Ens. ScientifiqueChapitre 4

Son et musique, porteurs d'information — ondes sonores et numérisation

L'essentiel en 30 secondes

Le son est une onde mécanique longitudinale qui nécessite un milieu matériel (~340 m/s dans l'air). Il est caractérisé par sa fréquence (hauteur, 20-20 000 Hz), son amplitude (volume, en dB) et son timbre (spectre harmonique). Pour stocker un son numériquement : échantillonnage (fₑ ≥ 2·f_max, théorème de Shannon) puis quantification (n bits → 2ⁿ niveaux). Le CD audio utilise fₑ = 44 100 Hz et 16 bits. Le débit et la taille du fichier dépendent de fₑ, n et du nombre de canaux.

Les notions à connaître

Onde sonore: Vibration mécanique longitudinale qui se propage de proche en proche dans un milieu matériel (air, eau, solide). C'est une onde de pression $: compression/dilatation$ du milieu.
Fréquence (f): Nombre de vibrations par seconde, en hertz (Hz). Détermine la hauteur du son (grave ↔ aigu). Domaine audible : 20 Hz à 20 000 Hz.
Période (T): Durée d'un cycle complet de vibration. T = 1/f. En secondes (s).
Amplitude: Grandeur maximale de la variation de pression. Détermine le volume sonore (fort ↔ faible). Se mesure en pascals (Pa).
Timbre: Qualité du son qui permet de distinguer deux instruments jouant la même note. Dépend du spectre harmonique (nombre et intensité relative des harmoniques).
Échantillonnage: Mesure de l'amplitude du signal analogique à intervalles réguliers (fréquence d'échantillonnage fₑ). Étape 1 de la numérisation.
Quantification: Conversion de chaque valeur échantillonnée en un nombre entier codé sur n bits. Étape 2 de la numérisation. Plus n est grand, plus la résolution est fine.
Théorème de Shannon-Nyquist: Pour numériser sans perte d'information, la fréquence d'échantillonnage doit vérifier $f_e \geq 2 \cdot f_{\max}$ . Sinon, il y a aliasing (repliement spectral).

Les erreurs à éviter en ens. scientifique

Confondre fréquence du son et fréquence d'échantillonnage.
La fréquence du son est une grandeur physique (hauteur). La fréquence d'échantillonnage est le nombre de mesures par seconde lors de la numérisation.
Dire que le son se propage dans le vide.
Le son a besoin d'un milieu matériel (air, eau, solide). Dans l'espace, pas de son. La lumière, elle, se propage dans le vide.
Oublier le facteur 2 dans Shannon.
$f_e \geq 2 \cdot f_{\max}$ (pas $f_e \geq f_{\max}$ ). C'est le critère de Nyquist-Shannon. Le facteur 2 est indispensable.
Croire que +10 dB = 10 fois plus fort perçu.
+10 dB = intensité physique $\times 10,$ mais sensation de volume perç $u \times 2$ environ (perception logarithmique). +3 dB = intensité physique $\times 2.$
Confondre bits et octets pour la taille d'un fichier.
1 octet = 8 bits. Le débit se calcule souvent en $bits/s,$ mais la taille d'un fichier s'exprime en octets (Mo, Go). Divise par 8 !

Sais-tu répondre à ces questions ?

Les corrigés détaillés sont dans le quiz du chapitre.

Le son est une onde :
La fréquence d'un son détermine principalement :
L'oreille humaine perçoit les sons de fréquences comprises environ entre :
Deux sons de même hauteur et même intensité joués par une flûte et un violon sont distingués grâce à :
Le niveau d'intensité sonore se mesure en :

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