2.1 Introduction à la mesure des sons et des bruits

Transcription

1 2. EVALUATION DE L EXPOSITION SONORE 2.1 Introduction à la mesure des sons et des bruits Mesurer les sons et les bruits Il est nécessaire de chiffrer pour connaître. Les mesures permettent finalement d améliorer l acoustique des bâtiments et protéger la santé des personnes. Compte tenu des différences physiologiques et psychologiques entre individus, le degré de gêne ne peut pas être mesuré scientifiquement pour une personne donnée. Par contre, les mesures acoustiques nous donnent un moyen objectif de comparaison de la gêne causée par le bruit dans différentes conditions. La protection contre le bruit relève essentiellement de trois domaines complémentaires qui sont la sonométrie, la dosimétrie et l audiométrie. (qui concerne davantage l étude otologique de l oreille). Les mesures acoustiques, qu elles soient sonométriques ou dosimétriques, indiquent clairement si un bruit est dangereux ou non, et permettent alors de déclencher des actions correctives ou préventives de réduction de bruit. Le degré médical de dommages auditifs est déterminé par des relevés audiométriques qui déterminent la sensibilité auditive individuelle. La mise en œuvre de mesures acoustiques doit être conforme aux recommandations des normes nationales (AFNOR) et internationales (ISO) : Par ex : 43

2 normes NF S pour la mesure de bruit dans l environnement normes NF S pour le bruit de trafic routier. 2.2 Sonomètres et dosimétrie Le sonomètre Figure 2.1 : un sonomètre Un sonomètre est un instrument de mesure conçu pour répondre au son approximativement de la même façon subjective que l oreille humaine, mais qui donne des mesures objectives, reproductives et instantanées du niveau de pression acoustique. Un sonomètre donne donc une mesure du niveau global sonore (valeur efficace) et permet, si l on dispose d un jeu de filtres d octaves ou de tiers d octave, l analyse en fréquence dans la zone fréquentielle la plus dangereuse située entre 3000 et 5000 Hz. Les sonomètres sont classés en fonction de leur incertitude de mesure (normes NF S [1] et NF S [2]) : 44

3 - classe 1 si incertitude < 0,7 db ; - classe 2 si incertitude < 1 db ; - classe 3 si incertitude < 1,5 db. On distinguera : - les sonomètres simples qui mesurent le niveau de pression acoustique en un lieu précis ; - les sonomètres intégrateurs destinés à prévoir les effets du bruit sur l homme. Un sonomètre comporte un microphone, une unité de traitement analogique et un affichage Microphone Détecteur de surcharge Réseau de pondération Préamplificateur Amplificateur Détecteur efficace Sortie Affichage 93.7 Filtres Amplificateur Constantes de temps F/S Circuit de retenue Figure 2.2 : Schéma de principe d un sonomètre. Le microphone (ou encore transducteur acoustique) convertit le signal sonore en une information électrique équivalente. 45

4 Figure 2.3 : Assortiments de microphones Parmi les nombreux principes de microphones pour mesure de pression en usage actuellement, trois méritent une attention plus approfondie : microphones dynamiques, piézoélectriques et capacitifs, Type de microphone Facteurs Dynamique Piézoélectrique Capacitif Gamme dynamique B A A Sensibilité A C B Réponse basse fréquence C A A Linéarité de fréquence C B A Réponse haute fréquence C B A Dimensions B A A Nécessité d alimentations A A C Stabilité à long terme B B A Gamme de températures C B A Influence de la température C A A Influence des vibrations B B A Influence de l humidité A B C Influence du champ magnétique C A A Fragilité B B C Prix B A C (A = très favorable B = satisfaisant C = pas favorable) le microphone-condensateur ou capacitif est globalement optimal pour des mesures précises, omnidirectionnelles, stables et fiables. Diaphragme Isolant Plaque Arrière rigide Boîtier Orifice d égalisation 46 de pression Philippe Nika Professeur Univ. statique Franche-Comté_ Acoustique

5 Figure 2.4 : Construction schématique du microphone-condensateur La cartouche du microphone se compose essentiellement d un mince diaphragme métallique situé très près d une plaque arrière rigide. Ces deux éléments sont électriquement isolés l un de l autre et constituent les électrodes d un condensateur. L air en arrière du diaphragme est en communication avec l atmosphère extérieure uniquement à l aide d un trou d égalisation de pression statique dont l impédance acoustique est très importante aux fréquences sonores. Les variations de pression dues aux ondes acoustiques font déplacer le diaphragme et donc varier la capacité du condensateur à une fréquence égale à celle des ondes sonores. Pondérations des sonomètres Les sonomètres possèdent en principe des corrections qui permettent de tenir compte des courbes de Fletcher et autorisent alors la mesure de la sensation sonore réellement ressentie par l oreille en fonction de la fréquence pondération A ( mesures en dba ) pour niveaux faibles < 55 db pondération B (mesures en dbb ) pour niveaux de 44 à 85 db pondération C (mesures en dbc ) pour niveaux > 85 db pondération D (mesures en dbd ) pour bruits d avions 47

6 Le dosimètre ou l exposimètre Figure 2.5 : courbes de pondérations des db Des mesures d exposition au bruit d un travailleur qui changent d environnement sonore durant leur journée de travail peuvent être obtenues à l aide d un dosimètre. Un dosimètre peut se représenter schématiquement par un sonomètre muni de la courbe de pondération «A» et de détecteurs de hauts niveaux gardant en mémoire les dépassements momentanés. Un filtre de bas niveau bloque le compteur pour toutes valeurs inférieures à 80 db(a), niveau auquel les effets cumulatifs irréversibles ne sont pas reconnus par les C.P.A.M. Cet appareil alimenté par pile est portatif et peut se mettre dans la poche. Le microphone peut être séparé du corps du dosimètre et doit être, de préférence, monté près de l oreille la plus exposée de l individu concerné. En général, les dosimètres affichent le pourcentage de la dose de bruit journalière admissible Etalonnage d un sonomètre Les sonomètres doivent être étalonnés afin de fournir des résultats précis. La meilleure façon d effectuer un étalonnage est de placer une source sonore étalon directement sur le microphone. Ces sources fournissent un niveau de pression sonore précis qui permet de régler le sonomètre. 48

7 La plupart des bruits de collectivités ou industriels ont un niveau fluctuant. si le niveau sonore varie trop rapidement, les affichages analogiques des sonomètres varient de manière trop irrégulière pour pouvoir faire une lecture correcte. Pour cette raison, les sonomètres disposent, pour le calcul de la valeur efficace de la pression acoustique (niveau SPL), de constantes de temps adaptées à la variété des ambiances sonores rencontrées : «Rapide F», «Lente S», «Impulsion I» et Crête. ** le mode F a une constante de temps de 125 ms qui permet à l affichage de répondre rapidement et nous autorise à suivre et à mesurer un niveau sonore présentant de faibles fluctuations. (fluctuations < 4 db), Le mode S a une constante de temps de 1 seconde donnant une réponse plus lente qui permet de moyenner les fluctuations d affichage sur un appareil analogique, qui serait impossible à lire en mode F Facteurs d influence sur les mesures acoustiques Influence de l instrument et de l opérateur Influence de l environnement De nombreux facteurs d ambiance sont susceptibles d intervenir, à différents degrés, sur la précision des mesures sonométriques et dosimétriques. Vent : le vent ou un courant d air qui souffle sur le microphone produit du bruit supplémentaire comparable au bruit que vous entendez quand le vent souffle dans vos oreilles. Pour en réduire les effets, un écran anti-vent spécial, fait d une balle en éponge de polyuréthane poreux, doit toujours être employé sur le microphone pour la mesure. 49

8 Humidité : le sonomètre et le microphone ne seront pas influencés jusqu à des niveaux d humidité relative de 90%. Mais pour un emploi continu dans un environnement humide, il est recommandé d utiliser des microphones spéciaux, les capots anti-pluie et les dessicateurs ; Température : les sonomètres sont conçus pour fonctionner de façon précise de - 10 à 50 C. Mais on doit faire attention aux brusques changements de température qui pourraient provoquer de la condensation dans le microphone ; Pression ambiante : des variations de pression ambiante de ± 10 % n auront qu une influence négligeable (inférieure à ± 0,2 db) sur la sensibilité du microphone. Mais, aux très hautes altitudes, la sensibilité, particulièrement aux hautes fréquences, peut être affectée de façon non négligeable ; Vibrations : il est toujours bon d isoler le sonomètre et le microphone des fortes vibrations et des chocs ; Champs magnétiques et électrostatiques : influence négligeable. 2.3 Discussion sur les conditions de mesure du bruit chambre réverbérante Mesure du bruit en condition contrôlée : chambres anéchoïque et En champ libre, les ondes se propagent uniformément dans toutes les directions s il n existe pas d objets réfléchissants ou de barrières dans le champ sonore. Si l on veut faire des mesures dans les conditions de champ libre, il faut une chambre anéchoïque dont toutes les parois ainsi que le plafond et les sol sont doublés d un matériau hautement absorbant pour éliminer toute réflexion. 50

9 Le contraire d un local anéchoïque est la chambre réverbérante où toutes les surfaces sont recouvertes d un matériau aussi dur et réverbérant que possible, et aucune paroi n est parallèle à une autre. Cela crée un champ sonore dit «diffus», car l énergie acoustique est également distribuée dans la pièce. Dans des chambres de ce type, on peut mesurer la puissance acoustique totale émise par une source sonore, mais le niveau de pression acoustique dans n importe quelle direction est pratiquement sans signification à cause des réflexions. De telles chambres sont plus économiques à construire que les chambres anéchoïques, Mesure du bruit dans un local ordinaire En pratique, la majorité des mesures de bruit industriel s effectue dans les conditions réelles pour lesquelles les locaux sont ordinaires, c est-à-dire ni anéchoïques, ni réfléchissants, car engendrant de l absorption et de la réflexion en même temps. Si la mesure est prise trop près de la machine, le niveau de pression acoustique peut varier de façon significative pour un petit déplacement du point de mesure. Ce phénomène apparaît quand l éloignement du point de mesure est inférieur à la longueur d onde de la fréquence la plus basse émise par la machine, ou inférieur à deux fois la plus grande dimension de la machine, quelle que soit la plus grande des distances. Cette zone est appelée le champ proche de la machine et on évitera autant que possible d y faire des mesures. D autres erreurs peuvent se produire si la mesure est prise trop loin de la machine. Ici, les réflexions dues aux parois ou à d autres obstacles peuvent être aussi fortes que le son direct et des mesures correctes n y seront pas possibles. Cette zone est appelée le champ réverbérant. 51

10 Champ proche Champ éloigné Champ libre Champ réverbérant Bruit direct Réflexions 2 x long. machine ou 1 longueur d'onde Figure 2.6 : Propagation d un bruit dans un local ordinaire : conditions de mesurage. Entre les champs réverbérant et proche se trouve le champ libre que l on peut trouver lorsque le niveau tombe de 6 db pour chaque doublement de la distance depuis la source. Les mesures de niveau doivent être faites dans cette zone. Il se peut que les réverbérations soient si importantes ou la pièce si petite que le champ libre n existe pas. Dans de tels cas, certaines normes (telle que ISO 3746) proposent des corrections pour prendre en compte les réflexions Le microphone dans le champ acoustique Le type de microphone et son orientation dans le champ acoustique influencent la réception des bruits. Un microphone de mesure doit avoir une réponse en fréquence uniforme sur la gamme audible, c est-à-dire qu il doit avoir la même sensibilité à toutes les fréquences et pour toutes les incidences. On trouve 52

11 - Des microphones de champ libre (normalement à 0 d incidence) ; (conçu pour compenser de lui-même sa propre présence.) - Des microphones de pression ; (répond uniformément au niveau de pression existant, y compris la perturbation causée par sa présence). - Des microphones pour incidence aléatoire. (répond uniformément à des signaux l atteignant sous tous les angles, cas dans les champs acoustiques très réverbérants ou diffus) Mesure de bruit de l environnement Le bruit dû à l environnement implique la mesure du bruit total (quelle que soit sa source) à un endroit particulier. Le bruit peut alors être dû à une ou à plusieurs sources et à leurs réflexions sur les murs, le plafond et les autres machines. Le bruit industriel à un poste de travail est un exemple de bruit de l environnement. La mesure est réalisée là où la personne travaille sans tenir compte du fait qu il s agit du champ proche ou du champ éloigné de la machine, ou bien s il y a d autres machines fonctionnant à proximité. 2.4 Evaluation de l'exposition sonore Paramètres énergétiques d'un bruit Le niveau acoustique continu équivalent L eq Le son étant une forme d'énergie, le potentiel de nocivité auditive d'un environnement sonore donné ne dépend pas seulement de son niveau de pression acoustique, mais aussi de la durée pendant laquelle une personne supporte ce bruit, appelée durée d'exposition. 53

12 L'oreille peut supporter un niveau acoustique élevé s'il dure très peu de temps. Le niveau acoustique continu équivalent L eq est alors utilisé en sonométrie, il représente le niveau d'intensité acoustique d'un bruit constant qui développerait la même énergie que le bruit fluctuant supporté pendant le même temps. L'énergie totale E produite par le bruit pendant l'intervalle le temps T est donnée par : T I E = dt = dt = dt (2.1) 0 I 0 T p 2 p2 0 0 T 0 Lp On peut calculer l'énergie moyenne E durant l'intervalle de temps T : E = 1 T T (2.2) 0 Lp dt Finalement, le niveau acoustique continu équivalent L eq s'exprime par : L eq T Lp 1 = 10 log dt (en db, en db(a), en db(b), en db(c)) (2.3) T 0 Relation souvent remplacée par la sommation des mesures faites durant le temps : Lpi 1, T = 10 log 10 ti T i 10 Leq Pour une L eq pondéré A (cas le plus fréquent), le symbole L Aeq est utilisé ; on trouve parfois L Aeq,T. 54

13 Les mesures de L eq peuvent être effectuées durant des périodes quelconques (généralement 8 heures pour l'évaluation de l'exposition sonore des salariés) pour déterminer le potentiel de nocivité auditive d'un bruit Niveau d exposition L EX, d Le L EX, d correspond à un niveau acoustique continu équivalent ramené à une période d observation journalière de 8 heures : L EX, d = L Aeq, 8 h. (2.4) Le calcul du L EX, d s effectue parfois sur la base temporelle de cinq jours pour déterminer la dose sur 40 heures. L organisation Internationale des Standards (ISO) 1999 définit une méthode qui ne tient compte que du critère énergie et ne prend pas en considération la faculté de récupération de l oreille. Ainsi, le doublement du niveau de pression acoustique diminue de moitié le temps d exposition acceptable. Par exemple, une augmentation du niveau sonore de 90 db(a) à 93 db(a) doit donc s accompagner d une réduction du temps d exposition de 8 à 4 heures. : (3dB=10log2) Exemple de calcul : Dans un atelier, une personne est soumis : pendant 1 h à un LAeq de 88 db A pendant 10 mn à un LAeq de 96 db A pendant 4 h à un LAeq de 83 db A pendant 2 h 20 mn à un LAeq de 75 db A La durée de sa journée de travail est de 7h30mn. Quel est son niveau d exposition par rapport à une journée standard égale à 8 heures 1/ en ramenant tout sur 8 heures : énergie en 2 p 10log 2 p 0 t t + 10log 8h 8h 55

14 L EX, 1h = log 1* 60 8* L EX, 10mm = log 8* 60 4* 60 L EX, 4h = log 8*60 L EX, 2h20mn = log = 79 dba = 79,2 dba = 80 dba 2 * *60 = 69,6 dba 7,9 7,92 8 6,96 Addition : L = 10 log( ) 84, dba EX8 h = 3 ou encore directement : L EX8h 1 = 10log 10 T i 1 10log 480 Lpi 10 t i = 8,8 9,6 8,3 7,5 ( ) = 84,3 dba Il existe aussi diverses abaques de calcul : 56

15 93 84 Figure 2.8 : abaque de calcul des niveaux équivalents Rappel : ce sont les énergies qui s ajoutent et non les Lp : sur l exemple 93 db durant 1 heure correspondent ( au centre) à une lecture de LEX= 7 la même lecture pour 8 heure (à gauche) donne un niveau de pression ( à droite ) de 84 db 57

16 Dose de bruit D% Il existe des dosimètres individuels qui donnent le résultat cumulé sur une journée de travail sous la forme d un pourcentage de dose maximale «admissible». Cent pour cent correspondent à une dose de 85 db(a) pendant 8 heures ; au-delà, il y a dépassement de la dose sonore autorisée. L avantage de l utilisation de pourcentages pour exprimer une dose réside dans le fait que 100 % représente toujours la dose de référence, quelle que soit la durée. T 8 p( t) D % = 100 dt (2.5) 0, où T représente la durée de la mesure en heures, p(t) la pression acoustique fonction du temps t (en Pa). Nota : L expression de D% est ramenée sans dimension par le rapport (à élever au carré) de la pression p(t) à la pression de référence égale à 0,355 Pa pour 85 db(a), et par intégration sur une durée de 8 heures à la valeur de 100 % pour une dose de 85 db(a) Pression acoustique de crête Lmax La pression acoustique de crête est la valeur maximale de la pression acoustique rencontrée au cours de la journée de travail. Elle se mesure en db sans pondération (db lin). Elle sera notamment utilisée pour apprécier les risques auditifs importants de l'exposition des salariés aux bruits impulsionnels et de chocs (bruits transitoires) Le niveau d'exposition acoustique SEL 58

17 Les deux indicateurs (pression acoustique de crête et niveau acoustique continu équivalent) sont mal adaptés pour traduire un danger ou une nuisance en cas de bruits impulsionnels. On préfère le niveau d'exposition acoustique SEL, «Sound Exposure Level», qui est défini comme étant le niveau constant pendant une seconde ayant la même quantité d'énergie acoustique que le son original. Mesuré à partir de la pondération A, le SEL est noté L AE. Sa formulation est identique à celle du L eq, mais le temps d intégration est limité à la durée pendant laquelle le niveau demeure égal ou inférieur de 10 db au maximum observé pendant cet événement. T ' Lp 1 L = AE 10 log dt T pour L T' p > L pmax 10 db 0 Une mesure de SEL est souvent utilisée pour quantifier l'énergie sonore d'un événement simple isolé, tel que le passage d'une voiture ou d'un avion Statistiques des niveaux de bruit Les bruits supportés par l'individu ne sont pas souvent des sons purs, constants en puissance et en hauteur. Par exemple, le bruit de circulation sur un grand axe peut évoluer de manière significative. On cherche alors la fraction de temps pendant laquelle un niveau de pression acoustique Lp est dépassé et on note ce niveau L X (délivré par les sonomètres) X étant le nombre représentant le pourcentage de temps pendant lequel le niveau Lp est dépassé. - L 10 = 91 db : niveau de 91 db dépassé pendant 10 % du temps de la mesure, ce qui représente les pointes de bruit ; 59

18 - L 90 = 65 db : niveau de 65 db dépassé pendant 90 % du temps de mesure, ce qui représente le niveau de bruit de fond ; - L 50 est un niveau médian pour le temps qui ne doit pas être confondu avec un L eq. Il est utilisé, par exemple, pour la définition des zones de bruit pour la construction des immeubles à usage habitation. 60