TPE: Les dangers du son Thème : Science de la mesure

TPE: Les dangers du son Thème : Science de la mesure Théophile Cailliau, Mohamed Zidani et Elies Wahbi 1

Sommaire Introduction I La mesure du son 1.1 Définitions et Caractéristiques II Les dangers du son 2.1 La nature du danger sonore 2.2 Conséquence possibles III Les protections auditives 3.1 Les différentes protections 3.2 Lequel choisir? IV Comparaison des moyens de protection pour une usage personnel 4.1 Étude de l'atténuation sonore 4.1.1 Protocole expérimental 4.1.2 Le matériel utilisé pour notre expérience 4.1.3 Résultats 4.2 Étude de la conservation de la qualité du son 4.2.1 Protocole expérimental 4.2.2 Matériel supplémentaire nécessaire 4.2.3 Résultats 4.3 - Conclusion de la comparaison Conclusion Sources 2

Introduction L ouïe est fait partie des cinq sens de l humain, ayant pour seule fonction de recevoir des ondes sonores. Ces ondes peuvent être aussi bien inoffensives que destructrices, et sont omniprésentes au quotidien. Pour cette raison, les Hommes ont voulu les comprendre au mieux et ainsi les mesurer, afin de se protéger et protéger leur environnement. Nous avons donc voulu en savoir plus: comment peut on mesurer les dangers du son, et quels sont les moyens de prévention? I La mesure du son 1.1 - Définitions et Caractéristiques Le son est défini par deux caractéristiques: La fréquence, le nombre de périodes T (en seconde) du signal en une seconde. 1 Elle est exprimée en Hertz (Hz). Elle est définie par la relation f = T L'amplitude, la différence entre la pression acoustique du son et la pression acoustique de référence. Elle est exprimée en Pascals (Pa). Pression atmosphérique (Pa) T A t (s) Schéma d'une onde sonore (amplitude en fonction du temps) 3

Le son comporte trois caractéristiques audibles: la hauteur, le volume et le timbre: La hauteur est définie par la fréquence de l'onde sonore, mesurée en Hertz (Hz). Le volume, appelé le niveau d'intensité sonore, est mesuré en décibels (db). Le timbre n'est pas une grandeur physique et permet de distinguer les différentes sources (distinction entre instrument/voix/bruit). Le timbre change en fonction des harmoniques présentes dans un son, mais ne dépend que de celles-ci. Représentation simplifiée du spectre fréquentiel d'un son Lorsque l'on décompose une onde sonore, la note fondamentale est la fréquence dominante. C'est la note que l'on entend. Les autres fréquences sont appelées harmoniques, et sont toujours des multiples entiers de la note fondamentale. Dans l'air, le son est une variation de pression. L'amplitude de la variation (c'est à dire la valeur maximale de l'onde) est toujours plus faible que celle de la pression atmosphérique. Le son doit être assez rapide et répété pour être perceptible par un être humain. Les humains peuvent percevoir une gamme de sons bien précise: entre 20 Hz et 20 khz (ces limites varient en fonction de la bonne santé des oreilles). Les ultrasons, dont la fréquence est supérieure à 20 khz, ne sont perçus que par certains animaux, tels que les rongeurs ou les chauves-souris afin de communiquer, et les infrasons, dont la fréquence est inférieure à 20 Hz, eux, sont utilisés pour l'étude de certains phénomènes sismiques, nucléaires, ou même atmosphériques, ou bien dans les imageries médicales par l'échographie. Catégories de sons 4

II Les dangers du son 2.1 - La nature du danger sonore Le son, bien que d'apparence inoffensive, peut endommager, et même détruire le système auditif humain, voire même tuer les personnes exposées à des sons dont le volume est trop fort, ou la fréquence trop haute. Les dangers du son peuvent provenir de différentes sources : des outils de travail dans le milieu du bâtiment (Perceuse, Marteau piqueur par exemple), de la circulation dans les milieux urbains, ou bien une salle de classe agitée. À partir de 80 db, une exposition trop longue peut endommager le système auditif. Au delà de 90 db, les effets sur l'audition deviennent irréversibles: plus le son est fort moins il faut de temps d'exposition pour provoquer des lésions. Au delà de 115 db, un simple son à ce niveau provoque immédiatement des dommages irréversibles pour l'oreille, indépendamment du temps d'exposition. À 200 db, l'exposition est mortelle. 2.2 - Conséquence possibles Ces expositions trop longues à des sons d'intensité trop fortes peuvent provoquer: Réduction de la sensibilité de l'oreille (surdité partielle) Surdité totale Gênes irréversibles (acouphènes, ) III Les protections auditives 3.1 - Les différentes protections Sur le marché, il existe plusieurs types de protections, allant de simples bouchons en plastique à des casques très sophistiqués. Le prix de ces protections s'étend de quelques euros à plusieurs centaines. Chaque type de protection possède ses caractéristiques propres. En effet, certaines protections sont spécialisées dans une bonne restitution de la qualité sonore (pour les musiciens par exemple) et d'autres dans l'atténuation totale des bruits indésirables (pour les ouvriers de chantiers ou les pilotes de courses). L'utilisateur choisira donc sa protection en fonction de son activité ou bien de son exposition à des bruits forts. 5

Casque de protection antibruit, à 840 Les prix des bouchons peuvent aller de 3 à 200, et fonctionnent dans un panel de réduction allant de 20 db à 40 db. Les bouchons d'oreilles, existent sous plusieurs formes : avec arceau, perforés (pour être réutilisés) ou bien des bouchons à façonner à utilisation unique. Il existe aussi différentes matières (Caoutchouc, Silicone ). Il existe aussi des bouchons sur mesure, réalisés à partir d'empreinte d'oreille, ils coûtent généralement entre 130 et 180 et sont faits en silicone. La particularité de ces bouchons est qu'ils sont à 100% faits pour l'utilisateur, et qu'ils possèdent des filtres acoustiques qui permettent un niveau adapté à l'utilisateur et son exposition sonore. Les casques eux, peuvent être proposés au même prix pour le même panel de réduction sonore. Les plus chers permettent une connexion Bluetooth afin de le connecter à un talkie walkie par exemple. Ils permettent aussi d'amplifier les bruits à basse fréquence tout en atténuant les hautes fréquences, pour entendre les personnes environnantes tout en se protégeant des dangers sonores. Cela est appelé Modulation Sonore. Certains bouchons permettent la modulation sonore, notamment de la marque 3M : 3M Peltor LEP-100 6

3.2 - Lequel choisir? Le choix de moyens de protection dépend de l'usage auquel il doit être destiné. En effet, un musicien choisira plutôt des bouchons d'oreille. De même, pour un concert, des bouchons seront plus adaptés, de par leur taille et leur prix. En revanche, un travailleur dans le bâtiment utilisera plutôt un casque antibruit, ou des bouchons qui permettent la modulation sonore. IV Comparaison des moyens de protection pour un usage personnel Nous avons choisi de comparer des boules Quies (bouchons en cire), et des bouchons 3M, pour un usage personnel (concert,...) plutôt que professionnel (chantier,...) 4.1 - Étude de l'atténuation sonore Nous avons tout d'abord cherché à savoir quel bouchon était le meilleur en terme d'atténuation du volume sonore. Pour les deux expériences, les sons utilisés pour les mesures sont des notes de flûte enregistrées. Il y a quatre notes, definies par les frequences fondamentales suivantes: La 3 Si 3 La 4 Si 4 440 Hz 494 Hz 880 Hz 988 Hz 4.1.1 - Protocole expérimental Pour arriver à mesurer les niveaux d'atténuation de chacun des moyens de protections, nous avons mesuré la différence de volume entre un son enregistré sans bouchon et un son enregistré avec. Nous avons procédé comme sur le schéma ci-dessous. Schéma de l'expérience 7

4.1.2 - Le matériel utilisé pour notre expérience Des boules de cire de marque Quies, qui se trouvent facilement dans le commerce (3 à 5 ) Des bouchons d'oreilles, de marque 3M, jetables, qui se vendent par lot de 200 bouchons dans les commerces, pour 20. Un sonomètre, trouvable dans des boutiques spécialisées dans la mesure et qui coûte entre 30 pour les simples, à des milliers d'euros pour des versions plus Un entonnoir, qui se trouve n'importe où et professionnelles à n'importe quel prix 8

4.1.3 Résultats Intensités relevées La 3 Si 3 La 4 Si 4 Moyenne Sans bouchon 91,4dB 97,2dB 109,2dB 105,5dB 100dB Boules Quies 78,8dB 82,7dB 87,5dB 89,6dB 84dB Bouchons 3M 70,8dB 78,4dB 87,3dB 78,8dB 78dB Afin d'avoir une meilleure idée des différences, nous avons calculé les écarts par rapport aux mesures sans bouchon. Atténuation calculée (en décibels) La 3 Si 3 La 4 Si 4 Moyenne Sans bouchon 0dB 0dB 0dB 0dB 0dB Boules Quies 12,6dB 14,5dB 21,7dB 15,9dB 16,2dB Bouchons 3M 20,6dB 18,8dB 21,9dB 26,7dB 22dB 4.1.4 - Analyse des résultats Comme l'indiquent les résultats, les bouchons 3M atténuent en moyenne plus que les boules Quies: les bouchons atténuent environ 22dB, alors que les boules Quies atténuent environ 16,2dB. En revanche, ayant remarqué que les deux moyens de protection atténuaient plus pour les notes aigües, nous avons voulu voir lequel des deux atténuait le plus uniformément. On a donc calculé l'écart type des valeurs relevées Écart type pour les boules Quies Écart type pour les bouchons 3M 4,85 6,74 Nous pouvons donc voir que malgré le fait que les boules Quies atténuent moins, elles atténuent le son plus uniformément 9

4.2 Étude de la conservation de la qualité du son 4.2.1 - Protocole expérimental En admettant que la qualité du son n'est conservée que si les harmoniques d'un son le sont, nous avons décidé d'analyser les sons en les enregistrant, puis en mesurant l'effet sur le nombre d'harmoniques. Le protocole expérimental est le suivant : Schéma de l'expérience Ensuite, pour chaque son enregistré, nous avons crée avec Audacity le spectre fréquentiel pour faire apparaître la note fondamentale et les harmoniques. 4.2.2 - Matériel supplémentaire nécessaire Un microphone, disponible dans toutes les grandes surfaces 10

4.2.3 Résultats Pour chaque note, nous avons effectué trois spectres fréquentiels: Un sans moyen de protection Un avec une boule Quies Un avec un bouchon 3M Par exemple, pour le La 4 : Sans bouchon Ici, il y a quatre harmoniques présentes, apres la note fondamentale Boules Quies Bouchons 3M Les deux bouchons conservent deux harmoniques 11

On a, à chaque fois relevé le nombre d'harmoniques les plus audibles. On obtient le tableau suivant: Nombre d'harmoniques conservées (sans la note fondamentale) La 3 Sans bouchon 4 Boules Quies 3 Bouchons 3M 1 Si 3 4 4 4 La 4 4 2 2 Si 4 5 3 1 Encore une fois, nous avons choisi de calculer les pertes: Nombre d'harmoniques perdues (sans la note fondamentale) La 3 Sans bouchon 0 Boules Quies 1 Bouchons 3M 3 Si 3 0 0 0 La 4 0 2 2 Si 4 0 2 4 Moyenne 0 1,25 2,25 4.2.4 - Analyse des résultats Comme l'indiquent les deux tableaux, ce sont les bouchons 3M qui conservent le moins d'harmoniques. Cela montre qu'en terme de conservation de la qualité du son, les boules Quies sont meilleures. 4.3 Conclusion de la comparaison Pour un usage personnel, tel que l'écoute d'un concert, le choix dépend des priorités accordées aux deux paramètres étudiés, c'est-à-dire, cela dépend si l'utilisateur préfère conserver la qualité au détriment de l'atténuation sonore, ou inversement. D'après les résultats analysés, nous pouvons donc dire que: Les bouchons 3M permettent une meilleure atténuation globale Les boules Quies atténuent moins le son, mais le font plus uniformément Les boules Quies conservent mieux la qualité du son, et donc restituent plus fidèlement le timbre Conclusion Nous pouvons désormais répondre à la problématique "Comment peut on mesurer les dangers du son, et quels sont les moyens de prévention?". Tout d'abord, les dangers du son sont, comme vu dans la deuxième partie, mesurable en fonction de la durée d'exposition et du volume sonore. Les moyens de prévention sont présents en grandes quantités et en grandes variétés, et à chaque situation et usage correspond un produit. Par exemple, lors de l'écoute d'un concert, plusieurs solutions existent en fonction des besoins individuels, comme vu dans la comparaison faite en quatrième partie. 12

Sources https://image.freepik.com/icone-gratis/diffusore-audio-con-le-onde-sonore-in-unoschema-circolare_318-35093.jpg Logo haut parleur http://www.maxicours.com/img/2/0/0/1/200145.gif Schema spectre d une note http://www.officeeasy.fr/media/catalog/product/cache/1/image/409x/ 9df78eab33525d08d6e5fb8d27136e95/c/a/casque-litecom-pro-ii-atex-at.jpg Casque a 840 euros http://www.officeeasy.fr/media/catalog/product/cache/1/image/409x/ 9df78eab33525d08d6e5fb8d27136e95/i/d/idlep100_01_1.jpg Bouchons Modulation sonore https://images-eu.ssl-imagesamazon.com/images/i/41xbykmszwl.ac_ul246_sr190,246.jpg Boules Quies http://www.hellopro.fr/images/produit-2/9/4/4/bouchons-d-oreilles-3m-1100-snr-37db200-paires-2887449.jpg Bouchons 3M https://liendirect.files.wordpress.com/2015/04/entonnoir.jpg Entonnoir http://www.mesa24.pl/galerie/d/decybelomierz-sl-50_3051.jpg Sonometre http://www.sonolens.fr/3722-thickbox/contest-mic-desk.jpg Microphone Toutes les images sans liens ont été faites par nous 13