L’intensité acoustique est la puissance transportée par les ondes sonores, par unité de surface, mesurée perpendiculairement à la direction de ce transfert. Comme les sons se propagent dans un espace à trois dimensions, certains auteurs construisent l'intensité acoustique en un point de l'espace comme un vecteur dont les composantes sont l'intensité acoustique scalaire, définie comme précédemment, mesurée dans la direction de chacun des axes d'un repère.
Elle s’exprime en watts par mètre carré ( ou ).
L'intensité acoustique est une grandeur essentielle pour la description des espaces sonores. S'il n'y a pas d'intensité acoustique, il n'y a pas de transfert d'énergie d'un endroit à un autre, donc pas de signal sonore. Mais ce n'est pas une quantité directement accessible à la sensation ni à la mesure : la sensation dépend uniquement de la pression acoustique. Une intensité acoustique correspond nécessairement à un son, mais un son intense, avec une forte pression acoustique, peut avoir une intensité faible s'il correspond en grande partie à une onde stationnaire causée par une résonance.
La mesure de l'intensité acoustique est indirecte. Des appareils comprenant au moins soit deux transducteurs de pression acoustique soit un transducteur de pression acoustique et un transducteur de vitesse acoustique effectuent automatiquement les calculs nécessaires à l'évaluation de l'intensité acoustique dans un espace.
Présentation de la grandeur physique
Usage de l'intensité acoustique
L'acoustique, dans sa définition d'origine, a pour objet l'étude des sons perçus par les humains. La grandeur physique la plus en rapport avec cette perception est la pression acoustique.
Pour décrire utilement l'espace sonore il faut donner, pour chaque point et à chaque instant, non seulement la pression acoustique, mais aussi la vitesse des petits volumes d'air qui, en vibrant, constituent le son.
Le concept d'intensité acoustique s'est progressivement précisé, au cours de l'histoire de la discipline, d'un sens général lié à la perception des sons (la sonie) en une description de la transmission de l'énergie mécanique par les ondes sonores.
Études acoustiques
On utilise l'intensité acoustique dans les cas suivants : dans l'acoustique architecturale, quand il s'agit de faire entendre certains sons à une audience, et d'éviter d'en transmettre d'autres ; dans l'acoustique environnementale, quand il s'agit de déterminer les sources de bruit et de contrôler la diffusion des nuisances sonores ; dans les industries automobile et aéronautique, pour la réduction du bruit à l'intérieur et à l'extérieur des moyens de transport ; en acoustique musicale lorsqu'on étudie la genèse des sons des instruments ; en exploration des milieux par le sonar et l'échographie, tant industrielle que médicale.
Transfert d'énergie sonore
L'action du son sur notre ouïe exige une certaine puissance.
L'intensité acoustique, quand on la définit de cette manière, relie l'acoustique aux autres sciences par l'application d'un principe général: le premier principe de la thermodynamique, qui prévoit la conservation de l'énergie.
L'onde sonore transporte une puissance, qui peut connaître des pertes par transformation en chaleur, mais pas d'accroissement. Dans la plupart des cas les pertes sont assez faibles, c'est pourquoi la propagation du son peut être décrite simplement lorsque l'on s'intéresse à des distances limitées. Pour les ultrasons qui sont capables de se propager à de très longues distances (plusieurs milliers de kilomètres) la viscosité et le transfert de chaleur jouent un rôle. Par ailleurs des signaux générés par des sources puissantes (par exemple le bang supersonique) comportent des discontinuités également source d'un amortissement.
Toute la puissance sonore mesurée en un point a une origine (actuelle ou passée) dans un flux d'énergie provenant d'une ou plusieurs directions repérables. L'intensité acoustique mesure le flux résultant de ces transferts. Toutefois, la transmission du son pouvant donner lieu à des phénomènes de réfraction et de réflexion, le repérage d'une source peut être difficile.
L'énergie sonore
Énergie d'une vibration sonore
En physique, la puissance se définit comme la quantité d'énergie par unité de temps fournie par un système. En mécanique, elle est le produit de l'application d'une force par la vitesse du déplacement de l'objet auquel elle s'applique. En acoustique, cette force créée par l'onde sonore s'applique à une unité de surface du front sonore, dont on peut réduire arbitrairement la taille pour décrire un endroit précis du champ sonore.
Le son est une vibration de l'air. Comme l'air est compressible, cette vibration est à la fois un déplacement et une compression alternatifs. Dans une direction donnée, le sens de propagation permet de définir un « avant » et un « arrière ». L'air se déplace (très faiblement) vers l'« avant » : il comprime la zone qui se trouve dans cette direction. Puis il revient vers sa position médiane et la dépasse vers l'« arrière », créant, pour la zone qui se trouve de l'autre côté, une dépression. Cette vibration est progressive : le petit déplacement local du milieu autour d'une position se transmet à la zone voisine, à la vitesse du son, jusqu'à de grandes distances. La variation de pression est généralement continue mais certains phénomènes énergétiques comme le bang supersonique entraînent la formation de discontinuités (onde en N).
La différence entre la pression instantanée et la pression du milieu en l'absence d'onde, constante ou non, s'appelle la pression acoustique , elle peut donc être négative. Elle s'exprime en pascals (ou newtons par mètre carré), de symbole Pa (ou ). Elle varie selon la position de l'espace et selon le temps , aussi la note-t-on . Le déplacement, caractérisé par la vitesse acoustique , différence entre la vitesse et la vitesse éventuelle du milieu en l'absence d'onde. Cette vitesse dépend de l'élasticité et de la masse volumique du milieu. Le produit des deux est lintensité acoustique instantanée de l'onde sonore, toujours par unité de surface :
Produit d'un vecteur (la vitesse) par un scalaire (la pression), cette grandeur est un vecteur ; elle possède une norme, un sens et une direction. Par analogie avec l'optique on parle de vecteur de Poynting acoustique.
Définition de l'intensité acoustique moyenne
Lintensité acoustique moyenne en un point, dans la fenêtre de temps est la moyenne dans le temps de l'intensité acoustique instantanée :
Pour un signal périodique la durée de la fenêtre sera évidemment la période. Dans le cas générale le choix relève des méthodes utilisées pour le traitement du signal.
Pression et vitesse acoustiques ne sont pas des variables indépendantes : elles sont reliées par les lois de la mécanique des fluides que l'on simplifie pour obtenir les équations de l'acoustique.
Transfert d'énergie associé à une onde plane
Pour comprendre le son, les acousticiens s'attachent à étudier le transfert de cette énergie. Ils forment l'hypothèse que dans les conditions ordinaires, les phénomènes sonores sont linéaires, et que donc le principe de superposition permet de les étudier un par un.
On va donc considérer pour commencer une onde plane obtenue par variation sinusoïdale du volume dans laquelle elle est contenue. La variation de la pression acoustique est elle-même sinusoïdale :
où est la pulsation et le vecteur d'onde.
L'écoulement induit, supposé isentropique, est tel que le module de la vitesse, lui-même sinusoïdal vaut :
On en déduit l'intensité acoustique moyenne sur une période, proportionnelle au carré de la pression maximale :
Cette expression n'est pas vraie en général. L'intensité moyenne pour un signal de durée vaut :
Pour un signal quelconque correspondant à une compression / détente isentropique l'expression reste vraie et l'intensité moyenne s'écrit :
Si on définit une valeur efficace de la pression acoustique par :
Alors l'intensité moyenne devient :
Dans le cas de d'une onde discontinue comme l'onde en N le saut de pression constitue un mécanisme dispersif et l'intensité varie avec la propagation.
Flux d'intensité acoustique
Définition
Le flux de l'intensité acoustique instantanée à travers une surface S donnée correspond à l'énergie acoustique E transférée à travers cette surface, à l'instant considéré :
En particulier, le flux d'intensité acoustique sortant d'une surface fermée entourant une source correspond à l'énergie acoustique produite par cette source.
L'énergie sonore transférée à travers cette même surface est la moyenne temporelle de l'énergie acoustique instantanée. Il faut prendre garde sur ce point que la moyenne du flux de l'intensité acoustique (énergie transmise) n'est pas égale au flux de la moyenne, parce que les contributions instantanées des différents points de la surface peuvent aller en sens opposé. L'égalité n'est vérifiée que si la surface est en tout point perpendiculaire à la direction de l'intensité acoustique.
Diminution géométrique de l'intensité acoustique
thumb|Schéma de flux.
L'intensité acoustique représente le transfert de puissance sonore que réalise une onde sonore. On a supposé que les pertes étaient négligeables ; par conséquent, l'onde transmet la puissance acoustique totale de la source émise dans l'angle solide considéré. Au fur et à mesure que l'onde s'éloigne de la source, cette puissance totale se répartit sur une aire croissante.
Quand la distance double, cette surface quadruple. L'intensité acoustique se divise donc par quatre, en champ libre, quand la distance à la source se multiplie par deux. Le niveau d'intensité acoustique diminue de (décibels). De ce fait, l'intensité acoustique varie comme l'inverse du carré de la distance à la source sonore considérée :
Dans ces conditions de champ libre, l'intensité acoustique est proportionnelle au carré de la pression acoustique. Quand la distance à la source se multiplie par deux, la pression se divise par deux (et l'intensité acoustique, proportionnelle au carré de la pression, se divise par quatre, comme nous l'avons indiqué). Le niveau de pression acoustique diminue de .
Filtrage directionnel du flux
thumb|La localisation de l'origine d'un son passe par le flux d'intensité acoustique traversant une surface importante.Photo Vladimir Granovskiy
Le flux d'intensité acoustique passant à travers une surface orientée importante subit un filtrage directionnel, d'autant plus important que la fréquence est grande. En effet, la puissance transmise à travers un cornet acoustique ou un pavillon acoustique correspond au flux d'énergie sonore passant à travers la surface d'entrée du système :
Pour les basses fréquences dont la longueur d'onde est significativement plus grande que l'entrée du système, la valeur du produit est sensiblement constante sur toute la surface du pavillon à un instant t donné. À ces basses fréquences, l'intégrale est alors simplement :
C'est-à-dire que l'énergie sonore récupérée par le pavillon à basse fréquence dépend simplement de la surface offerte par le pavillon au front d'onde.
Si en revanche on s'intéresse aux fréquences dont la longueur d'onde est significativement plus petite que le diamètre du pavillon, la puissance entrant dans le pavillon à un instant t sera la somme intégrale des intensités acoustiques élémentaires prise sur toute l'étendue de cette surface. La situation est alors très différente suivant que le pavillon est ou non orienté vers la source sonore.
Dans le cas où le vecteur d'intensité acoustique et le vecteur décrivant la surface sont colinéaires, c'est-à-dire si l'ouverture du pavillon est dirigée dans la direction du front d'onde, , l'intensité acoustique instantanée sera sensiblement constante sur toute l'étendue du pavillon, et la puissance acceptée par le pavillon sera alors :