Qu'est-ce que l'acoustique ?
L'acoustique est l'étude du son. Le son est une vibration qui se propage comme une onde longitudinale dans l'air, l'eau ou les solides. Dans l'air à 20 °C, il avance à environ 343 m/s.
- Fréquence (f) : nombre de vibrations par seconde, en hertz (Hz). L'être humain entend à peu près de 20 Hz à 20 000 Hz.
- Longueur d'onde (λ) : longueur d'une onde. v = f λ.
- Amplitude : taille de la vibration. Plus l'amplitude est grande, plus le son est fort.
Le son dans une salle : son direct, réflexions, écho et réverbération
Dans une salle, l'oreille reçoit d'abord le son direct, puis de nombreuses réflexions venant des murs, du sol et du plafond.
- Écho : une réflexion qu'on entend comme une répétition séparée. Il faut un retard d'au moins 0,1 s environ, donc le mur doit être à au moins 17 m environ (343 × 0.1 ÷ 2).
- Réverbération : de nombreuses réflexions rapides qui se mélangent, si bien que le son « traîne » dans la salle.
- Temps de réverbération (T ou RT60) : le temps que met le niveau sonore à baisser de 60 dB après l'arrêt de la source.
Bonnes valeurs : environ 0.5 à 1 s pour les salles de classe et la parole, 1.5 à 2.2 s pour les salles de concert.
Essaie
Tape une fois dans tes mains dans une salle de bains, puis dans une chambre avec un lit et des rideaux. Quel son dure le plus longtemps ? Ensuite, utilise les curseurs de la salle 3D.
L'absorption et la formule de Sabine
Chaque surface a un coefficient d'absorption α de 0 (réfléchit tout) à 1 (absorbe tout, comme une fenêtre ouverte). Béton ≈ 0.02, moquette ≈ 0.3, mousse acoustique ≈ 0.8.
L'absorption totale est A = Σ α S (en m², appelés sabins). Formule de Sabine :
T = 0.161 × V ÷ A (V = volume de la salle en m³, T en s).
Donc une grande salle résonne plus longtemps, et ajouter des matériaux mous raccourcit la résonance.
Résonance et ondes stationnaires dans les salles
Chaque objet et chaque salle a des fréquences propres. Si un son a la même fréquence, les vibrations deviennent grandes : c'est la résonance. Un verre à vin peut éclater sous l'effet d'une note qui correspond.
Entre deux murs parallèles distants de L, le son peut former des ondes stationnaires (modes de la salle) à f = n v / (2L). Certaines notes graves sont alors trop fortes à certains endroits et faibles à d'autres. Les studios utilisent des pièges à basses et des murs non parallèles pour corriger cela.
Comment on entend : décibels, hauteur, timbre (psychoacoustique)
La psychoacoustique étudie comment le cerveau perçoit le son.
- Le volume sonore se mesure en décibels : L = 10 log₁₀(I / I₀), avec I₀ = 10⁻¹² W/m². +10 dB signifie 10 fois l'intensité ; cela paraît environ deux fois plus fort. +3 dB signifie une intensité doublée.
- Valeurs typiques : chuchotement 30 dB, conversation 60 dB, circulation 80 dB, concert de rock 110 dB. Une longue exposition au-dessus de 85 dB peut abîmer l'audition.
- La hauteur dépend surtout de la fréquence. Doubler la fréquence donne la même note une octave plus haut.
- Le timbre (la couleur du son) dépend du mélange des harmoniques. C'est pourquoi un sitar et une flûte jouant la même note ne sonnent pas pareil.
Outils audio : microphones, audio numérique, logiciels et MIDI
- Microphone : transforme la pression sonore en signal électrique. Un micro dynamique utilise une bobine qui bouge dans un aimant ; un micro à condensateur utilise la plaque mobile d'un condensateur. Un haut-parleur fait l'inverse.
- Audio numérique : une interface audio mesure le signal de nombreuses fois par seconde (fréquence d'échantillonnage, par ex. 44 100 Hz) avec un nombre fixe de bits (profondeur de bits, par ex. 16 bits). La fréquence d'échantillonnage doit être supérieure au double de la fréquence la plus haute (règle de Nyquist).
- Taille du fichier (non compressé) = fréquence d'échantillonnage × profondeur de bits × canaux × durée. Le MP3 et l'AAC la réduisent en supprimant les sons que l'on entend à peine.
- Logiciels : une STAN (station de travail audio numérique, DAW) enregistre et édite les pistes ; un séquenceur organise les notes ; un logiciel de notation imprime les partitions.
- MIDI : un protocole qui envoie des instructions (quelle note, avec quelle force, quand) entre claviers et ordinateurs. Il ne contient aucun son ; c'est un synthétiseur qui le transforme en son.
Formules et définitions clés
- v = f λ (vitesse du son, ≈ 343 m/s dans l'air à 20 °C)
- Écho : distance minimale d = v t / 2 avec t ≈ 0.1 s
- T = 0.161 V / A (temps de réverbération de Sabine)
- A = Σ α S (absorption totale, m²)
- L = 10 log₁₀(I / I₀), I₀ = 10⁻¹² W/m²
- Mode de salle : f = n v / (2L)
- Taille audio = fréquence d'échantillonnage × profondeur de bits × canaux × durée
Exemples résolus
1. Une note a une fréquence de 440 Hz. Trouve sa longueur d'onde dans l'air (v = 343 m/s).
λ = v / f = 343 / 440 = 0.78 m.
2. Tu cries et tu entends l'écho d'une falaise après 2.0 s. À quelle distance est la falaise ?
Le son fait l'aller-retour : d = v t / 2 = 343 × 2.0 / 2 = 343 m.
3. Une salle de classe mesure 10 m × 6 m × 3 m. L'absorption totale est A = 36 m². Trouve le temps de réverbération.
V = 10 × 6 × 3 = 180 m³. T = 0.161 × 180 / 36 = 0.81 s. C'est bon pour la parole.
4. La même salle a des murs nus avec A = 9 m². Quel est T maintenant, et quelle est la solution ?
T = 0.161 × 180 / 9 = 3.2 s, beaucoup trop résonnant. Ajoute de la moquette, des rideaux ou des panneaux pour monter A à environ 30–40 m².
5. Une machine fait 70 dB. Quel est le niveau de deux machines identiques ensemble ?
Deux machines = intensité doublée. L = 70 + 10 log₁₀2 = 70 + 3 = 73 dB (pas 140 dB).
6. Trouve la taille d'un enregistrement stéréo d'1 minute à 44 100 Hz et 16 bits.
44 100 × 16 × 2 × 60 = 84 672 000 bits ÷ 8 = 10 584 000 octets ≈ 10.6 Mo.
Erreurs fréquentes
- Additionner les décibels comme des nombres ordinaires : 60 dB + 60 dB font 63 dB, pas 120 dB.
- Appeler écho n'importe quelle réflexion. Un écho demande un retard d'environ 0,1 s ; des réflexions rapides qui se mélangent forment la réverbération.
- Croire que l'isolation phonique et l'absorption sont la même chose. Les panneaux absorbants réduisent l'écho à l'intérieur ; empêcher le son de traverser les murs demande des murs lourds et étanches.
- Croire qu'un fichier MIDI contient du son enregistré. Il ne contient que des instructions de notes.