The Physical Study of sound - L'Étude Physique du son

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In my previous posts, I shared :

In this post, I would like to share ''The Physical Study of sound'' !

I'll translate it from French to English !

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The Physical Study of sound :


Sound production :


The production of sound results from vibrations of oscillators of a mechanical nature. Example: the vibration of a blade attached to the edge of a table.

The vibration of the branches of a tuning fork can be highlighted by a small ball of expanded polystyrene suspended from a wire, which can be seen dancing when brought into contact with the end of a branch of the tuning fork.

The object or physical phenomenon that produces sound is called a sound source. Depending on the type of wave produced, there are three types of sound sources.

L’Etude Physique du son :
La production du son :
La production du son résulte de vibrations d’oscillateurs de nature mécanique.
Exemple : la vibration d’une lame fixée sur le bord d’une table.
La vibration des branches d’un diapason peut-être mise en évidence grâce à une petite boule de polystyrène expansé suspendue à un fil, qu’on voit danser lorsqu’on la met en contact avec l’extrémité d’une branche du diapason.
L’objet ou le phénomène physique qui produit un son est appelé source sonore. En fonction du type d’onde produite on distingue trois types de sources sonores.

Sound propagation :


The propagation of the sound wave requires a propagating medium. In the air, the sound wave produces an alternation of compressed and decompressed layers. The sound, emitted by a source under a bell, no longer propagates when we create a vacuum in this bell.

The speed at which this sound wave travels is called the speed of a sound wave. The speed of the sound wave is denoted c and is expressed in meters per second.

La Propagation du son :
La propagation de l’onde sonore nécessite un milieu propagateur. Dans l’air, l’onde sonore produit une alternance de couches compressées et décompressées. Le son émis par une source sous cloche, ne se propage plus dès lors qu’on fait le vide dans cette cloche.
On appelle célérité d’une onde sonore, la vitesse à laquelle cette onde sonore se propage. La célérité de l’onde sonore est notée c et s’exprime en mètres par seconde.

During the time corresponding to a period, the wave travels a distance called the wavelength.
We see a double periodicity of the wave :

  • Temporal periodicity because two temporally separated points of a duration T will be in phase.

  • Spatial periodicity because two points spatially separated by a distance d will also be in phase.

Durant le temps correspondant à une période, l’onde parcourt une distance appelée longueur d’onde.
On voit apparaître une double périodicité de l’onde :
-Périodicité temporelle car deux points séparés temporellement d’une durée T seront en phase.
-Périodicité spatiale car deux points séparés spatialement d’une distance d seront également en phase.

An experiment comparable to that of the rotating mirror shows that we can model the sound wave by an elastic wave, and that it is subject to reflection phenomena. The comparative study of the propagation of a transverse or circular wave in a water tank also shows the damping phenomenon.

Une expérience comparable à celle du miroir tournant montre qu’on peut modéliser l’onde sonore par une onde élastique, et qu’elle est soumise aux phénomènes de réflexion. L’étude comparative de la propagation d’une onde transversale ou circulaire en cuve à eau montre également le phénomène d’amortissement.

The phenomenon of diffraction also appears when leaving a door slightly open. The opening thus created behaves like a new source of noise.

These phenomena are taken into account in studies of architectural acoustics.

Le phénomène de diffraction apparaît également lorsqu’on laisse une porte légèrement ouverte. L’ouverture, ainsi crée se comporte comme une nouvelle source de bruit.
Ces phénomènes sont pris en compte dans les études d’acoustique architecturale.

Reception :


Our sound-receiving organs are the ears. We can roughly summarize their operation as follows:

Nos organes récepteurs du son sont les oreilles. On peut grossièrement résumer leur fonctionnement de la façon suivante :

Outer ear (pinna-duct-eardrum): the pinna collects the auditory signal and guides it in the auditory canal like a reflector, while promoting high frequencies (5 kHz). The dimensions and the walls of the duct make it a resonator for frequencies close to 2 kHz which are precisely the vocal frequencies. The eardrum vibrates and transmits movement to the organs that make up the middle ear, (function of the middle ear: adaptation of impedance and protection against too loud noises). The signal then arrives in the inner ear, a fluid medium where the cochlea transforms it into electrical and chemical impulses conducted by the auditory nerve, to the areas of the brain concerned.

Oreille externe (pavillon-conduit-tympan) : le pavillon recueille le signal auditif et le guide dans le conduit auditif comme le ferait un réflecteur, tout en favorisant les fréquences élevées (5 kHz). Les dimensions et les parois du conduit en font un résonateur pour les fréquences voisines de 2 kHz qui sont justement les fréquences vocales. Le tympan vibre et transmet le mouvement aux organes qui constituent l’oreille moyenne, (fonction de l’oreille moyenne : adaptation d’impédance et protection contre les bruits trop forts). Le signal arrive alors dans l’oreille interne, milieu liquidien où la cochlée le transforme en impulsions électriques et chimiques conduites par le nerf auditif, aux zones du cerveau concernées.

The electro-dynamic microphone is an electro-acoustic transducer operating on the following principle: the sound vibration sets in motion a very thin membrane connected to a coil immersed in a constant magnetic field. The movement of the coil in the field induces an f.e.m. at its terminals (of the order of mV), which is the faithful image of the sound signal received. All that remains is to amplify the electrical signal produced by the microphone to be able to use it. Its interest lies in the fidelity of the signal produced.

Le microphone électrodynamique est un transducteur électroacoustique fonctionnant sur le principe suivant : la vibration sonore met en mouvement une membrane très fine reliée à une bobine plongée dans un champ magnétique constant. Le mouvement de la bobine dans le champ induit une f.e.m. à ses bornes (de l’ordre du mV), qui est l’image fidèle du signal sonore reçu. Il ne reste plus qu’à préamplifier le signal électrique produit par le micro pour pouvoir l’utiliser. Son intérêt réside dans la fidélité du signal produit.

Frequencies :


Frequency, in physics, the number of times a periodic phenomenon occurs in a second. The frequency is an essential quantity in many scientific fields, in particular in mechanics and in wave physics.

Les Fréquences :
Fréquence, en physique, nombre de fois qu'un phénomène périodique se produit en une seconde. La fréquence est une grandeur essentielle dans de nombreux domaines scientifiques, notamment en mécanique et en physique ondulatoire.

The frequency is expressed in hertz (Hz); a frequency of 1 Hz corresponds to 1 cycle, or oscillation, per second. The unit is so named after the German physicist Heinrich Hertz, who determined the properties of electromagnetic waves. Kilohertz (kHz), or thousands of cycles per second, megahertz (MHz), or millions of cycles per second, and gigahertz (GHz), or billions of cycles per second, are used to evaluate certain high frequency phenomena, like radio waves.

La fréquence est exprimée en hertz (Hz) ; une fréquence de 1 Hz correspond à 1 cycle, ou oscillation, par seconde. L'unité est ainsi nommée en référence au physicien allemand Heinrich Hertz, qui détermina les propriétés des ondes électromagnétiques. Les kilohertz (kHz), ou milliers de cycles par seconde, les mégahertz (MHz), ou millions de cycles par seconde, et les gigahertz (GHz), ou milliards de cycles par seconde, sont employés pour évaluer certains phénomènes de haute fréquence, comme les ondes radio.

The frequencies of oscillating bodies can cover a wide range of values. Seismic tremors can have a frequency of less than 1 Hz. On the other hand, electromagnetic oscillations of gamma rays can have frequencies of 10 Hz or more. In almost all forms of mechanical vibration, there is a relationship between frequency and the dimensions of the vibrating body. Thus, the frequency of oscillation of a pendulum is in part determined by its length. Likewise, the frequency of vibration of a musical instrument string is in part determined by the length of the string. In these two examples, the frequency of vibration is all the more important as the length of the body is small.

Les fréquences des corps oscillants peuvent couvrir une vaste gamme de valeurs. Les secousses sismiques peuvent avoir une fréquence inférieure à 1 Hz. Par contre, les oscillations électromagnétiques des rayons gamma peuvent avoir des fréquences de 10 Hz ou plus. Dans presque toutes les formes de vibration mécanique, il existe une relation entre la fréquence et les dimensions du corps en vibration. Ainsi, la fréquence d'oscillation d'un pendule est en partie déterminée par sa longueur. De même, la fréquence de vibration d'une corde d'instrument de musique est en partie déterminée par la longueur de la corde. Dans ces deux exemples, la fréquence de vibration est d'autant plus importante que la longueur du corps est petite.

In all types of wave motion, the speed of the wave, its frequency and its wavelength are correlated. The wavelength (distance between two consecutive wave peaks) is inversely proportional to the frequency and proportional to the speed of the wave.

Dans tous les types de mouvement ondulatoire, la vitesse de l'onde, sa fréquence et sa longueur d'onde sont en corrélation. La longueur d'onde (distance entre deux crêtes d'onde consécutives) est inversement proportionnelle à la fréquence et proportionnelle à la vitesse de l'onde.

The decibel :


The human ear perceives sounds with sound pressure between 2 x 10-5 and 20 pascals (Pa). By keeping these units of measurement, we would have to convey figures that vary enormously, which is not very practical. In order to remedy this drawback, a unit called the decibel (dB) has been defined. This unit of volume owes its name to A.G. Bell (Alexandre Graham Bell). It is to G. Fechner (Fechner, Gustav Théodore) that we owe the law which says that "the sensation varies roughly like the logarithm of the excitation".

The intensity of a sound in decibels is by definition: NdB = 10 log (I / I0).

With: I0 = 10-12 W / m² and log represents the decimal logarithm.

L’oreille humaine perçoit les sons ayant une pression acoustique comprise entre 2 x 10-5 et 20 pascals (Pa). En conservant ces unités de mesures, on serait amené à véhiculer des chiffres variant énormément ce qui n’est pas très pratique. Afin de remédier à ce inconvénient il a été défini une unité appelée décibel (dB). Cette unité de volume doit son nom à A.G.Bell (Alexandre Graham Bell). C'est à G.Fechner (Fechner, Gustav Théodore) que nous devons la loi qui dit que "la sensation varie à peu près comme le logarithme de l'excitation".
L'intensité d'un son en décibel est par définition : NdB = 10 log (I / I0).
Avec : I0 = 10-12 W/m² et log représente le logarithme décimal.

Decibels are logarithms, so they cannot be added or subtracted as decimals. To keep it simple, know that the noise levels double, this corresponds to the emission of 3 dB less. When two noises of different levels are added (at least 10 dB apart), we perceive a noise equal to the loudest.

You get the feeling that a noise doubles in volume when you add 10 dB, etc. ; that means: 1 dB + 1 dB ≠ 2 dB

Les décibels sont des logarithmes, on ne peut pas donc les additionner ou soustraire comme des nombres décimaux. Pour rester simple sachez que le niveaux de bruit double, cela correspond à l’émission de 3 dB de moins. Quand deux bruits de niveaux différents s’ajoutent (10 dB d’écart au moins), on perçoit un bruit égal au plus fort. On a la sensation qu’un bruit double de volume quand on y ajoute 10 dB, etc. ; ça veut dire : 1 dB + 1 dB ≠ 2 dB.

Diffraction :


Diffraction is the ability of a wave to go around an obstacle or pass through a slit. It is thanks to this phenomenon that we can hear a sound emitted from behind an obstacle. The voice of a person behind another, for example. In order for sound to be able to bypass this obstacle, the width of the obstacle must be less than the wavelength of the sound. The greater the ratio of h / d, where d represents the width of the obstacle, the better the diffraction will be.

La diffraction :
La diffraction est la capacité d’une onde à contourner un obstacle ou à passer dans une fente. C'est grâce à ce phénomène que nous pouvons entendre un son émis derrière un obstacle. La voix d'une personne placée derrière une autre par exemple. Pour que le son puisse contourner cet obstacle, il faut que la largeur de l'obstacle soit inférieure à la longueur d'onde du son. La diffraction se fera d'autant mieux que le rapport de h/d est grand, où d représente la largeur de l'obstacle.


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Image 1: The slit is small compared to the wavelength, there is a lot of diffraction. The part of the wave which passes through the slit is very narrow and can therefore be considered as a point source.
Image 2: The slit is wide compared to the wavelength, there is almost no diffraction.
Image 3: Illustration of the Huygens principle.
Image 4: The case of an obstacle.

Image 1 : La fente est petite par rapport à la longueur d'onde, il y a beaucoup de diffraction. La partie de l'onde qui passe dans la fente est très étroite et peut donc être considérée comme source ponctuelle.
Image 2 : La fente est large par rapport à la longueur d'onde, il n'y a presque pas de diffraction.
Image 3 : Illustration du principe d'Huygens.
Image 4 : Le cas d'un obstacle.

To better understand the phenomenon of diffraction, it is necessary to study Huygens' law which says: "Each point of a wave front can be considered as a point source of wave moving in the same direction of propagation as the initial wave. The next front is obtained by making the resultant of these new waves."

It is by this principle that we were able to represent new point sources which will allow the wave to bypass the obstacle. In reality, all of the points on each wavefront should be represented as a new source.

Pour mieux comprendre le phénomène de diffraction, il faut étudier la loi d'Huygens qui dit : "Chaque point d'un front d'onde peut être considéré comme une source ponctuelle d'onde se déplaçant dans la même direction de propagation que l'onde initiale. Le front suivant s'obtient en faisant la résultante de ces nouvelles ondes."
C'est par ce principe que nous avons pu représenter de nouvelles sources ponctuelles qui vont permettre à l'onde de contourner l'obstacle. En réalité, tous les points de chaque front d'onde devraient être représentés comme une nouvelle source.

Absorption :


The principle of absorption of sound waves is quite easy to conceive but very interesting in everyday life. To soundproof a room, it is best to cover the walls with deformable or soft materials. Let me explain; the sound wave being a pressure wave, when it encounters a soft obstacle will be damped and the amplitude of the reflected wave will be considerably smaller than that of the incident wave. To illustrate the phenomenon, think of an atom as a ball that falls once on hard ground and another on a soft surface such as a pillow or a pond. You can see that the ball will bounce a lot more on hard ground.

L'absorption :
Le principe d'absorption des ondes sonores est assez facile à concevoir mais très intéressant dans la vie de tous les jours. Pour insonoriser une pièce, il est préférable d'en recouvrir les murs de matières déformables ou molles. Je m'explique; l'onde sonore étant une onde de pression, lorsqu'elle rencontre un obstacle mou va être amortie et l'amplitude de l'onde réfléchie sera considérablement plus petite que celle de l'onde incidente. Pour illustrer le phénomène, considérer un atome comme une balle qui tomberait une fois sur un sol dur et une autre sur une surface molle telle qu'un oreiller ou un étang. Vous constatez bien que la balle rebondira bien plus sur un sol dur.

Dangers of loud noises :


Our ears are fragile, exposure to sound over 120dB, even for a short time, can cause irreversible damage to our hearing system. However, in most nightclubs or rock concerts, near the speakers, the volume is above this dangerous threshold.

A study of young people in England showed that regulars at nightclubs (one evening or more per month) had an average hearing loss of 5dB. After such findings, Germany, England and Switzerland banned all sound exceeding 90dB.

Dangers des bruits trop forts :
Notre oreille est fragile, une exposition à un son de plus de 120dB, même pendant un court instant, peut entraîner des lésions irréversibles sur notre système auditif. Or dans la plupart des discothèques ou des concerts rock, près des enceintes, le volume est au-dessus de ce seuil dangereux.
Une étude menée sur des jeunes en Angleterre a montré que les habitués des discothèques (une soirée ou plus par mois) avaient une perte moyenne d'audition de 5dB. Après de telles constatations, l'Allemagne, l'Angleterre et la Suisse ont interdit tout son dépassant les 90dB.

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