Physique du son - Son ou bruit?

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1 1 Physique du son - Son ou bruit? (Site de la Direction départementale des affaires sanitaires et sociales du Loiret, en France.) Tout ce qui vibre émet un son. Un corps vibrant communique sa vibration, dans le milieu récepteur (air, liquide, solide) sous la forme d ondes de pression et de dépression de proche en proche de la source à l organe de réception qui peut être, par exemple, l oreille d une personne. La vitesse de propagation du son dépend du milieu dans lequel il est émis. Le son est caractérisé par quatre grandeurs : le volume ou l'intensité, la tonalité, le timbre et la durée d'apparition. Le bruit est un mélange complexe de sons. D'après l'afnor (Association Française de Normalisation) : le son est une sensation auditive engendrée par une onde acoustique. le bruit résulte d'un mélange complexe de sons d'intensités et de fréquences différentes. Il correspond à tout phénomène acoustique produisant une sensation généralement considérée comme désagréable ou gênante. La nocivité d'un bruit dépend de l'intensité du son et de la durée d'exposition. En savoir plus??? Voir ci-dessous... En un point, la pression de l air varie un certain nombre de fois autour de la pression d équilibre, ou pression atmosphérique, la variation de pression est appelée «pression acoustique». Le nombre de fluctuations par secondes est la fréquence du son. Le son, produit par ce phénomène vibratoire, est caractérisé par un volume ou une intensité, une tonalité, un timbre, une durée d'apparition. Volume : c'est l'amplitude d'un niveau de puissance, d'intensité ou de pression. A la source, la puissance ou intensité

2 2 acoustique rayonnée s'exprime en watts par m2 et se désigne par I. C'est l'intensité acoustique I développée par la source sonore qui engendre la pression acoustique P à laquelle sont sensibles notre oreille et les instruments de mesure du bruit (sonomètres). Elle s'exprime en pascal. Li/Lp : l'amplitude de variation des pressions acoustiques que l'oreille humaine peut percevoir est considérable. Entre le plus faible bruit audible Po et le seuil de la douleur, la pression est multipliée par 10 6 (1 million). Il serait très incommode d'utiliser une telle échelle. Il est donc fait appel à une échelle plus adaptée qui s'exprime en décibels. Tonalité : grave, médium, aiguë, le nombre de périodes par seconde détermine la fréquence du son. 1 période / seconde = 1 hertz 5 périodes / seconde = 5 hertz Timbre : deux sons de même fréquence peuvent avoir deux timbres différents. On distingue facilement le "la" d'un violon du "la" d'un saxophone. Niveau de pression équivalent (Leq) : Le Leq représente le niveau sonore fictif, supposé constant pendant une période de temps considérée et qui, pendant cette période, aurait résulté de la mise en jeu de la même énergie acoustique totale que le bruit fluctuant réel. On distingue : - le bruit ambiant (Leq global) : bruit total existant dans une situation donnée pendant un intervalle de temps donné. Il est composé de l'ensemble des bruits émis par toutes les sources proches et éloignées. - le bruit particulier (Leq du) : composante du bruit ambiant qui peut être identifiée spécifiquement et que l'on désire distinguer du bruit ambiant notamment parce qu'il est l'objet d'une gêne. - le bruit résiduel (Leq du) : bruit ambiant, en l'absence du (des) bruit(s) particulier(s). Le Leq est donné par la formule mathématique suivante :

3 3 Les fréquences audibles Nous n'entendons pas tous les sons. L'oreille humaine est sensible aux sons dont la fréquence est comprise entre 20 et Hz. En dessous, ce sont des infrasons perçus non plus comme des sons mais comme des vibrations. Au delà, ce sont des ultrasons, perçus uniquement par certains animaux. La fréquence du son est la caractéristique la plus importante dans la comparaison des systèmes de perception et d'émission sonores des espèces. Les espèces diffèrent par la gamme de fréquences qu'elles peuvent entendre et émettre. La plupart des espèces perçoivent une gamme de fréquences plus large que celle qu'elles peuvent produire. Elles ne produisent que les sons qu'elles sont capables d'entendre. Le décibel L'amplitude des variations que l'oreille humaine peut percevoir est considérable. Aussi, pour mieux apprécier les niveaux sonores, il est fait appel au décibel (db) qui est une unité de mesure logarithmique et permettant de comprimer les plages de variation. Addition : Du fait de l'unité logarithmique, 20 db + 20 db ne font pas 40 db!!! Quand on additionne deux sources de même niveau, le résultat global augmente de 3 db. Par exemple, le doublement du trafic routier correspond à une augmentation du niveau sonore de 3 db (% poids lourds, vitesses, fluidité restant égaux).

4 4 Effet de masque : Si deux niveaux de bruit sont émis simultanément par deux sources sonores, et si l'une est au moins supérieure de 10 db par rapport à l'autre, le niveau sonore résultant est égal au plus grand des deux. Sensation : L'individu a la sensation que le bruit est deux fois plus fort lorsque l'énergie acoustique est multipliée par 10. Il n'y a pas de corrélation entre le doublement de l'énergie à la source et la sensation que le bruit double. De plus, la sensation de doublement de la force sonore, est plus rapidement atteinte pour les faibles niveaux de pression acoustique. Ainsi, passer de 15 à 20 db provoque une sensation de doublement de la sensation sonore, alors qu'il faut passer de 50 à 60 db pour obtenir cette même sensation. Décibel et Décibel A L'oreille constitue le filtre auditif le plus évolué qui soit. Selon le niveau sonore et la fréquence, le système auditif va pondérer le bruit. En savoir plus???... Le décibel En raison d une très grande dynamique de la variation des pressions sonores audibles (de 20 µpascal à près de 20 Pascal), on utilise préférentiellement le décibel de pression sonore, par lequel on exprime le niveau de pression sonore, calculé comme le rapport de la pression efficace reçue à la pression de référence Po. La compression de la gamme de pression facilite la manipulation des chiffres puisque la nouvelle échelle varie de 0 à 120. Lp = 20 log P eff / P o P eff : moyenne quadratique des pressions instantanées, pendant un intervalle de temps donné P o : pression de référence prise par convention à Pa Il existe également des niveaux d'intensité sonore et des niveaux de puissance sonore : Li = 10 log I/ I o, avec I o = watt/m² Lw = 10 log W/W o avec W o = watt

5 5 Pour représenter cette sensibilité particulière, il est appliqué aux niveaux mesurés par les sonomètres, en décibels, une pondération destinée à simuler le mode de réponse de l'oreille. La pondération A est aujourd'hui généralement utilisée pour les bruits de l'environnement. Les mesures sont alors toutes exprimées, sauf indication contraire, en db(a). En savoir plus???... Le décibel A Les physiologistes Fletcher et Munson ont exploré dans les années 1920, le champ auditif de l'oreille. Ils ont ainsi tracé les courbes d'isosonie. Plus simplement, on décrit un domaine amplitude / fréquence, considéré comme la plage usuelle d'audition de l'oreille, appelé "domaine audio". Il apparaît nettement que la sensibilité de l'oreille n'est pas linéaire pour un même niveau sonore et selon la fréquence émise. Par conséquent, pour représenter cette sensibilité particulière, il est appliqué aux niveaux mesurés par les sonomètres, en décibel, une pondération destinée à simuler le mode de réponse de l'oreille. L'oreille pondère différemment le son en fonction des fréquences

6 6 Une courbe de réponse dite "courbe de pondération" est appliquée au signal électrique reçu par le microphone. Historiquement, il avait été créé plusieurs courbes de pondération, dites A, B et C selon le niveau reçu (respectivement faible, moyen et fort) pour bien représenter la réponse de l'oreille. La courbe D était sensée reproduire la sensibilité pour des bruits d'aéronefs. Représentation des quatre systèmes de pondération En fait, après quelques années d'expérience, il est apparu nécessaire de simplifier la méthode (normalisation) et seule la pondération A est aujourd'hui généralement utilisée pour les bruits de l'environnement. Les mesures sont alors toutes exprimées, sauf information contraire, en db(a).