Spé. Physique-Chimie · Terminale · cours rédigé et vérifié par Claryo, conforme au Bulletin officiel
L'acoustique étudie les ondes sonores, ondes mécaniques longitudinales correspondant à des variations de pression dans un milieu matériel. Un son se caractérise par trois grandeurs perçues : son intensité (fort ou faible), sa hauteur (grave ou aigu) et son timbre.
L'intensité sonore I est la puissance transportée par unité de surface, en \text{W·m}^{-2}. L'oreille percevant les intensités sur une échelle très large, on définit le niveau d'intensité sonore L, en décibels, par une fonction logarithmique. Le seuil d'audibilité correspond à I_0 = 1{,}0\times 10^{-12}\ \text{W·m}^{-2}, soit 0 dB ; le seuil de douleur se situe vers 120 dB.
La hauteur d'un son périodique est déterminée par la fréquence de son fondamental : un son aigu a une fréquence élevée. Le timbre, lui, dépend de la composition spectrale, c'est-à-dire de la présence et de l'amplitude des harmoniques. Deux instruments jouant la même note (même fondamental, donc même hauteur) se distinguent par leur timbre, parce que leurs spectres diffèrent. Le fondamental est la composante de plus basse fréquence ; les harmoniques de rang n ont une fréquence f_n = n\,f_1, multiple entier du fondamental.
Niveau d'intensité sonore : L = 10\log\left(\dfrac{I}{I_0}\right), avec L en dB, I en \text{W·m}^{-2}, I_0 = 1{,}0\times 10^{-12}\ \text{W·m}^{-2}.
Relation inverse : I = I_0\times 10^{L/10}.
Décroissance avec la distance pour une source ponctuelle isotrope : I = \dfrac{P}{4\pi r^{2}}.
Schéma type : un spectre en fréquence avec un pic à f_1 (fondamental) puis des pics à 2f_1, 3f_1 (harmoniques), dont les hauteurs définissent le timbre.
Pour additionner plusieurs sources, on revient toujours aux intensités I (qui s'additionnent), jamais aux niveaux en dB (qui ne s'additionnent pas). On convertit chaque L en I avec I = I_0\times 10^{L/10}, on somme, puis on reconvertit. Pour étudier l'effet de la distance, on combine I = P/(4\pi r^{2}) avec la définition de L : passer de r_1 à r_2 change le niveau de 10\log(r_1^{2}/r_2^{2}).
L'erreur classique est d'additionner les décibels : 60 dB + 60 dB ne font pas 120 dB mais 63 dB (doublement de l'intensité, soit +3 dB). Ne pas oublier le facteur 10 (et non 20) devant le logarithme, car la formule porte sur les intensités, pas sur les pressions. Vérifier que l'argument du logarithme est sans dimension (rapport I/I_0).
Retiens les repères : 0 dB seuil d'audibilité, environ 85 dB seuil réglementaire de danger, 120 dB seuil de douleur. Sache lire un spectre et identifier fondamental et harmoniques d'un coup d'oeil. Maîtrise les deux conversions L \to I et I \to L à la calculatrice. Pour un calcul de puissance, n'oublie jamais le 4\pi r^{2} de la sphère.