Pression acoustique

Les disciplines qui doivent quantifier le son, c'est-à-dire faire correspondre à un lieu un nombre qui représente la force de la perception sonore à cet endroit se basent sur l'évaluation de la pression acoustique.

Les études d'acoustique architecturale comme les techniques en rapport avec la sonorisation, se préoccupent des moyens nécessaires pour utiliser le son comme moyen de communication. La quantification du son leur est nécessaire pour comparer des situations diverses et les moyens nécessaires pour atteindre leurs objectifs.

Les études d'acoustique environnementale ont leur origine dans les plaintes de personnes estimant que le son qui leur parvient est une nuisance, voire une atteinte à leur santé. Ces plaintes donnent lieu à des litiges. Pour assurer l'équité, ceux-ci doivent être réglés sur la base de mesures permettant de comparer les situations entre elles. Ces mesures interviennent assez tard dans la constitution des litiges, et limitent la multiplication des contestations[3].

Toutefois, le rapport entre pression acoustique et sensation sonore est loin d'être simple et direct, et fait l'objet d'un champ entier d'études qui répondent aux différentes façons d'appréhender le son, soit comme instrument de plaisir et de communication, soit comme élément de gêne.

La pression acoustique variant d'un endroit à un autre, selon la propagation des ondes sonores, on peut associer à chaque point de l'espace une valeur. Cette propriété fait de l'espace sonore un champ.

La physique des champs et le formalisme mathématique qui lui est associé a produit une quantité de résultats permettant la modélisation de ces espaces.

La valeur de la variation de pression est appelée pression acoustique instantanée. On la note souvent ${\displaystyle p'}$, par opposition à ${\displaystyle p}$, qui représente la pression absolue instantanée.

La pression acoustique oscille autour de la pression ambiante ${\displaystyle \textstyle P_{a}}$ (la pression atmosphérique dans le cas de l'air). La notion de pression acoustique instantanée comporte une notion de différenciation implicite. On considère les variations autour d'une pression stable ; la pression atmosphérique variant, il s'agit de l'intégration des pressions sur une certaine période ${\displaystyle t_{i}}$. En un point donné, on écrit :

${\displaystyle p\,'(t_{0})=p(t_{0})-P_{a}=p(t_{0})-{\frac {1}{\tau }}\int _{t=0}^{\infty }e^{-{\frac {t}{\tau }}}p(t_{0}-t)\,\mathrm {d} t\;.}$

Il faut choisir ${\displaystyle \tau }$ de façon à déterminer une fréquence en dessous de laquelle la variation de pression ne fait pas partie de la pression acoustique. En général, le transducteur qui sert à effectuer la mesure effectue la différenciation : les microphones ne sont pas des baromètres, même si tous deux transforment la pression en une autre grandeur.

À travers une surface perpendiculaire à la direction de propagation, une onde sonore développe une puissance proportionnelle à l'aire et au carré de la pression acoustique :

${\displaystyle P=S{\frac {p^{2}}{\rho _{0}\ c}}\;,}$

où :

• ${\displaystyle S}$ est la surface de la paroi ;
• ${\displaystyle p}$ est la pression acoustique ;
• ${\displaystyle \rho _{0}}$ est la masse volumique de l'air, égale à 1,2 kg/m³ aux conditions normales de température, d'humidité et de pression atmosphérique ;
• ${\displaystyle c}$ est la vitesse du son, égale à 343 m/s dans les mêmes conditions.

Au contact d'une paroi, la pression exerce une force qui déforme la paroi. Le produit de cette déformation par la pression et l'aire est une puissance transmise à la matière de l'objet, tandis que le reste de la puissance acoustique est réfléchie.

Pour les mesures de niveau sonore, on s'intéresse moins aux valeurs de la pression sonore instantanée qu'à la puissance que les ondes sonores peuvent mobiliser, dont dépendent les effets du son, notamment sur l'oreille. C'est donc cette puissance, proportionnelle au carré de la pression acoustique, qui sert pour évaluer le niveau sonore.

La valeur efficace ${\displaystyle p_{\textrm {eff}}(t)}$ de la pression acoustique se calcule sur une période d'intégration ${\displaystyle t_{i}}$ :

${\displaystyle p_{\textrm {eff}}(t)={\sqrt {{\frac {1}{t_{i}}}\cdot \int _{t-t_{i}}^{t}p'^{2}(t)\,\mathrm {d} t}}\;.}$

Cette intégration du carré de la pression instantanée est effectuée le plus souvent par un simple circuit électronique intégrateur. Le temps d'intégration doit être suffisamment long : plusieurs fois la période de la plus basse fréquence envisagée pour la pression acoustique instantanée.

Courbes isosoniques

L'oreille humaine est plus sensible à certains types de sons qu'à d'autres. L'impression de volume sonore dépend largement de la fréquence. De nombreux chercheurs ont établi des courbes de sensibilité aux sons purs. Ces courbes déterminent la pondération en fréquence de la pression acoustique pour obtenir des phones, unité de sonorité perceptive (sonie ou bruyance). À cet effet se combinent :

• la sensibilité par bandes, qui fait que lorsqu'un son est composé de plusieurs bandes de fréquence, celle qui a la plus forte pression acoustique contribue plus que les autres à l'impression sonore ;
• l'effet de masque, qui fait qu'un son qui représente effectivement de la pression acoustique ne participe pas à l'impression de volume, parce qu'un autre, plus fort et situé dans la même bande de fréquence, empêche de le percevoir ;
• les effets temporels, qui font qu'un son paraît moins fort quand sa durée n'atteint pas un certain seuil ;
• l'acoustique du local d'écoute influe sur le niveau sonore perçu ; on ne ressent pas avec la même force un son diffus et un autre, identique en timbre et en pression acoustique, provenant d'une source définie.

L'établissement d'une mesure psychoacoustique de la sonorité relève d'études spécialisées.

• Intensité acoustique
• Sonie
• Son (physique)
• Acoustique
• Courbe isosonique
• Phone

• Patrice Bourcet et Pierre Liénard, « Acoustique fondamentale », dans Le livre des techniques du son, tome 1 - Notions fondamentales, Paris, Eyrolles, 1987, p. 13-43

• Antonio Fischetti, Initiation à l'acoustique : Écoles de cinéma — BTS audiovisuel, Paris, Belin, 2001, 287 p.
• Mario Rossi, Audio, Lausanne, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes, 2007

• Vincent Martin, Éléments d'acoustique générale, Lausanne, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes, 2007

• (en) Conversion of sound pressure to sound pressure level and vice versa
• e.m.c.2 - Grandeurs acoustiques