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Tout sur l’intensité sonore

Par Yann le 23/01/2018 Ressources > Physique-Chimie > Terminale S > Ondes et phénomènes périodiques > L’Intensité Sonore

Qu’est-ce que l’intensité sonore ?

Cette grandeur permet de donner une indication sur la « force » d’un son : plus l’intensité sonore est élevée et plus le son perçu est fort par l’oreille humaine.

L’intensité sonore se note avec la lettre I et s’exprime en watt par mètre carré (W.m-2). Cette unité indique qu’elle correspond à un « débit » d’énergie par unité de surface.

L’intensité sonore dépends de plusieurs paramètres :

  • l’intensité sonore à l’émetteur
  • la distance du récepteur à la source sonore
  • la présence d’obstacles :
    • absorbants l’intensité sonores (double vitrage, mur antibruit),
    • réfléchissants les ondes (écho).

Comment l'intensité sonore est elle captée par l'oreille ? L’intensité sonore est captée par l’oreille externe et transmise par le tympan à l’oreille interne.

Les intensités sonores maximale et minimale chez l’humain

Toutes les ondes sonores ne sont pas perceptibles par l’oreille humaine. A l’inverse, des intensités sonores trop élevées peuvent être dangereuses.

L’oreille humaine peut en moyenne percevoir des sons ayant une intensité sonore supérieure à 10-12 W.m-2.

Cette intensité sonore minimale est noté I0 et appelée seuil d’audibilité.

Par ailleurs, un son dont l’intensité sonore est très forte peut provoquer une douleur, ainsi qu’une perte d’audition partielle ou totale : on estime en général que le seuil de douleur correspond à une valeur d’environ 10 W.m-2.

Aussi, l’exposition répétée à des ondes sonores d’intensité élevées mais inférieures aux intensités maximales, sans protections appropriées, peu également engendrer des dommages sur l’oreille humaine.

Intensité sonore totale de plusieurs ondes

L’intensité sonore est additive, c’est-à-dire que si plusieurs sources émettent des ondes sonores alors l’intensité sonore qui en résulte correspond à la somme des intensité sonores de toutes les sources.

Par exemple, si trois sources sonores émettent des ondes d’intensité I1, I2 et I3 en un point donnée de l’espace alors, une mesure indiquerait que l’intensité sonore en ce point vaut  :  

    \[I=I_{1}+I_{2}+I_{3}\]

Le niveau d’intensité sonore : le Décibel

L’intensité sonore perceptible prend des valeurs sur un intervalle extrêmement large qui va de 10-12  W.m-2 jusqu’à 10 W.m-2 soit un facteur de 1013 (10 000 milliards !) entre la limite inférieure et la limite supérieure.

Afin d’utiliser une échelle de grandeur plus simple et plus significative on définit le niveau d’intensité sonore de la manière suivante :

Cette grandeur se note L, s’exprime en décibel de symbole dB et se calcule à partir de la relation suivante :

    \[L=10\times\log\frac{I}{I_{0}}\]

  • Avec L en Décibel (dB)
  • I en W.m-2
  • I0 = 10-12 W.m-2

La relation entre l’intensité sonore et le niveau sonore en décibel est donc régit par une loi logarithmique, en conséquence :

  • Si l’on double l’intensité sonore, le niveau d’intensité sonore n’est pas doublée. En effet : 

        \[L_{b}=10\times\log\frac{2I}{I_{0}}\]

    donc d’après les règles opératoire des logarithme

        \[L_{b}=10\times(\log 2+\log\frac{I}{I_{0}})\]

    d’où 

        \[L_{b}=10\times\log 2+10\times\log\frac{I}{I_{0}}\]

    soit 

        \[L_{b}=3+L\]

    . En conséquence, doubler l’intensité sonore revient à augmenter le niveau sonore de 3 décibels

  • Même remarque si l’on divise par deux l’intensité sonore, le niveau de l’intensité sonore baisse de 3 décibels.

Remarques : 

Log correspond à la fonction logarithme décimale qui est définie à partir du logarithme népérien :

    \[\log(x)=\ln(x)/\ln(10)\]

Niveau d’intensité sonore correspondant au seuil d’audibilité et au seuil de douleur

Nous connaissons les intensités sonores composant la gamme des sons audibles par l’humain. Afin de connaitre cette gamme en décibels le calcul suivant est effectué :

  • Le seuil d’audibilité correspond à l’intensité sonore I0  = 10-12 W.m-2 :
    • sachant que

          \[L_{0}=10\times\log\frac{I}{I_{0}}\]

    • donc

          \[L_{0}=10\times0=0\ dB\]

  • Le seuil de douleur correspond à l’intensité sonore I0  = 10 W.m-2 :
    • donc 

          \[L=10\times\log\frac{10}{10^{-12}}\]

    •     \[L=10\times\log(10\times 10^{12})\]

    •     \[L=10\times\log(10^{13})\]

    •     \[L=10\times 13 = 130\ dB\]

Le niveau d’intensité sonore d’un son audible par l’oreille humaine est donc compris entre 0 et 130 dB.

Calculer l’intensité sonore à partir du niveau d’intensité

A l’inverse, si l’on a mesuré le niveau sonore en décibels et que l’on souhaite connaitre l’intensité sonore, on utilise la relation entre intensité sonore et niveau d’intensité sonore :

    \[L=10\times\log\frac{I}{I_{0}}\]

d’où 

    \[\frac{L}{10}=\log\frac{I}{I_{0}}\]

Il est alors nécessaire d’utiliser une propriété de la fonction logarithme qui est d’avoir comme fonction réciproque la fonction puissance de 10, c’est à dire qui si y = Log ( x ) alors x = 10y .

On en déduit donc la relation suivante :

    \[\frac{I}{I_{0}}=10^{\frac{L}{10}}\]

d’où 

    \[I=I_{0}10^{\frac{L}{10}}\]

Atténuation de l’intensité sonore avec la distance à l’émetteur

Le niveau de l’intensité sonore est dépendant de la distance à la source. Plus on s’en éloigne moins le niveau sonore est intense.

Comment évolue le bruit avec la distance à l'émetteur ? Atténuation du bruit de la route avec la distance à celle-ci.

En effet, l’on « perd » 6 décibels lorsque l’on double la distance à la source.

Interférences

Les interférences ont un impact sur l’intensité sonore. Si les interférences sont constructives (ondes en phase) alors l’intensité sonore est augmentée, si les interférences sont destructives (ondes en décalage de phase) alors l’intensité sonore est diminuée.

C’est ce principe qui est utilisé pour les casques audio à réduction de bruit active. Si la réduction passive consiste en la protection des oreilles du bruit extérieur par du matériau isolant (coussinet qui ne sont pas là que pour le confort de l’usagé).

La réduction active, quant à elle, utilise des interférences destructrices.

En effet, le casque possède des micro extérieurs qui capte les sons extérieur. Le casque reproduit ensuite le même son mais en décalage de phase, alors l’intensité sonore des bruits environnant est diminuée voire annulée.

Moyen de mesure de l’intensité sonore

C’est un sonomètre qui permet de mesurer l’intensité sonore en un point donné. Cet appareil permet de mesurer le niveau de pression acoustique à l’aide d’un simple microphone. Le signal enregistré est ensuite restitué par l’appareil par une valeur en décibel, après différent traitement.

Il est fréquemment utilisé par la médecine du travail, ou organisme spécialisé pour évaluer l’environnement sonore au travail et le niveau d’exposition des employés.

Environnement sonore

Nous sommes constamment exposés au bruit, à la maison, dans la rue, au travail. En effet, la télévision, la chaîne HiFi, les voitures, le métro, le tramway, les machines… crées un environnement bruyant. On parle même de pollution sonore dans certains cas.

La réglementation s’est adaptée au problème de pollution sonore, ainsi trois seuils ont été définis :

  • Seuil de risque : 80 dB. En dessous de ce seuil, on considère que l’exposition du travailleur est sans risque quelques soit la durée. Au dessus, la durée d’exposition doit être évaluée afin de mesurer la nécessité de protections auditives ou adaptation du poste de travail.
  • Seuil de danger : 85 dB. Si la durée d’exposition de l’employé à une telle intensité sonore est de 8h par jour, les protections auditives sont requises. Si possible, le poste de travail peut être adapté afin de baisser le niveau sonore perçu par le travailleur.
  • Seuil de douleur : 120 dB. A partir de ce niveau sonore, les oreilles souffrent physiquement du bruit. Cependant, attention les dommages sur l’audition interviennent bien en amont de la douleur.
EnvironnementRepas familial/ TVBusTrain/RERBarCinémaPiscine municipalTondeuseDiscothèque/
concert
Marteau piqueur
Niveau sonore en décibel65687075808590105110

On comprend alors pourquoi des bouchons d’oreilles sont aujourd’hui proposés à chaque concert !

Pour se protéger d’un environnement bruyant, il existe plusieurs possibilité :

  • Protections personnelles à adapter selon l’intensité sonore et la durée d’exposition : bouchons d’oreilles, casque antibruit. Ce type de protection doit également s’adapter à l’activité. En effet, dans certains cas il est nécessaire, ou du moins souhaitable, de pouvoir continuer à entendre les personnes autour par exemple. Il existe des protections filtrant seulement certaines fréquences d’intensités élevées.
  • Adaptation de l’environnement en protégeant le lieu : double vitrage (jusqu’à 40 dB de réduction du bruit), murs antibruit. Ces matériaux réduisent le bruit car l’onde sonore se propage avec difficultés ou bien se dissipe. On dit que le matériau est absorbant. Le matériau peu également renvoyer le son. Cependant, afin de contrôler l’environnement sonore extérieur, il est important qu’une partie du son soit absorbé, plutôt que réémis.
  • Dans les environnements industriels, il est parfois possible d’enfermer le bruit en dédiant des espaces clos à certaines machines. La structure du lieu doit également éviter un réverbération du son trop importante et peu même favoriser la « fuite » du bruit.

Qu'est-qu'un équipement personnel de protection contre le bruit ? Employés portants des protections personnelles dans un environnement bruyant.

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belgue
Invité

Merci, vous êtes vraiment sympathiques;
Bravo et bon courage!

tric
Invité

super cours merci