Chapitre 2 L`acoustique physiologique, le décibel

C. Potel, M. Bruneau, "Acoustique générale (...)", Ed. Ellipse, collection Technosup, ISBN 2-7298-2805-2, 2006
LE DECIBEL (1/2)
dB
9 La sensibilité de l'oreille humaine
dépend de la fréquence
9 La sensation auditive évolue comme
le
logarithme
de
l'intensité
acoustique I de l'onde
( )
L = 10 log 10 I I s
100
80
60
40
20
avec I s = 10 −12 W.m − 2
ULTRASONS
120
INFRASONS
Chapitre 2
Limite supérieure de perception, seuil de douleur
140
Champ auditif
Zone conversationnelle
Seuil de perception
0
1 Hz
20 Hz
1 kHz 2 kHz
20 kHz
fréquence
L'unité retenue pour le niveau sonore est le décibel (dB),
sous multiple du bel, ainsi nommé en l'honneur du
physicien Alexandre Graham Bell. Cette unité présente
l'avantage de bien se calquer sur la sensibilité différentielle
de l'ouïe, puisqu'un écart de 1 décibel entre deux niveaux
de bruit correspond sensiblement à la plus petite différence
de niveau sonore décelable par l'oreille humaine.
L'acoustique physiologique,
le décibel
Alexandre Graham Bell
(1847-1922, inventeur américain d'origine anglaise)
http://fr.wikipedia.org/wiki/Alexandre_Graham_Bell
NIVEAUX SONORES (1/2)
dB
9 La sensibilité de l'oreille humaine
dépend de la fréquence
9 La sensation auditive évolue comme
le
logarithme
de
l'intensité
acoustique I de l'onde
( )
L = 10 log 10 I I s
INFRASONS
120
100
80
60
40
avec I s = 10
W.m
−2
p
T
r
p r m s (r ) =
PE
Zone conversationnelle
0
1 Hz
(
Ptot
Champ auditif
)
20 Hz
1 kHz 2 kHz
20 kHz
fréquence
p s = ρ 0 c 0 I s = 400 ⋅10 −12 = 2 ⋅10 −5 Pa
moyennes temporelles sur une période T acoustique :
r
r
r
r r r
∀r
p (r ) = 0
v ( r ) = 0 ρ (r ) = 0
[p(rr ; t )] 2
avec
[p(rr ; t )] 2
1⌠

T →∞ T 
⌡
+T 2
[p(rr ; t )] 2 d t
= lim
−T 2
100 000 000
130
réacteur
(distance : 25 m)
décollage
(distance : 100 m)
120
10 000 000
110
100
orchestre pop
1 000 000
marteau-piqueur
90
80
poids lourd
100 000
trafic routier
)
3
Lres-L1 (dB)
2.5
2
1.5
1
0.5
0
-10
(
-9
-8
)
L res = L res − L 1 + L 1
LE DECIBEL
Niveau de pression acoustique
dB
140 seuil de la douleur
10
L2-L1 (dB)
2
[p(rr ; t )] 2 ≠ [p(rr ; t )]
temps (s)
Pression acoustique
µPa
(
 I1 + I 2 
 = 10 log 10 10 L 1 10 + 10 L 2
L res = 10 log 10 
 Is 


Seuil de perception
L = 20 log 10 p r m s p s
I ∝ p 2rms
ULTRASONS
140
20
−12
NIVEAUX SONORES (2/2)
z Niveau sonore résultant de deux sources décorrélées
Limite supérieure de perception, seuil de douleur
-7
-6
avec
-5
-4
-3
(
-2
L res − L 1 = 10 log 10 1 + 10
-1
(L 2 −L 1 ) 10
)
0
COURBES ISONIQUES
seuil de douleur
Pa
dB
200
20
2
0,2
0,02
0,002
0,0002
0,00002
140
120
100
80
60
40
20
0
70
conversation
60
10 000
40
1 000
+
= 2 X
40 dB et 40 dB =
salon
30
bibliothèque
20
100
chambre à coucher
bureau
50
10
montagne
20
bruit
0 seuil d'audibilité
=
+
40 dB et
43 dB
140 dB
=
140 dB
seuil d'audibilité
sonie : intensité subjective d'un son ; unité : le phone
Exemple : Un son de 70 phones provoque la même sensation auditive qu'un son
de fréquence 1000 Hz dont le niveau physique est de 70 dB
1
C. Potel, M. Bruneau, "Acoustique générale (...)", Ed. Ellipse, collection Technosup, ISBN 2-7298-2805-2, 2006
COURBES DE PONDERATION : dB(A)
sons aigus et graves
STRUCTURE DE L'OREILLE
marteau
lobe temporal
du cerveau
enclume
canaux
semi-circulaires
fenêtre ovale
nerf auditif
moins bien perçus
cochlée
(limaçon)
pavillon
os
temporal
conduit auditif
externe
tympan
trompe
d'Eustache
étrier
fenêtre
ronde
Oreille externe
Oreille moyenne
Oreille interne
CHAINE DES OSSELETS
LE TYMPAN
D’après Robier
Transfert des pressions acoustiques (ondes sonores) du milieu aérien
aux fluides et aux structures de l'oreille interne (cochlée)
"petit" déplacement (liquide peu compressible)
force plus "élevée" et S plus petite
==> pression plus grande
enclume
marteau
Transfert des pressions acoustiques (ondes sonores) du milieu aérien aux
fluides et aux structures de l'oreille interne (cochlée)
Les vibrations sont transmises par le tympan et la chaîne des osselets. L'étrier, plaqué sur la
fenêtre ovale transfère la vibration au compartiment périlymphatique de la rampe vestibulaire et
aux structures de l'oreille interne. En fonction de sa fréquence, la vibration a un effet maximal
en un point différent de la membrane basilaire : c'est la tonotopie passive.
étrier
platine de l'étrier
pivot
osselets
tympan
tympan
"grand" déplacement (gaz compressible)
force moins "grande" et S plus grande
==> pression plus petite
un son de fréquence grave affecte une
un son de fréquence élevée affecte
portion plus apicale de la cochlée
une portion basale de la cochlée
Texte et images extraits du site pédagogique "Promenade autour de la cochlée"
(http://www.cochlee.info) par R Pujol et al., Université Montpellier 1 et INSERM
http://www.iurc.montp.inserm.fr/cric51/audition/fran%E7ais/ear/fear.htm
2
C. Potel, M. Bruneau, "Acoustique générale (...)", Ed. Ellipse, collection Technosup, ISBN 2-7298-2805-2, 2006
FONCTIONNEMENT SCHEMATIQUE DU TYMPAN
oreille
COCHLEE - ORGANE DE CORTI - CELLULES CILIEES
tympan
nez
équilibre des pressions
cellules saines
http://ile-de-france.sante.gouv.fr/santenv/bruit/notions/celcil.htm
http://ile-de-france.sante.gouv.fr/santenv/bruit/notions/corti.htm
LES CELLULES CILIEES
TROP DE SILENCE ?
• Danger
– au travail (port du casque)
– dans la rue (véhicules silencieux)
• Privation de l'information sonore
– bruit du moteur
– fonctionnement d'une machine
– manque d'agrément (le bon bruit !)
cellules endommagées
AUDIOGRAMMES
normal
baisse atteint 2000 Hz
baisse à 4000 Hz
surdité importante et
irréversible
NIVEAUX SONORES - GENE SONORE
Les sons audibles se situent entre 0 dB (seuil
d'audition) et 140 dB . Le seuil de la douleur se
situe aux alentours de 120 dB . La gêne, notion
subjective, est ressentie de manière très variable
d'un individu à l'autre.
En conséquence, aucune échelle de niveau sonore
objective, si élaborée soit-elle, ne peut donner une
indication absolue de la gêne occasionnée.
• Inconfort
– transports en commun (rames de TGV)
– bureaux paysagés
http://www.acnusa.fr/bruit_et_mesure/bruit_et_mes_echelle.asp
3
C. Potel, M. Bruneau, "Acoustique générale (...)", Ed. Ellipse, collection Technosup, ISBN 2-7298-2805-2, 2006
TRANSPORTS TERRESTRES
CARTES DE BRUIT (PARIS)
Exposition des populations au bruit :
nombre de points noirs routiers
Leq ≥ 70 dB(A) entre 8 h -20 h
Nord
Pas-de-Calais
Picardie
Haute
Normandie
Lorraine
Ile
de-France
Basse
Normandie
Bretagne
Champagne
Ardenne
Alsace
Pays-de-Loire
Centre
Bourgogne
Franche
Comté
Poitou
Charentes
Limousin
Auvergne
Rhône-Alpes
100
Aquitaine
Provence
Alpes
Côte d'Azur
Extrait de la Banque de données
informatisée du LRPC Strasbourg
(bilan 1998)
1er arrondissement
Midi-Pyrénées
Languedoc
Roussillon
16ème arrondissement
www.paris.fr/FR/Environnement/bruit/carto_bruit/default.ASP
PLAN DE GENE SONORE (PGS)
PLAN DE GENE SONORE (PGS)
document prévu par la loi 92-1444 du 31 décembre 1992
(Article 19) permettant de définir les zones dans
lesquelles les riverains peuvent prétendre à l'aide à
l'insonorisation
Roissy CDG (1999)
PLAN D'EXPOSITION AU BRUIT (PEB)
http://www.adp.fr/labo/web/surenv/bruit/index.html
PLAN D'EXPOSITION AU BRUIT (PEB)
Orly
Orly
document prévu par la loi 85-696 du 11 juillet 1985 qui
réglemente l'urbanisme au voisinage des aéroports de
façon à ne pas exposer de nouvelles populations aux
nuisances de bruit. Des mesures spécifiques permettent
de prendre en compte les spécificités du contexte préexistant.
principe de précaution
http://www.adp.fr/labo/web/surenv/bruit/index.html
4
C. Potel, M. Bruneau, "Acoustique générale (...)", Ed. Ellipse, collection Technosup, ISBN 2-7298-2805-2, 2006
PEB - PGS : FUSION ?
EXEMPLE DE SOLUTION : LA GESTION DU
TRAFIC
• nombre maximum des mouvements d'avions
(ORLY : 200.000 par an)
• limitation des horaires (ORLY : 7 h à 23 h)
• choix des couloirs aériens
• optimisation des trajectoires de décollage
Un groupe de travail interministériel s’est penché sur la
question du rapprochement entre les procédures relatives
aux plans d’exposition au bruit et aux plans de gêne
sonore. Un rapport rendu public en décembre 2007 pèse
les avantages et inconvénients propres à une fusion
totale des deux zonages et fait des propositions.
ou
Rapport du groupe de travail « Rapprochement des procédures PEB et PGS » - Rapport
n°004577-01 - juin 2007 (format pdf - 784,9 Ko) - Auteurs : Gilles Rouques (CGPC) et
Annick Helias (IGE)
http://publications.ecologie.gouv.fr/publications/IMG/pdf/Rapport_GT_Rapprochement_PE
B_et_PGS.pdf
Perception et acoustique des salles (1/10)
Perception et acoustique des salles (2/10)
z Les sons
z La perception
3 Localisation : comparaison par le cerveau des
• intensités
aux deux oreilles
• temps d'arrivée
3 le bruit (gêne, fonction d'alerte)
3 la parole (intelligibilité)
3 la musique (esthétique)
organisation des sons
• temporelle (rythme, mélodie)
• spatiale (remplir l'espace)
espace perçu
3 Attributs :
- visuellement
- auditivement
• écoute monaurale
• écoute binaurale
sonie, tonie, timbre
(timbre), espace sonore
∆L d B
∆t ms
0dB
0 ms
3 spectre
3 intensité
3 durée
3 Continus : formants pour la voix
3 Transitoires : consones, attaques musicales
Perception et acoustique des salles (3/10)
z L'espace sonore
3 Repérage d'une source
• binaurale
• pavillon
• diffraction
0dB
0 ms
3 Repérage deux sources
• sources cohérentes : impossible
• sources incohérentes : distinctes
Perception et acoustique des salles (4/10)
∆L d B
∆t ms
z Paysage sonore : intelligibilité et bruit
3 Bruit masquant la parole
• Exemple : effet pernicieux de la réverbération
3 Réverbération permettant au locuteur de s'entendre
3 Réverbération trop élevée : fatigue
| h(t) |
3 Retard entre deux sources cohérentes
• effet de sommation (~ 1ms)
• effet d'antériorité (sonie + effet d'espace)
• effet d'espace (3D)
3 Les trois effets peuvent être perçus simultanément
(réflexions dans une salle)
3 grand nombre de réflexions, effets tardifs : réverbération
son direct
≈ 100 ms
premières réflexions
(géométriques)
temps
réverbération
(statistique)
5
C. Potel, M. Bruneau, "Acoustique générale (...)", Ed. Ellipse, collection Technosup, ISBN 2-7298-2805-2, 2006
Perception et acoustique des salles (5/10)
z Paysages sonores, acoustique des salles (1/6)
¾ Attente de l'auditeur
¾ Attente de l'exécutant
Perception et acoustique des salles (6/10)
z Paysages sonores, acoustique des salles (2/6)
¾ Les auditeurs
épanouissement, plaisir esthétique
interprétation de la musique
Son ample
Orchestre : 10 à 100 W (dans les faits < 110 dB)
9 bonne répartition de l'énergie sonore
9 augmenter le nombre de réflexions
L'auditeur cherche à :
9 bénéficier d'un son ample (éviter la fatigue)
9 profiter de ses deux oreilles (effet d'espace)
9 bien comprendre la musique (mais petit "flou")
9 avoir un bon réglage de la sonorité (équilibre
instrumental, équilibre tonal, …)
augmenter le volume de la salle (6 à 11 m3 par auditeur)
Usage des deux oreilles
9 réflexions latérales initiales (proche de l'auditeur)
améliorer la netteté
Bonne compréhension
9 réverbération limitée (compromis avec l'ampleur)
Le musicien cherche de surcroît à :
9 bien entendre ce qu'il joue
9 un bon contact avec les autres musiciens
favoriser le léger "flou"
Bon réglage de la sonorité (délicat)
9 éviter les réflecteurs frontaux (au-dessus et derrière
l'orchestre), car
coloration
si les réflecteurs existent, les fractionner
Perception et acoustique des salles (7/10)
z Paysages sonores, acoustique des salles (3/6)
Perception et acoustique des salles (8/10)
z Paysages sonores, acoustique des salles (4/6)
¾ Réponse impulsionnelle
¾ Les Musiciens
p r (t ) = h (t )* p anéchoïque (t )
entendre ce qu'ils jouent
9 renvoi du son vers la scène
9 bon couplage scène/salle
bon contact entre eux
9 réflecteurs au-dessus de l'orchestre
| h(t) |
¾ La salle
Acoustique des salles ≡ affaire de géométrie
9 agencement des volumes
9 agencement des parois
• contact auditeurs / musiciens
• couplage scène / salle
Traitement acoustique absorbant n'améliore rien
9 (permet éventuellement de remédier à échos voire
coloration)
Perception et acoustique des salles (9/10)
z Paysages sonores, acoustique des salles (5/6)
¾ Caractérisation subjective
9
9
9
9
9
9
9
son direct
premières réflexions
(géométriques)
temps
réverbération
(statistique)
Perception et acoustique des salles (10/10)
z Paysages sonores, acoustique des salles (6/6)
¾ Caractérisation objective (exemples)
⎛
⎜
10 log10 ⎜
⎜⎜
⎝
9 amplitude sonore
clarté (précision)
réverbérance (réverbération)
enveloppement (effet d'espace)
intimité
amplitude (niveau)
balance tonale (timbre)
bruit de fond
9 durée de réverbération à -60 dB
9 early decay time (1ères réflexions)
¾ Questionnaire
9 timbre
⎛
⎜ ⌠ 80 ms
10 log10 ⎜ ⎮ p 2 (t ) d t
⎜⎜ ⌡ 0
⎝
⎡ ⎛ 5000 Hz
⎢ ⎜⌠
10 log10 ⎢ ⎜ ⎮
M(f ) d f
⎢ ⎜⎜ ⌡ 500 Hz
⎣⎝
¾ Ecoute binaurale
9 simulation numérique
9 maquette
≈ 100 ms
⎞
⎟
4500 ⎟
⎟⎟
⎠
∞
⌠ 2
2
⎮ p (t ) d t p ref
⎮
⌡0
⎞
⎟
⎟
⎟⎟
⎠
⎞
∞
⎟
⌠
2
⎮ p (t ) d t ⎟
⎟⎟
⌡ 80
⎠
⎛ 500 Hz
⎜⌠
⎜⎮
M(f ) d f
⎜⎜ ⌡ 50 Hz
⎝
⎞
⎟
450 ⎟
⎟⎟
⎠
⎤
⎥
⎥
⎥
⎦
¾ Simulation numérique
¾ Maquette
6
C. Potel, M. Bruneau, "Acoustique générale (...)", Ed. Ellipse, collection Technosup, ISBN 2-7298-2805-2, 2006
Exemple d'erreur (1/2)
écran sur un mur parfaitement
réfléchissant
McKinnon Theater, Kettering University, Flint, MI
Exemple d'erreur (2/2)
z flutter écho
échos successifs
mur parfaitement réfléchissant
400 places
http://www.kettering.edu/acad/scimath/physics/acoustics/McKinnon/McKinnon.html
McKinnon Theater, Kettering University, Flint, MI
http://www.kettering.edu/acad/scimath/physics/acoustics/McKinnon/McKinnon.html
Animation courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University
7
C. Potel, M. Bruneau, "Acoustique générale (...)", Ed. Ellipse, collection Technosup, ISBN 2-7298-2805-2, 2006
Transparents basés sur
C. POTEL, M. BRUNEAU, Acoustique Générale - équations
différentielles et intégrales, solutions en milieux fluide et solide,
applications, Ed. Ellipse collection Technosup, 352 pages,
ISBN 2-7298-2805-2, 2006
8