La sonie des sons impulsionnels : perception, mesures et modèles

Bruits de transport, bruits de voisinage, bruits liés aux activités industrielles et commerciales… de nombreuses sources de bruit nous entourent. Le bruit est une des principales nuisances dont se plaignent les Français. A l’heure actuelle, un des moyens pour quantifier la gêne perçue est de déterminer le niveau de pression acoustique d’un signal, mesuré en décibels (Sound Pressure Level en anglais, d’où la notation de dB SPL qui sera fréquemment utilisée dans ce document). Mais si l’on s’intéresse au niveau sonore réellement perçu par l’être humain, alors cette mesure physique ne suffit plus. En effet, lorsqu’on entend un bruit, plusieurs phénomènes physiologiques, réalisés au niveau de notre système auditif , contribuent à cette intensité sonore que nous percevons et qui s’appelle la sonie.

La sonie est une grandeur subjective et s’exprime en sones. On parlera aussi dans ce qui suit de niveau d’isosonie dont l’unité est le phone. L’échelle des phones est basée sur une échelle physique .

En tant que grandeur subjective, la sonie est mesurée par des méthodes psychoacoustiques qui seront exposées dans le chapitre II. Pour évaluer la sonie, des grandeurs physiques ont été utilisées, comme le dB(A), en tenant compte des variations de la sensibilité de l’oreille en fonction de la fréquence. Le dB(A) ne tient  pas compte d’autres phénomènes physiologiques, comme le masquage fréquentiel ou le fonctionnement de l’oreille comme un banc de filtres, et reste insuffisant pour estimer correctement la sonie. Il n’existe malheureusement pas à ce jour de modèle scientifique validé pour calculer la sonie globale de n’importe quel type de son, en particulier s’il est impulsionnel.

La détermination de la sonie, intensité subjective d’un son, est essentielle pour évaluer la gêne de signaux acoustiques. En effet, plusieurs études ont été recensées sur l’importance de la sonie dans l’évaluation de la gêne (Berglund, 1990 ; Parizet et coll., 1996 ; Meunier et Marchioni, 1998 ; Boullet et Boussard, 2001). Parmi elles, celles réalisées sur des types de bruits spécifiques tels que des bruits de voisinage, des bruits de chantier ou encore des bruits de transport (trafic routier ou ferroviaire) ont confirmé que le niveau de gêne s’explique essentiellement par l’intensité perçue du bruit (Lévy-Leboyer, 1988). En ce qui concerne les signaux sonores impulsionnels, la sonie est encore admise comme un des facteurs importants du désagrément (Cops et Myncke, 1976). Nous donnons ici, à titre d’exemple, un résultat obtenu dans le cadre d’une étude que nous avons réalisée avec la société GENESIS (financée par l’ADEME pour le Ministère de l’Aménagement du Territoire et de l’Environnement) sur la gêne des bruits de chantier. Cette étude aussi a montré que la sonie est un facteur prédominant dans l’évaluation de la gêne.

LA SONIE : DE QUELS FACTEURS DEPEND-ELLE ? COMMENT LA MESURE-T-ON ? 

D’après la norme ISO 532 B (1975), la sonie est la désignation numérique de la force d’un son, en sones, proportionnelle à sa grandeur subjective estimée par des observateurs normaux. En d’autres termes, c’est le niveau sonore perçu d’un son. La sonie dépend essentiellement du niveau de pression sonore mais aussi de la fréquence et de la durée. La sonie d’un son est ainsi liée au fonctionnement de l’oreille.

Un son est tout d’abord transmis à l’oreille externe. Le pavillon et le conduit auditif agissent sur l’amplitude de la vibration sonore (gain acoustique). Le son est filtré et chaque fréquence du spectre est plus ou moins amplifiée. Ce signal acoustique est ensuite transformé en vibrations mécaniques à l’intérieur de l’oreille moyenne (tympan, osselets, fenêtre ovale) qui joue le rôle d’adaptateur d’impédance pour éviter de trop grandes pertes d’énergie au passage dans l’oreille interne (cochlée). Ces vibrations sont alors transmises à l’intérieur de la cochlée jusqu’à la membrane basilaire, jouant le rôle d’analyseur spectral, où se passent des phénomènes responsables du masquage fréquentiel. La vibration mécanique est ensuite transformée en impulsions nerveuses à l’intérieur de l’organe de Corti par les cellules ciliées internes et externes. Cet influx nerveux est enfin transmis par le nerf auditif au cerveau et décodé par ce dernier.

Après ce rapide aperçu des différentes étapes parcourues par un son au travers du système auditif pour que nous l’entendions, nous allons nous appliquer à faire le point des connaissances sur la sonie. Dans un premier temps, un rapide rappel sera fait concernant les facteurs influençant la sonie des sons stationnaires. Ensuite, un point plus détaillé portera sur la sonie des sons impulsionnels. On abordera aussi la sonie de sons de durées supérieures à quelques secondes. Et enfin nous décrirons les principales méthodes de mesure de la sonie.

La sonie des sons stationnaires 

Depuis les années 1950, la sonie des sons stationnaires a fait l’objet de nombreuses études. Dans cette partie, nous allons en rappeler les principaux résultats.

La sonie s’exprime en sones, unité basée sur une échelle sensorielle établie à partir de méthodes directes (Stevens, 1956) qui consistent à demander aux auditeurs de choisir des nombres proportionnels à la sonie des sons présentés. Par convention, la valeur de 1 sone est la sonie d’un son pur de 1000 Hz à 40 dB SPL. Un son de 2 sones est perçu deux fois plus fort qu’un son de 1 sone. On peut aussi mesurer la sonie d’un son test par comparaison à un son pur de référence de 1000 Hz. On obtient alors le niveau d’isosonie en phones, qui est le niveau en dB SPL que doit avoir le signal de référence pour que les deux sons (son test et son de référence) aient la même sonie. L’échelle des phones, établie à partir de méthodes de comparaison (Fletcher et Munson, 1933), coïncide avec l’échelle des dB SPL pour un son pur de 1000 Hz .

Sonie en fonction de l’intensité 

La sonie dépend essentiellement de l’intensité acoustique. La relation entre l’intensité et la sonie est appelée fonction de sonie. Elle a été établie expérimentalement par Stevens, en faisant estimer la sonie d’un son de 1000 Hz à différents niveaux de pression acoustique. La relation entre la sonie (S) en sones et la pression (P) en Pascals, ou l’intensité (I) (I=P²/ρc : avec ρ la densité de l’air et c la célérité du son dans l’air) en watts par mètre carré, est une simple fonction puissance pour des niveaux supraliminaires .

La sonie des sons impulsionnels 

Définition

La norme NF (S31-010, décembre 1996) définit un bruit impulsionnel comme un « bruit consistant en une ou plusieurs impulsions d’énergie acoustique, ayant chacune une durée inférieure à environ 1 s et séparée(s) par des intervalles de temps de durée supérieure à 0,2 s ». Cette définition reste imprécise et est encore discutée. Une description de sons impulsionnels « naturels » dans le chapitre IV permettra d’affiner cette définition. Le terme « son impulsionnel naturel » est opposé à « son impulsionnel de synthèse ».

Facteurs influençant la sonie des sons impulsionnels 

Pour des sons de durée inférieure à la durée critique, la sonie augmente avec la durée des sons. Cela peut s’expliquer par le fait que l’oreille se comporte comme un intégrateur d’énergie. Cependant des expériences ont montré qu’à énergie constante, il peut aussi apparaître des variations de sonie. La sonie d’un son impulsionnel peut être différente d’un autre son impulsionnel plus long mais de même énergie. Il faut donc, en plus de la quantité d’énergie, s’attacher à rechercher ce qui, dans la forme, modifie la perception des bruits impulsionnels (Rumeau M., 1980). D’autres facteurs sont alors à prendre en compte pour le calcul de la sonie des bruits impulsionnels. On présente dans cette partie une synthèse des travaux réalisés sur les facteurs qui influencent la sonie des sons impulsionnels.

Table des matières

I- INTRODUCTION
II- LA SONIE : DE QUELS FACTEURS DEPEND-ELLE ? COMMENT LA MESURE-T-ON ?
II-1 LA SONIE DES SONS STATIONNAIRES
II-1.1 Sonie en fonction de l’intensité
II-1.2 Sonie en fonction de la fréquence
II-1.3 La sonie en fonction de la durée
II-2 LA SONIE DES SONS IMPULSIONNELS
II-2.1 Définition
II-2.2 Facteurs influençant la sonie des sons impulsionnels
II-3 SONIE DES SONS STATIONNAIRES ET NON STATIONNAIRES DE DUREE MOYENNE OU LONGUE
II-3.1 Adaptation de sonie
II-3.2 Sonie de séquences sonores (effet de mémoire)
II-3.3 Décrutement
II-4 MESURE DE LA SONIE
II-5 CONCLUSION
III- LES MODELES DE SONIE
III-1 DESCRIPTION DES MODELES DE SONIE
III-1.1 Sonie des sons stationnaires
III-1.2- Sonie des sons non stationnaires
III-2 COMPARAISON DES MODELES DE SONIE SUR DES SONS DE L’ENVIRONNEMENT
III-2.1 Sons stationnaires
III-2.2 Sons non stationnaires et impulsionnels de l’environnement (bruits de chantier)
III-2.2.1 Enregistrements des bruits de chantier
III- 2.2.2 Mesure du niveau d’isosonie
III-2.2.3 Comparaison des niveaux d’isosonie mesurés et calculés
III-3 INTRODUCTION DES INDICES UTILISES POUR EVALUER LES MODELES DE SONIE
III-4 CONCLUSION
IV- UN ESTIMATEUR DE SONIE POUR LES SONS IMPULSIONNELS
IV-1 CARACTERISTIQUES PHYSIQUES DES SONS IMPULSIONNELS
IV-2 ESTIMATEUR DE SONIE DE SONS IMPULSIONNELS
IV-2.1 Stimuli
IV-2.2 Auditeurs
IV-2.3 Dispositif expérimental
IV-2.4 Procédure
IV-2.5 Résultats
IV-3 INFLUENCE DE LA DUREE DE DECROISSANCE EN FONCTION DU NIVEAU ET DE LA FREQUENCE
IV-3.1 Stimuli
IV-3.2 Résultats
IV-4 TEST DE L’ESTIMATEUR DE SONIE D’IMPULSION
IV-4.1 Stimuli
IV-4.2 Auditeurs
IV-4.3 Dispositif expérimental
IV-4.4 Procédure
IV-4.5 Résultats
IV-5 CONCLUSION
V- COMPARAISON DE METHODES DE MESURE DU NIVEAU D’ISOSONIE POUR DES SONS STATIONNAIRES, DES SONS IMPULSIONNELS ET DES TRAINS D’IMPULSIONS
V-1 METHODE
V-1.1- Stimuli
V-1.2- Auditeurs
V-1.3- Dispositif expérimental
V.1.4- Procédures
V-1.5- Analyse des données
V-2 RESULTATS ET DISCUSSION
V-2.1 Cohérence des méthodes
V-2.2 Précision des méthodes
V-2.3 Fiabilité de la méthode d’ajustement
V-3 CONCLUSION
VI- LIGNES ISOSONIQUES ET FONCTIONS DE SONIE DE SONS IMPULSIONNELS
VI-1 LIGNES ISOSONIQUES DE SONS IMPULSIONNELS
VI-1.1 Stimuli
VI-1.2 Dispositif expérimental
VI-1.3 Auditeurs
VI-1.4 Procédure
VI-1.5 Résultats et discussion
VI-1.6 Conclusion sur l’étude des lignes isosoniques de sons impulsionnels
VI-2 FONCTIONS DE SONIE DE SONS IMPULSIONNELS : INFLUENCE DE LA DUREE ET DE LA FREQUENCE
VI-2.1 Stimuli
VI-2.2 Dispositif expérimental
VI-2.3 Auditeurs
VI-2.4 Procédure
VI-2.5 Résultats et discussion
VI-2.5.1 Influence de la durée
VI-2.5.2 Influence de la fréquence
VI-2.5.3 Conclusion sur l’étude des fonctions de sonie de sons impulsionnels
VI-3 CONCLUSION GENERALE
VII- INTEGRATION TEMPORELLE DE LA SONIE EN FONCTION DE LA FREQUENCE ET DE LA FORME DU DECOURS TEMPOREL
VII-1 PREMIERE EXPERIENCE : INFLUENCE DE LA FREQUENCE ET DU DECOURS TEMPOREL
VII-1.1 Stimuli
VII-1.2 Auditeurs
VII-1.3 Procédure
VII-1.4 Dispositif expérimental
VII-1.5 Résultats et discussion
VII-1.6 Conclusion
VII-2 DEUXIEME EXPERIENCE : DETERMINATION EXPERIMENTALE DE LA DUREE CRITIQUE DE CRENEAUX ET D’IMPULSIONS
VII-2.1 Stimuli
VII-2.2 Auditeurs
VII-2.3 Procédure
VII-2.4 Dispositif expérimental
VII-2.5 Résultats et discussion
VII-2.5.1 Intégration temporelle de la sonie de créneaux
VII-2.5.2 Intégration temporelle de la sonie d’impulsions
VII-3 CONCLUSION GENERALE DE L’ETUDE SUR L’INTEGRATION TEMPORELLE DE CRENEAUX ET D’IMPULSIONS
VIII- CONCLUSION

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