THEME 2 : SON ET MUSIQUE EMETTEURS ET RECEPTEURS SONORES (CHAP.4 DU LIVRE)

Ch4 – Exercices Oreille et nocivité du bruit- 1/5

EXERCICES OREILLE ET NOCIVITE DU BRUIT

INFORMATIONS UTILES

DONNEES :

Dans le cas de plusieurs sources sonores, les intensités acoustiques s’additionnent : I =∑ In.

Intensité acoustique : I = P/S avec P, puissance acoustique en W, S surface du front d’onde en m2. Pour une onde

sphérique, S = 4πd2 avec d, la distance entre l’émetteur et le récepteur.

Seuil d’audibilité à 3000 Hz : I0 = 1,0. 10-12 W.m-2 Seuil de douleur : Idouleur = 1 W.m-2

Niveau d’intensité sonore : L (en dB) = 10 log (I/I0)

On supposera que le milieu de propagation est homogène (air à 20°C) et que la propagation du son s’effectue

sans amortissement acoustique (pas de transformation d’énergie mécanique en énergie thermique).

Dans le cas de deux émissions sonores simultanées dont les niveaux d’intensité sont séparés de 8 dB au

minimum, le son le plus faible devient imperceptible.

DOCUMENTS :

A la foire :

Protections auditives Document 1 : casques anti-bruits et bouchons en mousse Les casques anti-bruits passifs sont principalement utilisés dans des situations de travail. La loi française oblige l'employeur à protéger l'audition de ses employés dans l’environnement de travail ou le bruit ambiant est supérieur à 85 dB. Le niveau d'affaiblissement du bruit est mesuré en SNR (Rapport Signal/Bruit) qui donne une information sur le niveau de protection contre le bruit, en décibels, assuré par le dispositif de protection. Les casques antibruit passifs offrent une atténuation entre 20 dB et jusqu'à 33 dB pour les plus performants. Par exemple SNR 20 dB signifie une atténuation moyenne de 20 dB.

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Les bouchons d'oreilles ont la même fonction que les casques, et sont plus simples et beaucoup moins chers. La plupart des bouchons d'oreilles sont fabriqués en mousse à mémoire de forme, qui est généralement roulé en forme de cylindre bien comprimé (sans plis) par les doigts et ensuite inséré dans le conduit auditif. Une fois libéré, le bouchon gonfle jusqu'à obturer le conduit, amortissant les vibrations sonores qui atteignent le tympan. Caractéristiques d'un bouchon et d'un casque du commerce tous les deux SNR 30 dB :

Fréquence (en Hz) 125 250 500 1000 2000 4000 8000

Atténuation (en dB) d'un bouchon SNR 30 dB

12 17 23 29 30 31 33

Atténuation (en dB) d'un casque SNR 30 dB

21 26 30 28 30 32 28

Source : http://fr.wikipedia.org et publicités pour les caractéristiques Document 2 : musique et protection auditive Certains bouchons d'oreilles sont conçus pour atténuer le niveau d’exposition sonore en décibels pour l'utilisateur sans affecter sa perception de la musique. Ils sont couramment utilisés par les musiciens et techniciens tant en studio qu’en concert pour éviter une exposition à un niveau trop élevé, tout en respectant un bon équilibre dans la bande des fréquences perçues. Les bouchons pour musiciens sont conçus pour atténuer les sons uniformément sur l'ensemble des fréquences auditives et permettre ainsi aux musiciens de l’orchestre d'entendre clairement les harmoniques aiguës, chants, cymbales, et d'autres hautes fréquences, mais à volume réduit. Ces bouchons d'oreilles apportent généralement une atténuation de 20 dB seulement et ne sont pas destinés à la protection contre les niveaux sonores très élevés (> 105 dB). Source : http://fr.wikipedia.org Document 3 : trombone Le trombone est un instrument de musique à vent et à embouchure de la famille des cuivres clairs. Le terme désigne implicitement le trombone à coulisse caractérisé par l'utilisation d'une coulisse télescopique, mais il existe également des modèles de trombone à pistons. Le trombone à coulisse est réputé pour être l'un des instruments les plus difficiles, mais également l'un des plus puissants d'un orchestre. Un trombone peut jouer des variations de nuances allant d’une nuance pp (pianissimo = très faible) correspond à 85 dB à une nuance ff (fortissimo = très fort) correspond à 115 dB, ce qui correspond à une variation de 30 dB mesurés à 20 cm en sortie du trombone. Source : http://fr.wikipedia.org Source 2 : "De la vibration des lèvres au son émis par le trombone" par Joël Gilbert CNRS (Le Mans)

Document 4 : échelle des dB Source : http://www.audio2000.fr

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QUESTIONS

A) L’OREILLE … A la foire

Dans une foire, on a installé un stand à proximité d’un haut-parleur qui émet de la musique. Ce haut-parleur (voir

schéma en annexe) est considéré comme une source acoustique S d’ondes sphériques de puissance sonore

P = 1,0. 10 - 3

W. Les oreilles de la personne A, responsable du stand, se trouvent en M1.

1) Etablir l’expression littérale de l’intensité acoustique I reçue par la personne A en fonction de P, h, h0 et .

I = P/S

avec P, la puissance acoustique en W et S la surface du

front d’onde en m2.

La personne A reçoit des ondes sonores du haut-parleur

considéré comme une source acoustique d’ondes

sphériques.

Pour une onde sphérique, S = 4 x π x d2 avec d la distance

entre l’émetteur et le récepteur.

Calcul de la distance :

On pose (HP – M1) = d

D’après le théorème de Pythagore : d2 = (h – h0)2 + 2

L’intensité acoustique : I = P / S avec S = 4.π.d2

I = P / (4 x π x ((h – h0)2 + 2))

Une deuxième personne vient s’asseoir au stand pour demander un renseignement. La conversation à deux est

de niveau d’intensité sonore normale, soit Lconv = 70 dB.

2) En déduire la distance min minimale à laquelle la personne A devra se trouver du poteau pour que les deux

personnes puissent s’entendre sans être gênées par la musique (musique imperceptible). On supposera

que la musique et la « conversation » sont de fréquences très voisines.

Pour que la musique deviennent imperceptible, il faut que : Lmusique < Lconv - 8 dB donc Lmusique < 62 dB

Calcul de l’intensité acoustique Imusique correspondant à 62 dB :

L = 10 log (I/I0) donc log(I/I0) = L / 10 donc I / I0 = 10L/10 donc I = I0 x 10L/10

Or I = P / (4 x π x ((h – h0)2 + 2)) donc P / (4 x π x ((h – h0)

2 + 2)) = I0 x 10L/10

Donc 4 x π x ((h – h0)2 + 2) = P / I0 x 10L/10 donc (h – h0)

2 + 2 = P / (4 x π x I0 x 10L/10)

Donc 2 = ( P / (4 x π x I0 x 10L/10)) - (h – h0)2

Donc 2 = ( 1,0.10-3 /(4 x π x 1,0.10-12 x 1062/10)) - (4,0 – 1,10)2

Donc 2 = 42

Donc = 42

Donc = 6,5 donc min = 6,5 m Donc > min

d

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3) En réalité, la personne A est située sur une direction faisant un angle de 60° avec l’axe principal du haut-

parleur. En exploitant les documents et sans faire de calculs, expliquer brièvement comment cette nouvelle

information va modifier la valeur de min précédente.

A l’aide du document, on observe que pour angle de 60°, le niveau sonore du haut-parleur est atténué de 5 dB.

Donc les personnes peuvent se rapprocher du poteau c’est-à-dire que min peut diminuer.

En effet, min sera calculé comme si le niveau sonore du haut-parleur était de 62 + 5 = 67 dB

B) L’OREILLE … A protéger de la nocivité du bruit

Les protections auditives sont des équipements visant à atténuer les effets du bruit ambiant sur l'être humain, limitant ainsi les risques de lésions de l'audition.

1) Comparer la protection offerte par un casque à celle offerte par un bouchon. Exploitation du document :

Caractéristiques d'un bouchon et d'un casque du commerce tous les deux SNR 30 dB :

Fréquence (en Hz) 125 250 500 1000 2000 4000 8000

Atténuation (en dB) d'un bouchon SNR 30 dB

12 17 23 29 30 31 33

Atténuation (en dB) d'un casque SNR 30 dB

21 26 30 28 30 32 28

source : http://fr.wikipedia.org et publicités pour les caractéristiques La protection d’un casque est quasiment la même quelque soit la fréquence alors qu’elle est plus ou moins importante selon la fréquence pour un bouchon d’oreille.

2) Calculer l'intensité sonore d'un marteau-piqueur à 115 dB et montrer que l'on s'approche du seuil de douleur.

L = 10 log (I/I0) soit log (I/I0) = L /10 soit I/I0 = 10L/10 soit I = I0.10L/10 A.N. : L = 115 dB I0 = 1,0.10-12 W.m-2 I = 1,0.10-12 x 10(115/10) = 0,32 W.m-2 On sait que le seuil de douleur est de 1 W.m-2. I = 0,32 W.m-2 représente seulement 1/3 du seuil donc on pourrait dire que l’on est éloigné du seuil de douleur. Mais en terme d’échelle : I seuil de sensibilité = 1,0 .10-12 W.m-2 et I seuil de douleur = 1 W.m-2 donc I = 0, 32 est très proche du seuil de douleur. 3) Un employeur propose des bouchons d'oreilles à son ouvrier utilisant un marteau-piqueur à 115 dB. Le

marteau-piqueur émet majoritairement des sons graves (fréquence voisine de 125 Hz). Discuter au regard de la loi et du confort d'utilisation (dans la durée) si l'ouvrier est correctement protégé, et combien de temps il pourra travailler ainsi. « La loi française oblige l'employeur à protéger l'audition de ses employés dans l’environnement de travail ou

le bruit ambiant est supérieur à 85 dB » or le marteau-piqueur atteint 115 dB donc l’ouvrier doit être protégé. Le tableau du doc. 2 nous apprend que les bouchons d’oreilles offrent une atténuation de 12 dB pour des

fréquences de 125 Hz. Ainsi, avec des bouchons d’oreilles, l’ouvrier sera exposé à un niveau sonore de 115 – 12 = 103 dB Le document 4 nous apprend qu’une oreille ne peut être exposé à un niveau sonore de 103 dB seulement pendant 1 heure.

4) Comparer l'atténuation des bouchons en mousse classiques avec l'atténuation des bouchons pour musiciens et décrire le son qui serait perçu avec des bouchons en mousse. L’atténuation des bouchons en mousse classiques n’est pas identique selon les fréquences (doc. 1 : de 12 à 33 dB pour des fréquences de 125 à 8 000 Hz) alors que ceux pour les musiciens ont une atténuation uniforme (doc. 2 : 20 dB pour atténuer les sons sur l’ensemble des fréquences). Le son perçu avec des bouchons en mousse ne correspond pas aux sons émis : les basses fréquences sont moins atténuées que les hautes. Le son perçu sera plus aigu que celui d’origine.

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5) Comparer les valeurs des intensités sonores I entre la nuance pianissimo et la nuance fortissimo jouées au trombone. L = 10 log (I/I0) soit log (I/I0) = L /10 soit I/I0 = 10L/10 soit I = I0.10L/10 A.N. : pour la nuance pianissimo L = 85 dB I0 = 1,0.10-12 W.m-2

I = 1,0.10-12 x 10(85/10) donc I = 3,2.10-4 W.m-2

A.N. : pour la nuance fortissimo L = 115 dB I0 = 1,0.10-12 W.m-2

I = 1,0.10-12 x 10(115/10) donc I = 3,2.10-1 W.m-2

Comparons les valeurs des intensités sonores Iff / Ipp = 3,2.10-1 / 3,2.10-4 = 1 000 L’intensité sonore d’une nuance fortissimo est 1 000 fois plus forte qu’une nuance pianissimo.