Notions de base sur le son : mesurer la puissance en dB

Le son est défini comme toute variation de pression audible par l'oreille humaine. En termes de niveau de pression acoustique, les sons audibles vont du seuil de l'audition à 0 dB au seuil de la douleur, qui peut être supérieur à 130 dB. Le dB (décibel) est l'unité de mesure standard en acoustique, mais il peut être difficile à comprendre. L'unité de mesure, le Bel, a été créée en 1928 par la Bell System Company aux États-Unis pour décrire les niveaux sonores. Le principe le plus important de l'échelle Bel est qu'elle est par définition le rapport de puissances. Elle concernait à l'origine les puissances des niveaux sonores, mais a depuis été généralisée à tous les types de puissances.

Le niveau de puissance acoustique (SPL) est très variable. Il commence au seuil d'audition (TOH), qui correspond à un niveau sonore d'environ ^{10-12 W/m2}. En d'autres termes, le TOH correspond à un niveau de puissance d'un trillionième de Watt par mètre carré, soit 1/1 000 000 000 000 ^W/m2, ce que l'on appelle généralement un picoWatt. L'apparition de la douleur se produit à environ ¹⁰ W/m2, et le niveau de puissance nécessaire à la rupture d'un tympan est de 1 ⁰⁰⁰ W/m2. Certains des sons les plus forts enregistrés par l'homme proviennent du lancement de fusées ; la fusée Saturn V produisait environ 100 W/m² à une distance de 1 500 m de la rampe de lancement. Si l'on considère que le niveau de pression acoustique double à chaque fois que la distance diminue de moitié, à 750 m il est de ^200W/m2, à 375 m il est de ^400W/m2 et si vous êtes assez malavisé pour commencer à marcher vers la fusée pendant le lancement, à environ 180 m votre oreille se trouve à l'intérieur de l'espace aérien, à une distance de 100W/m2.
lancement, à environ 180 m vos tympans éclateraient - en supposant que vous n'ayez pas été réduit en cendres par les gaz d'échappement avant.

Il y a 15 ordres de grandeur (de 10 à moins 12 à 10 puissance 3) entre le seuil d'audition et le niveau de rupture. Lorsque la plage dynamique est aussi importante, il est plus commode de décrire les valeurs en termes de logarithme du rapport entre les niveaux de puissance et un niveau de référence.

Pour les sons, la TOH est utilisée comme référence. Un chuchotement correspond à un niveau de puissance sonore d'environ 100 fois la TOH. Cela correspond à un niveau sonore de log (100/1) = 2 Bels. Un aspirateur est environ 10 millions de fois le TOH, son intensité sonore est log (^107/1) = 7 Bels. Sur l'échelle Bel, l'intensité sonore du lancement d'une navette spatiale n'est que de 14 Bels, ce qui ne donne pas beaucoup d'indications sur l'intensité du bruit à un kilomètre du site de lancement. En fait, son intensité sonore est¹⁰¹⁴ ou 100 billions de fois supérieure à celle de la TOH. C'est un peu comme ne pas se rendre compte qu'une année-lumière (la distance parcourue par la lumière en un an) représente une distance d'environ 10 billions (10 000 000 000 000) de km.

Pour donner plus de sens à l'échelle, plutôt que de se référer directement au Bel, par convention, nous avons multiplié l'échelle par 10 et utilisé des unités de 1/10e de Bel, que l'on appelle décibel, ou dB en abrégé. Un dB est toujours, sans exception, par définition, 10x le logarithme du rapport des puissances : en unités dB = 10 x log(P1/P0). Comme le montrent les tableaux ci-dessous, une augmentation de 3 dB représente un doublement de la pression acoustique, mais dans la pratique, il faut une augmentation d'environ 10 dB pour que le son semble subjectivement deux fois plus fort. La plus petite variation que nous puissions entendre est d'environ 3 dB. L'intensité subjective ou perçue d'un son est déterminée par plusieurs facteurs complexes, le principal étant que l'oreille humaine n'est pas sensible de la même manière à toutes les fréquences. Elle est plus sensible aux sons compris entre 2 kHz et 5 kHz, et moins sensible aux fréquences plus élevées et plus basses. Cette différence de sensibilité aux différentes fréquences est plus prononcée à des niveaux de pression acoustique inférieurs qu'à des niveaux de pression acoustique supérieurs. Par exemple, un son de 50 Hz doit être 15 dB plus élevé qu'un son de 1 kHz à un niveau de 70 dB pour donner la même intensité sonore subjective.

Pour normaliser la dépendance de l'audition humaine par rapport à la fréquence, diverses pondérations ont été mises au point. Le réseau de pondération "A" pondère un signal d'une manière qui se rapproche d'un contour d'intensité sonore égale inversé à des niveaux de pression acoustique faibles, le réseau "B" correspond à un contour à des niveaux de pression acoustique moyens et le réseau "C" à un contour d'intensité sonore égale à des niveaux de pression acoustique élevés. De nos jours, le réseau de pondération "A" est le plus utilisé, car les pondérations "B" et "C" ne sont pas bien corrélées avec les tests subjectifs. Cette absence de corrélation s'explique notamment par le fait que les contours d'intensité sonore égale sont basés sur des expériences utilisant des sons purs, alors que la plupart des sons courants sont en fait des signaux très complexes.

Une valeur de puissance de sortie de -3 dB signifie que le rapport entre la puissance de sortie et la puissance d'entrée est de ^10-3/10= 0,5. C'est ce que la plupart d'entre nous comprennent : une baisse de -3 dB correspond à une chute de 50 % de la puissance. La principale difficulté liée à l'utilisation d'une échelle de dB est de comprendre que les grandes différences de puissance sont représentées par des augmentations relativement faibles du niveau de dB. Par exemple, passer d'un niveau de 100 dB à 110 dB équivaut à une augmentation du SPL de dix mille millions de fois le TOH à cent mille millions de fois le TOH ; une augmentation de 10 dB ne rend pas compte de l'ampleur du changement.

Relier les niveaux de pression acoustique aux objets de la vie quotidienne

Sorties du produit d'avertissement sonore E2S
Afin de faciliter la comparaison entre les différents produits, la sortie de tous les sondeurs E2S est spécifiée en x dB(A) à 1m. L'unité db(A) se réfère à la pondération en fonction de la fréquence donnée à un signal d'une manière qui se rapproche d'un contour d'intensité sonore égale inversé à des niveaux de pression acoustique faibles. La distance de 1 mètre est importante car la puissance d'un sondeur diminue de 6 dB à chaque fois que l'on double la distance qui le sépare.