4. Caractérisation des bruits impulsionnels
4.2. Grandeurs & impact sur les pertes
4.2.4. Kurtosis (temporel) β(t)
4.2.4. Kurtosis (temporel) β(t)
Dès 1986, Erdreich [106], cherchant à mieux caractériser et par conséquent prendre en compte l’impulsivité d’un bruit, propose7 de s’intéresser au kurtosis, un indicateur statistique
basé sur la distribution énergétique du signal. Après analyse des données pour quatre stimuli différents, il conclut que le kurtosis est une grandeur adéquate pour la quantification de l’impulsivité, celle-ci ayant l’avantage de prendre en compte l’influence de tous les pics (au contraire des facteurs crêtes qui se focalisent sur le pic le plus important) et l’émergence par rapport au bruit de fond8. Le rapport entre kurtosis et pertes sera abordé plus tard,
lorsqu’en 1994, Lei et al. [122] mènent une étude sur des chinchillas, les soumettant à des expositions faites à niveau équivalent (Leq = 100 dB SPL) et probabilité d’apparition d’une
impulsion/burst similaires. Les variables sont le kurtosis β(t), le niveau crête (ici corrélé au kurtosis), les types d’évènements (impulsions ou bursts) et le spectre des évènements. Les bandes-son sont soit un bruit gaussien, soit des impulsions ou des bursts superposés à un bruit gaussien, filtrés de telle sorte que les spectres globaux soient quasi-plats. Les PTS, pertes OHC et IHC augmentent alors avec β(t) et le niveau crête (ce que l’on ne retrouve pas pour les TTS, confirmant les différences de mécanismes provoquant des PTS et des TTS). Les auteurs suggèrent une relation entre les pertes moyennes des OHC et β(t) (mais sans
1On peut rapprocher cette proposition de celle de la distribution cumulative de l’amplitude crête présentée par Erlandsson et al. [118] et Svensson [119].
2Cette valeur référence correspond à la valeur obtenue pour un bruit blanc, l’impulsivité d’un signal étant avérée au-delà de celle-ci.
3Différentes sources sonores sont classées par des sujets selon le degré d’impulsivité ressenti. 4 Télétype est une marque déposée de téléimprimeurs.
5Proposition de l’impulsivité issue de la directive européenne 1979 :113/EEC. 6Cité dans Rice [59].
7Cette proposition est issue d’une discussion tenue lors du Workshop on Impulse Noise Hazard de 1978.
8En l’état, l’EEH n’est pas forcément applicable dans des conditions de bruits impulsionnels superposés à des bruits continus (cf. paragraphe 3.2).
proposer une relation similaire entre les pertes moyennes des OHC et le niveau crête). Cette relation n’est d’ailleurs valable que pour un nombre restreint de points et un niveau équivalent unique de 100 dB SPL et ne permet donc pas une généralisation. Une autre campagne de mesures effectuées sur des chinchillas (Hamernik et al. [123]) et proche de celle de Lei et al. [122] va être à l’origine de plusieurs publications. A nouveau, les animaux sont soumis à différents environnements sonores gaussiens ou non-gaussiens (impacts + bruit gaussien), à niveau équivalent (LAeq = 100 dB(A)) et spectres globaux quasi-plats
similaires. Les variables sont alors le kurtosis β(t), le niveau crête (variable pour chaque configuration et empêchant donc toute conclusion quant à l’impact de celui-ci) et le spectre des impulsions (bande plus ou moins étroite). La relation suggérée par Lei et al. [122] ne semble plus fonctionner avec ces nouvelles données et l’impact du spectre des impulsions sur les OHC apparait clairement. A nouveau, plus le kurtosis β(t) est grand, plus les PTS et les pertes OHC sont importantes. Un travail complémentaire (Hamernik et al. [124]) a évalué l’impact de l’intermittence de l’exposition sur les pertes OHC et PTS (kurtosis, énergie équivalente et spectres globaux constants), concluant à une réduction des pertes en situation d’exposition intermittente pour des environnements non-gaussiens ou gaussiens. Ceci suggère donc que le kurtosis n’est pas suffisant, le spectre et la distribution temporelle étant ignorés par cet indicateur... Cette conclusion sera plus tard contredite par Hamernik et al. [125] qui ne trouvent plus d’impact de la structure temporelle (pour des séquences intermittentes et dont l’amplitude varie avec le temps) sur les pertes OH, IHC et PTS. Ils suggèrent alors que le niveau équivalent et le kurtosis sont suffisants pour l’estimation des dommages. Une mise à jour l’EEH en prenant en considération le kurtosis est évoquée. Cette contradiction est étrange et élude complètement la question du spectre... De la même manière, Qiu et al. [126], lors d’une étude de l’impact de la structure temporelle1 et à spectre
global quasi-plat, trouvent qu’à niveau équivalent LAeq = 97 dB(A) SPL et β(t) constants, la
structure temporelle n’a pas d’impact significatif sur les pertes, alors qu’à niveau donné et toutes structures temporelles confondues, plus β(t) est grand, plus les pertes OHC, IHC et les PTS sont importantes. De plus, les résultats montrent que les dommages sont similaires pour exposition continue (5 jours) ou intermittente (19 jours). Les auteurs suggèrent (à nouveau) une prédiction des pertes exclusivement basée sur l’énergie et le kurtosis βt). Est- ce nécessaire ou suffisant ? Toujours en se basant sur le même corpus que dans [39], mais augmenté de plus de valeurs de β(t), Hamernik et al. [127] trouvent que les OHC et les PTS atteignent des niveaux asymptotiques supérieurs pour les bruits impulsionnels que pour le bruit gaussien continu. Le kurtosis, même s’il est corrélé aux PTS, apparait ici insuffisant pour l’estimation des dommages, le spectre et le taux de présentation ayant une influence sur les PTS. Une extension des résultats de [127] par Qiu et al. [128] pour des niveaux équivalents de 90 dB(A) SPL et 110 dB(A) SPL pour des bursts et des impacts confirme la dépendance fréquentielle des pertes, suggère une relation entre pertes OHC et PTS et β(t) (relation pas réellement flagrante sur les courbes de l’article [128]) et valide l’EEH pour un niveau équivalent de 90 dB(A) SPL. Hormis tous ces travaux sur les chinchillas, deux études ont cherché à intégrer le kurtosis dans l’estimation des risques auditifs chez les êtres humains (Goley et al. [129] et Davis et al. [130]). Dans les deux cas, les résultats ne sont pas convaincants, les conclusions n’étant que faiblement argumentées... Une troisième étude chez des travailleurs chinois (Zhao et al. [33]2) suggère une intégration du kurtosis dans le
calcul de l’exposition sonore cumulée, mais l’écart-type trop important des valeurs de kurtosis (écart-type = ±44 ; moyenne = 40) ne permet pas de conclure de manière catégorique quant à l’exploitabilité de l’équation proposée. Malgré tout, cela confirme qu’au- delà d’une correction arbitraire en présence d’un environnement impulsionnel, une méthode permettant de prendre en considération l’impulsivité (et peut-être d’autres grandeurs) en fonction de l’exposition pourrait être la solution la plus adaptée pour l’estimation et la prévention des risques.
1 Les paramètres variables sont les intervalles inter-impulsions, la durée des impulsions et les niveaux crêtes. Chaque structure contient une distribution donnée de toutes ces variables. Il ne s’agit donc pas d’étude indépendante de l’influence des intervalles, de la durée ou de niveaux crêtes.
D’un point de vue purement lié à l’identification de l’impulsivité, Bucci & Vipperman [131] ont travaillé sur le développement d’un algorithme de détection des impulsions via des réseaux de neurones. Dans ce contexte militaire, trois types de bruits ont été retenus : bruits impulsionnels (de type militaire) (Lcrête de 80 dB à 138 dB), bruits de vent et bruits d’avion. En
considérant les 4 grandeurs suivantes, kurtosis, facteur crête, enveloppe spectrale (BF – 2,5- 100 Hz) et facteur d’erreur pondérée (weighted square error), les bruits impulsionnels sont détectés dans 100 % des cas, avec un taux d’erreur de 0 % (aucune détection erronée). S’il est vrai que l’on se trouve face à un outil de détection militaire dédié à l’identification de bruits impulsionnels dans un environnement sonore donné, cela met tout de même en avant qu’une combinaison de grandeurs temporelles et fréquentielles peut permettre de caractériser l’impulsivité. De plus, d’un point de vue purement pratique, le kurtosis permettant déjà à lui seul une identification dans environ 90 % des cas, cela confirme la pertinence de ce descripteur.
Si tous les travaux liés au kurtosis confirment l’invalidité de l’EEH pour les bruits impulsionnels (à une exception près), ils suggèrent surtout que, même si les conclusions quant au statut du kurtosis en tant qu’indicateur “idéal”1 ne sont pas toujours vérifiées, ce
descripteur apparait comme étant actuellement le plus intéressant, mais non suffisant, pour quantifier et prendre en compte l’impulsivité des bruits impulsionnels, afin de mieux prédire leur nocivité.
4.2.5. Temps de montée
Le fait que le réflexe stapédien nécessite un temps de latence minimum pour se mettre en place, et donc pour jouer son rôle protecteur (cf. paragraphe 4.1), suggère que la rapidité avec laquelle l’énergie d’un stimulus augmente impacte les dommages au niveau de l’oreille. Ainsi, comme Cavé [41] l’indique, la nocivité d’un bruit augmente avec la rapidité avec laquelle il atteint un niveau élevé. Comme précisé au paragraphe 3.2, même si le temps de montée est régulièrement cité (Mattei [53], Damongeot [56]), il existe peu de données concernant ce paramètre. Counter et al. [114] suggèrent tout de même qu’il existe, chez les lapins, un temps de montée critique (supérieur à 1 ms2) au-delà duquel les PTS seraient
moindres.
Cette grandeur semble pertinente en ce qu’elle est directement liée à l’un des mécanismes de protection de l’oreille moyenne. De plus, dans le cas d’exposition à des agents chimiques, les seuils de déclenchement de ce mécanisme peuvent être altérés (Campo et al. [132]). Enfin, l’efficacité des mécanismes de protection dépend également de la distribution temporelle des impulsions (cf. paragraphe 4.2.10).
4.2.6. Durée de l’impulsion
Concernant l’EEH, Coles & Rice [97] estiment que la durée de l’impulsion influencerait le seuil de validité de celle-ci. Cette durée (de quelques dizaines de μs à plusieurs centaines de ms) apparait d’ailleurs souvent dans la littérature (Damongeot [56], Henderson & Hamernik [11], Hamernik & Hsueh [49], Smoorenburg [7]). Henderson & Hamernik [44] rappellent que le spectre et la durée de l’impulsion sont liés, et donc qu’il est souvent difficile de distinguer clairement l’impact de chacun. Certains auteurs, affirmant que plus la durée est importante, moins les TTS sont grands, semblent ne pas tenir compte de cette corrélation
1 Du fait que ces travaux se focalisent sur le kurtosis pour la prise en considération de l’impulsivité, ils ignorent systématiquement d’autres paramètres peut-être tout aussi pertinents.
possible. Par exemple, Dancer et al. [69] affirment qu’à niveau crête constant (environ 3000 Pa - 163 dB - chez les cochons d’Inde), une augmentation de la durée des impulsions peut impliquer une réduction des TTS longue durée (après une semaine) (spécialement vrai pour les hautes fréquences). Or, avec l’augmentation de la durée, il y a une augmentation de l’énergie dans les basses fréquences, tout en conservant l’énergie haute-fréquence (Smoorenburg [7], Dancer et al. [69]). On se retrouve face à une réduction des pertes pouvant être liée à deux paramètres : la durée et le spectre. Vraisemblablement, si le spectre avait été constant, les pertes auraient augmenté avec la durée (et donc avec l’énergie). Il semble donc que ce soit plus la moindre dangerosité des basses-fréquences qui soit impliquée, qu’un impact “positif” d’une augmentation de la durée. Cet aspect protecteur est d’ailleurs suggéré par Smoorenburg [7], pour expliquer la réduction des TTS,2min avec
l’augmentation de la durée des impulsions, concluant qu’aucune courbe de correction ne permet de prendre en considération le rapport entre la durée de l’impulsion et les TTS (chez l’homme). Confirmant cette hypothèse, Yamamura et al. [133] trouvent qu’à énergie égale et spectres similaires, chez l’homme, les TTS,2min sont corrélés à la durée (exposition à des
impulsions de 100 dB ou 105 dB ; durée B : 10 ms, 50 ms ou 100 ms ; mesures des TTS<20 dB). Ces conclusions sont en accord avec les résultats de Loeb & Fletcher [134] qui trouvent une bonne relation entre le logarithme du nombre d’impulsions nécessaire pour atteindre un TTS,2min > 30 dB et la durée des impulsions (34/58/72/96 μs (durée A))
(expérience effectuée en laboratoire avec des êtres humains : LAeq = 71,4 dB(A) ; Lcrête =
166 dB ; taux de présentation de 1/s). Par contre, la zone fréquentielle affectée par un
TTS,2min maximum est indépendante (11 kHz-16 kHz) de la durée des impulsions. Le spectre
étant corrélé à la durée, cela pourrait suggérer une indépendance des TTS,2min par rapport
au spectre du stimulus. Mais d’un autre côté, le contenu haute-fréquence étant moins affecté par la durée de l’impulsion, cette hypothèse est également questionnable.
La durée d’une impulsion étant corrélée à son spectre (plus l’impulsion est courte, plus le contenu basse-fréquence va être réduit) et à son énergie (plus l’impulsion est longue, plus son énergie sera importante), l’effet de la durée sur les dommages est donc complexe. De plus, la mesure de la durée d’une impulsion est compliquée, a fortiori en situation réelle, et ce sans même considérer le fait que plusieurs durées A, B, C et D puissent être appliquées (cf. glossaire). D’un point de vue purement pratique, cette grandeur semble difficilement intégrable à une méthode d’estimation de la nocivité des bruits impulsionnels.
4.2.7. Spectre
Kryter et al. [45] ont émis l’hypothèse selon laquelle pour une valeur de TTS donnée, le risque est toujours identique. Ceci sous-entend une indépendance des dommages par rapport au spectre. Or, par exemple, chez les chinchillas, cette hypothèse ne se vérifie pas pour différentes fréquences ni pour des bruits continus, ni pour des bruits impulsionnels, la sensibilité de l’oreille étant dépendante de la fréquence (Henderson & Hamernik [46], Patterson et al. [135]). Même s’il est vrai que les maximums de pertes apparaissent généralement autour de 4 kHz et 6 kHz et ce, indépendamment du spectre du stimulus, l’impact du spectre des bruits impulsionnels sur les pertes a été questionné dans certains articles (Henderson & Hamernik [44], Hamernik & Hsueh [49], Patterson [136]). Via une étude sur les chinchillas, Hamernik et al. [137] concluent à l’influence du spectre sur les PTS. Plus spécifiquement, Price [138] suggère une relation entre la fréquence et des niveaux crêtes critiques au-delà desquels les TTS augmentent plus rapidement qu’en-deçà (il suggère un impact des fonctions de transfert de l’oreille externe et de l’oreille moyenne – le passage d’un phénomène métabolique à un phénomène mécanique - en se basant sur des résultats issus de travaux sur des chats). Ce questionnement quant à l’impact du contenu fréquentiel se retrouve d’ailleurs 2 ans plus tard dans une autre publication de Price [70] sur des chats, lorsqu’il trouve des PTS apparaissant à partir 140 dB pour des expositions à des bruits de fusils et à partir de 155 dB des bruits de canons. Lors d’une étude exploratoire chez
l’homme, Laroche et al. [139] ont trouvé une influence du contenu spectral (0,3-1 kHz ; 0,3- 2 kHz ; 0,3-4 kHz) sur les ATS, les impulsions les plus basses fréquences (contenu au- dessous de 1 kHz) étant les moins susceptibles de créer des ATS. A niveau crête similaire, les pertes variant avec le contenu spectral, Patterson et al. [135] suggèrent de substituer la pondération A par une pondération empirique P, afin de mieux prendre en compte le comportement de l’oreille (et au passage de ne pas surestimer les pertes dans les basses- fréquences) (ces travaux ont été effectués sur des chinchillas). Cette courbe P se trouve d’ailleurs être en accord avec une courbe proposée par Rosowski et basée sur un modèle d’oreille. On note que Smoorenburg [7] questionne la contribution des fréquences non audibles à l’énergie totale, alors que leur impact n’est pas nécessairement connu.
Ces travaux, ainsi que certaines conclusions évoquées dans le paragraphe dédié au kurtosis (cf. paragraphe 4.2.4), confirment l’impact du spectre des impulsions sur les dommages, conséquence directe des propriétés de l’oreille.
4.2.8. Forme
La forme de l’impulsion est également parfois citée (Damongeot [56]). Henderson et al. [140]1 trouvent des TTS différents pour des expositions à deux impulsions de formes
différentes (niveau crête de 155 dB SPL - étude sur des chinchillas). De la même manière, si une onde réfléchie est présente, les pertes sont affectées. L’importance de la forme sur les niveaux crêtes critiques chez les chinchillas est également rapportée par Henderson et al. [48] (différence de niveaux crêtes critiques au-delà desquels les PTS s’aggravent de manière plus conséquente pour les bruits d’impact ou les impulsions).
L’impact de la microstructure de l’impulsion a été assez peu évoqué et celle-ci ne semble pas nécessairement pertinente dans une perspective de généralisation de la définition d’un bruit impulsionnel à des fins d’estimation des dommages. De plus, on peut supposer que cette microstructure peut être corrélée à la durée, au spectre et/ou au temps de montée. On considèrera par contre la forme de l’impulsion lorsqu’il s’agira d’étudier l’influence du port de protecteurs auditifs sur l’exposition effective de l’oreille (cf. chapitre 6).
4.2.9. Nombre d’impulsions
L’impact du nombre d’impulsions (Damongeot [56], Henderson & Hamernik [44], Pekkarinen [112]2) n’est pas clair et demanderait à être approfondi. Lors d’une expérience sur des
singes, Jordan et al. [141]3 ne trouvent pas de corrélation entre nombre d’impulsions (2 à 32)
et les pertes auditives. Au contraire, Patterson [136] trouve (à niveau équivalent) une relation entre nombre d’impulsions (il considère en fait la durée totale d’exposition aux impulsions) et PTS chez les chinchillas. Concernant les TTS,2min, Smoorenburg [7] trouve chez l’homme
une indépendance des TTS par rapport au nombre de blasts (de 6 à 50). Or, d’après Henderson & Hamernik [44], le taux d’accumulation des pertes auditives dépend de plusieurs facteurs acoustiques et physiologiques. Par exemple, s’il y a un dommage mécanique de la cochlée après une impulsion de fort niveau, l’impact des impulsions suivantes sera moindre : la relation entre le nombre et les pertes est donc complexe. Henderson & Hamernik [44] indiquent d’ailleurs en 1986 qu’il n’existe pas assez de données pour établir une relation entre nombre d’impulsions et pertes auditives. Si l’on considère les résultats de Patterson et al. [99] et Chan et al. [98], il apparait que quatre critères
1Cités dans Hamernik et al. [47]. 2Cité dans Starck et al. [32]. 3Cité dans Dieroff [9].
internationaux1 utilisés pour l’estimation des risques dus à une exposition à des bruits
impulsionnels surestiment l’impact du nombre d’impulsions et proposent respectivement un rapport de 2-3 dB ou 3,44 dB par décuplement du nombre (par comparaison aux 5 dB ou 10 dB proposés par les critères utilisés dans les différents pays). Même si ces deux études ont été effectuées sous protecteurs auditifs, elles confirment qu’aucun rapport simple entre pertes et nombre d’impulsions n’est établi, et qu’il est donc difficile de se contenter d’une simple correspondance énergétique.
Etant donné l’incertitude entourant l’impact du nombre d’impulsions, ce paramètre apparait aujourd’hui difficilement intégrable dans la description de la relation entre les propriétés d’un environnement impulsionnel et la nocivité associée. Il serait nécessaire d’approfondir cet aspect, en n’omettant pas les interactions possibles avec d’autres paramètres. De plus, l’impact de chaque impulsion dépend également de l’environnement sonore global (distribution temporelle, temps de récupération, etc.).