Atténuation du niveau en fonction de la distance
Variation du niveau sonore en fonction de la puissance électrique
Phénomène de diffusion et d'absorption des ondes sonores dans une salle de spectacle
Les lésions provoquées par le son
Problématique : Comment restituer au mieux le rendu sonore dans une salle de concert ?
Nombreux sont les auditeurs qui ont pu noter des différences entre un morceau joué « sur scène » et un morceau joué « en studio ». Nous pouvons donc être amener à nous demander, pourquoi le live et le studio présentent de telles différences, et comment restituer au mieux le rendu sonore dans une salle de concert.
Préambule : Définition de la sonorisation.
La sonorisation est le renforcement de sources sonores trop faibles afin de permettre d’être entendues par un auditoire plus large. Elle sert à transmettre le plus clairement possible un message sonore, à travers une chaîne électro-acoustique.
Un exemple de chaîne électro-acoustique.
1 L’onde sonore : l’énergie acoustique
2 Le microphone : transformation de l’énergie acoustique en énergie électrique (qq. mV)
3 La table de mixage : traitement du son et pré-amplification
4 L’amplification : Augmentation de la puissance (plusieurs dizaines de Volts)
5 Haut-Parleur : Transformation de l’énergie électrique en énergie acoustique
Le son est une sensation auditive (une onde) provoquée par la vibration mécanique d’un support (fluide, solide, ou liquide). Il est propagé grâce à la « déformation élastique » (élasticité) du milieu environnant sous forme d’ondes longitudinales.
Trois éléments sont nécessaires à l’existence d’un son :
- Une source qui produit le son
- Un milieu qui transmet la vibration
- Un récepteur (l’oreille/l’ouïe)
Une Onde
La fréquence des ondes.
La fréquence est exprimée en Hertz ( noté Hz), un Hertz est égal à une oscillation par seconde. La fréquence est l'inverse de la période T donc :
.
La fréquence d'une onde se propageant peut être également calculée par la relation :
= la fréquence de l'onde (en Hertz)
= la célérité de l'onde (en mètres par seconde)
= la longueur d'onde (en mètre).
son aigu :
cette sinusoïde représente un son pur d'une fréquence de 3000 Hz
son grave :
cette sinusoïde représente un son pur d'une fréquence de 300 Hz
sons fort (noir) et faible (bleu) :
ces sinusoïdes représentent des sons de même fréquence (300 Hz), mais d'intensités différentes
L’oreille humaine moyenne ne perçoit les sons que dans une certaine plage de fréquences située environ (selon l'âge, la culture, etc.), entre 16 Hz (en dessous les sons sont qualifiés d'infrasons) et 20 kHz (au-delà les sons sont qualifiés d'ultrasons). Ce schéma montre les bandes de fréquences que perçoit l’oreille humaine.
Le son est produit par la vibration d’un corps (solide/liquide/gazeux). La vibration peut avoir de nombreuses origines : chocs, frottements…etc.
Le décibel (dB) ne mesure pas des grandeurs mais des rapports entre des grandeurs de même nature : pression ou puissance acoustique, ou puissances électriques. Donc, le décibel est une unité d’amplification, d’affaiblissement ou de niveau par rapport à une valeur de référence. Pour la mesure de pression acoustique, on utilise comme pour la mesure des niveaux de pression acoustique, on adopte comme niveau de référence (0 dB)
la pression acoustique nécessaire pour atteindre le seuil d’audibilité 1000 Hz qui a été fixé à
2.10-5 Pa . Les niveaux de pression acoustique sont exprimés en décibel (dB) suivis des lettres SL ou SPL (sound level ou sound pressure level). Aussi appelé niveau de bruit, il se déduit par la formule :
L'échelle suivante donne des indications concernant les niveaux de bruits typiques.
L’ effet de masque se produit lorsqu’un son a un volume plus important qu’un autre. Plutôt que d’entendre les deux sons distinctement mais à des volumes différents, on entend bien le son le plus fort et le plus faible devient difficilement perceptible.
Le vacancier écoute le chant de l'oiseau, lorsqu'un le bruit d'un camion vient "masquer " les sifflements. (les 2 sons sont présents en même temps, le chant de l'oiseau est masqué par le camion)
En règle générale, pour qu'un message sonore soit audible, son niveau doit être au minimum de 6 dB au dessus du niveau de bruit ambiant. Pour une écoute confortable, il convient d'envisager un écart de 10 dB pour la diffusion de musique d'ambiance et de 15 à 20 dB pour la diffusion de messages parlés.
Atténuation du niveau en fonction de la distance : 
En espace libre, lorsque l'auditeur s'éloigne de la source, le niveau acoustique s'atténue de 6 dB chaque fois qu'il double la distance le séparant de la source. On calcule cette atténuation par la formule suivante:
Cette loi est traduite sur l'abaque ci-dessous, en prenant comme référence le niveau acoustique mesuré à 1 mètre de la source.
On constate que le niveau SPL chute d’exactement 6 dB chaque fois que notre distance de cette source double.
Variation du niveau sonore en fonction de la puissance électrique :
La perception de niveau sonore varie dans des proportions exponentielles : c’est-à-dire que pour avoir une
sensation de volume sonore double (2 fois plus fort), il faut multiplier la puissance par 10 !
Par exemple, un amplificateur de 1000W ne donnera qu’une sensation de puissance double de celle donnée avec un amplificateur de 100 W.
Les niveaux de références sont calculés sur la base d'une puissance électrique de 1 Watt mesurée à 1 mètres. Lorsque la puissance appliquée est supérieure, on calcule le niveau sonore par la formule suivante:
Abaque de correspondance entre puissance et dB
Le son se propage sous forme d’une variation de pression créée par la source sonore. Ces variations de pression sont des ondes sonores, elles se propagent dans l’air et dans tout milieu élastique (hormis le vide) sans qu’il y ait déplacement de matière (ou seulement de quelques micromètres) : C’est l’élasticité.
Le son se propage également dans les solides sous forme de vibrations des atomes appelés phonons. Là encore, seule la vibration se propage, et non les atomes qui ne font que vibrer très faiblement autour de leur position d'équilibre.
Le mouvement des particules se propage en s’atténuant, car une perte d’énergie se produit au fur et à mesure que le champ sonore engendré par la vibration s’étend. D’autre part, l’amortissement du son augmente avec la fréquence des ondes sonores (les sons aigus portent moins loin que les sons graves à intensité égales). La vitesse de propagation du son (aussi appelée célérité) dans un gaz parfait est définie par la formule :
P = la masse volumique du gaz (kg/m-3 )
X= La compressibilité du gaz (Pa-1)
C’est à dire que la célérité dépend de la nature, de la température et de la pression du milieu. A titre d’exemple, les ondes sonores se déplacent à environ 344 mètres par seconde dans de l'air à 20 °C à 1482 m/s dans l’eau et à 5050 m/s dans l’acier. Il faut aussi préciser que le son ne peut se propager dans le vide, le milieu ne contenant pas de matière pour assurer le déplacement des particules.
Le son ne se déplacant pas instantanément, il y a un décalage entre l’émission d’un son et de sa réception
L'auditeur va entendre immédiatement le son émis par l'enceinte placé à ses pieds, alors que le signal du haut parleur placé à 340m va mettre 1 seconde pour arriver à ces oreilles. Cet écho va perturber la bonne intelligibilité de la diffusion, et diminuer la netteté du son.
On considère qu'au dessus de 0,1 seconde le retard devient gênant, une distance de 30m maximum est à respecter pour l'espacement des hauts parleurs.
Tableau montrant les retards dans la propagation du son.
La réverbération est le phénomène qui prolonge l’énergie sonore après un arrêt net de la source sonore. Une onde sonore émise dans une salle se propage dans toutes les directions ・la vitesse de 340 m/s. Trop rapidement elle rencontre le plafond, le sol et les murs. Selon la nature de ces parois, une fraction de l’énergie acoustique est absorbée et le reste est réfléchie.
En générale l’absorption est plus faible pour les graves (il faut beaucoup de masse pour atténuer les graves, alors que des pièces de tissu de type pendrillons suffisent pour les aigus). Le temps de réverbération ( noté TR) influence beaucoup la perception du son provenant de la source. Pour une bonne compréhension du signal, il est bon de privilégier le son direct, en limitant la zone de diffusion aux auditeurs (orientation des haut-parleurs) en évitant les zones de réflexions ou sinon le champ sonore sera diffus, et l’intelligibilité médiocre ou mauvaise (éventuellement en les traitant par des surfaces absorbantes). Néanmoins, l’absence de réverbération provoque un rendu sec et dur sur la musique ; on recherche toujours une prolongation du son. Une bonne salle de musique présente une réverbération de 1.0 ・2.5 secondes.
Phénomène de diffusion et d'absorption des ondes sonores dans une salle de spectacle
Extrait de Jacques JOUHANEAU, Acoustique des salles, Les techniques de l’ingénieur, Construction ISSN 0245-9590, 1995, vol. CD2, noC3360, FORM, pp. C3360.1-C3360.2
Pour réellement être des sons, les vibrations doivent agir sur nos sens : l’ouïe. L’oreille est l’organe qui sert à capter le son. Pour qu’on puisse entendre, plusieurs transformations se produisent dans l'oreille. Tout d’abord, l’oreille est composée de trois parties : L’oreille externe, l’oreille moyenne, l’oreille interne.
L’oreille externe: elle est composé d’un pavillon et du conduit auditif. Sa forme a la fonction de modifier légèrement le son suivant son angle d’arrivée, avant de parvenir au tympan, c’est ce qui permet au cerveau de distinguer l’origine de la source sonore. L'oreille moyenne comprend le marteau, l’enclume et l’étrier qui transmettent les vibrations du tympan à l’oreille interne en l’amplifiant.
l’oreille interne : elle comprend la cochlée qui est l’organe de l’audition. C’est là que siègent les mécanismes qui permettent de transformer les vibrations en signaux électriques. Le long de la cochlée se trouvent les cellules ciliées qui sont reliées au nerf auditif. Le mouvement des osselets agite les cils des 16 000 cellules ciliées qui transforment les vibrations en impulsions électriques. Les cellules ciliées réagissent à des fréquences (hauteurs de son) différentes : certaines seront activées pour des sons aigus, d’autres pour des sons plus graves. Les impulsions électriques sont ensuite transmises au cerveau par le nerf auditif. Le cerveau analyse alors les informations reçues, nous donne la sensation d’entendre et identifie les bruits, les paroles, la musique.
L’oreille interne est la partie la plus fragile de l’oreille. Les cellules ciliées ne sont pas renouvelables. Elles constituent notre « capital auditif ».
Théoriquement, l’oreille commence à entendre les sons à 0dB de pression (10dB dans la pratique), les sons deviennent douloureux à partir de 110dB mais l’oreille peut subir des lésions irréversibles dès 85dB environ.
L’exposition à un bruit à 85dB ne doit pas dépasser 8h dans une journée ; 4h à 88dB, 2h à 91dB, etc. Pour environ 4 minutes d’exposition maximale à 105dB, seuil maximal autorisé en France ! Il est donc très important de limiter le son, et en cas de son trop fort se protéger avec des bouchons.
Les lésions provoquées par le son
L’exposition à un bruit intense peut provoquer des lésions graves du système auditif. Celles-ci peuvent être irréversibles. Les cellules ciliées permettent d’entendre les sons. Malheureusement ces cellules sont les premières à être touchées lors d’un bruit intense. Ces cellules ne sont ni remplacées, ni réparées ce qui provoque des problèmes d’auditions définitifs.
Le problème vient du fait que le seuil de douleur (120 dB) est bien supérieur au seuil de détérioration des cellules ciliées (85 dB). Ce qui explique que l’on peut avoir une oreille endommagée sans s’en apercevoir.
Les atteintes de l’audition peuvent prendre plusieurs formes :
(source : institut national de prévention et d’éducation pour la santé. http://www.inpes.sante.fr/ )
- Une surdité
Si les effets sont temporaires, on parle de fatigue auditive. Lorsqu’ils sont définitifs, on parle alors de perte auditive.
- la fatigue auditive : elle correspond à un déficit temporaire d’audition après une exposition à des volumes sonores excessifs. Un temps de récupération dans le calme permet de recouvrer une capacité auditive normale.
- la perte auditive définitive : elle survient lorsque les cellules ciliées sont endommagées et se caractérise par son irréversibilité. Différents niveaux de pertes auditives peuvent être distingués :
surdité légère : la personne ne se rend pas compte de sa perte auditive car sa capacité à percevoir les niveaux de fréquences sonores de la parole humaine n’est que peu touchée,
surdité moyenne : elle n’entend plus les fréquences sonores élevées (sons aigus) d’une conversation ; elle devient "dure d'oreille" et ne comprend plus distinctement ce qui est dit,
surdité sévère ou profonde : l’amplification des sons est alors insuffisante pour qu’il y ait compréhension du langage.
- Des acouphènes
Ils correspondent à un bruit d’origine neurologique. Ce sont des sifflements ou bourdonnement d’oreilles, entendus sans cesse, jour et nuit « dans l’oreille » ou « dans la tête », sans aucun stimulus sonore extérieur. L’acouphène n’est pas une hallucination auditive.
- L’hyperacousie
Elle désigne une intolérance aux bruits, même les plus banals. Souffrir d’hyperacousie, c’est percevoir les sons plus forts qu’ils ne le sont vraiment. L’hyperacousie est souvent la séquelle d’un traumatisme sonore et accompagne l’acouphène dans 40 % des cas. Cette hypersensibilité peut s’accompagner de douleurs auditives (hyperacousie douloureuse).
Tous ces symptômes peuvent arriver brutalement et à tout âge : une seule exposition à un bruit fort peut suffire c’est pourquoi il est nécessaire de se protéger avec des bouchons en cas d’exposition trop longue ou trop forte au son.
