Des ponts qui grincent, des vitres qui se brisent, des enfants qui crient, des basses lourdes – celui qui croit que ces choses n’ont rien en commun, se trompe. Elles sont toutes créées par des vibrations et, en particulier, les fortes vibrations sont créées à partir de fréquences naturelles. Poursuivez votre lecture : nous vous expliquons la science qui sous-tend ce principe et ce que sont les catastrophes dues à la résonance, et nous nous penchons sur le rôle que joue la résonance en matière de haut-parleurs.
Tout vibre, mais comment ?
La vibration des écouteurs est toujours la réaction d’une impulsion énergétique. Une main peut déclencher le balancement d’un pendule, le vent peut faire trembler un gratte-ciel, et une bobine avec l’aide d’un aimant peut faire bouger la membrane d’un haut-parleur. La force de vibration d’un objet dépend de la puissance appliquée de la vibration, ainsi que du matériau, y compris la construction du système vibrant. D’autre part, la fréquence à laquelle les impulsions énergétiques agissent est d’une grande importance. Car si la fréquence de l’énergie fournie coïncide avec la fréquence naturelle du corps, celui-ci vibre avec une amplitude particulièrement élevée.
Comment se présente en pratique le phénomène de la fréquence de résonance peut être compris au moyen d’un pendule : Si un pendule à ressort est alimenté périodiquement, c’est-à-dire à intervalles réguliers, par une énergie qui correspond à la fréquence propre du pendule, la déviation du pendule est maximale. Si les impulsions d’énergie sont à une fréquence inférieure ou supérieure à la fréquence naturelle, la déviation du pendule sera plus faible.
Sur une balançoire, vous pouvez essayer par vous-même comment fonctionne la fréquence de résonance. Lorsque vous frappez une balançoire à son point le plus haut, l’apport d’énergie se situe exactement à la fréquence naturelle du système. C’est pourquoi la balançoire a un élan de balancement si important. Si vous frappez avant ou après que la balançoire ait atteint son point le plus haut, la force est transmise moins efficacement ou même ne va nulle part.
De bonnes à mauvaises vibrations
Le corps d’une guitare acoustique, d’une balançoire, d’un verre ou d’un pont peut vibrer à leur fréquence de résonance respective. Mais cela n’est pas souhaité partout et peut même provoquer de gros dégâts. En effet, les systèmes peuvent vibrer si violemment que la construction ne peut pas résister à la contrainte.
Ce phénomène peut être observé lorsqu’une personne pointe sa voix vers un verre à vin à une courte distance. Si la hauteur de la voix correspond exactement à la fréquence naturelle du verre, celui-ci se brise après un temps relativement court – la catastrophe dite de résonance se produit. Si les cordes vocales font vibrer les molécules d’air à une fréquence plus élevée ou plus basse, le verre reste intact. La fréquence naturelle du verre peut être entendue lorsque vous le frappez avec un objet.
L’une des catastrophes de résonance les plus célèbres s’est produite aux États-Unis en 1940, lorsque le vent a fait vibrer le pont Tacoma Narrows si fortement qu’il s’est effondré.
Pour éviter les catastrophes par résonance, le code de la route interdit aux groupes de personnes, comme les unités militaires, de marcher au pas sur les ponts.
Avec les instruments de musique, en revanche, la résonance est un effet délibéré pour augmenter le volume des sons. Dans une guitare acoustique, le corps agit comme un amplificateur mécanique des ondes sonores qui sont déclenchées par les cordes. Le corps de la guitare est construit de telle sorte que la fréquence de résonance se produit même à des hauteurs différentes.
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Les effets de résonance dans les haut-parleurs sont indésirables – à une exception près
La fréquence de résonance n’est pas la bienvenue dans les haut-parleurs. Les haut-parleurs sont construits de manière à ce que les différents composants ne vibrent pas à leur fréquence de résonance. Cela signifierait que les sons situés dans la même gamme de fréquences que les différents composants seraient reproduits beaucoup plus fort que les autres. C’est là que le réseau de filtres entre en jeu : dans les systèmes multicanaux, il dirige les signaux vers les enceintes en fonction de leur fréquence.
Les effets de résonance ne doivent pas non plus se produire dans le coffret de l’enceinte. Ceux-ci peuvent se produire lorsque la membrane située à l’arrière de celui-ci émet un son à l’intérieur du haut-parleur. Ce son peut faire vibrer le coffret et avoir ainsi un effet négatif sur l’image sonore. Pour éviter cela, le caisson du haut-parleur est équipé d’un amortisseur qui absorbe les ondes sonores rayonnées vers l’intérieur.
L’exception à cette règle sont les haut-parleurs bass reflex. Ces enceintes possèdent une ouverture tubulaire par laquelle le son rayonné vers l’intérieur – à certaines basses fréquences – peut s’échapper dans la pièce. Cela fonctionne sur le principe du résonateur de Helmholtz, que nous avons expliqué dans notre texte sur les subwoofers.
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Conclusion : La fréquence de résonance est utile
- À la fréquence de résonance, la fréquence propre d’un système oscillant coïncide avec la fréquence de l’énergie fournie.
- En cas de résonance, la déviation de l’oscillation devient plus importante.
- En acoustique, une plus grande amplitude des ondes sonores signifie une pression acoustique plus élevée et donc un volume plus important.
- Les fréquences de résonance sont généralement indésirables pour les haut-parleurs.
- Les haut-parleurs bass reflex constituent une exception. Ceux-ci amplifient les basses fréquences selon le principe du résonateur de Helmholtz.
Enfin, un classique de « Bugs Bunny » sur le sujet :
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