Comprendre les mesures acoustiques

 

Comme je l'ai déjà précisé je ne suis pas un théoricien de l'acoustique et des mesures audio, mais il me semble que la connaissance d'un minimum de concepts ne soit pas inutile pour bien comprendre la pratique des mesures concernant les enceintes et la salle d'écoute. C'est ce que je tente de vous proposer avec cette page, sans aucune prétention, les quelques formules introduites étant simples.

 

Le son

Le son est une onde c'est à dire une perturbation qui se propage dans l'espace sans transporter de matière. Le son est une onde longitudinale (la perturbation est dans le même sens que le déplacement). Le son ne peut pas se propager dans le vide. Il lui faut un support matériel solide, liquide ou gazeux.

La vitesse du son dans l'air à 20° C est de 342 m/s

 

Les unités de mesures acoustiques

Les deux principales mesures qui caractérisent un son, sont sa fréquence (ou hauteur du son) et son niveau (ou amplitude). Si pour la fréquence le choix est unique, pour le niveau il existe différentes mesures pour le représenter, et ce n'est pas toujours simple de faire le lien entre elles

Il est important de souligner que lors de l’addition des niveaux sonores provenant de plusieurs sources de bruit, on ne peut pas simplement faire la somme des valeurs logarithmiques en dB, le calcul doit repasser par l’unité de base de la pression acoustique (ou par l’énergie acoustique, proportionnellement à P2). On peut ajouter les puissances de 2 ou de plusieurs sources si elles sont au même endroit ou ajouter les intensités acoustiques en un même point. Par exemple deux sources de niveau  donneront au final  et non 80dB :

    ==>   ==> ==>

Ceci explique aussi l'effet de masque : un son de niveau  (soit ) va masquer un son de niveau (soit ) car le niveau résultant sera :

==>

et l'augmentation du niveau de 0,04dB ne sera pas perceptible


Perception sonore

L'oreille sait distinguer un son fort, d'un son faible : cette distinction est liée à l'amplitude des vibrations de l'air qui transmet les sons à l'oreille, amplitude qui se traduit en terme de pression. Un son trop faible n'est pas perçu, un son trop fort peut provoquer une douleur : il existe donc des limites d'intensité mini et maxi hors desquelles l'écoute est impossible. Il en est de même quant à la hauteur ou fréquence des sons : un son trop grave (infrasons < 20Hz) ou trop aigu (ultrasons > 20000Hz) ne provoque pas de sensation sonore, la fréquence d'un son est exprimée en Hertz (Hz), elle est directement liée à la hauteur d'un son perçu, à une fréquence faible correspond un son grave, à une fréquence élevée un son aigu.

L'oreille ne différencie deux sons en intensité ou en fréquence que lorsque les différences relatives sont supérieures à certaines limites, un son intense provoque sur un son moins intense un effet de « masque », la perception d'un son bref (impulsion) dépend de sa durée : ces diverses caractéristiques dépendent du sujet (âge, sexe, état de santé).

On a donc défini une « oreille moyenne » dont les diverses caractéristiques sont le résultat statistique d'un très grand nombre de mesures effectuées sur des sujets médicalement sains et d'âge déterminé. Dans ces conditions, on peut définir le seuil d'audition normal et le seuil d'audition intolérable.

On peut alors tracer l'audiogramme, graphique en coordonnées rectangulaires sur lequel sont portées en abscisses les fréquences (suivant une échelle logarithmique), et en ordonnées, les pressions sonores minimales déterminant une sensation sonore et les valeurs des pressions maximales intolérables (à la limite de la douleur) chez le même sujet : on obtient ainsi, sur le même graphique le seuil d'audition et le seuil d'audition intolérable. L'examen d'un grand nombre de sujets normaux au point de vue auditif permet de déterminer ainsi les courbes du seuil d'audition normal et du seuil d'audition intolérable normal :

L'aire comprise entre ces deux courbes représente l'aire d'audition. La forme de la courbe du seuil d'audition montre que la sensibilité du système auditif dépend dans de grandes proportions de la fréquence : entre 1000Hz et 3000Hz une pression acoustique de Pa (ou une intensité sonore de W/) suffit à provoquer une sensation sonore, tandis qu'à la fréquence de 50Hz il faut Pa (soit 100 fois plus) pour provoquer la même sensation sonore. L'image ci-dessous montre la correspondance entre les différents niveaux sonores et des activités ou environnements de tous les jours

L'oreille ne perçoit les niveaux sonores d'une manière linéaire (un son d'intensité acoustique de ne sera pas perçu comme 10 fois plus fort qu'un son de ) mais suivant une échelle logarithmique. On appelle sensibilité différentielle d'intensité la variation relative de pression acoustique  ou d'intensité acoustique pour laquelle le système auditif perçoit une différence de sensation : elle varie peu avec la pression acoustique et reste à peu près constante sur une grande plage de fréquences :

d'où la loi de Weber-Fechner : la sensation sonore croît à peu près comme le logarithme de l'excitation

On définie également la sensibilité différentielle de fréquence : elle reste à peu près constante entre 500Hz et 8000Hz et dépend de l'intensité acoustique

La notion de niveau sonore ne donne qu'une vague idée de la sensation perçue, car il faut prendre en compte la sensibilité de l'oreille, qui varie principalement selon la fréquence du son (l'oreille est moins sensible aux basses fréquences). Pour mesurer le niveau sonore en dB on utilise un sonomètre, avec un filtre éléctronique qui va réaliser une pondération suivant ce que l'on veut mesurer, deux échelles sont principalement utilisées :

Remarque : il suffit de changer la référence de puissance ou de pression ( ou dans les formules précédentes) pour que l'échelle des niveaux sonores soit complètement changée. C'est pourquoi les décibels gradués sur le bouton de volume d'un amplificateur ne correspondent pas du tout à des niveaux acoustiques mais à des puissances électriques de sortie de l'amplificateur, ce qui n'a quasiment rien à voir : la valeur 0dB représente bien souvent la puissance maximale que l'amplificateur est capable de délivrer.

Partant de là et en prenant pour échelle de référence l'échelle des niveaux physiques à 1 000 Hz, Fletcher et Munson ont, par comparaison et par écoutes successives, cherché les niveaux physiques à donner à un son sinusoïdal de fréquence 1 000 Hz de niveau physique donné. On obtient ainsi les courbes d'égale sensation sonore ou courbes de Fletcher et Munson reprises récemment par Churcher et King, et par Robinson et Dadson. C'est à partir de ces travaux que la Commission internationale de l'acoustique a établi un projet de recommandation : Courbes isosoniques pour les sons purs écoutés en champ libre.

 

    Elles concernent l'écoute binauriculaire d'ondes planes progressives, le sujet étant placé en face de la source sonore. Ces courbes isosoniques définissent ainsi les niveaux physiologiques repérés en unités appelées phones.

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Le phone est une unité sans dimension, utilisée pour caractériser le niveau d'isosonie d'un son ou d'un bruit. On dit que le niveau d'isosonie d'un son ou d'un bruit est de N phones quand la sonie du son ou du bruit est jugée équivalente, par un auditeur normal moyen, à celle d'un son pur de fréquence 1 000 Hz, se propageant par ondes planes progressives, face à l'auditeur, et dont la pression acoustique p est de N(dB) au-dessus du niveau de référence de 2 × 10 -5 Pa.

 

    L'examen du réseau des courbes d'isosonie de la figure permet de constater :

 

    - pour les niveaux faibles, le niveau physiologique décroît plus vite que le niveau physique ;

 

    - le seuil d'audition normale se situe à + 4 phones, donc à + 4 décibels à 1 000 Hz ; les premières courbes établies par Fletcher et Munson se situaient exactement à 0 phone (0 décibel à 1 000 Hz) ;

 

    - pour les fréquences basses et pour les fréquences élevées, le niveau physiologique, à un niveau physique donné, est plus faible que pour les fréquences moyennes. Toute modification du niveau sonore altère le timbre, cette constatation est de grande importance dans les techniques d'enregistrement et de reproduction des sons : égalité ou inégalité des niveaux sonores à l'enregistrement et à la reproduction.

 

    Certaines propriétés caractéristiques de l'audition doivent être complétées, en vue de la mesure des bruits et de l'expression des affaiblissements de transmission des bruits et des sons.

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    3. L'effet de masque        

 

    L'audition normale avec les deux oreilles (audition binauriculaire) permet de localiser la direction d'une source sonore dans l'espace : c'est la faculté d'écoute dirigée ou la possibilité d'isoler dans la totalité de l'espace sonore une zone d'un angle solide déterminé, en dehors de laquelle tout phénomène sonore - bien que perçu - ne trouble pas l'attention.

 

    De ces deux zones, la plus petite correspondant à l'écoute attentive, donc au « son utile », a été nommée par von Bekesy « espace de présence » ; bien que la perception subsiste physiologiquement, notre conscience peut faire abstraction de l'autre zone. C'est ce qui nous permet de suivre une conversation dans un bruit ambiant ou au milieu d'autres voix.

 

    Cependant lorsque le bruit ambiant devient trop intense, l'audition des sons désirés devient pénible - c'est le cas, entre autres, d'une conversation dans le « métro ». Il y a « effet de masque ». Pour continuer la conversation, on élève la voix et on la rend plus aiguë. Alors, le seuil d'audition d'un son S s'élève lorsqu'on entend simultanément un son S1 de niveau plus élevé que S ; cette élévation du seuil dépend à la fois de l'intensité acoustique Ia1 et de la fréquence f1 du son S1. S est dit son masqué, S1 est dit son masquant.

 

    L'effet de masque est particulièrement sensible si le son masquant est un bruit blanc ; on appelle ainsi un son complexe dont le spectre est continu et uniforme en fonction de la fréquence (bruit d'agitation thermique, souffle d'un tube électronique par exemple).

    L'étude de l'effet de masque (Wegel et Lane, 1924) limitée à l'effet masquant des sons purs sur les sons purs permet de dégager un certain nombre de lois :

 

    - l'effet de masque est maximal pour les fréquences voisines de celles du son masquant ;

 

    - l'effet de masque est négligeable tant que le niveau de masque est faible ;

 

    - l'effet de masque croît beaucoup plus vite que le niveau du son masquant ;

 

    - les fréquences basses sont les plus gênantes ;

 

    - les fréquences élevées sont les plus gênées.

 

    Les bruits à composantes graves (vibrations, bruits de roulement, bruits de moteurs, ventilateurs...) sont beaucoup plus gênants que les bruits à composantes aiguës.

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    4. L'effet de la durée des bruits et des sons sur leur intensité subjective     

 

 

    L'étude des sons et des bruits de durée brève ou « clic » montre que l'intensité subjective de la perception qui en résulte dépend de leur durée.

    L'intensité subjective est d'abord une fonction croissante du temps, elle passe par une valeur maximale puis décroît lentement. Le maximum est atteint pour une durée voisine de deux dixièmes de seconde ; cette valeur explique le choix de la constante de temps des appareils enregistreurs de niveaux acoustiques et des sonomètres. L'établissement des courbes d'isosonie et la normalisation internationale (1962) permettent d'étalonner les sonomètres. Cependant des difficultés apparaissent : les courbes d'isonie ont été établies en supposant qu'à la fréquence 1 000 Hz le niveau physiologique égale le niveau physique, ce qui est faux au voisinage des seuils.

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Principes de base des mesures

Une des principales mesures concernant les performances d'une enceinte dans une salle d'écoute donnée est sa réponse impulsionnelle : c'est la réponse obtenue quand on applique un signal de très courte durée et de niveau élévé, l'idéal étant le signal de niveau infini et de durée nulle (c'est ce que l'on nomme l'impulsion de Dirac). Cette réponse dépend et des caractéristiques de l'enceinte et des qualités acoustiques de la pièce. Voici un exemple de réponse impulsionnelle :

La pointe initiale à 0ms correspond à l'impulsion elle-même captée par le micro de mesures, les oscillations et les pointes qui suivent correspondent aux échos et réverbérations de la salle et dans une moindre mesure à l'intérieure de l'enceinte elle-même

Le gros problème de la réponse impulsionnelle est sa difficulté d'interprétation : comment différencier un bon son d'un mauvais son ?

Pour cette raison d'autres méthodes d'affichage sont utilisées dont l'une des plus populaires est la réponse en fréquences de l'enceinte : elle est obtenue en appliquant une opération mathématique appelée Transformée de Fourier, à la réponse impulsionnelle, ce qui montre bien que ce sont les mêmes données mais affichées différemment. Ci-dessous un exemple de réponse en fréquence d'un caisson à différents emplacements