L'acoustique est une spécialité très technique. Vous trouverez ici quelques fiches qui vous permettront de vous initier aux concepts de l'acoustique.

Les ondes sonores

Tout élément matériel qui se déplace alternativement engendre une vibration de l'air, se traduisant par des compressions et des dilatations de l'air. Lorsque les modifications de lapression sont suffisantes on observe alors l'apparition d'un son : le son (ou vibration acoustique) est un mouvement des particules d’un milieu élastique de part et d’autre d’une position d’équilibre (position au repos)

Une molécule subit un ébranlement, communiqué de proche en proche aux molécules voisines puis à tout le milieu : c'est la propagation. Pour qu'il puisse y avoir propagation d'une onde acoustique, il faut un milieu matériel : le son ne se propage pas dans le vide.

On distingue deux types d'ondes :

  • les ondes longitudinales (dans les fluides tels que l'air, l'eau...) :  le mouvement des particules s'effectue dans le sens de la propagation

Onde acoustique longitudinale

  • les ondes transverses (dans les solides, le long d'une corde,...) : le mouvement des particules est perpendiculaire au sens de propagation. Ce type d'ondes, s’ajoutant aux ondes longitudinales, est lié à la présence de forces de cisaillement dûes à la structure microscopique de ces éléments du solide.

Vibration transversale

Les sons

Il existe plusieurs types de sons, déterminées à partir de leur composition en fréquence. La fréquence représente le nombre de fluctuations par secondes. Elle est exprimée en Hertz (Hz). L'oreille est sensible aux sons dont la fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 000 Hz.

 
< 20 Hz 20 Hz à 500 Hz 500Hz à 2 000 Hz 2 000 Hz à 20 000 Hz > 20 000 Hz
infrasons basses médiums aigus ultrasons
  • les sons purs : la pression p(t) varie de façon sinusoïdale dans le temps : p(t) = Pmax cos(ωt+φ), avec ω = 2πf, la période étant T = 1/f. Un son pur est donc composé d'une seule fréquence f.

Son pur

  • les sons complexes : c'est une somme de sons purs de différentes fréquences, ayant entre elles des rapports particuliers (sons harmoniques) ou non (sons aléatoires).

Sons harmonique et aleatoire

  • Le bruit : on peut définir le bruit comme une variation aléatoire de la pression acoustique (i.e. somme de plusieurs fréquences, combinées aléatoirement). Exemple : le bruit blanc (même énergie à toutes les fréquences), ou le bruit rose (même énergie à toutes les bandes de fréquences). Le bruit est également défini comme phénomène acoustique provoquant une sensation considérée comme gênante ou désagréable.

Grandeurs acoustiques

Pression atmosphérique, pression totale, pression acoustique et pression efficace

 
Les vibrations acoustiques dans l'air se traduisent par de petites fluctuations rapides de la pression autour de la pression atmosphérique (po= 2.10-5Pa).
La pression totale observée en un point est alors la somme de la pression atmosphérique et de la pression acoustique :

Pression totale

La pression efficace de la pression acoustique entre 2 instants t1 et t2 est définie par :

pression_efficace_Formule

Dans le cas d'un son pur, on montre que :

pression efficace sinus

pression_efficace

Puissance acoustique et intensité acoustique
 
La pression acoustique n'est pas une donnée suffisante pour décrire totalement une source sonore car elle ne donne pas d'indication sur l'énergie acoustique totale émise par cette source (haut-parleur, machine, etc.…).
La puissance acoustique W, en watt (W), est une quantité d’énergie émise par une source pendant un intervalle de temps. Elle est intrinsèque à la source et ne dépend pas de la distance de la source.
L'intensité acoustique I, en watt par mètre carré (W.m-2), est l'énergie acoustique qui traverse une unité de surface. Pour connaître la puissance acoustique rayonnée par une source à travers une surface, il suffit d'intégrer l'intensité I sur cette surface.
 
Pour une source omnidirectionnelle (même énergie dans toutes les directions), les surfaces d'ondes acoustiques sont des sphères concentriques. Lorsque les ondes se propagent en s’éloignant de la source, leur surface augmente et l’énergie par unité de surface qu’elles véhiculent diminue. On obtient les relations suivantes entre la puissance, l'intensité et la pression efficace :

Intensite acoustique

où c0 est la célérité des ondes acoustiques dans l'air (c= 340 m.s-1), ρ0 la masse volumique de l'air et r le rayon de la sphère.

onde sphérique

Niveaux sonores

Entre le bruit le plus faible audible (seuil d’audibilité) et le seuil de la douleur, la pression est multipliée par x1000000 !!! Il est donc pratique d'utiliser une autre échelle : les décibels (dB).

Pour représenter les grandeurs acoustiques, on définit :

  • Le niveau de pression : C'est la pression après la conversion en décibels. Il correspond à la valeur lue sur un sonomètre.

Niveau_Pression

p : la pression efficace

p0 : la pression de référence (Lp = 0 dB)

  • Le niveau d'intensité : C'est l'intensité après la conversion en décibels.

Niveau_Intensite

I0 = 10-12 W.m-2 : l'intensité de référence

  • Le niveau de puissance : C'est la puissance après la conversion en décibels.

Niveau_Puissance

W0 étant la puissance de référence

  • Sommation de sources sonores : Il est important de rappeler que les niveaux en décibel ne s'additionne pas. Lorsque deux sources produisent des sons en un point, ce sont les intensités acoustiques (ou les carrés des pressions acoustiques) qui s’ajoutent et non pas les niveaux sonores en décibels (60 dB + 60 dB ≠ 120 dB). En premier recours il est pratique d'utiliser un abaque pour additionner deux niveaux sonores.
    Par exemple pour deux sons identiques de 60 dB (différence de 0 dB entre les deux) on obtient donc 60 dB + 60 dB = 63 dB. Si le niveau sonore du premier son n'est que de 56 dB (4 dB de moins que le second) on obtient 56 dB + 60 dB = 61.5 dB.
    Addition de decibel
    Du point de vue mathémathique, le niveau global produit par n source en un point s'obtient par la formule suivant :

Sommation de décibel

 

dB et dB(A)

L’oreille transforme les pressions acoustiques en sensation auditives. Elle ne perçoit pas de la même manière toutes les fréquences. Entre 20 Hz et 20000 Hz, la sensation d’un son pur de niveau Lp varie en fonction de la fréquence. Dans la zone d’audibilité, la sensibilité est forte entre 500 Hz et 5000 Hz et plus faible pour les sons graves. On a la même sensation pour un son 1000 Hz à 40 dB, un son 125 Hz à 48 dB, et un son 8000 Hz à 48 dB.

PB Oreille

Le microphone - qui sert pour les mesures physiques de pression acoustique – a une sensibilité constante quelle que soit la fréquence ou le niveau sonore. Par défaut, il fourni un niveau en dB. Le dB(A) est issu d'une pondération qui a pour objectif d’essayer de tenir compte des variations de la sensibilité de l’oreille en fonction de la fréquence (niveau physiologique).

Le niveau global en dB(A) se calcule de la même façon qu'un niveau global en décibel, mais cette fois-ci en tenant compte de la pondération A :

Décibel pondéré A

Lp : le niveau en dB

pond : la pondération A

n : la bande de fréquence

Fréquence 31.5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Total
Niveau en dB 80 80 80 80 80 80 80 80 80 89.5
Pondération A -39.4 -25 -16 -8.5 -3 0 1 1 -1  
Niveau en dB(A) 40.6 55 64 71.5 77 80 81 81 79 87

Même si le dB(A) fourni une bonne indication sur le niveau sonore ressenti par les personnes, il reste un indicateur insufissant  dans de nombreux cas, comme  par exemple la qualification de la gêne des bruits basses fréquences.

Isolation phonique et correction acoustique

Lorsque qu'une onde acoustique rencontre une paroi, trois phénomènes se produisent :

  1. la réflexion : Une partie de l'onde rebondie sur la paroi et sa direction de propagation est modifiée.
  2. l'absorption : Une partie de l'énergie de l'onde est absorbée par les matériaux constituant la paroi.
  3. la transmission : Une partie de l'onde passe à travers la paroi.

Réflexion Transmission Absorption

L'isolation phonique consiste à diminuer la transmission acoustique, c'est à dire la capacité du bruit à traverser une paroie.

La correction acoustique consiste à modifier le comportement d'un local vis-à-vis des bruits qui y sont émis. Ceci revient souvent à modifier les réflexions et les propriétés d'absorption du local.

Pour plus de précision, n'hésitez pas à contacter les spécialistes en acoustique d'aer.