5.2 : Ondes et longueurs d'onde

Objectifs d'apprentissage

• Décrire les caractéristiques physiques importantes des formes d'ondes
• Montrez comment les propriétés physiques des ondes lumineuses sont associées à l'expérience perceptuelle
• Montrez comment les propriétés physiques des ondes sonores sont associées à l'expérience perceptuelle

Les stimuli visuels et auditifs se présentent tous deux sous forme d'ondes. Bien que les deux stimuli soient très différents en termes de composition, les formes d'ondes partagent des caractéristiques similaires qui sont particulièrement importantes pour nos perceptions visuelles et auditives. Dans cette section, nous décrivons les propriétés physiques des ondes ainsi que les expériences perceptuelles qui leur sont associées.

amplitude et longueur d'onde

Deux caractéristiques physiques d'une onde sont l'amplitude et la longueur d'onde (Figure 5.5). L'amplitude d'une vague est la distance entre la ligne centrale et le point supérieur de la crête ou le point inférieur du creux. La longueur d'onde fait référence à la longueur d'une onde d'un pic à l'autre.

Figure 5.5 L'amplitude ou la hauteur d'une vague est mesurée du pic au creux. La longueur d'onde est mesurée de pic en pic.

La longueur d'onde est directement liée à la fréquence d'une forme d'onde donnée. La fréquence fait référence au nombre d'ondes qui passent par un point donné au cours d'une période donnée et est souvent exprimée en hertz (Hz), ou cycles par seconde. Les longueurs d'onde plus longues auront des fréquences plus basses, tandis que les longueurs d'onde plus courtes auront des fréquences plus élevées (Figure 5.6).

Figure 5.6 Cette figure illustre des ondes de différentes longueurs d'onde/fréquences. En haut de la figure, l'onde rouge a une longueur d'onde longue/une fréquence courte. En se déplaçant de haut en bas, les longueurs d'onde diminuent et les fréquences augmentent.

Ondes lumineuses

Le spectre visible est la partie du spectre électromagnétique plus large que nous pouvons voir. Comme le montre la Figure 5.7, le spectre électromagnétique englobe l'ensemble du rayonnement électromagnétique qui se produit dans notre environnement, y compris les rayons gamma, les rayons X, la lumière ultraviolette, la lumière visible, la lumière infrarouge, les micro-ondes et les ondes radio. Le spectre visible chez l'homme est associé à des longueurs d'onde comprises entre 380 et 740 nm, soit une très petite distance, puisqu'un nanomètre (nm) correspond à un milliardième de mètre. D'autres espèces peuvent détecter d'autres parties du spectre électromagnétique. Par exemple, les abeilles peuvent voir la lumière dans la gamme ultraviolette (Wakakuwa, Stavenga et Arikawa, 2007), et certains serpents peuvent détecter le rayonnement infrarouge en plus des signaux lumineux visuels plus traditionnels (Chen, Deng, Brauth, Ding et Tang, 2012 ; Hartline, Kass et Loop, 1978).

Figure 5.7 La lumière visible par les humains ne représente qu'une petite partie du spectre électromagnétique.

Chez l'homme, la longueur d'onde de la lumière est associée à la perception de la couleur (Figure 5.8). Dans le spectre visible, notre expérience du rouge est associée à des longueurs d'onde plus longues, des verts à des longueurs d'onde intermédiaires et des bleus et des violets à des longueurs d'onde plus courtes. (Un moyen simple de s'en souvenir est le mnémotechnique ROYGBIV : ou rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet.) L'amplitude des ondes lumineuses est associée à notre expérience de la luminosité ou de l'intensité de la couleur, les plus grandes amplitudes semblant plus claires.

Figure 5.8 Différentes longueurs d'onde de lumière sont associées à notre perception des différentes couleurs. (crédit : modification de l'œuvre de Johannes Ahlmann)

Ondes sonores

Comme les ondes lumineuses, les propriétés physiques des ondes sonores sont associées à divers aspects de notre perception du son. La fréquence d'une onde sonore est associée à notre perception de la hauteur de ce son. Les ondes sonores à haute fréquence sont perçues comme des sons aigus, tandis que les ondes sonores à basse fréquence sont perçues comme des sons graves. La gamme audible des fréquences sonores se situe entre 20 et 20 000 Hz, la sensibilité la plus élevée étant accordée aux fréquences situées au milieu de cette gamme.

Comme c'était le cas pour le spectre visible, d'autres espèces présentent des différences dans leurs plages audibles. Par exemple, les poulets ont une portée audible très limitée, de 125 à 2 000 Hz. Les souris ont une portée audible de 1 000 à 91 000 Hz, et celle du béluga de 1 000 à 123 000 Hz. Nos chiens et chats de compagnie ont des plages audibles d'environ 70 à 45 000 Hz et de 45 à 64 000 Hz, respectivement (Strain, 2003).

L'intensité d'un son donné est étroitement liée à l'amplitude de l'onde sonore. Des amplitudes plus élevées sont associées à des sons plus forts. L'intensité sonore est mesurée en décibels (dB), une unité logarithmique de l'intensité sonore. Une conversation typique serait corrélée à 60 dB ; un concert de rock pourrait s'enregistrer à 120 dB (Figure 5.9). Un murmure à 5 pieds de distance ou un bruissement de feuilles se situent à l'extrémité inférieure de notre portée auditive ; cela ressemble à un climatiseur de fenêtre, à une conversation normale et même à un trafic intense ou à un aspirateur se situent dans une plage tolérable. Cependant, il existe un risque de dommages auditifs d'environ 80 dB à 130 dB : il s'agit des sons d'un robot culinaire, d'une tondeuse à gazon électrique, d'un camion lourd (25 pieds), d'une rame de métro (20 pieds), de musique rock en direct et d'un marteau-piqueur. Environ un tiers de toutes les pertes auditives sont dues à l'exposition au bruit, et plus le son est fort, plus l'exposition nécessaire pour provoquer des lésions auditives est courte (Le, Straatman, Lea et Westerberg, 2017). Écouter de la musique à l'aide d'écouteurs au volume maximum (entre 100 et 105 décibels) peut provoquer une perte auditive due au bruit après 15 minutes d'exposition. Bien qu'écouter de la musique au volume maximum ne semble pas causer de dommages, cela augmente le risque de perte auditive liée à l'âge (Kujawa et Liberman, 2006). Le seuil de douleur est d'environ 130 dB, un avion à réaction décolle ou un revolver tire à bout portant (Dunkle, 1982).

Figure 5.9 Cette figure illustre l'intensité des sons courants. (crédit « planes » : modification de l'œuvre de Max Pfandl ; crédit « crowd » : modification de l'œuvre de Christian Holmér ; crédit : « earbuds » : modification de l'œuvre par « Skinny Guy Lover_Flickr » /Flickr ; crédit « traffic » : modification de l'œuvre par « QuinnTheIslander_Pixabay » /Pixabay ; crédit « talking » : modification de l'œuvre de Joi Ito ; crédit « feuilles » : modification de l'œuvre d'Aurelijus Valeiša)

Bien que l'amplitude des ondes soit généralement associée à l'intensité sonore, il existe une certaine interaction entre la fréquence et l'amplitude dans notre perception du volume dans la gamme audible. Par exemple, une onde sonore de 10 Hz est inaudible quelle que soit l'amplitude de l'onde. Une onde sonore de 1 000 Hz, en revanche, varierait considérablement en termes de volume perçu à mesure que l'amplitude de l'onde augmentait.

Lien vers l'apprentissage

Regardez cette courte vidéo sur notre perception de la fréquence et de l'amplitude pour en savoir plus.

Bien entendu, différents instruments de musique peuvent jouer la même note de musique au même niveau de volume, mais ils sonnent tout de même très différemment. C'est ce que l'on appelle le timbre d'un son. Le timbre fait référence à la pureté d'un son et il est affecté par l'interaction complexe de la fréquence, de l'amplitude et de la synchronisation des ondes sonores.