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.
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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.
Détermination de l’échelle Bel à partir de la pression acoustique :
Expression du niveau de pression acoustique.
Li= 10.log(I / Io)=10.log(I /1.10-12)
Lp = 20.log(p/p0)= 20.log(p/2.10-5)
Par abus de langage, on emploie le terme « intensité » au lieu du
Il est naturel de définir physiquement l'intensité d'un son comme
terme « puissance » ce qui n’est pas pour simplifier les choses.
proportionnelle à l'énergie vibratoire captée par l'oreille ; or celle-ci
( L’intensité d'un son est le rapport entre sa puissance, qui se mesure
est proportionnelle au carré de l'amplitude et par conséquent au
en watts, et la surface sur laquelle elle s'applique. Elle se mesure en
carré de la pression sonore p. L’onde de pression, la plus faible
watts par mètre carré). Le champ d'écoute de l'oreille humaine
entendue par une oreille humaine se situe vers 2.10-5 Pa. C’est la
correspond à des énergies variant de 10–16 W/m2 à 10–4 W/m2. Il y a
valeur de référence P0 qui correspond donc à 0 dB. Le signal le
un rapport de 1 000 milliards entre le premier souffle audible et la
plus fort et encore supportable avoisine les 2 000 000 10-5 Pa.
limite de tolérance! Dans cette fourchette, le seuil d'audition
L'oreille couvre donc une gamme de valeurs de pression acoustique
correspond approximativement à 10-12 W/m². On utilise cette valeur I0
variant dans un rapport de 1 à 1 million exprimées en Pascals. Il est
comme référence pour la mesure de l'intensité acoustique, notée Li
plus pratique d'utiliser la valeur logarithmique de la pression
(Level intensity) exprimée en dB.
acoustique, notée Lp (Level pressure, en anglais) exprimée en dB.
L’expression mathématique de Li donne :
L’expression mathématique de Lp donne:20log106=120log10= 120
10 log 1012 = 120 log 10= 120 Db pour la gamme des sons audibles.
L’écart de pression pour couvrir toute la gamme audible des
Le bel est une "grosse" unité, il est plus commode de mesurer avec
niveaux sonores acceptables est alors de 120 dB. ( Le carré de
une unité plus fine comme le décibel qui est le 10ème du Bel d’où le
l'amplitude, ou pression acoustique, étant proportionnel l’intensité
facteur 10 du log.
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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Pa
Bar
dB
Puissance (W)
Correspondance
SL
2000 000
20
220 10 000 000 000
200 000
2
200 100 000 000
101 300
1.013
194 25 118 864
Pression atmosphérique.
20 000
0.200
180 1000 000
Fusée.
2000
0.020
160 10 000
200
0.002
140 100
Avion à réaction.
20
0.000 200
120 1 Watt
Seuil de douleur.
2
0.000 02
100 0.01
Discothèque.
0.2
0.000 002
80
0.000 100
Grand orchestre.
0.02
0.000 000 2
60
0.000 001
Rue, lieu public.
0.002
0.000 000 02
40
0.000 000 010
Conversation normale.
0.000 200
0.000 000 002
20
0.000 000 000 100
Chuchotement.
0.000 020
0.000 000 000 2
0 dB 0.000 000 000 001
Unité d’échelle de
normalisation.
0.000 002
0.000 000 000 02
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-20
0.000 000 000 000 01
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Exemples de calculs.
Pour une pression acoustique de 2 Pascals on
obtient en dB: Lp= 20 log(2/2.10-5)= 100 dB
Pour une intensité acoustique équivalente on a
en dB : Li=10 log( 10-2/10-12)=100 dB
Pour doubler le volume d'un son, il faut en fait
élever au carré le rapport de la puissance réelle
de ce son sur la valeur de référence. Par
exemple, pour passer de 40dB à 80dB :
Puissance réelle du son de 40dB = 10-8W/m².
Car 10log(10-8/10-12)=10log(104)=40dB
Puissance réelle du son de 80dB = 10-4W/m².
Car 10 log (10-4/10-12 ) =10log(108)=80dB
Nous voyons que 108 = (104)2.Nous pouvons
justifier le fait d'élever ce rapport au carré pour
doubler le volume par cette propriété des
logarithmes: log (x²) = 2log(x).
Nous pouvons aussi comprendre que si 10
instruments jouent ensemble à un volume de
40dB, il en faudra 10 fois plus c’est-à-dire 100
instruments pour obtenir un volume de 50dB.
Car 10-8 x 10 = 10-7 et 10 log (10-7/10-12) = 10
log(105) = 50dB. C'est pour cela que quand on
tourne le bouton de volume d’une chaîne
stéréo, on doit le tourner de plus en plus pour
entendre une différence de volume.
On sait aujourd'hui qu'un niveau sonore continu ne doit pas dépasser 50 dB sous peine de devenir une nuisance sonore, et qu’au-delà de 65 dB,
la situation est considérée comme pénible, si l'exposition est longue. Notre oreille est fragile, une exposition à un son de plus de 120dB, même
pendant un court instant, peut entraîner des lésions irréversibles de notre système auditif. Dans la plupart des discothèques ou des concerts
rock, près des enceintes, le volume est au-dessus de ce seuil dangereux. Une étude menée sur des jeunes en Angleterre a montré que les
habitués des discothèques avaient une perte moyenne d'audition de 5 dB. Après de telles constatations, l'Allemagne, l'Angleterre et la Suisse
ont interdit tout son dépassant les 90 dB. Il est normal qu'au retour d'un concert ou d'un autre endroit bruyant, on entende moins bien pendant
quelque temps. Après une exposition de longue durée à des sons d'intensité relativement importante, l’oreille est fatiguée et ses muscles aussi,
ils vont donc moins bien travailler et on entend momentanément moins bien. Une fois l’oreille bien reposée, on récupère la capacité auditive. Il
est aussi possible de diminuer de manière consciente la sensation d'intensité sonore. Par exemple, si on s’apprête à faire un grand bruit, le
cerveau y est préparé et va commander à notre oreille de ne pas trop réagir. Par contre, si le même bruit survenait sans qu’on y attende, notre
oreille saturerait et on sursauterait certainement.
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L’isolation phonique et le contrôle de l’acoustique.
Il existe différents moyens pour lutter contre le bruit : on peut l'atténuer à la source ou le filtrer
lorsqu'il est gênant. Le son se propageant d'autant mieux que le milieu est élastique, l'isolation fait
appel à des matériaux facilement déformables; c'est le cas du coton, de la laine de verre, du liège,
du feutre ou du plomb. Au lieu de vibrer comme un élastique ou une barre d'acier, les isolants
encaissent les variations de pression en se déformant; ils affaiblissent le son d'autant plus
efficacement qu'ils sont disposés en couche épaisse. Ce type de protection par panneau absorbant
ne fonctionne pas pour toutes les fréquences. Les bruits graves, les plus gênants, ont tendance à
traverser les parois poreuses sans s'affaiblir de manière significative. Pour les filtrer, on fait
souvent appel à des pièges à sons : c'est le principe du sas ou de la double-fenêtre. En multipliant
les cavités d'air fermées entre le bruit et les oreilles, on atténue d'autant sa propagation.
L'acoustique architecturale ne se réduit pas systématiquement à la chasse aux nuisances. Elle
intervient aussi dans la conception des salles de spectacle, des amphithéâtres ou des salles de
séjour afin de leur donner de bonnes caractéristiques sonores. Comme tout volume d'air clos, les
pièces ont une fréquence de résonance. La première tâche de l'acousticien consiste à en calculer les
dimensions pour que leurs fréquences propres soient situées en dehors du champ de l'audition
humaine, en général dans le domaine des infrasons. La deuxième tâche de l'architecte acousticien
consiste à contrôler le temps de réverbération de la salle qu'il doit traiter. À l'extérieur, les sons se
dispersent dans l'air. Entre quatre murs, ils se réfléchissent d'autant mieux que les parois sont lisses
et d'autant plus longtemps que la pièce est grande. La réverbération du son dans les églises illustre
bien ce phénomène. Dans une salle de concert ou de congrès, les diverses réflexions des sons sur
les murs doivent être amorties, pour conserver la bonne intelligibilité des paroles ou de la musique.
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