Décrire la nature physique d’un son et ses conditions de propagation.
Définir la fréquence, identifier infra/ultra/sons audibles et relier fréquence à hauteur.
Définir le niveau sonore en dB et citer les seuils d’audibilité et de danger.
Calculer une longueur d’onde \(\lambda\) et une distance ou une durée avec \(v = d/t\).
Relier les propriétés acoustiques aux exigences de sécurité en atelier de menuiserie.
Situation professionnelle — Protection auditive en atelier
Un menuisier utilise une scie circulaire qui produit un niveau sonore de 95 dB : il doit choisir des protections auditives adaptées (casque ou bouchons) en comparant leur atténuation aux valeurs réglementaires, et comprendre quelles fréquences sont les plus dangereuses pour l’audition.
1. Nature d’un son
Définition
Un son est une vibration mécanique qui se propage dans un milieu matériel (solide, liquide ou gazeux) sous forme d’onde de pression. Il crée des zones alternant compression (surpression) et dépression (basse pression).
Pas de son dans le vide
Le son ne peut pas se propager dans le vide, car il n’existe pas de milieu matériel pour transmettre les vibrations. Contrairement à la lumière, le son a besoin d’un support.
Production d’un son
Tout objet en vibration produit un son :
Corde vibrante : guitare, violon, piano.
Membrane vibrante : haut-parleur, peau de tambour.
Colonne d’air vibrante : flûte, tuyau d’orgue.
Outil en contact avec le bois : ponceuse, scie circulaire, scie à ruban, défonceuse, toupie.
2. La fréquence — hauteur du son
Définition
La fréquence \(f\) est le nombre de vibrations (oscillations) par seconde. Son unité est le hertz (Hz). Plus la fréquence est élevée, plus le son est aigu ; plus elle est basse, plus le son est grave.
Type d’onde
Plage de fréquences
Perception
Infrasons
\(f < 20\,\text{Hz}\)
Non perceptible par l’oreille humaine
Sons audibles
\(20\,\text{Hz} \leq f \leq 20\,000\,\text{Hz}\)
Perceptibles par l’oreille humaine
Ultrasons
\(f > 20\,000\,\text{Hz}\)
Non perceptibles par l’oreille humaine
Exemples de fréquences
Source sonore
Fréquence typique
Voix parlée d’un homme adulte
environ 100 à 150 Hz
Voix parlée d’une femme adulte
environ 150 à 250 Hz
La musical (diapason)
440 Hz
Limite supérieure audition humaine
20 000 Hz
Ultrasons contrôle du bois
100 kHz à 1 MHz
Application — Ultrasons et bois
Les ultrasons (fréquences > 20 kHz) sont utilisés en contrôle non destructif (CND) pour détecter des défauts internes dans le bois (noeuds, fissures, zones pourries) sans découper la pièce. Un émetteur envoie une impulsion ultrasonore ; le temps de trajet et l’atténuation du signal renseignent sur la qualité du matériau.
Application
Classer les signaux sonores suivants dans la bonne catégorie (infrason, son audible, ultrason) et indiquer s’ils présentent un risque auditif direct :
\(f_1 = 15\,\text{Hz}\) (vibration de la structure d’un bâtiment)
\(f_2 = 440\,\text{Hz}\) (La musical)
\(f_3 = 18\,000\,\text{Hz}\) (sifflement à haute fréquence)
\(f_4 = 500\,\text{kHz}\) (sonde à ultrasons pour contrôle du bois)
\(f_1 = 15\,\text{Hz} < 20\,\text{Hz}\) → infrason, non audible. Pas de risque auditif direct, mais peut provoquer mal de tête et inconfort.
\(f_2 = 440\,\text{Hz}\) → son audible. Risque auditif si le niveau sonore dépasse 85 dB(A).
\(f_3 = 18\,000\,\text{Hz}\) → son audible (juste en dessous de 20 kHz). Audible par les jeunes oreilles ; risque auditif possible selon le niveau.
\(f_4 = 500\,000\,\text{Hz} > 20\,000\,\text{Hz}\) → ultrason, non audible. Pas de risque auditif direct à faible puissance.
3. L’amplitude — intensité sonore
Définition
L’amplitude d’une vibration sonore est la valeur maximale de la variation de pression. Plus l’amplitude est grande, plus le son est fort (puissant). On quantifie l’intensité sonore par le niveau sonore \(L\), exprimé en décibels (dB).
Seuils de référence
Seuil / Situation
Niveau sonore \(L\) (dB)
Remarque
Seuil d’audibilité
0 dB
Son le plus faible perceptible
Chuchotement
30 dB
Très calme
Conversation normale
60 dB
Confortable
Ponceuse à bande
95 dB
Zone de danger (EPI obligatoire)
Scie circulaire / table
102 dB
Très dangereux sans protection
Défonceuse / toupie
105 dB
Très dangereux sans protection
Seuil de douleur
120 dB
Dommages immédiats
Valeurs indicatives : le niveau réel dépend du modèle de machine, de l’usage (à vide / en charge) et de l’environnement.
Seuil légal — Danger auditif
En France, le Code du travail (art. R4434-1) impose des mesures de protection auditive dès 80 dB(A) d’exposition moyenne sur 8 h de travail (valeur d’exposition inférieure). Au-delà de 85 dB(A) (valeur supérieure), le port de protecteurs auditifs est obligatoire. La valeur limite à ne jamais dépasser (avec EPI) est de 87 dB(A). L’exposition régulière sans protection entraîne une surdité irréversible.
Graphique des niveaux sonores en atelier de menuiserie
4. Le timbre
Définition
Le timbre est la qualité d’un son qui permet de distinguer deux sources sonores jouant la même note à la même intensité. Il dépend de la forme de l’onde sonore et de la présence d’harmoniques (multiples de la fréquence fondamentale).
Exemple
Un violon et une flûte jouent tous deux le La à 440 Hz. La fréquence fondamentale est identique, mais la forme des vibrations diffère : le violon produit des harmoniques intenses qui donnent un son chaud et riche, la flûte un son plus pur. C’est le timbre qui les différencie.
Retenir
Deux instruments jouant la même note (même fréquence fondamentale) au même niveau sonore se distinguent par leur timbre, c’est-à-dire par la richesse harmonique du signal (présence et intensité des harmoniques).
5. La célérité du son
Définition
La célérité (vitesse de propagation) \(v\) du son dépend du milieu de propagation et de la température. Elle est exprimée en m·s⁻¹.
Milieu
Célérité \(v\) (m/s)
Air à 20 °C
340
Eau à 20 °C
1 500
Bois — sens des fibres (longitudinal)
3 000 à 5 000
Bois — perpendiculaire aux fibres
1 000 à 2 000
Acier
5 000
Verre
5 200
Le bois est un matériau anisotrope : le son s’y propage 2 à 3 fois plus vite dans le sens des fibres que perpendiculairement.
Observation
Le son se propage beaucoup plus vite dans les solides que dans les gaz. C’est pourquoi les vibrations d’une machine se transmettent efficacement à travers les pièces de bois ou les structures métalliques d’un atelier.
\[ v = \frac{d}{t} \]
\(v\) célérité en m/s — \(d\) distance parcourue en m — \(t\) durée de propagation en s
Application
Un éclair est aperçu, puis le tonnerre est entendu 3 s plus tard. La célérité du son dans l’air est \(v = 340\,\text{m/s}\).
Calculer la distance \(d\) entre l’observateur et l’éclair.
Si l’on entend le tonnerre après seulement 0,5 s, à quelle distance se trouve l’éclair ?
\(d = v \times t = 340 \times 3 = \mathbf{1\,020\,\text{m}} \approx 1\,\text{km}\)
\(d = 340 \times 0{,}5 = \mathbf{170\,\text{m}}\) — l’éclair est très proche, situation dangereuse.
6. Relation fréquence — longueur d’onde
Définition
La longueur d’onde \(\lambda\) (lambda) est la distance entre deux compressions successives, c’est-à-dire la distance parcourue par l’onde pendant une période. Elle s’exprime en mètres (m).
\[ \lambda = \frac{v}{f} \]
\(\lambda\) longueur d’onde en m — \(v\) célérité en m/s — \(f\) fréquence en Hz
Exemple résolu — La musical 440 Hz dans l’air
\(v = 340\,\text{m/s}\) ; \(f = 440\,\text{Hz}\)
\[ \lambda = \frac{v}{f} = \frac{340}{440} \approx 0{,}77\,\text{m} \]
La longueur d’onde du La 440 Hz dans l’air est d’environ 77 cm.
Exemple — Ultrasonie dans le bois (500 kHz)
\(v = 4\,000\,\text{m/s}\) ; \(f = 500\,000\,\text{Hz}\)
\[ \lambda = \frac{4\,000}{500\,000} = 0{,}008\,\text{m} = 8\,\text{mm} \]
Cette faible longueur d’onde permet de détecter des défauts de taille millimétrique dans le bois.
Application
Une défonceuse produit un bruit dont la fréquence fondamentale est \(f = 1\,700\,\text{Hz}\). La célérité du son dans l'air est \(v = 340\,\text{m/s}\).
Calculer la longueur d'onde \(\lambda\) de ce son dans l'air.
Ce son est-il grave ou aigu par rapport au La 440 Hz ?
\(\displaystyle \lambda = \frac{v}{f} = \frac{340}{1\,700} = \mathbf{0{,}20\,\text{m}}\) soit 20 cm.
\(f = 1\,700\,\text{Hz} > 440\,\text{Hz}\), donc le son de la défonceuse est plus aigu que le La musical.
7. Applications acoustiques en atelier de menuiserie
Isolation phonique des ateliers
Pour limiter la propagation du bruit entre ateliers ou vers l’extérieur, on utilise :
Des matériaux absorbants (laines minérales, panneaux de mousse) qui dissipent l’énergie sonore.
Des parois lourdes et étanches (doubles cloisons, vitrage feuilleté) qui réfléchissent les ondes.
Des découplages mécaniques (plots anti-vibration sous les machines) pour éviter la propagation des vibrations dans le sol.
Seuils légaux et EPI acoustiques
Réglementation
80 dB(A) : valeur d’exposition inférieure → information et mise à disposition d’EPI.
85 dB(A) : valeur d’exposition supérieure → port des protecteurs auditifs obligatoire.
87 dB(A) : valeur limite d’exposition ne devant jamais être dépassée.
Les EPI acoustiques comprennent : bouchons d’oreilles (jusqu’à −37 dB) et casques anti-bruit (jusqu’à −34 dB). Voir chapitre 01 pour les EPI.
Ultrasons pour tester le bois
Les ultrasons permettent :
La détection de noeuds, fissures et zones déshydratées sans découper la pièce.
La mesure du module d’élasticité du bois (la célérité des ultrasons augmente avec la rigidité).
Le contrôle de qualité des assemblages collés (détection de défaut de collage).
8. Tableau de synthèse
Caractéristique
Grandeur physique
Symbole
Unité
Formule
Hauteur
Fréquence
\(f\)
Hz
\(f = v / \lambda\)
Intensité (force)
Niveau sonore
\(L\)
dB
—
Timbre (qualité)
Forme de l’onde / harmoniques
—
—
—
Propagation
Célérité
\(v\)
m·s⁻¹
\(v = d / t\)
Longueur d’onde
—
\(\lambda\)
m
\(\lambda = v / f\)
9. À retenir
À retenir
Le son est une vibration mécanique : il ne se propage pas dans le vide et il est plus rapide dans les solides que dans l’air.
La fréquence \(f\) (en Hz) détermine la hauteur du son : aigu (haute fréquence) ou grave (basse fréquence). Sons audibles : 20 Hz à 20 000 Hz.
Le niveau sonore \(L\) (en dB) détermine la force du son : au-delà de 85 dB(A) en atelier, le port d’EPI auditifs est obligatoire.
La longueur d’onde se calcule par \(\lambda = v/f\) : plus la fréquence est élevée, plus \(\lambda\) est petite, ce qui permet de détecter des détails fins (ultrasons).
Le timbre permet de distinguer deux instruments jouant la même note : il dépend de la forme de l’onde et de ses harmoniques, pas seulement de \(f\) ou de \(L\).