MESURE - Mesures acoustiques

MESURE - Mesures acoustiques

Le caractère interdisciplinaire de l’acoustique se traduit par des recherches et des mesures dans de nombreux domaines: physique, chimie, électricité, mécanique, aéronautique, propagation sous-marine, psychologie, biologie, sciences de la communication, architecture, médecine, musique... Aussi, cet article se limite-t-il à l’exposé des techniques de mesures les plus largement répandues, qu’elles aient pour but l’accès à la connaissance des champs acoustiques en vue d’en appréhender la nature ou l’impact (sur l’homme par exemple) ou l’étude de propriétés de milieux (solides, liquides ou gazeux, homogènes ou hétérogènes) par l’influence qu’ils exercent sur la propagation des ondes acoustiques sonores ou ultrasonores.

1. Généralités

Les premiers instruments de mesures acoustiques, fabriqués dans les années 1930, utilisaient les tubes à vide. Par la suite, les progrès technologiques ont permis d’améliorer considérablement les performances; les grandes étapes correspondent à l’avènement du transistor vers 1950, des circuits intégrés vers 1960 et, depuis 1970, à celui des mémoires à semiconducteurs, des circuits L.S.I. et des microprocesseurs. À ces derniers développements des composants et circuits électroniques sont associés d’importants progrès sur les algorithmes de calculs, qui ont rendu d’usage très répandu, dès les années 1980, le filtrage digital, le calcul des transformées de Fourier rapides (F.F.T.) et celui des propriétés croisées de phénomènes (qui permettent de connaître les relations entre les effets et les causes). Quant aux transducteurs, capteurs situés en amont de tout canal de mesure et auxquels est attribuée la fonction essentielle de conversion d’une quantité acoustique en signal électrique, ils ont également fait l’objet de progrès continus. Il s’agit surtout de microphones (dans les gaz) et d’hydrophones (dans les liquides). Enfin, signalons que les mesures effectuées par diffraction de la lumière rasante sur des ondes acoustiques stationnaires (analogue à la diffraction de Bragg sur les cristaux) ont connu une amélioration importante avec l’avènement du laser.

Caractéristiques physiques du son

Le son présente des caractéristiques physiques dont nous rappelons ci-dessous définitions et propriétés essentielles. Une perturbation acoustique est avant tout caractérisée par la pression acoustique p (t ), puisque c’est une quantité directement mesurable grâce aux microphones et aux hydrophones. Cet effet est associé au déplacement des particules du milieu, lui-même généralement caractérisé par la vitesse particulaire acoustique instantanée ゎ(t ). Le flux d’énergie acoustique qui traverse l’unité de surface perpendiculaire à la direction de propagation par unité de temps définit l’intensité acoustique 轢I, vecteur égal à la valeur moyenne temporelle du produit de la pression acoustique et de la vitesse particulaire: face="EU Arrow" と=p (t ) ゎ(t ). Dans l’air, la pression acoustique à laquelle l’oreille est sensible a été choisie comme unité pilote; le niveau de pression acoustique L en décibels a été défini par rapport à un niveau de pression de référence p ⁰, choisi à 2 憐 10^-5 Pa, qui correspond à la valeur efficace du seuil d’audibilité de l’oreille à 1 000 Hz (dans les liquides, la pression de référence est choisie à 1 猪Pa): L=20lgp/p ⁰, ou, étant donné les lois quadratiques qui lient pressions et intensités, L=10lgI/I⁰ (dans les gaz I⁰=10^-12 W/m²). Dans l’audible, les niveaux de pression (ou d’intensité, ou de puissance) acoustique sont souvent exprimés par bandes de fréquences d’analyse f =f ² 漣f ¹, de largeurs f constantes ou de largeurs relatives ( f ) constantes; dans ce dernier cas, les plus usuelles sont l’octave (f ²=2f ¹ ou log² f ²/f ¹=1) et le tiers d’octave (f ²=21/3f ¹ ou log² f ²/f ¹=1/3). L’octave est donc l’échelle logarithmique de base 2 du rapport des fréquences. Dans ce type d’analyse, l’intensité acoustique totale I est la somme des intensités mesurées dans chacune des bandes de fréquence, d’où le niveau de puissance acoustique total correspondant:

Les capteurs microphoniques doivent fonctionner avec une bonne linéarité sur de larges bandes de fréquence: de 0,1 à 200 000 Hz (seulement de 20 à 20 000 Hz, soit environ dix octaves, pour l’audible), avec une dynamique importante, de l’ordre de 180 dB (140 dB dans l’audible, ce qui correspond à un domaine de pression acoustique allant du seuil d’audition à 2 憐 10^-5 Pa au seuil de douleur à 200 Pa), et avec une bonne stabilité à long terme. L’étalonnage peut être assuré avec précision par diverses méthodes. La plus courante est la méthode de réciprocité qui permet l’étalonnage absolu à 0,1 dB près.

Dans les liquides, on utilise l’hydrophone, dont les propriétés (domaine de fréquence, dynamique, etc.) sont analogues à celles qui ont été citées sur les microphones.

2. Mesure du bruit et de la gêne

Les problèmes soulevés par la pollution sonore sont très importants dans la société industrielle moderne, en raison de l’accroissement des niveaux sonores et de l’intérêt porté aux problèmes d’environnement. Dans tous les cas, les nuisances sont principalement une question d’intensité, de durée et de contenu spectral du bruit. Une métrologie qui procure une bonne approximation de la réponse humaine doit tenir compte de chacun de ces paramètres. Les appareils modernes ont permis de rendre automatiques les mesures de contrôle, avec une bonne stabilité et une bonne précision. Mais les réponses des instruments qui doivent traduire les aspects subjectifs du bruit restent néanmoins assez rudimentaires en regard de la complexité des situations réelles.

Caractéristiques physiologiques du son

La mesure d’un niveau sonore n’a d’intérêt, dans le cadre de l’évaluation de la gêne ou du risque auditif produit par un bruit, que si elle peut être interprétée en regard des caractéristiques physiologiques de l’audition. L’oreille est moins sensible aux fréquences graves et aux fréquences aiguës qu’aux fréquences moyennes, et ce d’autant plus que le niveau sonore est faible. C’est l’origine des courbes de pondération des sonomètres (fig. 1).

En fait, un des critères les plus importants n’est pas la sensation auditive, mais plutôt la gêne due aux bruits; malgré les difficultés que l’on éprouve à définir cette notion, des courbes d’«évaluation du bruit» ont pu être normalisées. On a ainsi défini des valeurs à ne pas dépasser et des termes correctifs qui tiennent compte du type de bruit (intermittent, impulsif, présence de sons purs, etc.). Dans le cas des bruits fluctuants au cours du temps, la valeur des niveaux sonores est à remplacer par le niveau continu équivalent (L^eq), défini comme le niveau sonore du bruit stationnaire qui, appliqué pendant la même durée, aurait fourni la même énergie acoustique. Une des conséquences de l’exposition au bruit est la surdité (reconnue comme une maladie professionnelle), dont le dépistage est fait par audiométrie.

Mesure du bruit et de la gêne

Les chaînes de mesure couramment utilisées comportent en amont un capteur microphonique qui délivre un signal électrique fonction linéaire de la pression acoustique. Le signal est considéré dans son intégralité spectrale ou pondéré par des filtres A, B, C ou D, et traité conformément à la relation donnant le niveau acoustique en fonction de la moyenne temporelle du carré de la pression quadratique:

De par la nature évolutive des phénomènes acoustiques, la grandeur L ainsi définie peut être une nouvelle variable d’entrée pour des dispositifs avals de traitement (intégration dosimétrique, analyse statistique...) ou de mémorisation. Néanmoins, dans certains cas, il est besoin de caractériser le phénomène directement à partir du signal microphonique (analyse spectrale par exemple).

Les appareils permettant la mesure des bruits et l’évaluation de la gêne associée sont de divers types, suivant l’usage qu’on en attend. Citons: les sonomètres analogiques, analogiques-numériques ou numériques, qui donnent les niveaux d’énergie sonore; les enregistreurs de niveaux qui permettent de mémoriser l’évolution du niveau en fonction du temps; les sonomètres intégrateurs qui donnent les niveaux continus équivalents (L^eq); les dosimètres qui permettent d’apprécier les risques de surdité (appareils portés par les sujets, au même titre que les dosimètres photographiques pour l’évaluation de l’exposition aux rayonnements X ou 塚; les analyseurs statistiques qui permettent l’étude des bruits fluctuants par l’analyse statistique de la grandeur pondérée L considérée comme variable aléatoire; les analyseurs de spectres (F.F.T.) permettant des descriptions plus fines; le sonagraphe, analyseur particulier qui donne dans un diagramme fréquence-temps une «image» du signal acoustique en traduisant l’intensité par des contrastes optiques (fig. 2).

3. Mesures en acoustique architecturale et industrielle, intensimétrie

Les mesures en acoustique architecturale et industrielle ont pour but de caractériser de façon objective et comparable les propriétés acoustiques des sources de bruit, des locaux et des matériaux dont il peut être fait usage pour réduire les bruits ou contrôler la qualité des salles. Certaines de ces mesures peuvent être effectuées en salle anéchoïque (chambre sourde), dont les parois, aussi imperméables que possible aux sons extérieurs, sont intérieurement recouvertes de dièdres de matériaux absorbants pour créer artificiellement des conditions de champ libre. Une telle salle repose en outre sur un dispositif antivibratile. À l’opposé, il peut être fait usage d’une salle réverbérante, enceinte de plus de 200 m³ aux parois non parallèles et parfaitement rigides, qui rend le champ acoustique qui y est émis aussi diffus que possible (champ homogène et isotrope).

Mesures en acoustique architecturale

Il existe un certain nombre de critères permettant de qualifier une salle. La durée de réverbération est considérée comme le plus important. Elle se mesure par l’analyse de la décroissance du niveau sonore après extinction de la source, habituellement effectuée par bandes de tiers d’octave. Elle est définie comme le temps au bout duquel le niveau sonore a diminué de 60 dB. Elle répond à l’équation dite de Sabine dans le cas des locaux réverbérants: T=0,16V/A, où V désigne le volume de la salle, et où:

désigne l’absorption totale des parois (les 見ⁱ sont les coefficients d’absorption des différentes surfaces Sⁱ de la salle).

La mesure de transparence acoustique de parois s’effectue entre deux salles à caractère réverbérant, conformément aux normes. Un bruit rose (bruit large bande atténué de 3 dB par octave pour assurer une même énergie dans chaque bande d’analyse) de niveau L⁰, égal à 80 dB par octave, est produit dans la salle d’émission. La mesure du niveau sonore L dans la salle de réception, corrigée de son propre effet sur le niveau (qui se déduit directement de sa durée de réverbération T et de son volume V), permet de connaître l’indice d’affaiblissement acoustique (TL, Transmission Loss), rapport du flux d’énergie incident 淋⁰ au flux d’énergie transmis 淋, exprimés en décibels:

où S désigne la surface de l’échantillon.

Mesure de l’absorption des matériaux

Le coefficient d’absorption 見 des matériaux utilisés en architecture, défini comme le rapport du flux d’énergie absorbé au flux d’énergie incident, est un paramètre fondamental. Il peut être mesuré par la méthode de la salle réverbérante, où la modification du temps de réverbération par une surface de matériau absorbant donne ce coefficient d’absorption 見 en incidence aléatoire (cf. formule de Sabine), et par la méthode du tube de Kundt, où l’analyse du système d’ondes quasi stationnaires qui se crée face au matériau sous l’effet d’une onde harmonique en incidence normale permet de déduire l’impédance acoustique du matériau (rapport de la pression acoustique à la vitesse particulaire) et, par suite, son coefficient d’absorption et de réflexion en incidence normale. Cette dernière mesure est habituellement effectuée dans un tube à ondes stationnaires en relevant, à l’aide d’une sonde microphonique, le taux d’ondes stationnaires (rapport des amplitudes des maxima à celles des minima) et la distance qui sépare les minima d’amplitude de la surface du matériau.

Mesure de puissance acoustique de sources

La puissance acoustique émise est indispensable au calcul du niveau de bruit engendré par cette source (à titre prévisionnel ou non). Elle est définie à partir de l’intensité acoustique par une intégrale sur une surface S entourant la source:

intégrale remplacée en pratique par une sommation sur la moyenne temporelle du carré de la pression acoustique:

où 福 est la masse volumique de l’air et c la célérité. Les normes fixent la nature de l’environnement d’essai (salle anéchoïque, salle réverbérante, etc.) et définissent la répartition des points de mesure sur une surface fictive entourant la source. Cette répartition a fait l’objet d’améliorations en faisant appel à un balayage continu de la surface de mesure par un ou plusieurs microphones, dans le cas où la source émet un bruit stationnaire.

L’intensimétrie acoustique

Les grandeurs acoustiques que l’on cherche à mesurer sont généralement définies en terme de quantité vectorielle, de flux d’énergie (ou d’intensité). Dans la pratique, les capteurs dont on dispose sont sensibles à la pression acoustique, quantité scalaire. Dans les mesures classiques, la difficulté est contournée en admettant une relation simple entre intensité acoustique et pression acoustique. Dans de nombreux cas, on utilise la relation I=p ²/ 福c valable pour les ondes planes harmoniques.

Une mesure directe est possible avec, par exemple, un anémomètre à fil chaud ou un disque mince délicatement suspendu (disque de Rayleigh); ces techniques restent des techniques – voire des curiosités – de laboratoire. Une méthode, apparue récemment, consiste à mesurer les effets d’entraînement de la vitesse particulaire sur un champ acoustique de fréquence plus élevée que la fréquence la plus haute du signal à mesurer. Cependant, la méthode la plus largement utilisée à l’heure actuelle reste celle du doublet microphonique, qui permet de mesurer le gradient de pression entre deux microphones et, par suite, d’obtenir, par application de l’équation fondamentale d’Euler:

la vitesse particulaire. Cette technique présente de par son principe même (mesure par différence finie) un certain nombre de limitations, dont celle de la bande passante, et celles qui sont liées à la diffraction des microphones. Mais ces inconvénients ne sont pas de nature rédhibitoire en regard des multiples avantages que présente la mesure vectorielle des champs sonores pour l’étude du rayonnement, du champ proche, de la puissance et de la localisation des sources, pour la mesure de la transparence et de l’absorption locale de parois, etc. (tout cela en milieu éventuellement bruité).

Il existe deux principes de traitement du signal pour accéder à l’intensité. La composante du vecteur intensité dans la direction x peut être directement calculée à partir de la relation:

où la pression sonore est donnée par la moyenne arithmétique des pressions sur chaque microphone, et la vitesse particulaire par le rapport de la différence des signaux à l’écart x entre les microphones. Cette composante de l’intensité peut aussi être calculée à partir de la partie imaginaire du spectre croisé G1,2 de deux signaux microphoniques:

Cette dernière méthode passe par l’analyse en bande étroite; elle est relativement lente et nécessite un ordinateur.

4. L’acoustique appliquée aux mesures physiques

Bien que le domaine des fréquences audibles joue un rôle important dans ce type de métrologie, dans de nombreux cas ce sont les ultrasons proches ou lointains (jusqu’à 10¹⁰ Hz) qui sont utilisés. Depuis les travaux de Paul Langevin, au cours de la Première Guerre mondiale, sur les transducteurs pour la détection sous-marine, les matériaux utilisés comme transducteurs ultrasonores ont fait l’objet de nombreuses recherches. Furent tour à tour étudiés les cristaux de quartz, le sel de Rochelle, le phosphate d’ammonium dihydrogène (ADP), les céramiques ferroélectriques (titanate et zirconate de plomb), le niobate de lythium... et, en 1970, les polymères piézoélectriques (PVF 2). La génération et la réception des ondes ultrasonores est, comme pour les ondes sonores, aujourd’hui assez bien maîtrisée.

Le contrôle non destructif

Les méthodes acoustiques se sont révélées extrêmement précieuses dans le domaine du contrôle non destructif. Un défaut dans un milieu se manifeste par une discontinuité responsable de la réflexion et de la diffraction de l’énergie sonore incidente. L’analyse des «échos» permet de localiser, voire d’analyser, la nature du défaut sans modifier la structure étudiée. La même idée de base permet les repérages sous-marins (sonar).

La microscopie acoustique

Aux très hautes fréquences (de l’ordre du gigahertz), les ondes ultrasonores ont permis la réalisation de microscopes par transmission et par réflexion. Une onde acoustique est générée par une fine couche d’oxyde de zinc et est transmise par un cristal à très faible atténuation. Le faisceau incident est focalisé sur l’échantillon par une lentille, interface entre le cristal et l’eau dans laquelle est plongé l’échantillon. Le faisceau transmis par l’objet est ensuite focalisé, détecté et analysé. Les images acoustiques obtenues à l’heure actuelle fournissent des informations de même qualité et de même résolution que celles qu’on obtient avec les microscopes électroniques à balayage.

Méthodes d’étude des propriétés de la matière

L’acoustique, essentiellement par la mesure de la célérité et de l’atténuation des ondes sonores et ultrasonores au cours de leur propagation, a permis d’élaborer des méthodes d’études des propriétés des gaz, des liquides et des solides. L’interférométrie repose sur l’étude des propriétés d’un système d’ondes stationnaires dans une cavité dont la géométrie est bien définie et où les paramètres thermodynamiques (pression, température) sont bien contrôlés. Les mesures de fréquence de résonance, d’antirésonance, de maximums et de minimums d’amplitude permettent d’accéder aux valeurs de la célérité et de l’atténuation du fluide (liquide ou gaz) et, aux paramètres recherchés.

La méthode optique, largement utilisée pour l’étude des solides, des liquides et des gaz, repose sur la propriété de la lumière d’être diffractée par un système d’ondes stationnaires acoustiques, propriété analogue à la diffusion de Bragg (réflexion de rayons X sur les couches d’atomes de cristaux). L’avènement du laser, qui permet notamment d’allier un excellent monochromatisme à une intensité confortable, a rendu la méthode très performante. L’analyse du spectre de la lumière diffusée, de l’angle de diffusion et de l’intensité diffusée permet de connaître la célérité et l’absorption des ondes acoustiques, et autorise en particulier l’étude des processus de relaxation acoustique jusqu’à des fréquences très élevées (10¹⁰ Hz).

Dans les deux méthodes précitées, l’énergie ultrasonore est transmise au milieu de façon continue. Dans la méthode impulsionnelle, un signal très bref est émis (de l’ordre de la microseconde), de façon répétitive. La mesure du temps de parcours entre émetteur et récepteur et du niveau récepteur à chaque fréquence (analyse de Fourier) permet de connaître célérité et atténuation (et dispersion). Le même cristal peut être émetteur et récepteur en disposant un réflecteur sur le parcours des ondes. La méthode des impulsions nécessite une distance entre émetteur et récepteur très supérieure à la largeur de l’impulsion (pour éviter la formation des ondes stationnaires).

Mesure des propriétés de la matière

Depuis longtemps utilisées pour la mesure de l’absorption due à la viscosité et à la conduction thermique, les méthodes acoustiques ont également permis, dans les années 1930, de mettre en évidence les phénomènes de relaxation moléculaire dans les fluides et sont toujours employées pour l’étude des paramètres qui gouvernent ces phénomènes. Ces phénomènes de relaxation, retards à l’établissement d’états d’équilibres, apparaissent lorsque les temps nécessaires à l’accès à ces équilibres sont de l’ordre de grandeur de la période du signal acoustique. Ils concernent les transferts d’énergie entre les mouvements de translation des molécules (responsables de la pression acoustique) et leurs mouvements de rotation ou de vibration (dans les fluides polyatomiques), les changements de phase, les réactions chimiques (dimérisation, dissociation, rotations d’isomères...). L’air, en particulier, a fait l’objet de nombreuses études et de normalisations qui précisent l’influence de divers paramètres, notamment celle du taux d’humidité dans la relaxation moléculaire de l’azote et de l’oxygène.

L’acoustique joue également un rôle important dans l’exploration de la supraconductivité et dans la mesure des propriétés des superfluides. À des températures inférieures à 2,17 kelvins, au-dessous de la transition, l’hélium dans sa phase HeII liquide est le siège de la propagation acoustique de cinq modes à caractéristiques différentes: ondes de pression, de densité, de température, d’entropie et de surface.

La contribution de l’acoustique à l’étude de l’état solide est là encore fructueuse: elle permet d’accéder aux valeurs des constantes élastiques des 2^e et 3^e ordres par mesure de célérités et de distorsions, d’étudier les interactions avec les phonons (vibrations de réseaux) et avec les électrons de conduction à basse température par mesures d’atténuation, d’analyser des effets structuraux tels que les transitions de phase, les défauts ponctuels, les dislocations, etc.

D’autres domaines de la science bénéficient de l’apport de l’acoustique: les plasmas, les fluides denses, les cristaux liquides, les films minces, les surfaces, la cavitation, la piézoélectricité, la séismologie, la géologie... Enfin, de multiples applications existent: mesure de vitesses d’écoulements, réalisation de lignes à retard, imagerie médicale, nettoyage aux ultrasons, gyrométrie, etc.

Encyclopédie Universelle. 2012.