre, les fréquences les plus basses sont connues sous le nom de gamme infrasonore. Ces fréquences peuvent être utilisées pour étudier des phénomènes géologiques tels que les tremblements de terre.

Les instruments d'analyse tels que l' analyseur de spectre facilitent la visualisation et la mesure des signaux acoustiques et de leurs propriétés. Le spectrogramme produit par un tel instrument est un affichage graphique du niveau de pression variant dans le temps et des profils de fréquence qui donnent à un signal acoustique spécifique son caractère déterminant.

Transduction en acoustique

Un pilote de 3,5 pouces basse fidélité peu coûteux , que l'on trouve généralement dans les petites radios

Un transducteur est un appareil permettant de convertir une forme d'énergie en une autre. Dans un contexte électroacoustique, il s'agit de convertir l'énergie sonore en énergie électrique (ou vice versa). Les transducteurs électroacoustiques comprennent des haut - parleurs , des microphones , des capteurs de vitesse de particules , des hydrophones et des projecteurs sonar . Ces appareils convertissent une onde sonore en ou à partir d'un signal électrique. Les principes de transduction les plus largement utilisés sont l' électromagnétisme , l' électrostatique et la piézoélectricité .

Les transducteurs des haut-parleurs les plus courants (par exemple les woofers et les tweeters ) sont des dispositifs électromagnétiques qui génèrent des ondes à l'aide d'un diaphragme suspendu entraîné par une bobine acoustique électromagnétique , envoyant des ondes de pression. Les microphones à électret et les microphones à condensateur utilisent l'électrostatique : lorsque l'onde sonore frappe le diaphragme du microphone, elle se déplace et induit un changement de tension. Les systèmes à ultrasons utilisés en échographie médicale utilisent des transducteurs piézoélectriques. Ceux-ci sont fabriqués à partir de céramiques spéciales dans lesquelles les vibrations mécaniques et les champs électriques sont liés par une propriété du matériau lui-même.

Acousticien

Un acousticien est un expert en science du son.

Éducation

Il existe de nombreux types d'acousticiens, mais ils ont généralement un baccalauréat ou une qualification supérieure. Certains possèdent un diplôme en acoustique, tandis que d'autres entrent dans la discipline via des études dans des domaines tels que la physique ou l' ingénierie . Beaucoup de travaux en acoustique nécessitent une bonne base en mathématiques et en sciences . De nombreux acoustiques travaillent dans la recherche et le développement. Certains mènent des recherches fondamentales pour faire progresser nos connaissances sur la perception (par exemple, l' audition , la psychoacoustique ou la neurophysiologie ) de la parole , de la musique et du bruit . D'autres spécialistes de l'acoustique font progresser la compréhension de la façon dont le son est affecté lorsqu'il se déplace dans les environnements, par exemple l'acoustique sous-marine, l'acoustique architecturale ou l' acoustique structurelle . D'autres domaines de travail sont énumérés dans les sous-disciplines ci-dessous. Les scientifiques acoustiques travaillent dans des laboratoires gouvernementaux, universitaires et privés. Beaucoup continuent à travailler dans l' ingénierie acoustique . Certains postes, tels que le corps professoral (personnel académique) nécessitent un doctorat en philosophie .

Sous-disciplines

Ces sous-disciplines sont une liste légèrement modifiée du codage PACS ( Physics and Astronomy Classification Scheme ) utilisé par l' Acoustical Society of America .

Archéoacoustique

Grotte Saint-Michel

L'archéoacoustique , également connue sous le nom d'archéologie du son, est l'une des seules façons de faire l'expérience du passé avec des sens autres que nos yeux. L'archéoacoustique est étudiée en testant les propriétés acoustiques des sites préhistoriques, dont les grottes. Iegor Rezkinoff, archéologue du son, étudie les propriétés acoustiques des grottes à travers des sons naturels comme le bourdonnement et le sifflement. Les théories archéologiques de l'acoustique sont axées sur des objectifs rituels ainsi qu'un moyen d'écholocation dans les grottes. En archéologie, les sons acoustiques et les rituels sont directement corrélés car des sons spécifiques étaient destinés à rapprocher les participants aux rituels d'un éveil spirituel. Des parallèles peuvent également être établis entre les peintures murales des grottes et les propriétés acoustiques de la grotte ; ils sont tous les deux dynamiques. Parce que l'archéoacoustique est un sujet archéologique assez nouveau, le son acoustique est encore testé dans ces sites préhistoriques aujourd'hui.

Aéroacoustique

L'aéroacoustique est l'étude du bruit généré par le mouvement de l'air, par exemple via la turbulence, et le mouvement du son à travers l'air fluide. Ces connaissances sont appliquées en ingénierie acoustique pour étudier comment calmer les aéronefs . L'aéroacoustique est importante pour comprendre le fonctionnement des instruments de musique à vent .

Traitement du signal acoustique

Le traitement du signal acoustique est la manipulation électronique des signaux acoustiques. Les applications incluent : contrôle actif du bruit ; conception d' appareils auditifs ou d' implants cochléaires ; annulation d'écho ; la recherche d'informations musicales et le codage perceptuel (par exemple MP3 ou Opus ).

Acoustique architecturale

Symphony Hall, Boston , où l'acoustique de l'auditorium a commencé

L'acoustique architecturale (également connue sous le nom d'acoustique du bâtiment) implique la compréhension scientifique de la façon d'obtenir un bon son dans un bâtiment. Il implique généralement l'étude de l'intelligibilité de la parole, de la confidentialité de la parole, de la qualité de la musique et de la réduction des vibrations dans l'environnement bâti.

Bioacoustique

La bioacoustique est l'étude scientifique de l'audition et des cris des animaux, ainsi que de la façon dont les animaux sont affectés par l'acoustique et les sons de leur habitat.

Électroacoustique

Cette sous-discipline concerne l'enregistrement, la manipulation et la reproduction de l'audio à l'aide de l'électronique. Cela peut inclure des produits tels que les téléphones mobiles , les systèmes de sonorisation à grande échelle ou les systèmes de réalité virtuelle dans les laboratoires de recherche.

Bruit ambiant et paysages sonores

L'acoustique environnementale s'intéresse au bruit et aux vibrations causés par les chemins de fer, la circulation routière, les avions, les équipements industriels et les activités récréatives. L'objectif principal de ces études est de réduire les niveaux de bruit et de vibration dans l'environnement. Les travaux de recherche portent désormais également sur l'utilisation positive du son en milieu urbain : paysages sonores et tranquillité .

Acoustique musicale

Le cortex auditif primaire , l'une des principales zones associées à une résolution supérieure de la hauteur tonale

L'acoustique musicale est l'étude de la physique des instruments acoustiques ; le traitement du signal audio utilisé dans la musique électronique ; l'analyse informatique de la musique et de la composition, et la perception et les neurosciences cognitives de la musique .

Psychoacoustique

De nombreuses études ont été menées pour identifier la relation entre l'acoustique et la cognition , ou plus communément appelée psychoacoustique , dans laquelle ce que l'on entend est une combinaison de perception et d'aspects biologiques. Les informations interceptées par le passage des ondes sonores à travers l'oreille sont comprises et interprétées par le cerveau, mettant l'accent sur la connexion entre l'esprit et l'acoustique. Des changements psychologiques ont été observés lorsque les ondes cérébrales ralentissent ou accélèrent en raison de divers stimulus auditifs qui peuvent à leur tour affecter la façon dont on pense, ressent ou même se comporte. Cette corrélation peut être observée dans des situations normales et quotidiennes dans lesquelles l'écoute d'une chanson entraînante ou rythmée peut faire commencer à taper du pied ou une chanson plus lente peut laisser une sensation de calme et de sérénité. Dans un examen biologique plus approfondi du phénomène psychoacoustique, il a été découvert que le système nerveux central est activé par les caractéristiques acoustiques de base de la musique. En observant comment le système nerveux central, qui comprend le cerveau et la colonne vertébrale, est influencé par l'acoustique, la voie par laquelle l'acoustique affecte l'esprit, et essentiellement le corps, est évidente.

Discours

Les acoustiques étudient la production, le traitement et la perception de la parole. La reconnaissance vocale et la synthèse vocale sont deux domaines importants du traitement de la parole à l'aide d'ordinateurs. Le sujet chevauche également les disciplines de la physique, de la physiologie , de la psychologie et de la linguistique .

Ultrasons

Image échographique d'un fœtus dans l'utérus, vue à 12 semaines de grossesse (balayage bidimensionnel)

Les ultrasons traitent les sons à des fréquences trop élevées pour être entendus par les humains. Les spécialités comprennent les ultrasons médicaux (y compris l'échographie médicale), la sonochimie , les tests par ultrasons , la caractérisation des matériaux et l'acoustique sous-marine ( sonar ).

Acoustique sous-marine

L'acoustique sous-marine est l'étude scientifique des sons naturels et artificiels sous l'eau. Les applications incluent le sonar pour localiser les sous - marins , la communication sous - marine par les baleines , la surveillance du changement climatique en mesurant acoustiquement la température de la mer , les armes soniques et la bioacoustique marine.

Vibration et dynamique

C'est l'étude de la façon dont les systèmes mécaniques vibrent et interagissent avec leur environnement. Les applications peuvent inclure : les vibrations du sol provenant des chemins de fer ; isolation des vibrations pour réduire les vibrations dans les salles d'opération ; étudier comment les vibrations peuvent nuire à la santé ( vibration doigt blanc ); contrôle des vibrations pour protéger un bâtiment contre les tremblements de terre, ou mesure de la façon dont le bruit solidien se déplace à travers les bâtiments.

Sociétés professionnelles

Revues académiques

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes