Spectre audible | Physique Chimie Seconde - Ondes et signaux
Introduction
Découvrez la gamme de fréquences audibles par l'oreille humaine
Qu'est-ce que le spectre audible ?
Notion de spectre audible
Un spectre est la représentation de la distribution d'une grandeur physique en fonction d'une autre grandeur.
Dans le cas du son, le spectre audible est la gamme de fréquences que l'oreille humaine peut percevoir.
Il s'agit d'une caractéristique biologique de l'être humain.
L'oreille humaine peut percevoir les sons dans une gamme de fréquences approximative :
- Fréquence minimale : 20 Hz (sons graves)
- Fréquence maximale : 20 000 Hz (20 kHz) (sons aigus)
- Soit une gamme de 4 octaves
Cette gamme peut varier selon les individus et avec l'âge.
Quand tu écoutes de la musique, ton oreille perçoit les sons graves (basses fréquences) et les sons aigus (hautes fréquences) dans une certaine gamme. Cette gamme est le spectre audible.
Limites du spectre audible
Bornes inférieure et supérieure
Les sons de fréquence inférieure à 20 Hz sont appelés infrasons.
Ils sont inaudibles pour l'oreille humaine mais peuvent être ressentis comme des vibrations.
Exemples : grondement de tonnerre, tremblements de terre, certains sons d'orgue.
Les sons de fréquence supérieure à 20 000 Hz sont appelés ultrasons.
Ils sont inaudibles pour l'oreille humaine.
Exemples : cris de chauves-souris, échographie médicale, sonar.
- 1 Âge : la sensibilité aux hautes fréquences diminue avec l'âge
- 2 Exposition au bruit : peut réduire la gamme auditive
- 3 Santé auditive : infections, traumatismes
- 4 Génétique : prédispositions individuelles
La gamme auditive humaine est limitée par rapport à celle d'autres animaux :
- Chiens : 67 Hz - 45 000 Hz
- Chauves-souris : 1 000 Hz - 200 000 Hz
- Dauphins : 200 Hz - 150 000 Hz
- Éléphants : 16 Hz - 12 000 Hz
Sensibilité de l'oreille selon la fréquence
Courbes d'iso-loudness
L'oreille humaine n'a pas la même sensibilité à toutes les fréquences :
- Elle est plus sensible aux fréquences moyennes (1000-4000 Hz)
- Elle est moins sensible aux fréquences très basses et très élevées
- À 20 Hz, il faut un niveau sonore élevé pour être perçu
- À 4000 Hz, le seuil d'audition est minimal
Le seuil d'audition varie selon la fréquence :
- À 1000 Hz : environ 0 dB
- À 20 Hz : environ 60 dB
- À 15 000 Hz : environ 20 dB
Cela signifie que les sons graves doivent être plus intenses pour être perçus.
L'oreille humaine est particulièrement sensible aux fréquences entre 1000 Hz et 4000 Hz.
Cette sensibilité est liée à :
- La structure de l'oreille moyenne
- La réponse mécanique de la cochlée
- L'évolution : importance pour la communication
C'est pourquoi les sons dans cette gamme semblent plus forts.
Si tu écoutes un son à 1000 Hz et un son à 20 Hz avec le même niveau sonore, le son à 1000 Hz semblera beaucoup plus fort. Pour que les deux sons aient la même intensité perçue, il faudrait augmenter le niveau du son grave.
Applications du spectre audible
Utilisations pratiques
Les systèmes de reproduction sonore sont conçus en tenant compte du spectre audible :
- Les amplificateurs corrigent la sensibilité de l'oreille
- Les haut-parleurs sont spécialisés selon la fréquence (woofers, tweeters)
- Les égaliseurs ajustent les différentes fréquences
La musique exploite le spectre audible :
- Les instruments produisent des sons dans différentes gammes de fréquences
- Les basses fréquences donnent la profondeur
- Les hautes fréquences apportent la clarté
Le spectre audible est utilisé en médecine :
- Audiogrammes pour tester la capacité auditive
- Diagnostique des troubles de l'audition
- Adaptation des appareils auditifs
La connaissance du spectre audible permet la protection auditive :
- Normes de sécurité en milieu professionnel
- Limitation du volume des écouteurs
- Port de protections auditives dans les environnements bruyants
Exercice d'application n°1
Analyse du spectre audible
Un son a une fréquence de 18 kHz.
1. Ce son est-il audible par l'oreille humaine ? Justifier.
2. Comparer la sensibilité de l'oreille à cette fréquence avec celle à 1000 Hz.
3. Quel niveau sonore minimum est nécessaire pour percevoir ce son ?
La gamme auditive humaine s'étend approximativement de 20 Hz à 20 000 Hz (20 kHz).
Le son de 18 kHz = 18 000 Hz se situe dans cette gamme.
Oui, ce son est audible par l'oreille humaine.
L'oreille humaine est plus sensible aux fréquences moyennes (environ 1000-4000 Hz).
À 18 kHz, l'oreille est moins sensible qu'à 1000 Hz.
Il faut un niveau sonore plus élevé pour percevoir un son à 18 kHz qu'à 1000 Hz.
Le seuil d'audition à 18 kHz est d'environ 15-20 dB.
Il faut donc un niveau sonore d'au moins 15-20 dB pour percevoir ce son.
Cela correspond à une intensité d'environ 10⁻¹⁰ à 10⁻¹¹ W/m².
Exercice d'application n°2
Comparaison de fréquences
Un son grave a une fréquence de 50 Hz, et un son aigu a une fréquence de 10 000 Hz.
1. Ces sons sont-ils dans le spectre audible ?
2. Comparer leur audibilité relative.
3. Quel niveau sonore minimum est nécessaire pour percevoir chaque son ?
Le spectre audible s'étend de 20 Hz à 20 000 Hz.
Le son grave de 50 Hz est dans le spectre audible (50 Hz > 20 Hz).
Le son aigu de 10 000 Hz est dans le spectre audible (10 000 Hz < 20 000 Hz).
Les deux sons sont audibles par l'oreille humaine.
L'oreille est plus sensible aux fréquences moyennes (1000-4000 Hz).
À 50 Hz, l'oreille est moins sensible que dans la zone optimale.
À 10 000 Hz, l'oreille est encore moins sensible que dans la zone optimale.
Le son de 10 000 Hz est plus difficile à percevoir que le son de 50 Hz.
Pour le son grave (50 Hz) : seuil d'audition environ 40-50 dB
Pour le son aigu (10 000 Hz) : seuil d'audition environ 20-30 dB
Le son aigu est donc en théorie plus facile à percevoir que le son grave.
Spectre audible et musique
Gamme des instruments
- Basse : 20-200 Hz (caisse claire, grosse caisse)
- Moyenne : 200-2000 Hz (timbales, xylophone)
- Aiguë : 2000-8000 Hz (clochettes, triangles)
- Contrebasse : 40-200 Hz
- Basse électrique : 40-400 Hz
- Guitare : 80-1200 Hz
- Violon : 200-4000 Hz
- Tuba : 40-400 Hz
- Saxophone : 100-1500 Hz
- Flûte : 260-2000 Hz
- Clarinettes : 150-1500 Hz
- Basse masculine : 80-300 Hz
- Ténor : 130-500 Hz
- Soprano : 260-1000 Hz
- Voix aiguë : 500-2000 Hz
La voix humaine exploite principalement la gamme médiane du spectre audible.
Les systèmes d'enregistrement et de reproduction musical exploitent pleinement le spectre audible :
- Les microphones capturent toute la gamme audible
- Les enceintes reproduisent fidèlement les fréquences
- Les équaliseurs permettent d'ajuster les différentes bandes de fréquences
Synthèse du chapitre
Points clés à retenir
- 1 Bornes : 20 Hz à 20 000 Hz (20 kHz)
- 2 Soit 4 octaves complètes
- 3 Caractéristique biologique de l'être humain
- 4 Peut varier selon les individus
- 1 Infrasons : fréquences < 20 Hz
- 2 Ultrasons : fréquences > 20 000 Hz
- 3 Inaudibles pour l'oreille humaine
- 4 Perceptibles par d'autres animaux
- 1 Maximum : 1000-4000 Hz
- 2 Minimum : fréquences extrêmes
- 3 Non linéaire
- 4 Influence la perception du volume
- 1 Systèmes audio
- 2 Musique et acoustique
- 3 Médecine (audiogrammes)
- 4 Sécurité auditive
Conclusion
Félicitations !
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