des bruits

DES BRUITS
Une définition du bruit.
Physiquement, il n’y a pas de différence entre un son et un bruit. On considère généralement que le bruit est un son dépourvu de toute harmonie
et perçu comme une nuisance. Le travail des acousticiens est de réduire les sons indésirables et de produire des sons de qualité. Le bruit est
devenu l'une des principales pollutions du monde moderne : de nombreuses maladies professionnelles sont liées à l'excès de décibels sur le lieu
de travail. De l'isolation phonique des appartements à celle de l'intérieur d'une voiture en passant par l'aménagement des bordures d'autoroutes, la
protection contre le bruit demande d'abord des outils pour mesurer et analyser les sources de nuisance.
La mesure et l’analyse du bruit
Pour déterminer le niveau sonore d'un bruit, l'acousticien utilise un sonomètre. Le microphone de
l'appareil recueille en un endroit donné les variations de pression acoustique de l'air et les compare
à un niveau de référence correspondant au seuil de l'audition humaine. Le résultat s'affiche en
décibels. Pour tenir compte de la sensibilité plus marquée de l'oreille à certaines fréquences qu'à
d'autres, plusieurs types de filtres (A, B, C ou D), dits de pondération, sont utilisés pour corriger la
mesure. On parle en dB(A) pour l’audition humaine.
Instrument plus sophistiqué, l'analyseur de spectre ne se limite pas à une mesure globale du bruit, mais le décompose en plusieurs bandes de
fréquence. Dans l'industrie du bâtiment, il permet de noter les fréquences les plus gênantes de l'environnement extérieur, puis de choisir le
matériau absorbant le mieux adapté. Pour optimiser la sonorisation d'un concert, l'ingénieur du son utilise également un analyseur de spectre. À
chaque instant, il peut lire les niveaux sonores, des extrêmes basses aux notes les plus aiguës. Grâce à ces données, il corrige les éventuels défauts
acoustiques de la salle en augmentant ou en diminuant le volume de telle ou telle fréquence.
Dossier enseignant « bruit » Réalisation CAP SCIENCES 2003

L’amplitude des sons.
L’amplitude d’un son caractérise son intensité c’est-à-dire la force avec laquelle elle excite l’oreille d’un auditeur. L’oreille n’est pas capable
d’évaluer avec certitude la puissance acoustique mais elle sait faire la différence entre un son très fort, fort, ou presque inaudible. Nous ne
disposons que d’une perception comparée du volume sonore et l'oreille traduit cette dimension par une sensation de force (fortissimo, moderato
ou pianissimo). L'amplitude du son, c'est la variation de pression de l'air c’est-à-dire, des mouvements moléculaires transmettant l'onde sonore.
Elle s'exprime en Pascal : l Pa = l Newton/m². L'intensité d'un son n'est pas stable et évolue dans le temps en trois phases. La première est brève
et puissante : l'acousticien parle de régime transitoire, le musicien de l'attaque de la note. Après l'attaque, qui peut durer de 10 à 100 ms, suit un
régime stable en niveau et en timbre de plusieurs secondes. Dans une dernière phase, la note s'éteint plus ou moins rapidement par exemple,
lorsque le pianiste l'étouffe avec la pédale douce ou quand il laisse résonner les cordes..
Cette pression s’exprime en Pascal
C’est la force exercée par unité de
surface.
Cette unité montre l’étendue des variations de pressions audibles. En effet, entre le seuil d’audibilité qui a été fixé à 0.00002 Pa (minimum
audible) et le seuil de la douleur (son très fort) situé autour de 20 Pa il y a un rapport de 1/1 000 000. Cet intervalle de valeurs très large n’est
guère pratique pour caractériser le niveau d’une onde sonore. Aussi, pour quantifier une puissance acoustique, on utilise une unité de mesure
adaptées au phénomène - le Décibel - et qui tient compte des spécificités de l’audition humaine.
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La perception auditive de la pression acoustique .
Nous avons déjà mentionné que notre oreille n'est pas sensible à toutes les fréquences : nous n'entendons que les sons compris entre 20 et 20 000
Hz. En dessous de 20 Hz ce sont des infrasons, au-dessus de 20 000 Hz des ultrasons. En ce qui concerne le volume sonore, il convient de savoir
que notre appareil auditif n’a pas une sensibilité linéaire par rapport à la pression acoustique. Par exemple, quand on écoute de la musique sur
une chaîne haute fidélité, si on multiplie par 10 la puissance émise par l’amplificateur, notre sensation physiologique nous indiquera
approximativement un doublement de la puissance sonore. Pour rendre compte de cette propriété, l’échelle décibel de mesure d’intensité d’un
son est logarithmique. De plus, les tests auditifs montrent que la sensibilité de l’oreille est différente selon la fréquence et le niveau sonore
général. Ces courbes isotoniques représentent en fonction de la fréquence la pression acoustique nécessaire pour atteindre une même sensation
d’audition. La référence est un son de fréquence1 KHz
Courbes d’égale sensation sonore d’après Fletcher et Munson.
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Fletcher a établi ce diagramme mettant en relation la fréquence et la puissance sonore. On constate qu'en dessous d'une certaine puissance
variable en fonction de la fréquence, il est impossible d'entendre les sons, c'est le seuil d'audition ( I ). On remarque aussi qu'au-delà d'une
certaine puissance, les sons deviennent insupportables, c'est le seuil de douleur ( II ). Il apparaît aussi que c'est pour les fréquences situées entre
500 et 5000 Hz que l’oreille est la plus sensible. Les lignes intermédiaires isotoniques relient les points du diagramme pour lesquels la sensation
de volume est égale. Ces valeurs dépendent de l'individu, de son âge et de beaucoup d'autres facteurs mais ce schéma est fait à base de
statistiques et correspond ainsi à celui d'une oreille moyenne. Les courbes montrent que l’oreille est un très mauvais instrument de mesure de la
pression acoustique, qu’elle a un comportement plus linéaire pour un volume sonore élevé (courbe du haut), qu’elle est plus sensible aux sons
aigus qu'aux sons graves. Quand le volume sonore est bas (zéro dB, courbe du bas) les différences sont notables, c’est pourquoi certains
amplificateurs HIFI sont équipés de filtres spéciaux pour rajouter des basses afin de rendre le son plus naturel à bas volume : on parle de contrôle
physiologique.
Le bel, le décibel et la loi de Flechner.
Pour mesurer le niveau sonore on utilise l'échelle logarithme en décibels (dB). On a donné ce nom en hommage à A.G.Bell mais c'est à Flechter
que nous devons la loi qui dit que "la sensation varie à peu près comme le logarithme de l'excitation". L’échelle décibel présente l'avantage de
bien se calquer sur la sensibilité différentielle de l'ouïe : le rapport entre notre sensation et la mesure du volume sonore est linéaire. Un écart de
1 décibel correspond sensiblement à la plus petite différence de niveau sonore décelable par l'oreille humaine et un son qui s’entend deux fois
plus fort qu'un autre a une mesure deux fois plus grande en décibel. Pour les calculs dans cette échelle, il y a un rapport de deux grandeurs en
relation avec le son, éliminant ainsi le type d’unité pour obtenir une unité fédératrice: le Bel. Quelles que soient les grandeurs mises en jeu, on
trouve des expressions cohérentes les unes par rapport aux autres avec une valeur de référence judicieusement choisie. On définit en effet le
niveau d’une onde sonore par son rapport à cette valeur de référence qui est égale au seuil minimum d’audition. Par conséquent la grandeur en
Bel n’a de signification physique que si l’on connaît la valeur de référence P0 (pression acoustique) ou I0 ( intensité acoustique). Mais
l’expression du niveau sonore est une notion ambiguë qui renvoie tantôt au niveau de pression acoustique tantôt au niveau d'intensité acoustique.
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Détermination de l’échelle Bel à partir de l’intensité acoustique :
Expression du niveau d’intensité acoustique.
Li= 10.log(I / Io)=10.log(I /1.10-12)
Par abus de langage, on emploie le terme « intensité » au lieu du
terme « puissance » ce qui n’est pas pour simplifier les choses.
( L’intensité d'un son est le rapport entre sa puissance, qui se mesure
en watts, et la surface sur laquelle elle s'applique. Elle se mesure en
watts par mètre carré). Le champ d'écoute de l'oreille humaine
correspond à des énergies variant de 10–16 W/m2 à 10–4 W/m2. Il y
a
un rapport de 1 000 milliards entre le premier souffle audible et l
a
limite de tolérance! Dans cette fourchette, le seuil d'auditio
n
correspond approximativement à 10-12 W/m². On utilise cette valeur I
comme référence pour la mesure de l'intensité acoustique, notée Li
(Level intensity) exprimée en dB.
0
L’expression mathématique de Li donne :
10 log 1012 = 120 log 10= 120 Db pour la gamme des sons audibles.
Le bel est une "grosse" unité, il est plus commode de mesurer avec
une unité plus fine comme le décibel qui est le 10ème du Bel d’où le
facteur 10 du log.
Détermination de l’échelle Bel à partir de la pression acoustique :
Expression du niveau de pression acoustique.
Lp = 20.log(p/p0)= 20.log(p/2.10-5)
Il est naturel de définir physiquement l'intensité d'un son comme
p
roportionnelle à l'énergie vibratoire captée par l'oreille ; or celle-ci
est proportionnelle au carré de l'amplitude et par conséquent au
carré de la pression sonore p. L’onde de pression, la plus faible
entendue par une oreille humaine se situe vers 2.10-5 Pa. C’est l
a
valeur de référence P0 qui correspond donc à 0 dB. Le signal le
p
lus fort et encore supportable avoisine les 2 000 000 10-5 Pa.
L'oreille couvre donc une gamme de valeurs de pression acoustique
variant dans un rapport de 1 à 1 million exprimées en Pascals. Il es
t
p
lus pratique d'utiliser la valeur logarithmique de la pressio
n
acoustique, notée Lp (Level pressure, en anglais) exprimée en dB.
L’expression mathématique de Lp donne:20log106=120log10= 120
L’écart de pression pour couvrir toute la gamme audible des
niveaux sonores acceptables est alors de 120 dB. ( Le carré de
l'amplitude, ou pression acoustique, étant proportionnel l’intensité
de l'onde sonore : I = k.p2, La puissance 2 permet de retrouver le
facteur 20 au lieu de 10 dans l’expression du logarithme :
10log (P/P0)² = 20log(P/P0)
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