Introduction

Dans la mesure du bruit, les essais acoustiques et l’évaluation du bruit des machines, trois notions sont fréquemment utilisées : pression acoustique, intensité acoustique et puissance acoustique.

Bien qu’elles soient toutes liées à l’énergie sonore, elles correspondent à des grandeurs physiques différentes.

En termes simples :

● La pression acoustique décrit la variation de pression produite par une onde sonore à un emplacement donné.
● L’intensité acoustique décrit le débit d’énergie acoustique traversant une unité de surface.
● La puissance acoustique décrit l’énergie acoustique totale rayonnée par une source par unité de temps.

Dans les mesures de bruit courantes, le niveau de pression acoustique est la grandeur la plus fréquemment mesurée avec un sonomètre. L’intensité et la puissance acoustiques sont particulièrement importantes en acoustique industrielle, pour la localisation des sources sonores et pour l’évaluation des émissions acoustiques des machines.

Points clés

● La pression acoustique est exprimée en pascals (Pa) et généralement convertie en niveau de pression acoustique en dB.
● L’intensité acoustique est exprimée en W/m² et représente le flux d’énergie acoustique par unité de surface.
● La puissance acoustique est exprimée en watts (W) et représente l’énergie acoustique totale émise par une source par unité de temps.
● La pression et l’intensité acoustiques dépendent de la position de mesure, de la distance, des réflexions et de l’environnement acoustique.
● La puissance acoustique caractérise l’émission acoustique globale d’une source et convient mieux à la comparaison de différentes machines.
● Un sonomètre conventionnel mesure principalement le niveau de pression acoustique. Une valeur mesurée en un seul point ne peut pas être assimilée directement à un niveau de puissance acoustique.

Qu’est-ce que la pression acoustique ?

La pression acoustique correspond aux petites variations de pression de l’air provoquées par une onde sonore par rapport à la pression atmosphérique statique.

Lorsqu’un haut-parleur, un moteur, un ventilateur ou une autre source sonore vibre, il crée successivement des compressions et des raréfactions dans l’air environnant. Ces variations constituent la pression acoustique.

La pression acoustique est généralement représentée par le symbole p et s’exprime en :

Pa (pascal)

L’oreille humaine étant sensible à une plage extrêmement large de pressions acoustiques, les mesures acoustiques sont généralement exprimées sous forme logarithmique, à l’aide du niveau de pression acoustique.

Celui-ci s’exprime couramment par :

Lp = 20 log₁₀(p / p₀)

où :

● Lp : niveau de pression acoustique en dB ;
● p : pression acoustique efficace mesurée ;
● p₀ : pression acoustique de référence, généralement 20 μPa dans l’air.

Ainsi, lorsqu’un sonomètre affiche 60 dB, 80 dB ou 100 dB, la valeur correspond normalement au niveau de pression acoustique au point de mesure, et non à la puissance acoustique de la source.

Qu’est-ce que l’intensité acoustique ?

L’intensité acoustique décrit le débit d’énergie sonore traversant une unité de surface.

Son unité est :

W/m² (watt par mètre carré)

L’intensité acoustique possède à la fois une valeur et une direction. D’un point de vue physique, il s’agit donc d’une grandeur directionnelle.

Elle peut être comprise comme la quantité d’énergie sonore qui traverse chaque seconde une surface imaginaire donnée.

L’intensité acoustique est généralement représentée par le symbole I et peut être exprimée sous forme de niveau d’intensité acoustique :

LI = 10 log₁₀(I / I₀)

où :

● LI : niveau d’intensité acoustique en dB ;
● I : intensité acoustique en W/m² ;
● I₀ : intensité acoustique de référence, généralement 10⁻¹² W/m².

Dans des conditions idéales de champ libre avec une onde plane progressive, la pression acoustique et l’intensité acoustique sont directement liées et peuvent être approximées par :

I = p²rms / (ρc)

où ρ représente la masse volumique de l’air et c la vitesse du son.

Cette relation n’est toutefois valable que dans certaines conditions acoustiques. Dans le champ proche d’une machine, dans un local fortement réverbérant ou dans un champ acoustique complexe, il n’est pas approprié de calculer directement l’intensité acoustique à partir d’une seule mesure de pression.

Qu’est-ce que la puissance acoustique ?

La puissance acoustique correspond à l’énergie acoustique totale rayonnée par une source sonore par unité de temps.

Son unité est :

W (watt)

Lorsqu’un moteur fonctionne, par exemple, il rayonne de l’énergie sonore dans son environnement. La quantité totale d’énergie acoustique émise dans toutes les directions par unité de temps correspond à sa puissance acoustique.

La puissance acoustique est généralement représentée par W et peut être exprimée sous forme de niveau de puissance acoustique :

LW = 10 log₁₀(W / W₀)

où :

● LW : niveau de puissance acoustique en dB ;
● W : puissance acoustique en watts ;
● W₀ : puissance acoustique de référence, généralement 10⁻¹² W.

Contrairement à la pression acoustique mesurée en un point précis, la puissance acoustique caractérise l’émission sonore totale de la source.

Elle est donc particulièrement utile pour comparer les performances acoustiques de ventilateurs, moteurs, compresseurs, pompes, équipements CVC et autres machines.

Principales différences entre pression acoustique, intensité acoustique et puissance acoustique

En résumé :

La pression acoustique décrit ce qui se passe au point de mesure, l’intensité acoustique décrit le flux d’énergie à travers une surface, et la puissance acoustique décrit l’émission sonore totale de la source.

Pourquoi un sonomètre mesure-t-il généralement la pression acoustique ?

Un sonomètre numérique conventionnel utilise un microphone sensible aux variations de pression dans l’air.

Le microphone convertit ces variations en signal électrique. L’appareil applique ensuite les pondérations fréquentielles et temporelles, le traitement du signal et les calculs nécessaires avant d’afficher un résultat en décibels.

La principale grandeur mesurée est donc :

le niveau de pression acoustique

Par exemple :

● LA désigne un niveau de pression acoustique pondéré A ;
● LC désigne un niveau de pression acoustique pondéré C ;
● LAF désigne un niveau de pression acoustique pondéré A avec pondération temporelle FAST.

Ainsi, lorsqu’un sonomètre affiche 85 dB(A), il s’agit normalement du niveau de pression acoustique pondéré A au point de mesure, et non du niveau de puissance acoustique de l’équipement.

Pourquoi la pression acoustique varie-t-elle avec la distance ?

À mesure que l’énergie acoustique s’éloigne de la source, elle se répartit sur une surface de plus en plus grande. L’énergie par unité de surface diminue donc, et la pression acoustique mesurée diminue généralement également.

Pour une source assimilable à une source ponctuelle dans un champ libre idéal :

● L’intensité acoustique diminue approximativement selon l’inverse du carré de la distance.
● Chaque doublement de la distance entraîne généralement une diminution d’environ 6 dB du niveau de pression acoustique.

Exemple dans des conditions idéales :

1 m : environ 90 dB
2 m : environ 84 dB
4 m : environ 78 dB

Dans un environnement réel, les réflexions sur les murs, le sol, le plafond, les machines et d’autres surfaces modifient toutefois le champ sonore. La diminution réelle ne suit donc pas nécessairement exactement la règle des 6 dB par doublement de distance.

Pourquoi la puissance acoustique ne diminue-t-elle pas simplement lorsque la distance augmente ?

La puissance acoustique représente l’énergie sonore totale rayonnée par la source par unité de temps.

Si le fonctionnement de la source reste inchangé, sa puissance acoustique totale reste pratiquement constante. Avec la distance, cette énergie se répartit simplement sur une surface de plus en plus grande.

En résumé :

● Source inchangée → puissance acoustique globale pratiquement constante ;
● Distance plus importante → énergie répartie sur une surface plus grande ;
● Intensité acoustique plus faible par unité de surface ;
● Pression acoustique généralement plus faible au point de mesure.

C’est pourquoi un niveau de bruit relevé à une distance donnée ne peut pas être considéré directement comme la puissance acoustique de la machine.

Quelle est la relation entre intensité acoustique et puissance acoustique ?

La puissance acoustique peut être obtenue en intégrant l’intensité acoustique sur une surface fermée entourant la source.

Conceptuellement :

W = ∫ I · dS

Autrement dit, l’ensemble du flux d’énergie acoustique traversant la surface enveloppante permet de déterminer la puissance acoustique totale rayonnée par la source.

Si l’intensité était parfaitement uniforme sur toute la surface et perpendiculaire à celle-ci, on pourrait simplifier la relation ainsi :

Puissance acoustique ≈ Intensité acoustique × Surface

Dans la réalité, les machines ne rayonnent généralement pas le son de manière parfaitement uniforme dans toutes les directions. Les mesures professionnelles de puissance acoustique nécessitent donc plusieurs positions de mesure ou l’emploi d’une instrumentation spécifique d’intensité acoustique.

Pourquoi le niveau de pression acoustique et le niveau de puissance acoustique ne sont-ils pas directement comparables alors qu’ils sont tous deux exprimés en dB ?

Il s’agit d’une confusion fréquente.

Le niveau de pression acoustique et le niveau de puissance acoustique sont tous deux exprimés en dB, mais ils représentent des grandeurs physiques différentes et utilisent des références différentes.

La référence du niveau de pression acoustique est :

20 μPa

La référence du niveau de puissance acoustique est :

10⁻¹² W

Ainsi :

● 80 dB SPL décrit un niveau de pression acoustique à un emplacement donné.
● 80 dB de niveau de puissance acoustique décrit la puissance acoustique d’une source.

L’égalité numérique des valeurs ne signifie donc pas qu’elles représentent la même grandeur physique.

Le niveau de pression acoustique produit par une même machine peut varier fortement selon la distance, l’acoustique du local et les réflexions, tandis que sa puissance acoustique doit rester pratiquement constante pour un même régime de fonctionnement.

Faut-il utiliser la pression acoustique ou la puissance acoustique pour évaluer le bruit d’une machine ?

Le choix dépend de l’objectif de la mesure.

Pour évaluer le bruit réellement reçu à un emplacement précis, le niveau de pression acoustique est généralement le plus pertinent. Exemples :

● Bruit au poste d’un opérateur ;
● Bruit dans un bureau ;
● Bruit dans un bâtiment ;
● Bruit d’une machine à une distance définie ;
● Exposition professionnelle au bruit.

Pour comparer l’émission acoustique intrinsèque de différentes machines, le niveau de puissance acoustique est généralement plus approprié. Exemples :

● Comparaison de plusieurs ventilateurs ;
● Comparaison de modèles de compresseurs ;
● Caractéristiques acoustiques d’équipements CVC ;
● Essais acoustiques de machines ;
● Spécifications acoustiques de produits.

Lorsqu’il faut déterminer la direction du flux d’énergie, localiser une source dominante ou déterminer une puissance acoustique par la méthode d’intensité, une mesure d’intensité acoustique est nécessaire.

Utilise-t-on les mêmes instruments pour mesurer la pression et l’intensité acoustiques ?

Généralement non.

Un sonomètre numérique conventionnel utilise un seul microphone de mesure et est principalement destiné à la mesure du niveau de pression acoustique.

La mesure de l’intensité acoustique nécessite généralement une sonde d’intensité acoustique spécifique. Une configuration courante utilise deux microphones espacés d’une distance définie afin d’analyser la pression et le gradient de pression et d’estimer l’amplitude ainsi que la direction du flux d’énergie acoustique.

En pratique :

● Un sonomètre conventionnel mesure principalement la pression acoustique.
● La mesure d’intensité acoustique nécessite une instrumentation dédiée.
● La puissance acoustique est généralement déterminée selon une méthode de mesure définie à partir de mesures de pression acoustique, d’intensité acoustique ou d’autres méthodes acoustiques appropriées.

Pourquoi faut-il préciser de quel type de “dB” il s’agit ?

Dans une documentation technique, une indication telle que « bruit de la machine : 80 dB » est souvent insuffisante.

Il convient également de préciser :

● s’il s’agit d’un niveau de pression ou de puissance acoustique ;
● la pondération fréquentielle utilisée ;
● la distance de mesure ;
● la position de mesure ;
● la pondération temporelle ou le paramètre mesuré ;
● l’environnement acoustique ;
● les conditions de fonctionnement de l’équipement.

Par exemple :

Niveau de pression acoustique pondéré A de 80 dB(A), mesuré à 1 m de l’équipement

est fondamentalement différent de :

Niveau de puissance acoustique pondéré A de 80 dB

La définition précise de la grandeur mesurée et des conditions d’essai est indispensable pour obtenir des résultats réellement comparables.

FAQ

Q : La pression acoustique et l’intensité acoustique sont-elles identiques ?
Non. La pression acoustique décrit les fluctuations de pression dans l’air et s’exprime en Pa. L’intensité acoustique décrit le flux d’énergie sonore par unité de surface et s’exprime en W/m². Elles sont directement liées dans certaines conditions de champ libre, mais ne sont pas interchangeables dans un champ acoustique complexe.

Q : Un sonomètre mesure-t-il la pression acoustique ou la puissance acoustique ?
Un sonomètre conventionnel mesure principalement le niveau de pression acoustique. La puissance acoustique doit généralement être déterminée à l’aide d’une méthode définie reposant sur plusieurs mesures de pression ou sur des mesures d’intensité acoustique.

Q : Le niveau de puissance acoustique diminue-t-il avec la distance ?
Pas simplement parce que la distance de mesure augmente. Si le fonctionnement de la source reste identique, sa puissance acoustique totale reste pratiquement constante. En revanche, la pression et l’intensité acoustiques à un emplacement donné diminuent généralement avec la distance.

Q : Le niveau de pression acoustique et le niveau de puissance acoustique peuvent-ils tous deux être exprimés en dB ?
Oui. Ils utilisent cependant des grandeurs de référence différentes et représentent des paramètres physiques différents.

Q : Pourquoi une même machine donne-t-elle des valeurs en dB différentes selon le point de mesure ?
Le niveau de pression acoustique dépend notamment de la distance, de la directivité, des réflexions, du bruit de fond, des obstacles et des caractéristiques acoustiques du local.

Q : Quelle grandeur faut-il utiliser pour comparer deux machines et déterminer laquelle est la moins bruyante ?
Pour comparer leur émission acoustique globale, le niveau de puissance acoustique est généralement le plus pertinent. Pour comparer le bruit réellement reçu à un endroit donné, il faut utiliser le niveau de pression acoustique.

Conclusion

La pression acoustique, l’intensité acoustique et la puissance acoustique décrivent trois aspects différents du comportement sonore.

● La pression acoustique représente les variations locales de pression générées par les ondes sonores et constitue la principale grandeur mesurée par un sonomètre conventionnel.
● L’intensité acoustique représente le débit d’énergie sonore par unité de surface et contient également une information de direction.
● La puissance acoustique représente l’énergie sonore totale émise par une source par unité de temps et convient particulièrement à la comparaison des émissions acoustiques de différentes sources.

Dans une mesure de bruit, une valeur en décibels ne doit donc jamais être interprétée sans connaître la grandeur acoustique correspondante. Il est essentiel d’identifier clairement s’il s’agit d’un niveau de pression, d’intensité ou de puissance acoustique, tout en tenant compte de la distance, des pondérations fréquentielle et temporelle et des conditions acoustiques.