ACOUSTIQUE - Audiométrie

ACOUSTIQUE - Audiométrie

Il est facile de constater que la sensation sonore dépend des caractéristiques physiques des sons et des bruits. Un son trop faible n’est pas perçu. Un son trop fort provoque une gêne, voire une douleur. Il existe donc des limites d’intensité du stimulus physique hors desquelles l’écoute est impossible. Il en est de même quant à la hauteur ou fréquence des sons. Un son trop grave ne provoque pas de sensation sonore (c’est le cas des trépidations). Un son trop aigu n’est pas perçu (ultrasons). L’oreille ne différencie deux sons en intensité ou en fréquence que lorsque les différences relatives ne sont pas inférieures 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 la durée du stimulus. Il est bien évident que ces diverses caractéristiques, intéressantes à connaître pour les diverses applications (correction auditive, enregistrement et reproduction des sons, mesure des bruits, acoustique architecturale...), dépendent du sujet (âge, sexe, état de santé).

Il convient donc de définir une «oreille moyenne » dont les diverses caractéristiques exprimées 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 .

L’étude métrologique de l’audition ou audiométrie permet de 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 chez le sujet expérimenté 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 et d’âge compris entre dix-huit et vingt-cinq ans permet de déterminer ainsi les courbes du seuil d’audition normal et du seuil d’audition intolérable normal (fig. 1).

Enfin, la confirmation des résultats obtenus dans divers pays par les acousticiens – Fletcher et Munson (1933), Churcher et King (1937), Robinson et Dadson (1956), Zwicker et Heinz (1956) – a permis à la Commission internationale de l’acoustique d’établir un projet de recommandation I.S.O. (International Standard Organization) diffusé par les diverses associations de normalisation (Afnor pour la France).

On définit ainsi le seuil d’audition normalisé (fig. 1). L’aire comprise entre les courbes des seuils d’audition et d’audition intolérable représente l’aire d’audition . La forme de la courbe du seuil d’audition permet de se rendre compte à quel point la sensibilité du système auditif dépend de la fréquence, et ce, dans de très grandes proportions.

Ainsi, entre les fréquences 1 000 et 3 000 Hz, une pression acoustique de 2 憐 10^-5 Pa (ou une intensité sonore de 10^-12 W/m²) suffit à provoquer une sensation sonore, tandis qu’à la fréquence 50 Hz, il faut 2 憐 10^-3 Pa (100 fois plus) pour provoquer la sensation sonore.

Entre les seuils d’audition et d’audition intolérable, il existe un rapport de pression de 10⁷ (soit un rapport d’intensité acoustique de 10¹⁴) (à la fréquence 1 000 Hz). Enfin on voit que le domaine de réponse du système auditif humain, en fréquence, s’étend à peu près de 20 à 20 000 Hz.

On appelle infrasons les vibrations de fréquences trop basses pour éveiller une sensation sonore (face=F0019 麗 20 Hz), et ultrasons les vibrations de fréquences trop élevées pour éveiller une sensation sonore (face=F0019 礪 20 000 Hz).

1. Sensibilité différentielle du système auditif

Sensibilité différentielle d’intensité

On appelle ainsi, pour une fréquence donnée, et pour une pression acoustique donnée p ^e , correspondant à une intensité acoustique I, la variation relative de pression p ^e /p ^e ou d’intensité I/I pour laquelle le système auditif perçoit un minimum discernable de sensation S. Alors, à p ^e /p ^e ou à I/I correspond S.

La sensibilité différentielle du système auditif humain est à peu près constante et presque indépendante de la pression acoustique dans une grande étendue de fréquences (fig. 2).

Le seuil différentiel d’intensité augmente quand on se rapproche des seuils d’audition et d’audition intolérable. Dans le domaine où ce seuil est pratiquement constant, la variation relative I/I la plus petite, correspondant à la variation tout juste discernable S de sensation, est en rapport constant avec cette dernière. C’est ce que Weber a traduit par: I/I = 1/K S (K étant une constante).

Cette relation différentielle a été écrite par Fechner sous la forme intégrée:

d’où la «pseudo-loi» de Weber-Fechner: «La sensation croît à peu près comme le logarithme de l’excitation.»

Sensibilité différentielle de fréquence

On définit ainsi le rapport 益/ 益 ( 益 étant la fréquence du stimulus sonore). Le seuil différentiel varie avec la fréquence et avec l’intensité acoustique des sons.

Pour une valeur moyenne de l’intensité acoustique, 益/ 益 reste constant dans une certaine étendue de fréquence, plus exactement varie peu (fig. 3); on voit que, pour «l’oreille moyenne», cette valeur oscille entre 0,2 p. 100 et 0,3 p. 100 dans la zone des fréquences 500-8 000 Hz. Ces valeurs dépendent de l’intensité acoustique; les chiffres donnés correspondent à une onde sinusoïdale plane, progressive, d’intensité 10^-6 W/m².

Les deux caractéristiques de sensibilité différentielle du système auditif humain: sensibilité différentielle d’intensité et de fréquence ont leurs applications dans les techniques d’enregistrement et de reproduction des sons.

En particulier, la valeur minimale du seuil différentiel de fréquence (de 0,2 à 0,3 p. 100 entre 500 et 8 000 Hz et pour un niveau acoustique moyen) est à retenir; elle sert de base à l’expression du taux de fluctuation de la vitesse instantanée des divers supports d’enregistrement: disque, film, bande magnétique.

Les défauts de fluctuation de la vitesse instantanée de rotation ou de défilement de ces supports s’appellent pleurage et scintillement.

2. Niveaux physiques et niveaux physiologiques

En application de la «pseudo-loi» de Weber-Fechner (loi très approchée qui n’est à peu près exacte que dans la zone des intensités acoustiques et des fréquences moyennes), le fait qu’il existe un rapport élevé entre les valeurs de la pression acoustique (ou de l’intensité acoustique) au seuil d’audition et au seuil intolérable (10⁷ pour les pressions acoustiques, et 10¹⁴ pour les intensités acoustiques), a conduit tout naturellement à adopter une notation logarithmique.

La loi de Weber-Fechner: S = K ln I indique que, lorsque le stimulus physique I croît comme les nombres: 1, 2, 4, 100, 1 000, 10 000, la sensation auditive S croît comme les nombres: 0, 0,3, 0,6, 2, 3, 4.

Notre système auditif éprouve, approximativement, la même impression de croissance, par échelons d’égale importance, quand l’intensité physique I varie de 1 à 10 ou de 100 à 1 000 par exemple.

Compte tenu de ces diverses constatations, on peut écrire: S = K ln I²/I¹, I¹ et I² étant les intensités acoustiques dont la comparaison crée la sensation relative S.

En adoptant, pour des raisons pratiques, les logarithmes décimaux et pour K la valeur 10, on peut écrire: N = 10 lg I²/I¹ et N s’exprime en décibels (dB). Si K = I, N s’exprime en bels (B), unité trop grande pour les mesures acoustiques courantes. Le bel et le décibel (du nom du physicien américain Graham Bell) sont des unités sans dimension, utilisées, en principe, pour exprimer le rapport des valeurs de deux puissances, le nombre de bels étant égal au logarithme décimal de ce rapport. On en déduit que 10, 20, 30 dB représentent respectivement un raport d’intensités acoustiques de 10, 100 et 1 000.

Si on veut employer les pressions acoustiques et non plus les intensités acoustiques,on utilise la relation: I = p ²/ 福c . On a alors: N(dB) = 10 lg I²/I¹ = 20 lg P²/P¹.

En application des relations précédentes:

On peut ainsi définir des niveaux physiques en convenant de définir un niveau de référence appelé niveau de base ou niveau zéro, correspondant à la fréquence 益 de référence de 1 000 Hz:

ou parfois:

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 (fig. 4). Ces courbes isosoniques définissent ainsi les niveaux physiologiques repérés en unités appelées phones .

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 憐 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.

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 I^{a 1} et de la fréquence f ¹ 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.

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 (fig. 5). 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.

Riesz et Knudsen, s’inspirant des travaux de Nutting sur la vision, ont proposé de remplacer la relation de Weber: I^a /I^a = 1/K S par I^a /I^a = A + (1 漣 A) (I^a0 /I^a ) size=1^見, formule dans laquelle I^a0 est l’intensité acoustique au seuil d’audition (10^-12 W/m²), I^a , l’intensité acoustique du son considéré; A est la valeur de I^a /I^a = 1/K S 見 pour les fortes intensités acoustiques. De plus, 見 est un exposant dépendant de la fréquence du son considéré:

5. Échelle de sonie

Devant ces difficultés, Fletcher, Robinson, Stevens et d’autres acousticiens ont imaginé une nouvelle échelle des intensités subjectives en se basant sur les remarques suivantes.

En premier lieu, l’audition d’un même son avec les deux oreilles (normales et également sensibles) provoque une sensation S deux fois plus forte que l’audition du même son par une seule oreille. Partant ainsi de la sensation S correspondant à l’intensité physique I^{a 1}, on peut définir la sensation 2S. En réglant physiquement l’intensité du son à une valeur Ia² correspondant à la sensation S² = 2S pour une oreille, on peut de même définir la sensation 4S pour les deux oreilles et ainsi de suite...

En second lieu, deux sons, situés dans des bandes de fréquences suffisamment éloignées pour affecter des voies nerveuses différentes et pour éviter tout phénomène de battements ou d’interférence, étant réglés pour provoquer une même sensation S quand ils sont entendus séparément, provoquent la sensation 2S quand ils sont perçus ensemble. On règle ensuite l’intensité acoustique de chaque son, de manière que chacun d’eux provoque la sensation 2S; perçus simultanément, ils provoquent la sensation 4S, etc. On a ainsi la possibilité d’établir une échelle de sensation subjective des intensités acoustiques, et de tracer une courbe de corrélation entre les phones (unités physiologiques) et les sones (unités subjectives).

Des travaux dus en particulier à Stevens (The Measurement of loudness , 1955) et à D. W. Robinson (The Subjective Loudness Scale , 1956), ont conduit la Commission internationale de l’acoustique à publier un projet de recommandation I.S.O. sur l’échelle de sonie (fig. 6).

L’objet principal de l’échelle des sones est de fournir une désignation numérique de la force des sons qui soit proportionnelle à leur intensité subjective résultant de l’estimation de l’auditeur médian d’un groupe d’observateurs normaux. La relation entre la sonie S, exprimée en sones, et le niveau d’isosonie P, exprimé en phones, est la suivante: S = 2 exp (P 漣 40)/10. Ainsi le sone (unité de sonie) est l’intensité d’un son dont le niveau d’isosonie est de 40 phones. Un rapport de sonies de 2 correspond à un intervalle de 10 phones.

Encyclopédie Universelle. 2012.