NIVEAUX SONORES (1/2)

(1)

Chapitre 2

L'acoustique physiologique, le décibel

LE DECIBEL (1/2)

Alexandre Graham Bell

(1847-1922, inventeur américain d'origine anglaise) http://fr.wikipedia.org/wiki/Alexandre_Graham_Bell

L'unité retenue pour le niveau sonoreest le décibel (dB), sous multiple du bel, ainsi nommé en l'honneur du physicien Alexandre Graham Bell. Cette unité présente l'avantage de bien se calquer sur la sensibilité différentielle de l'ouïe, puisqu'un écart de 1 décibel entre deux niveaux de bruit correspond sensiblement à la plus petite différence de niveau sonore décelable par l'oreille humaine.

( )

s 10II log 10

L= Is=10⁻¹²W.m⁻²

9 La sensibilité de l'oreille humaine dépend de la fréquence

9 La sensation auditive évolue comme le logarithme de l'intensité acoustiqueI de l'onde

avec

1 Hz 20 Hz 1 kHz 2 kHz 20 kHz

Seuil de perception

Limite supérieure de perception, seuil de douleur

0 20 40 60 80 100 120 140 dB

fréquence Zone conversationnelle

Champ auditif

I N F R A S O N S U L T R A S O N S

NIVEAUX SONORES (1/2)

( )

s 10II log 10

L= Is=10⁻¹²W.m⁻²

(

rms s

)

10 p p

log 20

L= ^ps= ρ0^c0^Is= ⁴⁰⁰⋅¹⁰−¹²=²⋅¹⁰−⁵^Pa

( )

r 0

pr= vr( )rr=0r ρ

( )

rr=0 9 La sensibilité de l'oreille humaine

dépend de la fréquence

9 La sensation auditive évolue comme le logarithme de l'intensité acoustiqueI de l'onde

avec

2

prms

I∝

temps (s) P

_tot

P

_E

p

T

moyennes temporelles sur une période T acoustique :

[

( )

]

__

[

( )

]

⌡

= ⌠

+

∞ −

→ 2 T

2 T

2 pr;t dt

T lim1 t

; r

pr r

( )

[

( )

]

²

s m

r r pr;t

p r = r

( )

[

prr;t

]

²≠

[

p( )rr;t

]

²

avec

rr

∀

1 Hz 20 Hz 1 kHz 2 kHz 20 kHz

Seuil de perception

Limite supérieure de perception, seuil de douleur

0 20 40 60 80 100 120 140 dB

fréquence Zone conversationnelle

Champ auditif

I N F R A S O N S U L T R A S O N S

NIVEAUX SONORES (2/2)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0

L₂-L₁(dB) L_res-L₁(dB)

z

Niveau sonore résultant de deux sources décorrélées

(

^L ¹⁰ ^L ¹⁰

)

10 s

2 1 10 es

r 10log 10 ¹ 10 ²

I I log I 10

L = +









=  +

(

res 1

)

1 es

r L L L

L = − + avec Lres−L1=10log10

(

1+10(^L²⁻^L¹)¹⁰

) LE DECIBEL

seuil d'audibilité seuil de la douleur Niveau de pression acoustique dB

Pression acoustique µPa

0 10 20 30 40 50 60 80 90 100 110 120 130

70 100 000 000

10 000 000

1 000 000

100 000

10 000

1 000

100 20

bruit 140

décollage (distance : 100 m)

trafic routier marteau-piqueur

bureau conversation

poids lourd

bibliothèque

chambre à coucher orchestre pop réacteur (distance : 25 m)

montagne salon

seuil d'audibilité seuil de la douleur Niveau de pression acoustique dB

0 10 20 30 40 50 60 80 90 100 110 120 130

70 100 000 000

10 000 000

1 000 000

100 000

10 000

1 000

100 20

bruit 140

Niveau de pression acoustique dB

0 10 20 30 40 50 60 80 90 100 110 120 130

70 100 000 000

10 000 000

1 000 000

100 000

10 000

1 000

100 20

bruit 140

0 10 20 30 40 50 60 80 90 100 110 120 130

70

0 10 20 30 40 50 60 80 90 100 110 120 130

70 100 000 000

10 000 000

1 000 000

100 000

10 000

1 000

100 20 100 000 000

10 000 000

1 000 000

100 000

10 000

1 000

100 20

bruit bruit bruit bruit

140

décollage (distance : 100 m)

trafic routier marteau-piqueur

bureau conversation

poids lourd

bibliothèque

chambre à coucher orchestre pop réacteur (distance : 25 m)

montagne salon

Pa dB

0,00002 0,0002 0,002 0,02 0,2 2 20 200

0 20 40 60 80 100 120 140

+ = 2 X

40 dB et 40 dB = 43 dB

+ =

40 dB et 140 dB = 140 dB

COURBES ISONIQUES

seuil d'audibilité

seuil de douleur

Exemple : Un son de 70 phones provoque la même sensation auditive qu'un son de fréquence 1000 Hz dont le niveau physique est de 70 dB

sonie: intensité subjectived'un son ; unité: le phone

(2)

COURBES DE PONDERATION : dB(A)

sons aigus et graves moins bien perçus

STRUCTURE DE L'OREILLE

Oreille externe Oreille moyenne Oreille interne pavillon

marteau

os temporal

tympan étrier enclume

canaux semi-circulaires

fenêtre ronde

cochlée (limaçon)

trompe d'Eustache

nerf auditif fenêtre ovale

conduit auditif externe lobe temporal du cerveau

CHAINE DES OSSELETS LE TYMPAN

D’après Robier

Transfert des pressions acoustiques (ondes sonores) du milieu aérien aux fluides et aux structures de l'oreille interne (cochlée)

tympan

osselets

platine de l'étrier pivot

tympan

marteau étrier

enclume

"grand" déplacement (gaz compressible) force moins "grande" et S plus grande

==> pression plus petite

"petit" déplacement (liquide peu compressible) force plus "élevée" et S plus petite

==> pression plus grande

Transfert des pressions acoustiques (ondes sonores) du milieu aérien aux fluides et aux structures de l'oreille interne (cochlée)

http://www.iurc.montp.inserm.fr/cric51/audition/fran%E7ais/ear/fear.htm Texte et images extraits du site pédagogique "Promenade autour de la cochlée"

(http://www.cochlee.info) par R Pujol et al., Université Montpellier 1 et INSERM Les vibrations sont transmises par le tympan et la chaîne des osselets. L'étrier, plaqué sur la fenêtre ovale transfère la vibration au compartiment périlymphatique de la rampe vestibulaire et aux structures de l'oreille interne. En fonction de sa fréquence, la vibration a un effet maximal en un point différent de la membrane basilaire : c'est la tonotopie passive.

un son de fréquence élevée affecte une portion basale de la cochlée

un son de fréquence grave affecte une portion plus apicale de la cochlée

(3)

FONCTIONNEMENT SCHEMATIQUE DU TYMPAN

oreille

nez tympan

équilibre des pressions

COCHLEE - ORGANE DE CORTI - CELLULES CILIEES

http://ile-de-france.sante.gouv.fr/santenv/bruit/notions/celcil.htm http://ile-de-france.sante.gouv.fr/santenv/bruit/notions/corti.htm cellules saines cellules endommagées

LES CELLULES CILIEES AUDIOGRAMMES

normal

baisse à 4000 Hz

baisse atteint 2000 Hz surdité importante et irréversible

TROP DE SILENCE ?

• Danger

– au travail (port du casque) – dans la rue (véhicules silencieux)

• Privation de l'information sonore – bruit du moteur

– fonctionnement d'une machine – manque d'agrément (le bon bruit !)

• Inconfort

– transports en commun (rames de TGV) – bureaux paysagés

NIVEAUX SONORES - GENE SONORE

Les sons audibles se situent entre 0 dB (seuil d'audition) et 140 dB . Le seuil de la douleur se situe aux alentours de 120 dB . La gêne, notion subjective, est ressentie de manière très variable d'un individu à l'autre.

En conséquence, aucune échelle de niveau sonore objective, si élaborée soit-elle, ne peut donner une indication absolue de la gêne occasionnée.

http://www.acnusa.fr/bruit_et_mesure/bruit_et_mes_echelle.asp

(4)

TRANSPORTS TERRESTRES

100

Nord Pas-de-Calais

Picardie Lorraine

Champagne Ardenne

Alsace Haute

Normandie

Basse Normandie Bretagne

Pays-de-Loire Centre Poitou Charentes

Ile de-France

Bourgogne Franche Comté

Rhône-Alpes Auvergne Limousin

Aquitaine

Midi-Pyrénées

Languedoc Roussillon

Provence Alpes Côte d'Azur

Leq

≥

70 dB(A) entre 8 h -20 h Exposition des populations au bruit :

nombre de points noirs routiers

Extrait de la Banque de données informatisée du LRPC Strasbourg (bilan 1998)

CARTES DE BRUIT (PARIS)

16ème arrondissement

1er arrondissement

www.paris.fr/FR/Environnement/bruit/carto_bruit/default.ASP

PLAN DE GENE SONORE (PGS)

document prévu par la loi 92-1444 du 31 décembre 1992 (Article 19) permettant de définir les zones dans lesquelles les riverains peuvent prétendre à l'aide à l'insonorisation

PLAN DE GENE SONORE (PGS)

Roissy CDG (1999)

http://www.adp.fr/labo/web/surenv/bruit/index.html

PLAN D'EXPOSITION AU BRUIT (PEB)

document prévu par la loi 85-696 du 11 juillet 1985 qui réglemente l'urbanisme au voisinage des aéroports de façon à ne pas exposer de nouvelles populations aux nuisances de bruit. Des mesures spécifiques permettent de prendre en compte les spécificités du contexte pré- existant.

principe de précaution

PLAN D'EXPOSITION AU BRUIT (PEB)

Orly Orly

http://www.adp.fr/labo/web/surenv/bruit/index.html

(5)

PEB - PGS : FUSION ?

Un groupe de travail interministériel s’est penché sur la question du rapprochement entre les procédures relatives aux plans d’exposition au bruit et aux plans de gêne sonore. Un rapport rendu public en décembre 2007 pèse les avantages et inconvénients propres à une fusion totale des deux zonages et fait des propositions.

Rapport du groupe de travail « Rapprochement des procédures PEB et PGS » - Rapport n°004577-01 - juin 2007 (format pdf - 784,9 Ko) - Auteurs : Gilles Rouques (CGPC) et Annick Helias (IGE)

http://publications.ecologie.gouv.fr/publications/IMG/pdf/Rapport_GT_Rapprochement_PE B_et_PGS.pdf

EXEMPLE DE SOLUTION : LA GESTION DU TRAFIC

• nombre maximum des mouvements d'avions (ORLY : 200.000 par an)

• limitation des horaires (ORLY : 7 h à 23 h)

• choix des couloirs aériens

• optimisation des trajectoires de décollage

ou

Perception et acoustique des salles (1/10)

z Les sons

- visuellement - auditivement 3le bruit (gêne, fonction d'alerte)

3la parole (intelligibilité) 3la musique (esthétique)

organisation des sons

• temporelle (rythme, mélodie)

• spatiale (remplir l'espace) espace perçu

3spectre 3intensité 3durée

Perception et acoustique des salles (2/10)

z La perception

aux deux oreilles 3Localisation : comparaison par le cerveau des

3Attributs :

• intensités

• temps d'arrivée

3Continus : formants pour la voix 3Transitoires : consones, attaques musicales

• écoute monaurale sonie, tonie, timbre

• écoute binaurale (timbre), espace sonore 0 d B

0 ms

∆L d B

∆t ms

Perception et acoustique des salles (3/10)

z L'espace sonore

3Repérage d'une source

3Repérage deux sources

3Retard entre deux sources cohérentes

• binaurale

• pavillon

• diffraction

3Les trois effets peuvent être perçus simultanément (réflexions dans une salle)

3grand nombre de réflexions, effets tardifs : réverbération

• sources cohérentes : impossible

• sources incohérentes : distinctes

• effet de sommation (~ 1ms)

• effet d'antériorité (sonie + effet d'espace)

• effet d'espace (3D) 0 d B 0 ms

∆L d B

∆t ms

Perception et acoustique des salles (4/10)

z Paysage sonore : intelligibilité et bruit 3Bruit masquant la parole

3Réverbération permettant au locuteur de s'entendre 3Réverbération trop élevée : fatigue

• Exemple : effet pernicieux de la réverbération

| h(t) |

temps son direct

premières réflexions (géométriques)

réverbération (statistique)

≈100 ms

(6)

Perception et acoustique des salles (5/10)

z Paysages sonores, acoustique des salles (1/6)

¾Attente de l'auditeur épanouissement, plaisir esthétique

¾Attente de l'exécutant interprétation de la musique L'auditeur cherche à :

9 bénéficier d'un son ample (éviter la fatigue) 9 profiter de ses deux oreilles (effet d'espace) 9 bien comprendre la musique (mais petit "flou") 9 avoir un bon réglage de la sonorité (équilibre

instrumental, équilibre tonal, …)

Le musicien cherche de surcroît à : 9 bien entendre ce qu'il joue

9 un bon contact avec les autres musiciens

Perception et acoustique des salles (6/10)

¾Les auditeurs Son ample

Orchestre : 10 à 100 W (dans les faits < 110 dB) 9 bonne répartition de l'énergie sonore

9 augmenter le nombre de réflexions

Usage des deux oreilles

9 réflexions latérales initiales (proche de l'auditeur) augmenter le volume de la salle (6 à 11 m³par auditeur)

améliorer la netteté Bonne compréhension

9 réverbération limitée (compromis avec l'ampleur) favoriser le léger "flou"

Bon réglage de la sonorité (délicat)

9 éviter les réflecteurs frontaux (au-dessus et derrière l'orchestre), car coloration

si les réflecteurs existent, les fractionner

Perception et acoustique des salles (7/10)

entendre ce qu'ils jouent 9 renvoi du son vers la scène 9 bon couplage scène/salle bon contact entre eux

9 réflecteurs au-dessus de l'orchestre

¾Les Musiciens

¾La salle

Acoustique des salles ≡affaire de géométrie 9 agencement des volumes

9 agencement des parois

Traitement acoustique absorbant n'améliore rien

9 (permet éventuellement de remédier à échos voire coloration)

•contact auditeurs / musiciens

•couplage scène / salle

Perception et acoustique des salles (8/10)

¾Réponse impulsionnelle

( ) ( ) t h t * p ( ) t

p

r = anéchoïque

| h(t) |

temps son direct

≈100 ms

| h(t) |

temps son direct

≈100 ms

Perception et acoustique des salles (9/10)

9 clarté (précision) 9 réverbérance (réverbération) 9 enveloppement (effet d'espace) 9 intimité

9 amplitude (niveau) 9 balance tonale (timbre) 9 bruit de fond

¾Caractérisation subjective

¾Questionnaire

¾Ecoute binaurale

9 simulation numérique 9 maquette

Perception et acoustique des salles (10/10)

9 amplitude sonore

9 durée de réverbération à -60 dB 9 early decay time (1ères réflexions)

9 timbre

¾Caractérisation objective (exemples)

¾Simulation numérique

¾Maquette

( )

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⎮⎮

⌡

⌠^∞

0 2 ref 2

10 p tdtp

log 10

( ) ( )

⎥⎥

⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎢

⎣

⎡

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⎮⌡

⌠

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⎮⌡

⌠ Mfdf 4500 Mfdf 450

log 10

Hz 500

Hz 50 Hz

5000

Hz 500 10

( ) ( )

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⎮⌡

⎮ ⌠

⌡

⌠ ^∞

80 2 ms

80

0 2

10 p tdt p tdt

log 10

(7)

Exemple d'erreur (1/2)

http://www.kettering.edu/acad/scimath/physics/acoustics/McKinnon/McKinnon.html McKinnon Theater, Kettering University, Flint, MI écran sur un mur parfaitement

réfléchissant

mur parfaitement réfléchissant

400 places

Exemple d'erreur (2/2)

http://www.kettering.edu/acad/scimath/physics/acoustics/McKinnon/McKinnon.html z flutter écho

McKinnon Theater, Kettering University, Flint, MI

échos successifs

Animation courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University

(8)