Le niveau d'intensité sonore est une mesure du volume sonore ou de la puissance des ondes sonores et s'exprime en Décibel.
Plus le bruit est faible, plus il faut être sensible pour le détecter. Dans le corps humain, cette détection et cette sensibilité dépendent de l'oreille et du système auditif. Lorsque l'ouïe est hypersensible, on appelle cela l'hyperacousie. L'oreille est un système complexe qui nous permet d'interpréter le son qui se propage dans l'air. Le son se transmet de l'oreille externe vers le tympan séparant l'oreille externe et l'oreille moyenne. Le tympan vibre et envoie ces ondes mécaniques à trois os de l'oreille moyenne. Ces os transmettent ensuite le son à la cochlée qui est remplie de liquide et qui se trouve dans l'oreille interne. Le liquide contenu dans la cochlée vibre et fait bouger les petites terminaisons nerveuses des cellules ciliées qui envoient le signal au cerveau par le biais du nerf auditif.
Le son, cependant, n'est pas uniforme, et il peut être plus fort ou plus doux et avoir une hauteur de son plus ou moins élevée. Ces fluctuations non uniformes dépendent de la fréquence du son et de son intensité. Le cerveau doit interpréter ces changements sonores et envoyer différents signaux en fonction de sa sensibilité au son. La sensibilité est liée à l'intensité sonore et à la fréquence du son.
Qu'est-ce que la sensibilité au bruit ?
L'oreille humaine a une sensibilité comprise entre 20 et 20 000 hertz. Les plus petites valeurs correspondent à des sons de basses fréquences (sons graves), tandis que les plus grandes valeurs correspondent à des fréquences plus élevées (sons aigus). Nous pouvons parler de la sensibilité de l'oreille en utilisant le concept d'intensité.
L'intensité sonore est la puissance portée par les ondes mécaniques qui produisent le son dans l'air, le fluide ou tout autre milieu dans lequel le son est transmis. L'intensité est mesurée par unité de surface dans une direction perpendiculaire à cette surface avec des unités de watts par mètre carré. Le niveau d'intensité, quant à lui, est mesuré en décibels sur une échelle logarithmique. Un décibel est égal à \(10^{-12}\) watts par mètre carré.
L'intensité du son I peut être déterminée à l'aide de la formule ci-dessous.
\[ I = 2\pi^2\nu^2\rho \,c\,\delta^2\]
Ici, \(\nu\) est la fréquence de l'onde sonore en hertz, \(\rho\) est la masse volumique du milieu dans lequel le son est transmis en \(kg/m^3\), \(c\) est la vitesse du son, et \(\delta\) est l'amplitude de l'onde en mètres.
Intensité des ondes sonores et propagation de la pression acoustique
Nous pouvons constater que l'intensité du son dépend fortement des grandeurs qui sont à la puissance deux, c'est-à-dire la fréquence et l'amplitude de l'onde sonore. Prenons un exemple pour voir comment l'intensité varie.
Un matin froid et sec, la densité de l'air vaut \(1{,}225 \,kg/m^3\), et la vitesse du son est de 344 m/s.
Un son d'une fréquence de 200 Hz est émis par une sirène. La sirène émet deux sons, et le premier son de 200 Hz a une amplitude deux fois plus grande que le second. Quelle est la différence d'intensité entre les deux sons ?
Pour résoudre cette question, nous n'avons pas besoin de la valeur réelle de l'amplitude. Nous pouvons comparer les deux résultats en prenant 2A pour l'amplitude du premier et A pour celle du second. Si toutes les autres valeurs restent les mêmes, nous avons les équations suivantes pour les deux sons :
\[ I_1 = 2\pi^2 \nu^2\rho \,c\,\delta^2 \]
\[ I_2 = 2\pi^2 \nu^2\rho \,c\,\delta'^2 \]
Si nous remplaçons la seule valeur qui change, à savoir \(\delta\) et \(\delta'\), l'onde sonore dont l'amplitude est double sera quatre fois plus intense que la deuxième onde sonore.
\[ I_1 = 2\pi^2 \nu^2\rho \,c\,(2A)^2 = 4(2\pi^2 \nu^2\rho \,c\,A^2) = 4I_2 \]
\[ I_2 = 2\pi^2 \nu^2\rho \,c\,A^2 \]
Pour une personne qui entend la sirène, la première sera quatre fois plus intense que la suivante.
Le concept d'intensité est important car il donne lieu à ce que nous connaissons sous le nom de volume sonore. Lorsque vous augmentez le volume de votre appareil audio, vous augmentez l'intensité du son. Les appareils auditifs amplifient le son (ils en augmentent l'intensité), de sorte que les personnes ayant des difficultés d'audition puissent percevoir le son.
L'intensité du son peut être affectée par la densité de l'air et la vitesse du son, qui sont également sensibles à la température. Dans le cas d'air chaud, les molécules d'air possèdent plus d'énergie cinétique, ce qui leur permet de vibrer plus rapidement et de transporter le son plus facilement.
Dans le cas d'air plus dense ou de fluides plus denses, les particules les plus proches ont besoin de moins de mouvement pour transmettre le son aux suivantes. Dans l'eau, la proximité des particules leur permet de moins bouger pour transmettre l'onde de pression acoustique. C'est pourquoi le son se déplace plus rapidement dans l'eau.
Figure 1. Le son se propage plus vite dans l'eau ou dans un fluide dense (B) que dans l'air (A), car la densité importante du fluide permet aux particules de transmettre l'énergie plus facilement parce qu'elles sont plus proches les unes des autres.
Le son dissipe également l'énergie. Comme dans tout système, une partie de l'énergie est perdue, et il en reste toujours moins pour déplacer la particule suivante. C'est pourquoi la densité et la température sont importantes, car l'énergie perdue lors du déplacement des particules du fluide réduit la puissance du son.
La propagation du son fait qu'à mesure que le son se déplace en partant de sa source, l'énergie se disperse dans des zones de plus en plus vastes, et ainsi les personnes le perçoivent différemment selon la distance qui les sépare de la source.
La propagation du son fait diminuer l'intensité lorsque la distance à la source augmente des valeurs \(r_1\) à \(r_2\), comme le montre la figure 2. Cette relation est connue sous le nom de loi en carré inverse, et la raison est que la puissance est distribuée sur toute une surface : Le son se propage en ondes sphériques.
Au fur et à mesure que la surface de la sphère augmente, la puissance nette reste la même, mais elle se propage sur une plus grande surface, ce qui signifie qu'il y a moins de puissance par unité de surface.
Figure 2. Le son se propage en partant de sa source et perd de son intensité au fur et à mesure. L'intensité à une distance \(r_1\) est égale à la puissance divisée par l'aire \(A_1\). Si la distance augmente, l'aire croît jusqu'à \(A_2\), tandis que la puissance P reste la même.
Le son perd également de l'intensité en raison de la dissipation d'énergie lors de sa propagation.
Le son et la loi en carré inverse
Comme nous l'avons dit, l'intensité sonore perçue par les personnes varie en fonction de leur distance à la source. C'est ce que l'on appelle la loi en carré inverse, qui stipule que :
L'intensité du son est inversement proportionnelle au carré de la distance à la source.
Cette affirmation peut être généralisée à l'aide de l'équation ci-dessous :
\[ I = \frac{P}{4\pi r^2} \]
En fait, par définition, l'intensité est la puissance par unité de surface. Donc son expression est :
\(I = P/S\). Sachant que l'onde sonore est une onde sphérique, donc la surface S sera celle d'une sphère dont le centre est la source en elle-même. Note que la surface d'une sphère est donnée par : \(S= 4 \pi r^2\) . En remplaçant S dans l'équation précédente nous obtenons :
\[I = \frac{P}{4 \pi r^2}\]
Ici, P est la puissance de l'onde en watts, tandis que r est la distance à la source en mètres.
Des feux d'artifice sont tirés dans un parc où deux groupes de personnes les regardent. Les feux d'artifice montent à une hauteur de 40 m avant d'exploser, émettant un son d'une puissance de 3,5 watts. Un groupe de personnes se trouve en dessous du feu d'artifice qui explose à exactement 40 m. Le second groupe est éloigné à 60 m de l'explosion. Calculer l'intensité du son dans les deux cas.
\[I_{40 m} = \frac{P}{4\pi(40)^2}\]
\[I_{60m} = \frac {P}{4\pi(60)^2} \]
En utilisant la valeur de la puissance, on trouve :
\[I_{40m}=\frac{3{,}5}{4\pi(40)^2}=1{,}7\times 10^{-4} \,W/m^2 \]
\[I_{60m}=\frac{3{,}5}{4\pi(60)^2}=7{,}7\times 10^{-5} \,W/m^2 \]
Nous constatons que l'intensité est environ 2,21 fois plus importante pour une personne située à 40 mètres de l'explosion du feu d'artifice que lorsqu'elle la voit à une distance de 60 mètres.
Sensibilité aux bruits forts ou hyperacousie
Comme nous l'avons dit, l'intensité sonore est l'intensité du son ou la puissance qu'il transporte. Nous percevons les changements d'intensité sonore comme le changement d'intensité divisé par l'intensité initiale :
\[changement \propto \frac{\Delta I}{I_0} \]
Ici, \(\Delta I\) est le changement d'intensité, tandis que \(I_0\) est l'intensité initiale. Le niveau d'intensité peut également être exprimé en décibels.
Décibel et volume sonore
Les décibels sont une unité utilisée pour exprimer le rapport de l'intensité d'un son par rapport à une référence, comme dans la formule suivante :
\[\textrm{intensité sonore(dB)} = 10 \cdot \log_{10} \frac{I}{I_0} \]
Ici, \(I_0\) est la valeur du bruit minimal qu'une personne ayant une ouïe saine peut détecter, qui est égale à \( 10^{-12} \,W/m^2\).
De manière plus générale, \(I\) est l'intensité perçue,
tandis que \(I_0\) est l'intensité de référence. Les décibels sont donc un niveau d'intensité relatif, car ils sont mesurés à partir d'une référence, en l'occurrence le seuil minimal de l'audition humaine. Les décibels ne fonctionnent pas non plus sur une échelle traditionnelle. Dans les niveaux de puissance, par exemple, 20 décibels représentent dix fois la puissance de 10 décibels. Prenons l'exemple suivant.
Un son d'une intensité de 5 fois le niveau d'audition \(I_0\) est produit. Si le seuil d'audition est donné comme étant de 0 décibel, combien de décibels représente le son qui est produit ?
En appliquant la formule des décibels avec \(I = 5 \cdot I_0\),
on obtient :
\[10\cdot \log_{10}(5) \approx 7dB\]
Chaque son que nous entendons peut être mesuré en décibels en fonction du seuil de l'audition humaine. Regarde les valeurs en décibels pour une gamme de bruits quotidiens dans l'image ci-dessous.
Figure 3. Échelle de décibels pour les bruits courants.
Les bruits supérieurs à 70 ou 80 décibels peuvent endommager l'oreille humaine si la personne y est exposée en permanence, tandis que les bruits supérieurs à 120 décibels endommagent immédiatement le système auditif. Pour comprendre l'importance des décibels dans le calcul des dommages possibles au système auditif, prenons l'exemple suivant.
Un bruit fort peut endommager l'oreille de différentes manières, par exemple, en surmenant les cellules ciliées de la cochlée. Lorsqu'elles sont exposées à un mouvement continu dû à un bruit fort, ces cellules ciliées subissent des dommages irréparables.
Ces cellules sont chargées de convertir le signal mécanique en une impulsion électrique qui est envoyée au cerveau, mais leur endommagement réduit leur capacité à capter le son et à le transmettre. Les dommages subis par les cellules peuvent provoquer un état connu sous le nom d'acouphène.
Le bruit peut également endommager le système auditif en provoquant des lésions du nerf auditif, ce qui peut entraîner une sensibilité soudaine aux bruits dans les oreilles, également appelée hyperacousie. L'un des principaux symptômes d'un test positif à cette affection est une diminution du seuil des bruits inconfortables, voire douloureux.
Lésions de l'oreille
Lorsque le système auditif a été endommagé en raison d'une exposition à des bruits forts ou d'un âge avancé, des traitements et des implants peuvent être utilisés pour améliorer l'audition. Il s'agit notamment :
- De procédures médicales pour réparer certains problèmes physiques de l'oreille susceptibles de provoquer une transmission anormale du son, comme des problèmes de tympan.
- D'implants auditifs pour améliorer le son transmis au système auditif, tels que les appareils auditifs et les implants cochléaires.
Notez que vous pouvez parfois développer une sensibilité au bruit, causée par des dommages dans différentes parties du système auditif.
Intensité Sonore - Points clés
- L'intensité sonore est la puissance délivrée par les ondes sonores. Elle dépend de l'amplitude et de la fréquence de l'onde sonore.
- La puissance accrue par une plus grande amplitude de l'onde est appelée intensité sonore.
- L'intensité du son diminue à mesure qu'il se propage, ce qui s'exprime par la loi en carré inverse.
Cours 
Magazine 
