Atténuation acoustique

L'atténuation acoustique est la diminution de l'intensité d'un son qui se propage à travers un certain milieu. Cette diminution est due à plusieurs processus dissipatifs (qui convertissent l'énergie mécanique en chaleur), auxquels s'ajoute, pour une onde divergente (sphérique, par exemple), la dilution due à l'élargissement des surfaces d'onde (sans dissipation). L'atténuation d'un son est de même nature que celle d'une onde sismique de type P.

Mesure

L'atténuation acoustique entre un endroit n^o 1 et un endroit n^o 2 en aval du précédent est caractérisée par le rapport $P_{1}/P_{2}$ des deux pressions acoustiques, mesurées par un sonomètre. C'est en général le logarithme de $P_{1}/P_{2}$ qu'on exprime, en décibels :

$A\,(\mathrm {dB} )=10\,\log _{10}\left({\frac {P_{1}}{P_{2}}}\right)$.

On appelle aussi atténuation le rapport $P_{1}/P_{2}$ et surtout son expression en décibels, A. L'atténuation A est nulle si $P_{1}=P_{2}$, elle vaut 10 dB si $P_{1}=10\,P_{2}$, 20 dB si $P_{1}=100\,P_{2}$, etc.

Processus

Plusieurs processus d'atténuation intervenant en parallèle, le rapport $P_{1}/P_{2}$ est le produit des rapports induits par chaque processus, et l'atténuation exprimée en décibels est la somme des atténuations dues aux différents processus :

• de nombres sources sonores sont d'étendue faible en comparaison de la distance à laquelle on les entend, leur son peut être assimilé à une onde sphérique. La même énergie étant répartie sur des sphères d'aire croissant comme le carré de la distance, l'intensité sonore est inversement proportionnelle à ce carré de la distance : multiplier la distance par dix fait perdre 20 dB ;
• le passage d'une onde sonore implique des variations de pression qui induisent des variations de température et mettent l'air en mouvement : la conduction thermique tend à atténuer les différences de température et le frottement visqueux celles de vitesse. L'une comme l'autre dissipent de l'énergie mécanique en chaleur ;
• dans l'air au repos macroscopique, les molécules ont des mouvements de translation, de rotation et de vibration dont les énergies ont une répartition fixée par la température. Au passage d'une onde sonore l'énergie de translation augmente soudainement, la relaxation moléculaire tend à rééquilibrer les trois formes d'énergie microscopique, ce qui a pour effet de dissiper de l'énergie macroscopique (mécanique) en microscopique (chaleur). Ce troisième processus est surtout notable quand la fréquence sonore approche ou dépasse la fréquence de relaxation vibrationnelle (quelques dizaines de hertz pour un air sec à 20 °C, mais 460 Hz pour le diazote et 53 kHz pour le dioxygène dans un air à 70 % d'humidité relative à la même température).

L'atténuation géométrique due au premier processus est indépendante de la fréquence du son, celle due à la conduction et à la viscosité est proportionnelle au carré de cette fréquence, celle due à la relaxation moléculaire augmente puis reste stable pour les fréquences sonores très supérieures à la fréquence de relaxation.

Conséquences

• Pour des sons audibles par l'Homme, l'atténuation dominante à courte distance (jusqu'à quelques kilomètres) est l'atténuation géométrique (de l'ordre de 3 dB/km, indépendamment de la fréquence du son). Au-delà ce sont les deux autres processus, dont l'atténuation augmente fortement avec la fréquence : on n'entend plus que les graves d'un concert public ou d'un orage lointains.
• Dans le domaine des ultrasons de quelques dizaines de kilohertz, employés par les chauves-souris qui doivent localiser des proies de taille centimétrique, l'atténuation dépasse 1 dB/m, ce qui limite leur capacité de détection à 5–15 m.

Atténuation dans les milieux condensés

L'atténuation acoustique d'une large gamme de matériaux viscoélastiques (tissus mous, polymères, sol et roches poreuses, notamment) peut être exprimée comme une loi de puissance en fonction de la fréquence :

$P(x+\Delta x)=P(x)\,\mathrm {e} ^{-\alpha (\omega )\,\Delta x}$

avec :

$\alpha (\omega )=\alpha _{0}\,\omega ^{\eta }$

où :

$P$ désigne la pression,

$x$ la position,

$\Delta x$ la distance de propagation,

$\alpha (\omega )$ le coefficient d'atténuation,

$\omega$ la pulsation ($\omega =2\pi f$ où $f$ est la fréquence),

$\alpha _{0}$ et $\eta$ des constantes caractéristiques du matériau.

L'exposant $\eta$ prend des valeurs comprises entre 0 (indépendance de la fréquence) et 2 : $\eta =2$ pour l'eau, $\eta =0$ pour de nombreux métaux et matériaux cristallins, $0<\eta <2$ pour les matériaux viscoélastiques (0−1 pour les sédiments, le sol et les roches ; 1−2 pour la plupart des tissus mous).

Notes et références

Voir aussi

Bibliographie

• (en) David T. Blackstock, Fundamentals of Physical Acoustics, Wiley-Interscience, 24 avril 2000, 576 p. (ISBN 0471319791 et 978-0471319795)
• Jean-Michel Courty et Édouard Kierlik, « Et j'atténue le son ! », Pour la science, n^o 588,‎ octobre 2026, p. 84-87.

Articles connexes

• Atténuation sismique
• Atténuation du signal
• Facteur de qualité