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Acoustique (Acoustics)
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Acoustique (Acoustics)

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Acoustique (Acoustics)

L'acoustique est une branche de la mécanique des milieux continus qui traite de l'étude des ondes mécaniques dans les gaz, les liquides et les solides, y compris des sujets tels que les vibrations,…

L'acoustique est une branche de la mécanique des milieux continus qui se concentre sur les phénomènes d'ondes mécaniques dans les gaz, les liquides et les solides, englobant des sujets tels que les vibrations, le son, les ultrasons et les infrasons. Les professionnels spécialisés en acoustique sont appelés acousticiens, tandis que ceux engagés dans la technologie acoustique sont souvent appelés ingénieurs acoustiques. L'acoustique trouve une application répandue dans presque toutes les facettes de la société contemporaine, notamment dans les secteurs de l'audio et du contrôle du bruit.

L'audition constitue un mécanisme de survie vital dans le règne animal, tandis que la parole représente une marque de l'évolution culturelle et développementale humaine. Par conséquent, la discipline de l’acoustique imprègne de nombreux aspects de la civilisation humaine, notamment la musique, la médecine, l’architecture, la fabrication industrielle et les applications militaires. De même, diverses espèces animales, telles que les oiseaux chanteurs et les grenouilles, utilisent le son et l’ouïe comme éléments fondamentaux des rituels d’accouplement ou de démarcation territoriale. Comme on l’observe dans de nombreux autres domaines de connaissances, l’interaction entre l’art, l’artisanat, la science et la technologie a collectivement propulsé les progrès de l’acoustique. La « Roue de l'acoustique » de Robert Bruce Lindsay fournit un cadre conceptuel largement reconnu illustrant les divers sous-domaines de l'acoustique.

Historique

Étymologie

Le terme « acoustique » vient du mot grec ἀκουστικός (akoustikós), signifiant « se rapportant à l'audition » ou « prêt à entendre », et du ἀκουστός (akoustós), signifiant « entendu » ou « audible ». Les deux termes proviennent finalement du verbe ἀκούω (akoúō), qui se traduit par "entendre".

L'équivalent latin est "sonic", à partir duquel le terme sonics a historiquement servi de synonyme d'acoustique avant d'évoluer vers un sous-domaine distinct. Les fréquences dépassant le spectre audible sont appelées « ultrasons », tandis que celles situées en dessous sont appelées « infrasoniques ».

Premières recherches en acoustique

Au 6ème siècle avant JC, le philosophe grec Pythagore a étudié les qualités esthétiques des combinaisons musicales sonores, découvrant des explications ancrées dans les rapports numériques qui caractérisent la série harmonique des cordes vibrantes. On lui attribue l'observation que des sons harmonieux résultent lorsque les longueurs des cordes vibrantes sont représentées par des rapports entiers (par exemple, 2:3, 3:4), les nombres entiers plus petits étant corrélés à une plus grande harmonie. Par exemple, une corde d’une longueur donnée produirait un son particulièrement harmonieux lorsqu’elle est associée à une corde deux fois plus longue, en supposant que les autres variables restent constantes. Dans la terminologie contemporaine, si une corde pincée produit la note C, une corde double de sa longueur donnera un C une octave plus bas. Au sein d'un système d'accordage musical spécifique, les tons intermédiaires sont ensuite définis par des rapports : 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, disposés en hauteur ascendante.

Aristote (384-322 avant JC) a postulé que le son comprenait des compressions et des raréfactions de l'air, le décrivant comme « tombant sur et frappant l'air ». qui se trouve à côté », une articulation perspicace du caractère fondamental du mouvement ondulatoire. Le traité Sur les choses entendues, communément attribué à Straton de Lampsaque, affirme une corrélation entre la hauteur, la fréquence des vibrations de l'air et la vitesse du son.

Vers 20 avant JC, l'architecte et ingénieur romain Vitruve a rédigé un traité détaillant les caractéristiques acoustiques des théâtres, englobant des discussions sur les interférences, les échos et la réverbération, jetant ainsi les bases de l'acoustique architecturale. Dans le livre V de son œuvre, De architectura (Les dix livres d'architecture), Vitruve conceptualise le son comme une onde tridimensionnelle analogue à une vague d'eau, qui, lorsqu'elle rencontre des obstacles, réfléchit et perturbe les vagues ultérieures. Il a postulé que les gradins dans les théâtres antiques étaient destinés à atténuer la dégradation sonore et a en outre suggéré le placement stratégique de récipients en bronze (echea) de dimensions appropriées dans les théâtres pour résonner avec des intervalles harmoniques spécifiques - la quatrième, la cinquième et progressivement jusqu'à la double octave - améliorant ainsi les tons désirables et harmonieux.

Au cours de l'âge d'or islamique, Abū Rayhān al-Bīrūnī (973-1048) est crédité de en émettant l'hypothèse que la vitesse du son était considérablement inférieure à celle de la lumière.

La compréhension des phénomènes acoustiques a considérablement progressé pendant et après la révolution scientifique. Galileo Galilei (1564-1642) et, indépendamment, Marin Mersenne (1588-1648) ont élucidé les principes complets régissant les cordes vibrantes, en s'appuyant sur le travail fondateur initié par Pythagore et ses disciples deux millénaires auparavant. Galilée a déclaré : « 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 affirmation profonde qui préfigurait l'émergence de l'acoustique physiologique et psychologique. Entre 1630 et 1680, de nombreux chercheurs, notamment Mersenne, réalisent avec succès des mesures empiriques de la vitesse du son dans l'air. Athanasius Kircher, un érudit jésuite basé à Rome, a commencé des recherches acoustiques, en s'inspirant de la publication de Mersenne de 1634, Harmonie universelle (Harmonie universelle). Kircher est ensuite l'auteur de deux ouvrages fondateurs sur l'acoustique : Musurgia universalis (Création musicale universelle) en 1650 et Phonurgia nova (Nouvelle création sonore) en 1673. Parallèlement, Isaac Newton (1642-1727) a établi la formule de la vitesse des ondes dans les solides, un élément fondamental de l'acoustique physique, documentée dans son Œuvre de 1687, Principia.

Acoustique depuis le siècle des Lumières

Le XVIIIe siècle a été témoin d'avancées significatives en acoustique, soutenues par des cadres mathématiques et physiques plus robustes, attribués aux contributions d'Euler (1707-1783), de Lagrange (1736-1813) et d'Alembert (1717-1783). Cette période a également vu la structuration mathématique formelle de la physique du continuum, ou théorie des champs. L'équation des ondes, notamment, s'est matérialisée dans divers domaines, englobant la transmission du son dans l'air.

Au cours du XIXe siècle, des personnalités éminentes de l'acoustique mathématique comprenaient Hermann von Helmholtz en Allemagne, qui a solidifié la discipline de l'acoustique physiologique, et Lord Rayleigh en Angleterre, dont l'œuvre monumentale de 1877, La théorie du son, a intégré les connaissances existantes à ses nombreuses contributions originales. Parallèlement, Wheatstone, Ohm et Henry ont établi l'analogie conceptuelle entre les phénomènes électriques et acoustiques.

Le XXe siècle a été témoin d'une expansion rapide des applications technologiques, tirant parti de l'importante base de connaissances scientifiques qui avait été établie. Cette expansion a commencé avec les efforts pionniers de Sabine en matière d'acoustique architecturale, suivis de nombreux développements ultérieurs. Durant la Première Guerre mondiale, l’acoustique sous-marine s’est avérée essentielle à la détection des sous-marins. L’enregistrement sonore et la téléphonie ont contribué de manière significative à une transformation sociétale mondiale. L’intégration de l’électronique et de l’informatique a élevé la mesure et l’analyse du son à des niveaux de précision et de complexité sans précédent. L'utilisation de la gamme de fréquences ultrasoniques a facilité des applications entièrement nouvelles dans les secteurs médical et industriel. De plus, des transducteurs innovants, fonctionnant comme générateurs et récepteurs d'énergie acoustique, ont été conçus et déployés.

Définir l'acoustique

Selon la norme ANSI/ASA S1.1-2013, l'acoustique est formellement définie 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 par rapport aux effets auditifs."

La discipline de l'acoustique étudie principalement la génération, la propagation et la réception d'ondes et de vibrations mécaniques.

Les étapes illustrées dans le diagramme sont fondamentales pour tout événement ou processus acoustique. Ces processus proviennent de causes diverses, englobant à la fois des événements naturels et des actions volontaires. Il existe de nombreux mécanismes de transduction, convertissant l’énergie sous diverses formes en énergie sonore, générant ainsi une onde sonore. Même si une équation fondamentale singulière, l’équation des ondes acoustiques, régit la propagation des ondes sonores, les phénomènes qui en résultent sont divers et souvent complexes. Cette onde transmet de l'énergie à travers le milieu de propagation. En fin de compte, cette énergie subit une transduction supplémentaire sous des formes alternatives, qui peuvent être soit naturelles, soit délibérément conçues. L’impact ultime peut être exclusivement physique ou s’étendre de manière significative aux domaines biologiques ou volitionnels. Ces cinq étapes fondamentales sont systématiquement observables dans des scénarios disparates, tels qu'un tremblement de terre, un sous-marin utilisant un sonar pour détecter un adversaire ou un ensemble musical se produisant lors d'un concert de rock.

L'aspect fondamental des processus acoustiques concerne la propagation des ondes, un sujet de l'acoustique physique. Dans les milieux fluides, le son se diffuse principalement sous forme d’onde de pression. À l'inverse, dans les matériaux solides, les ondes mécaniques se manifestent sous diverses formes, telles que les ondes longitudinales, transversales et de surface.

L'acoustique étudie principalement les niveaux de pression et les fréquences inhérents aux ondes sonores, ainsi que leurs interactions avec l'environnement. Ces interactions sont caractérisées par des phénomènes tels que la diffraction, l'interférence, la réflexion ou une combinaison de ceux-ci. La présence de plusieurs milieux peut en outre conduire à une réfraction. De plus, les processus de transduction revêtent une importance significative dans le domaine de l'acoustique.

Principes fondamentaux

Propagation des ondes : dynamique de pression

Dans les milieux fluides comme l'air et l'eau, les ondes sonores se manifestent par des perturbations de la pression ambiante. Bien que généralement mineurs, ces perturbations restent perceptibles par la perception auditive humaine. L'intensité sonore minimale détectable par un individu, appelée seuil d'audition, est inférieure de neuf ordres de grandeur à la pression atmosphérique environnante. L'intensité perçue de ces perturbations est en corrélation avec le niveau de pression acoustique (SPL), qui est quantifié de manière logarithmique en décibels.

Propagation des ondes : caractéristiques de fréquence

Les physiciens et les ingénieurs en acoustique analysent fréquemment les niveaux de pression acoustique en fonction de leurs fréquences, en grande partie grâce au mécanisme d'interprétation de l'oreille humaine. Les perceptions de sons « aigus » ou « graves » correspondent à des vibrations de pression présentant respectivement un nombre plus ou moins grand de cycles par seconde. Une méthode répandue dans la mesure acoustique consiste à échantillonner les signaux acoustiques au fil du temps, puis à les présenter dans des formats plus informatifs tels que des bandes d'octave ou des tracés temps-fréquence. Ces deux techniques largement adoptées facilitent l'analyse du son et améliorent la compréhension des phénomènes acoustiques.

Le spectre acoustique complet est classé en trois segments distincts : audio, ultrasonique et infrasonore. La plage audio, allant de 20 Hz à 20 000 Hz, est importante car ses fréquences se situent dans les limites détectables de l'audition humaine, trouvant des applications dans des domaines tels que la communication vocale et la musique. La gamme ultrasonique englobe les très hautes fréquences, notamment 20 000 Hz et plus. Ses longueurs d'onde plus courtes permettent une résolution supérieure dans les technologies d'imagerie, ce qui la rend cruciale pour les applications médicales telles que l'échographie et l'élastographie. À l'inverse, la gamme infrasonique représente les fréquences les plus basses, utilisées pour étudier les événements géologiques tels que les tremblements de terre.

Les instruments analytiques, notamment les analyseurs de spectre, permettent la visualisation et la quantification des signaux acoustiques et de leurs caractéristiques inhérentes. Le spectrogramme généré par ces appareils fournit une représentation graphique des profils de niveau de pression et de fréquence variant dans le temps qui définissent collectivement un signal acoustique particulier.

Transduction acoustique

Un transducteur fonctionne comme un mécanisme permettant de transformer une forme d'énergie en une autre. Dans le cadre de l'électroacoustique, il s'agit notamment de la conversion de l'énergie acoustique en énergie électrique, ou vice versa. Des exemples de transducteurs électroacoustiques comprennent des haut-parleurs, des microphones, des capteurs de vitesse de particules, des hydrophones et des projecteurs sonar. Ces instruments facilitent la conversion des ondes sonores vers ou depuis un signal électrique. Les principes prédominants régissant la transduction sont l'électromagnétisme, l'électrostatique et la piézoélectricité.

Les transducteurs que l'on trouve dans la plupart des haut-parleurs conventionnels, tels que les woofers et les tweeters, fonctionnent comme des dispositifs électromagnétiques. Ils génèrent des ondes acoustiques au moyen d'un diaphragme suspendu actionné par une bobine acoustique électromagnétique, qui propage des ondes de pression. À l’inverse, les microphones à électret et à condensateur utilisent des principes électrostatiques ; lorsqu'une onde sonore impacte le diaphragme du microphone, son mouvement induit une altération de tension. Les systèmes d'échographie médicale intègrent des transducteurs piézoélectriques, fabriqués à partir de céramiques spécialisées dans lesquelles les vibrations mécaniques et les champs électriques sont intrinsèquement couplés par les propriétés inhérentes du matériau.

L'Acousticien

Un Acousticien est défini comme un spécialiste compétent dans l'étude scientifique du son.

Contexte pédagogique

Les acoustiques englobent diverses spécialisations et sont généralement titulaires d'un baccalauréat ou d'un diplôme plus avancé. Alors que certains poursuivent des études spécifiquement en acoustique, d’autres entrent dans ce domaine via des disciplines connexes telles que la physique ou l’ingénierie. La maîtrise des mathématiques et des principes scientifiques est souvent requise pour de nombreux rôles en acoustique. Un nombre important de scientifiques en acoustique sont engagés dans des activités de recherche et développement. Certains se concentrent sur la recherche fondamentale, élargissant la compréhension de la perception de la parole, de la musique et du bruit, englobant des domaines tels que l'audition, la psychoacoustique et la neurophysiologie. À l’inverse, d’autres scientifiques en acoustique étudient la propagation et les effets environnementaux du son, notamment l’acoustique sous-marine, l’acoustique architecturale et l’acoustique structurelle. Des spécialisations supplémentaires sont détaillées dans la section des sous-disciplines. Les scientifiques en acoustique travaillent dans divers secteurs, notamment dans des agences gouvernementales, des établissements universitaires et des laboratoires industriels privés. Beaucoup se tournent vers une carrière en génie acoustique. Certains rôles, en particulier les postes de professeurs universitaires, nécessitent un doctorat en philosophie.

Sous-disciplines

Archéoacoustique

L'archéoacoustique, ou archéologie du son, offre une voie sensorielle unique pour interagir avec des environnements historiques au-delà de la perception visuelle. Ce domaine implique l'étude empirique des caractéristiques acoustiques des sites préhistoriques, tels que les grottes. Par exemple, l'archéologue sonore Iegor Rezkinoff examine les attributs acoustiques des grottes en employant des vocalisations naturelles, notamment des bourdonnements et des sifflements. Les théories archéologiques concernant l'acoustique postulent souvent des fonctions rituelles et des applications potentielles pour l'écholocation dans les systèmes de grottes. Dans les contextes archéologiques, il existe une corrélation directe entre les phénomènes acoustiques et les pratiques rituelles, où des sons particuliers étaient censés faciliter les expériences spirituelles des participants. Par ailleurs, des analogies peuvent être établies entre la nature dynamique des peintures murales rupestres et les propriétés acoustiques inhérentes à ces environnements souterrains. Compte tenu de son émergence relativement récente en tant que discipline archéologique, les caractéristiques acoustiques des sites préhistoriques continuent de faire l'objet d'études actives.

Aéroacoustique

L'aéroacoustique se consacre à l'étude du bruit provenant du mouvement de l'air, tel que la turbulence, et à la propagation du son dans l'air fluide. Ce domaine de connaissances a trouvé ses premières applications dans les années 1920 et 1930 pour la détection des avions avant l'avènement du radar, et il est actuellement utilisé en ingénierie acoustique pour développer des méthodes de réduction du bruit des avions. De plus, l'aéroacoustique fournit des informations cruciales sur les principes de fonctionnement des instruments de musique à vent.

Traitement du signal acoustique

Le traitement du signal acoustique implique la manipulation électronique des signaux acoustiques. Ses applications englobent le contrôle actif du bruit, la conception d'appareils auditifs et d'implants cochléaires, l'annulation de l'écho, la récupération d'informations musicales et le codage perceptuel, illustrés par des formats tels que MP3 ou Opus.

Acoustique architecturale

L'acoustique architecturale, également appelée acoustique du bâtiment, est la discipline scientifique axée sur l'optimisation de la qualité sonore dans les environnements intérieurs. Ce domaine englobe généralement l'étude de l'intelligibilité de la parole, de la confidentialité de la parole, de l'acoustique musicale et de l'atténuation des vibrations dans les espaces construits. Les environnements fréquemment examinés comprennent les hôpitaux, les établissements d’enseignement, les immeubles résidentiels, les salles de spectacle et les studios d’enregistrement ou de diffusion. Les principales considérations concernent l'acoustique des pièces, la transmission des bruits aériens et d'impact à travers les structures du bâtiment, le contrôle des bruits aériens et solidiens, ainsi que la gestion du bruit provenant des systèmes de construction et des installations électroacoustiques.

Bioacoustique

La bioacoustique constitue l'enquête scientifique sur l'audition et les vocalisations des animaux, ainsi que sur l'impact des environnements acoustiques et des sons sur les populations animales dans leurs habitats.

Electroacoustique

Cette sous-discipline se concentre sur l'enregistrement électronique, la manipulation et la reproduction audio. Sa portée s'étend à divers produits, notamment les téléphones mobiles, les systèmes de sonorisation étendus et les systèmes de réalité virtuelle utilisés dans les laboratoires de recherche.

Bruit environnemental et paysages sonores

L'acoustique environnementale étudie le bruit et les vibrations, en évaluant leurs effets sur les structures, les objets inanimés, les humains et la vie animale.

L'objectif principal de ces enquêtes est d'atténuer les niveaux de bruit et de vibrations environnementaux. La recherche commune et les activités professionnelles en acoustique environnementale impliquent la création de modèles de simulation, le perfectionnement des méthodologies de mesure, la formulation de stratégies d'atténuation du bruit et l'établissement de normes et réglementations pertinentes. La recherche contemporaine met également l'accent sur l'intégration bénéfique du son dans les environnements urbains, en se concentrant sur les paysages sonores et la culture de la tranquillité.

Les sources illustratives de bruit et de vibrations comprennent les opérations ferroviaires, le trafic routier, les avions, les machines industrielles et les activités récréatives.

Acoustique musicale

L'acoustique musicale englobe l'étude de la physique régissant les instruments acoustiques, les techniques de traitement du signal audio utilisées dans la musique électronique, l'analyse informatique des compositions musicales et les aspects des neurosciences perceptuelles et cognitives de la musique.

Psychoacoustique

De nombreuses recherches ont exploré la relation complexe entre l'acoustique et la cognition, un domaine communément appelé psychoacoustique, qui postule que l'expérience auditive résulte d'une confluence de processus perceptuels et biologiques. Les ondes sonores, en traversant l’oreille, transmettent des informations que le cerveau traite et interprète ensuite, soulignant ainsi le lien profond entre les états mentaux et les phénomènes acoustiques. La recherche indique que divers stimuli auditifs peuvent induire des altérations psychologiques, se manifestant par des changements dans l'activité des ondes cérébrales, qui à leur tour influencent les pensées, les émotions et les comportements d'un individu. Cette corrélation est observable dans les scénarios quotidiens ; par exemple, une chanson entraînante ou au rythme rapide peut instinctivement inciter à taper du pied, tandis qu'une mélodie plus lente peut évoquer un sentiment de tranquillité. Un examen biologique plus approfondi de la psychoacoustique révèle que les propriétés acoustiques fondamentales de la musique activent le système nerveux central. En analysant l'influence de l'acoustique sur le système nerveux central, comprenant le cerveau et la moelle épinière, les mécanismes précis par lesquels l'acoustique affecte l'esprit et, par extension, le corps, deviennent perceptibles.

Discours

Les acoustiques étudient méticuleusement la génération, le traitement et la réception de la parole humaine. Dans le domaine du traitement informatique de la parole, la reconnaissance vocale et la synthèse vocale représentent deux sous-domaines critiques. Cette discipline recoupe également de manière significative la physique, la physiologie, la psychologie et la linguistique.

Vibration et dynamique structurelles

L'acoustique structurelle implique l'étude approfondie des mouvements des systèmes mécaniques et de leurs interactions avec les environnements environnants, ainsi que les méthodologies de mesure, d'évaluation analytique et de contrôle réglementaire. Ce domaine englobe plusieurs sous-disciplines distinctes :

Les applications pratiques de l'acoustique structurelle comprennent l'atténuation des vibrations du sol provenant des systèmes ferroviaires, la mise en œuvre de techniques d'isolation des vibrations pour minimiser les perturbations dans les salles d'opération chirurgicales, l'étude des effets néfastes des vibrations sur la santé (comme les vibrations du doigt blanc), l'utilisation de stratégies de contrôle des vibrations pour la protection sismique des structures et la quantification de la propagation des bruits solidiens dans les espaces architecturaux.

Ultrasons

Les ultrasons concernent l'étude et l'application des ondes sonores à des fréquences dépassant la plage auditive humaine. Les spécialisations clés dans ce domaine comprennent les ultrasons médicaux (y compris l'échographie médicale diagnostique), le développement de capteurs à ultrasons, la sonochimie, les tests ultrasoniques non destructifs, la caractérisation des matériaux et l'acoustique sous-marine (en particulier la technologie des sonars).

Acoustique sous-marine

L'acoustique sous-marine constitue l'étude scientifique des sons d'origine naturelle et anthropique dans les environnements aquatiques. Ses applications sont diverses, allant des systèmes sonar pour la détection sous-marine et l'étude de la communication des baleines aux méthodes acoustiques de surveillance des températures de la mer dans la recherche sur le changement climatique, le développement d'armes soniques et le domaine de la bioacoustique marine.

Recherche

Sociétés professionnelles

Revues académiques

Conférences

Références

Références

Attenborough K, Postema M (2008). Une introduction concise à l'acoustique. Kingston upon Hull : Université de Hull. est ce que je:10.5281/zenodo.7504060. ISBN978-90-812588-2-1.

Çavkanî: Arşîva TORÎma Akademî

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Qu’est-ce que Acoustique ?

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