L’acoustique est la science du son. La discipline a étendu son domaine à l'étude de toute onde mécanique dans tout fluide, où un ébranlement se propage presque exclusivement en onde longitudinale ; le calcul de ces ondes selon les caractéristiques du milieu s'applique aussi bien pour l'air aux fréquences audibles que pour tout milieu fluide homogène et toute fréquence, y compris infrasons et ultrasons. On parle de vibroacoustique quand l'étude se porte sur l'interaction entre solides, où existent des ondes transversales, et fluides..
L'acoustique comprend de nombreuses ramifications comme l'électroacoustique (microphones, haut-parleurs), l’acoustique musicale, l'acoustique architecturale.
L'acoustique a des applications dans les domaines des sciences de la Terre et de l'atmosphère, des sciences de l'ingénieur, des sciences de la vie et de la santé.
Histoire Les études sur ce qu'on appelle acoustique depuis Joseph Sauveur remontent à l'Antiquité. Pythagore étudie au l'acoustique musicale, notamment les intervalles. Le théâtre d'Épidaure témoigne que dès le les Grecs maîtrisaient les propriétés sonores des matériaux pour construire des amphithéâtres : l'agencement périodique des rangées de sièges du théâtre d'Épidaure permet de filtrer les basses fréquences (inférieures à ) du bruit de fond (bruissement des arbres, auditoire)..
Acoustique empirique L'origine de l'acoustique est attribuée à Pythagore, qui étudia les cordes vibrantes produisant des intervalles musicaux plaisants à l'oreille. Ces intervalles sont à l'origine de l'accord pythagoricien portant aujourd'hui son nom.. Aristote () anticipa correctement que le son se générait de la mise en mouvement de l'air par une source .. Son hypothèse fondée sur la philosophie plus que sur la physique expérimentale l'amena à suggérer une erreur qui perdura plusieurs siècles, selon laquelle les hautes fréquences se propageraient plus rapidement que les basses fréquences.
La spéculation que le son est un phénomène ondulatoire doit son origine à l'observation des ondes à la surface de l'eau. L'onde peut être considérée, de manière rudimentaire, comme une perturbation oscillatoire qui se propage à partir d'une source et ne transporte pas de matière sur des grandes distances de propagation. Le philosophe grec Chrysippe au et l'architecte et ingénieur romain Vitruve, environ 25 av. J.-C., évoquèrent la possibilité que le son présente un comportement analogue. Vitruve contribua à la conception de l'acoustique de théâtres antiques. Le philosophe romain Boèce (470-525 ap. J.-C.) formula aussi l'hypothèse d'un comportement similaire aux ondes sur l'eau ; il suggéra que la perception humaine de la hauteur était liée à la propriété physique de la fréquence.
Acoustique expérimentale, mesures et instrumentation acoustiques
Un premier résultat expérimental important a été obtenu au début du , dont la découverte est due principalement à Marin Mersenne et Galilée : le mouvement de l'air généré par un corps vibrant à une certaine fréquence est aussi un mouvement vibratoire de fréquence identique à la fréquence de vibration du corps vibrant. Dans lHarmonie universelle (1637), Mersenne décrivit la première détermination absolue de la fréquence d'un son audible (à ). Cette description impliquait que Mersenne avait déjà démontré que le rapport de fréquences absolues de deux cordes vibrantes, l'une créant une première note musicale et l'autre la même note une octave au-dessus, était de 1/2. La consonance harmonique qui était perçue par l'oreille à l'écoute de ces deux notes ne pouvait s'expliquer que si le rapport des fréquences d'oscillation de l'air était lui aussi de 1/2. Cette conception est le fruit des réflexions antérieures sur le sujet depuis Pythagore, alliant le développement des lois des fréquences naturelles des cordes vibrantes et l'interprétation physique des consonances musicales. Galilée dévoile dans ses Discours mathématiques concernant deux sciences nouvelles (1638) les discussions et les explications les plus lucides données jusque-là sur la notion de fréquence.
Domaines de l'acoustique Acoustique physique L'acoustique physique (encore appelée acoustique fondamentale ou bien acoustique théorique) détermine les principes de la génération et de la propagation des sons et en développe le formalisme mathématique. Son domaine n'est pas nécessairement limité par la perception humaine ; elle s'intéresse aussi bien aux ultrasons et infrasons, qui obéissent aux mêmes lois physiques.
L'acoustique théorique a de nombreux domaines d'application spécialisésLe livre blanc de l'acoustique en France en 2010 publié par la Société française d'acoustique présente un répertoire des domaines d'expertise des acousticiens en France.. L'acoustique architecturale étudie la propagation des sons dans les salles et les bâtiments y compris l'isolation phonique. L'électroacoustique étudie spécialement les transducteurs électroacoustiques (microphones, haut-parleurs, hydrophones). La vibroacoustique (encore appelée acoustique des structures) étudie les ondes mécaniques dans les structures et comment celles-ci interagissent et rayonnent dans les fluides environnants. La thermoacoustique, se basant sur l'effet thermoacoustique, étudie la conversion de chaleur en énergie acoustique et vice-versa. L'imagerie médicale utilise pour les échographies, les échographies Doppler, les techniques chirurgicales par ultrasons focalisés de haute intensité, des applications acoustiques des ultrasons.
L'acoustique non linéaire étudie les cas où les écarts à la linéarité postulée dans les équations de l'acoustique générale sont trop importants pour qu'on puisse, comme dans le cas général, les négliger. Le contrôle non destructif utilise les résultats de l'acoustique non linéaire pour caractériser l'état d'intégrité et la « santé » de structures ou de matériaux, sans les dégrader, soit au cours de la production, soit en cours d'utilisation, soit dans le cadre de maintenance.
L'acoustique sous-marine étudie la propagation du son dans l'eau et l'interaction des ondes mécaniques constituant le son avec l'eau et les frontières avec d'autres milieux.
L'aéroacoustique étudie la génération d'un bruit par un écoulement turbulent (ex : turbulence d’un jet libre), ou interagissant avec une surface (profil d’aile, pales de rotor d’un hélicoptère, roues de compresseur ou de turbine, cavité…).
Acoustique humaine L'audition détaille la physiologie de l'oreille (oreille externe, moyenne et interne) et explique les mécanismes de la perception des sons par l'ouïe, et mesure la sensibilité acoustique des individus. La psychoacoustique étudie comment les sons captés par le système auditif sont interprétés par le cerveau humain. La phonétique acoustique se consacre notamment à l’aspect physique des sons produits par l'appareil phonatoire humain, débouchant sur les systèmes de reconnaissance automatique de la parole et de synthèse vocale.
Domaines transversaux thumb|Étude acoustique automobile L’acoustique musicale s'intéresse à la production et à la perception des sons musicaux. L'instrumentation et la métrologie acoustiques. L’acoustique environnementale se préoccupe des nuisances sonores. L'acoustique des transports (maritime, ferroviaire, aérien et automobile) s'intéresse aux questions relatives au domaine de l'acoustique intérieure des véhicules ainsi que la réduction des bruits extérieurs dus à leur circulation. L'acoustique industrielle regroupe l'ensemble des techniques servant à modifier la production et la transmission des sons et des bruits propres à l'industrie, ainsi que les techniques qui utilisent les vibrations sonores et ultrasonores à des fins d'applications mécaniques. Le contrôle du bruit s'intéresse aux solutions actives ou passives permettant d'éviter la propagation du bruit.
Acoustique théorique Domaine d'étude L'acoustique théorique détermine les principes de la génération et de la propagation des sons et en développe le formalisme mathématique. Comme la physique théorique, elle constitue un champ d'études intermédiaire entre l'acoustique expérimentale et les mathématiques, au développement desquelles elle a également contribué.
La théorie ondulatoire des phénomènes acoustiques constitue la pierre angulaire de l'acoustique théorique. Elle démontre notamment que la propagation des sons satisfait l'équation des ondes., et s'intéresse aux hypothèses effectuées afin de délimiter son domaine de validité : on distingue par exemple l'acoustique linéaire d'un fluide parfait.., de l'acoustique linéaire d'un fluide dissipatif., de l'acoustique linéaire d'un solide. ou encore de l'acoustique non linéaire.. qui s'attache à étudier les effets non linéaires dans la propagation des sons.
L'acoustique théorique s'intéresse aussi à l'étude d'autres phénomènes en relation avec la propagation des ondes acoustiques, tels que la réflexion.., la transmission, la diffusion. et la diffraction... de celles-ci. D'autres thématiques étudiées dans le cadre de l'acoustique théorique sont les sources acoustiques. (type, directivité), l'étude des fonctions de Green. associées à un problème acoustique déterminé, la formulation intégrale des champs acoustiques. (intégrale de Kirchhoff-Helmholtz., extension du principe de Huygens pour les ondes acoustiques, intégrale de Rayleigh.), les circuits acoustiques.. et les guides d'ondes acoustiques....
Lois fondamentales de l'acoustique Milieu fluide Les trois lois fondamentales. de l'acoustique en milieu fluide sont l'équation d'Euler, l'équation de conservation de la masse et l'équation d'état (thermodynamique) du fluide. Ce système d'équations met en relation les paramètres caractérisant le fluide, tels que la pression, la masse volumique et la vitesse. Lorsque ce système d'équation est manipulé afin d'éliminer deux des trois paramètres mentionnés précédemment, on aboutit à l'équation des ondes, qui régit la propagation du son en milieu fluide.
Équation d'Euler L'équation d'Euler... s'obtient en appliquant le principe fondamental de la dynamique à un volume élémentaire de fluide. Son expression est la suivante (en l'absence de sources de force extérieure) :
Dans cette équation, , et désignent respectivement les de la masse volumique, de la vitesse et de la pression associées au fluide, à la position repérée par le vecteur position , à l'instant . Il est à noter que ces grandeurs dénotent les grandeurs totales considérées : par exemple est la somme de la pression qui existerait sans l'existence d'une onde acoustique (qui est généralement prise égale à la pression statique ) et d'une fluctuation de pression due à l'onde acoustique : . L'équation d'Euler utilise une description eulérienne pour le fluide, utilisant des variables et attachées au point géométrique du référentiel considéré ; elle n'utilise pas la description lagrangienne, utilisant des variables liées à une particule du fluide suivie dans son mouvement. La notation désigne la dérivée particulaire ou dérivée totale, attachée à une particule suivie dans son mouvement, par opposition à la dérivée en un point géométrique fixe du référentiel ou dérivée locale, notée .
Conservation de la masse L'équation de conservation de la masse... s'écrit (équation valide en l'absence de sources de débit) :
ou encore
Loi de compressibilité du fluide Quatre variables thermodynamiques permettent de caractériser le fluide : la pression , la température , le volume (ou bien la masse volumique ) et l'entropie . Les différentielles associées à ces grandeurs sont respectivement notées , , (ou bien ), et .
Il est possible de démontrer l'identité thermodynamique suivante. :
où désigne la capacité calorifique massique à volume constant, le coefficient d'augmentation de pression isochore ()et le coefficient de compressibilité adiabatique ().