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Le son et ses caractéristiques physiques

Dossier - Le bruit et ses effets sur la santé
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Comment l'exposition à des niveaux sonores excessifs, même musicaux, peut-elle entraîner des lésions définitives du système auditif ? Pour le comprendre, nous avons voyagé dans vos oreilles…

  
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Le son possède plusieurs caractéristiques physiques. Si des multitudes de sons existent, ils peuvent être définis très précisément par un ensemble d'unités physiques chiffrées (décibels, hertz, dB(A)...). Découvrez à quoi elles correspondent !

Quelles sont les caractéristiques physiques du son ? © Rawpixel.com, Shutterstock

Le son peut être défini de deux manières :

  • d'une manière objective tout d'abord : c'est le phénomène physique d'origine mécanique consistant en une variation de pression (très faible), de vitesse vibratoire ou de densité du fluide, qui se propage en modifiant progressivement l'état de chaque élément du milieu considéré, donnant ainsi naissance à une onde acoustique (la propagation des ronds dans l'eau suite à un ébranlement de la surface donne une bonne représentation de ce phénomène) ;
  • d'une manière subjective également : il s'agit de la sensation procurée par cette onde, qui est reçue par l'oreille, puis transmise au cerveau et déchiffrée par celui-ci.

Que se passe-t-il lorsqu’un avion supersonique franchit le mur du son ? Pourquoi se forme-t-il un petit nuage ainsi qu’une déflagration ? Quelles sont les contraintes physiques en présence ? Unisciel et l’université de Lille 1, avec le programme Kézako, nous apportent des réponses dans cette vidéo. © Unisciel

Infrasons et ultrasons : une différence de fréquence (hertz)

De toutes les ondes acoustiques, seules certaines peuvent être perçues par l'oreille : il s'agit des ondes dont la fréquence est comprise entre 20 hertz (Hz) et 20.000 Hz — soit 20 kilohertz (kHz). En revanche :

  • en dessous de 20 ertz, on parle d'infrasons ;
  • au-dessus de 20 kHz, on parle d'ultrasons.

Le niveau sonore, lié à la pression et exprimé en décibels (dB)

L'oreille est capable de mesurer des écarts de pression infimes, de l'ordre de 2.10-5 Pa (à comparer à la valeur de la pression atmosphérique : 100.000 Pa). Cette variation de 2.10-5 Pa correspond à un son de 0 décibel. Le niveau sonore (Lp) exprimé en décibels (dB) est directement relié à l'amplitude de la variation de pression.

Du fait des propriétés du logarithme, on remarque que lorsque l'on double l'intensité, cela revient à augmenter le niveau de 3 décibels. Par contre, la sensation de doublement de l'intensité ne se produit que pour une augmentation de 10 décibels.

Signal donné par un thermomètre à bruit. © www.palais-decouverte.fr

La sonie et la force sonore

Cependant, l'acoustique ne se contente pas de mesurer physiquement les sons. En effet, comme nous l'avons vu, le son est à la fois une notion objective et subjective et il est nécessaire d'utiliser des critères tenant compte de ces deux caractères.

La sonie concerne la force sonore au sens physiologique (impression de force sonore). La sensibilité de l'oreille est une variable de la fréquence ; ainsi, tandis qu'à 4.000 hertz une pression acoustique de moins de 2.10-5 Pa suffit à provoquer une sensation auditive, à 50 hertz, une pression de 2.10-2 Pa est nécessaire, soit mille fois plus.

De même, le seuil de douleur est variable en fonction des fréquences, selon une variation similaire avec des pentes bien moindres. Il est ainsi possible de définir des courbes d'isosensation pour des niveaux sonores donnés à 1.000 Hz appelés « phones » ; ces courbes ont été établies en 1918 par Fletcher et Munson. On remarque par exemple que pour des fréquences allant de 1.000 à 6.000 Hz, les sons paraissent beaucoup plus forts, alors que les niveaux de pression acoustique sont égaux.

Sensation auditive, basses fréquences et dB(A)

Comme nous l'avons vu, l'oreille n'a pas la même sensibilité pour toutes les fréquences audibles : ainsi, un son de 50 décibels et de fréquence 1.000 hertz produit une sensation auditive plus forte qu'un son de 50 décibels à la fréquence 100 hertz.

Pour tenir compte de cette particularité du système auditif, on utilise des filtres qui pondèrent les niveaux en fonction des fréquences, à partir des courbes d'isosonie. Plusieurs filtres sont utilisés, le plus commun étant le filtre A. Le nouveau niveau tenant compte de cette pondération est alors exprimé en dB(A). On obtient ainsi une grandeur physiologique pour le niveau sonore, et non plus seulement une grandeur physique.

L'importance de cette pondération est considérable. En effet, des bruits de très basses fréquences, qui peuvent atteindre plus de 140 décibels dans un TGV entrant dans un tunnel, ne semblent pas dangereux pour l'audition (ce qui ne signifie pas qu'ils sont sans effet sur la santé). De même, le beat (basse fréquence) émis par la grosse caisse d'une batterie, qui traverse les murs et est perçu par les voisins des discothèques, n'est pas dangereux pour l'ouïe, malgré la gêne qu'il représente.

Les basses fréquences des discothèques ne sont pas dangereuses pour l'ouïe des voisins. © Scott Silver, Wikimedia, CC by 3.0

Durée d'exposition au bruit

L'énergie d'un son est proportionnelle à son niveau, mais aussi à sa durée, de même que les dégâts d'une brûlure seront proportionnels à la durée d'exposition et à l'intensité du rayonnement. Il faut donc prendre en compte ces deux paramètres. Pour cela, on définit un niveau de pression acoustique continu équivalent pondéré A, noté LAeq,T qui tient compte de la durée d'exposition au bruit. Ainsi, des sons impulsifs de fort niveau (130 décibels) peuvent être tolérés sans dommage tandis que l'exposition prolongée à des niveaux dépassant 85 à 90 dB(A) mettent en danger l'audition.

La dynamique

La dynamique est une caractéristique intrinsèque à chaque instrument de musique, et, par extension, à chaque partition musicale. Son étude permet de connaître la variation de l'intensité maximum d'émission, du grave à l'aigu, et l'écart le plus grand possible entre les sons fortissimo et les sons pianissimo.

Ainsi, les musiques présentant de fortes dynamiques (LES mazurkas de Chopin par exemple) auront la particularité d'avoir des niveaux très faibles à certains moments, et très forts à d'autres, tandis que les musiques à faible dynamique présenteront un niveau relativement constant pour l'auditeur. Celles-ci présentant l'inconvénient de ne pas offrir de périodes de repos pour le système auditif, elles sont plus dangereuses, à niveau global égal, que les premières. C'est par exemple le cas des musiques compressées diffusées à la radio : on traite les enregistrements afin qu'ils aient tous le même niveau, pour éviter que les auditeurs aient à régler le volume de leur récepteur en permanence.

Echelle de niveaux sonores : tableau

Le tableau proposé donne l'échelle de quelques niveaux sonores courants. Comme nous l'avons vu, pour évaluer le danger représenté par un son pour l'oreille, il doit être relié à la durée d'exposition subie. Aussi, la comparaison de ces données avec celles concernant les niveaux de bruit équivalents (les Leq) d'écoute de la musique indiqués ensuite doit être faite à titre indicatif. Cependant, elle présente l'intérêt de donner une idée des niveaux atteints, intérêt non négligeable lorsque l'on s'intéresse à des phénomènes de perception.

À titre d'exemple, nous donnons ci-dessous quelques Leq observés dans différentes conditions d'écoute de la musique :

  • Activité Leq moyen d'une batterie : 100 dB(A)
  • Répétition de petites formations : 90 à 100 dB(A)
  • Discothèque (bord de piste) : 100 à 105 dB(A)
  • Local de répétition rock : 102 à 107 dB(A)
  • Concerts de rock (variétés) : 102 à 107 dB(A)