Rudiments d'acoustique/Caractéristiques énergétiques

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Dans ce chapitre, nous allons définir quelques grandeurs caractéristiques des ondes sonores.

La puissance

Une source sonore diffuse de l'énergie acoustique qui se mesure en joules. Si pendant un temps t, elle émet une énergie égale à E joules, on dit qu'elle possède une puissance acoustique :

$P={\frac {E}{t}}$

P : puissance exprimée en watts.

E : énergie exprimée en joules.

t : temps exprimé en secondes.

La puissance est une grandeur caractéristique de la source. Elle ne dépend pas de la distance par rapport à la source. On dira par exemple, qu’un haut-parleur a une puissance acoustique de 2 watts. Cela signifie qu’il émet 2 joules par seconde sous forme acoustique. La puissance électrique, consommée par les haut-parleurs, peut être nettement supérieure.

Le tableau suivant donne les ordres de grandeur de quelque puissance acoustique :

Source	Puissance acoustique
Montre mécanique	1 μW = 1 microwatt = 10-6 W
Voix normale	0,01 mW = 0,01 milliwatt = 10-5 W
Voix forte	0,1 mW
Voix criée	1 mW
Haut-parleur	1 W
Avion à réaction	1 kW = 103 W

Addition de plusieurs sources.

Lorsque plusieurs sources acoustiques émettent simultanément, on admettra que leurs énergies s'ajoutent : l'énergie rayonnée par l’ensemble des sources est égale à la somme des énergies rayonnées par chacune d'elles.

Pression

Considérons une surface S située sur le trajet d’une onde sonore : cela peut être la membrane du tympan auditif, ou celle du microphone. Supposons que cette surface soit soumise à une force F, due aux molécules d'air qui vibrent. La pression P qui s'exerce sur la surface S est donnée par la formule :

$P={\frac {F}{S}}$

P : pression exprimée en pascals.

F : forces exprimées en newtons.

S : exprimée en mètres carrés.

Par exemple la pression atmosphérique est :

$P_{0}=1,013.10^{5}\,Pa\,\simeq \,10^{5}\,Pa$

La pression acoustique s'ajoute à la pression atmosphérique. On ne tiendra pas compte de la pression atmosphérique.

Seuil d’audition et de douleur

Le seuil d'audition correspond au son le plus faible que l’oreille humaine est capable de percevoir. La pression acoustique correspondante, appelée pression au seuil, ou encore pression de référence, vaut alors à 1 000 hertz :

$P_{ref}=2.10^{-5}\,Pa$

Au seuil d'audition, l'amplitude des vibrations du tympan est très petite, de l’ordre de grandeur du rayon de l’atome d'hydrogène !

On appelle seuil de douleur, la pression maximale que l’oreille humaine puisse supporter sans dommage. Elle est de l’ordre de 20 pascals.

Intensité

Considérons une surface placée sur le trajet d'une onde acoustique. Supposons que, pendant un temps t, elle soit traversée par une énergie égale à E en joules. On définit l’intensité sur cette surface par :

$I={\frac {E}{S.t}}$

S : surface en mètre carré.

E : énergie en joules.

t : temps en secondes.

I : intensité en watts par mètre carré.

L'intensité au seuil d'audition est :

$I_{ref}=10^{-12}\,W/m^{2}$

L'intensité au seuil de douleur est d’environ 1 W/m².

Différence entre intensité et pression

On montre et nous admettrons que, en l'absence de réverbération, l'intensité et la pression sont liées par la formule :

$I={\frac {p^{2}}{400}}$

Cette relation entre l’intensité et la pression n’est valable que pour le son direct, qui part de la source pour atteindre directement le point de réception. Elle n'est plus valable si le son se réfléchit sur le mur.