Conversion d'un niveau en décibels (dB) en niveau de sonie (phones)
Comprendre la Sonie : du Physique au Perceptif
Le décibel (dB SPL) est une unité physique mesurant la pression acoustique d'un son. Cependant, notre perception de l'intensité sonore, ou sonie, n'est pas linéaire et dépend fortement de la fréquence du son. Pour quantifier cette sensation subjective, les acousticiens utilisent le phone. Cet exercice a pour but de convertir des niveaux de pression acoustique objectifs (dB SPL) en niveaux de sonie subjectifs (phones) pour différentes fréquences, en s'appuyant sur les courbes isosoniques standardisées. Cela permet de comprendre pourquoi deux sons avec le même niveau en dB peuvent sembler avoir des "volumes" très différents.
Remarque Pédagogique : La distinction entre une mesure physique (dB SPL) et une mesure perceptive (phones) est au cœur de la psychoacoustique. Comprendre cette conversion est essentiel pour des applications comme le mixage audio, la conception d'alarmes sonores ou l'évaluation de la gêne due au bruit, où la perception humaine est plus importante que la mesure physique brute.
Données de l'étude
- Son 1 (Bourdonnement) : \(f_1 = 50 \, \text{Hz}\) avec un niveau mesuré de \(L_{p,1} = 70 \, \text{dB SPL}\).
- Son 2 (Sifflement) : \(f_2 = 8000 \, \text{Hz}\) avec un niveau mesuré de \(L_{p,2} = 60 \, \text{dB SPL}\).
La conversion de dB SPL en phones nécessite de résoudre l'équation complexe de la norme ISO 226:2003. Pour cet exercice, nous utiliserons les résultats suivants, obtenus à partir de cette norme :
- Un son de \(70 \, \text{dB SPL}\) à \(50 \, \text{Hz}\) correspond à une sonie de 46 phones.
- Un son de \(60 \, \text{dB SPL}\) à \(8000 \, \text{Hz}\) correspond à une sonie de 66 phones.
Questions à traiter
- Comparer le niveau de pression acoustique (\(L_p\)) des deux sons. Lequel est physiquement le plus intense ?
- Comparer le niveau de sonie (\(L_N\)) des deux sons. Lequel est perçu comme le plus fort ?
- Calculer l'écart perceptif \(\Delta L_N\) entre les deux sons.
- Analyser la différence entre les mesures physiques et perceptives. Que peut-on conclure sur la sensibilité de l'oreille pour ces deux fréquences ?
Correction : Conversion d'un niveau en décibels (dB) en niveau de sonie (phones)
Question 1 : Comparaison des Niveaux de Pression (dB SPL)
Principe :
Il s'agit d'une simple comparaison des valeurs de niveau de pression acoustique (dB SPL) fournies dans l'énoncé. Cette mesure représente l'intensité physique de l'onde sonore, indépendamment de la perception humaine.
Remarque Pédagogique : Le dB SPL est une mesure logarithmique. Une différence de 10 dB, comme ici (\(70 - 60 = 10\)), signifie que le son 1 a une pression acoustique environ 3.16 fois plus grande et une intensité (puissance par unité de surface) 10 fois plus grande que le son 2. Physiquement, il est donc bien plus intense.
Analyse :
Les niveaux de pression acoustique sont :
- \(L_{p,1} = 70 \, \text{dB SPL}\) pour le son à 50 Hz.
- \(L_{p,2} = 60 \, \text{dB SPL}\) pour le son à 8000 Hz.
En comparant ces deux valeurs : \(70 \, \text{dB} > 60 \, \text{dB}\).
Question 2 : Comparaison des Niveaux de Sonie (phones)
Principe :
On utilise les valeurs de sonie en phones, qui représentent l'intensité perçue par une oreille humaine moyenne. Ces valeurs sont directement fournies par l'énoncé, car leur calcul est complexe.
Remarque Pédagogique : C'est le cœur du problème. Bien que le son 1 soit physiquement 10 dB plus fort, notre perception inverse la situation. Cela démontre que se fier uniquement à un sonomètre standard (qui mesure des dB SPL) peut être trompeur si l'on veut évaluer la gêne ou le volume perçu par un humain.
Analyse :
Les niveaux de sonie sont :
- \(L_{N,1} = 46 \, \text{phones}\) pour le son à 50 Hz.
- \(L_{N,2} = 66 \, \text{phones}\) pour le son à 8000 Hz.
En comparant ces deux valeurs : \(66 \, \text{phones} > 46 \, \text{phones}\).
Question 3 : Écart Perceptif
Principe :
L'écart perceptif est simplement la différence entre les niveaux de sonie en phones. Il quantifie "à quel point" un son est perçu plus fort qu'un autre.
Calcul :
Remarque Pédagogique : Un écart de 20 phones est considérable. En règle générale, une augmentation de 10 phones est perçue comme un doublement du volume sonore. Ici, le sifflement est donc perçu comme étant environ "quatre fois plus fort" que le bourdonnement, alors qu'il est physiquement 10 fois moins puissant !
Question 4 : Analyse et Conclusion
Analyse :
Cet exercice met en évidence une divergence majeure entre la mesure physique et la perception humaine :
- Pour le son de 50 Hz : Le niveau de sonie (46 phones) est bien inférieur au niveau de pression (70 dB SPL). Cela indique une faible sensibilité de l'oreille dans les basses fréquences. Il faut beaucoup d'énergie physique pour que nous commencions à bien percevoir ces sons.
- Pour le son de 8000 Hz : Le niveau de sonie (66 phones) est supérieur au niveau de pression (60 dB SPL). Cela indique une forte sensibilité de l'oreille dans cette plage de fréquences. Il faut peu d'énergie physique pour que ces sons nous paraissent forts.
Conclusion Pédagogique : La sensibilité de l'oreille n'est pas uniforme. Elle est très faible dans les graves, augmente dans les médiums pour atteindre un pic vers 3-4 kHz, puis rediminue dans les aigus. Ignorer ce fait conduit à des erreurs d'appréciation. Par exemple, une norme de bruit industriel qui se limiterait à mesurer les dB SPL sans pondération pourrait sous-estimer la gêne réelle d'un bruit aigu et sur-estimer celle d'un bruit grave.
Simulation Interactive
Utilisez les contrôles ci-dessous pour voir comment le niveau de sonie (phones) change en fonction de la fréquence et du niveau de pression (dB SPL) d'un son.
Paramètres du Son
Résultats Perceptifs
Calculs basés sur la norme ISO 226:2003.
Pour Aller Plus Loin : Scénarios de Réflexion
Le "Masquage Fréquentiel" :
La perception est encore plus complexe. Un son intense à une certaine fréquence peut rendre inaudible un son plus faible à une fréquence proche. C'est le principe du masquage fréquentiel, utilisé massivement dans les algorithmes de compression audio comme le MP3. En ne codant pas les sons qui seraient de toute façon masqués par d'autres, on économise énormément de données sans perte de qualité perçue.
Loudness War (Guerre du volume) :
Dans l'industrie musicale, la tendance a été de compresser la dynamique des morceaux pour augmenter leur niveau RMS moyen, afin qu'ils paraissent plus forts que les autres à la radio ou en streaming. Cela exploite le fait que, à des niveaux de sonie très élevés (plus de 90 phones), les courbes isosoniques deviennent plus plates : l'oreille perçoit les basses et les aigus presque aussi bien que les médiums, donnant une sensation de puissance accrue.
Foire Aux Questions (FAQ)
Quelle est la différence entre "phone" et "sone" ?
Le phone est une unité de niveau de sonie (subjectif), mais l'échelle n'est pas linéaire en perception. Le sone est une unité de sonie (la sensation de "volume" elle-même). L'échelle en sones est linéaire : un son de 2 sones est perçu comme deux fois plus fort qu'un son de 1 sone. Par convention, 1 sone équivaut à 40 phones.
La conversion dB -> phones est-elle une simple formule ?
Non, il n'existe pas de formule simple et directe. La conversion est définie par les courbes de la norme ISO 226:2003. Pour trouver le niveau de sonie en phones, il faut résoudre numériquement l'équation complexe de la norme ou utiliser une méthode de recherche itérative, comme le fait la simulation de cet exercice.
À quoi sert la pondération 'A' (dBA) sur un sonomètre ?
La pondération 'A' applique un filtre au signal mesuré qui imite la courbe isosonique des 40 phones. Elle atténue donc fortement les basses et légèrement les aigus avant de calculer le niveau en dB. Le résultat, en dBA, est donc une meilleure approximation de la sonie perçue à faible volume que le dB SPL brut.
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Un son de 80 dB SPL à 1000 Hz aura un niveau de sonie de :
2. Deux sons, A (100 Hz) et B (3000 Hz), ont tous les deux un niveau de 70 phones. Lequel a le plus haut niveau de pression acoustique (dB SPL) ?
3. Pourquoi un son de 30 Hz à 40 dB SPL est-il quasiment inaudible, alors qu'un son de 3000 Hz à 40 dB SPL est clairement entendu ?
Glossaire
- Courbe Isosonique
- Ligne sur un graphique fréquence/niveau de pression qui représente tous les sons perçus comme ayant la même intensité sonore (le même "volume").
- Phone
- Unité du niveau de sonie. C'est une mesure subjective qui est alignée sur l'échelle des décibels SPL à la fréquence de 1000 Hz.
- Sone
- Unité de la sonie (sensation d'intensité). Contrairement au phone, l'échelle des sones est linéaire : 2 sones sont perçus comme deux fois plus forts que 1 sone. 1 sone = 40 phones.
- SPL (Sound Pressure Level)
- Niveau de pression acoustique, une mesure physique et objective de la pression d'un son, exprimée en décibels (dB) par rapport à une référence de \(20 \, \mu\text{Pa}\).
- Seuil d'audition
- Niveau de pression acoustique minimal requis pour qu'un son pur soit tout juste perceptible par une oreille humaine moyenne dans un silence total. Ce seuil varie considérablement avec la fréquence.
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