L’intensité sonore, notée I, mesure l’énergie acoustique transportée par une onde ; plus elle est élevée, plus le son est fort. Elle s’exprime en watt par mètre carré (W·m⁻²). À ne pas confondre avec le niveau d’intensité sonore L, en décibels (dB), que mesure un sonomètre.
Observer expérimentalement l’intensité sonore
L’application FizziQ transforme le microphone du smartphone en sonomètre et affiche le niveau sonore en décibels, en temps réel ou sous forme de graphique.
Étapes :
- Ouvrir le sonomètre de FizziQ et laisser la mesure se stabiliser dans une salle silencieuse : on relève le bruit de fond, souvent 35 à 45 dB
- Placer une source sonore fixe (enceinte diffusant un son continu) et mesurer le niveau à 1 m
- Recommencer à 2 m, 4 m et 8 m, en gardant la même orientation du téléphone
- Reporter le niveau L en fonction de la distance r, puis en fonction de log(r)
- Vérifier la perte d’environ 6 dB à chaque doublement de la distance
Activités scientifiques sur ce thème
On peut réaliser de nombreuses activités et projets sur l’intensité sonore avec FizziQ. Ces activités peuvent avoir pour objet de mieux comprendre le concept d’intensité, ou d’étudier les effets d’un son fort sur la santé :
- Relation entre le niveau sonore et la distance d’une source
- Addition de niveaux sonores : deux sources font-elles deux fois plus de bruit ?
- Créer un chronomètre sonore pour mesurer précisément le temps qui sépare deux bruits
- Comment annuler un son en créant un anti-bruit ?
En savoir plus
Pourquoi une échelle logarithmique ?
L’oreille humaine perçoit des intensités qui s’étalent sur douze ordres de grandeur : du seuil d’audibilité (10⁻¹² W·m⁻²) au seuil de douleur (1 W·m⁻²), le rapport est de mille milliards. Une échelle linéaire serait inutilisable. On définit donc le niveau d’intensité sonore :
L = 10 × log(I / I₀), avec I₀ = 10⁻¹² W·m⁻²
Cette échelle en décibels comprime les douze ordres de grandeur en un intervalle de 0 à 120 dB, bien plus commode. Elle a aussi l’avantage de coller approximativement à la perception : l’oreille répond à peu près logarithmiquement à l’excitation.
Les décibels ne s’additionnent pas
C’est l’erreur la plus fréquente. Deux sources identiques émettant chacune 60 dB ne produisent pas 120 dB, mais environ 63 dB. Ce sont les intensités qui s’additionnent, pas les niveaux : doubler I revient à ajouter 10 × log(2) ≈ 3 dB.
Attention toutefois : cette règle des +3 dB suppose que les deux sources sont incohérentes (deux bruits indépendants, deux instruments distincts). Si les deux sources émettent le même son en phase, ce sont les amplitudes qui s’additionnent, et le gain atteint 6 dB. C’est aussi ce qui rend possible l’anti-bruit, où deux ondes en opposition de phase s’annulent.
Décroissance avec la distance
Une source ponctuelle rayonnant une puissance P dans toutes les directions répartit cette puissance sur une sphère de rayon r, d’aire 4πr². D’où :
I = P / (4πr²)
L’intensité décroît donc comme l’inverse du carré de la distance. En décibels, doubler la distance fait perdre 10 × log(4) ≈ 6 dB. Cette loi suppose un champ libre : en salle de classe, les réflexions sur les murs et le plafond limitent la décroissance observée, et l’on mesure souvent moins de 6 dB.
Décibels pondérés (dBA)
L’oreille n’est pas également sensible à toutes les fréquences : elle est peu sensible aux graves et maximale vers 3 à 4 kHz. Les sonomètres appliquent donc souvent une pondération A, qui corrige le spectre pour se rapprocher de la sensation. Les niveaux sont alors notés dB(A). Ce sont eux qui servent de référence en santé au travail.
L’addition de deux sources sonores augmente-t-elle le niveau sonore de 3 décibels ? (blog FizziQ) détaille le cas des sources cohérentes et incohérentes.
Formule
Niveau d’intensité sonore :
L = 10 × log(I / I₀)
Intensité à la distance r d’une source ponctuelle (champ libre) :
I = P / (4πr²)
Écart de niveau entre deux points :
L₂ − L₁ = 10 × log(I₂ / I₁)
où :
- I : intensité sonore (W·m⁻²)
- I₀ : intensité de référence, 10⁻¹² W·m⁻² (seuil d’audibilité à 1 kHz)
- L : niveau d’intensité sonore (dB)
- P : puissance acoustique de la source (W)
- r : distance à la source (m)
Quelques repères utiles :
- +3 dB → intensité doublée
- +10 dB → intensité multipliée par 10, sensation d’un son « deux fois plus fort »
- −6 dB → distance doublée en champ libre
Exemples d’application
- Seuil d’audibilité : 0 dB ; froissement de feuilles : 20 dB ; conversation : 60 dB ; rue passante : 80 dB ; concert : 100 à 110 dB ; seuil de douleur : 120 dB
- La réglementation française fixe à 85 dB(A) sur 8 heures le seuil au-delà duquel l’employeur doit fournir une protection auditive : au-delà, le risque de perte auditive irréversible devient significatif
- Les murs antibruit le long des autoroutes exploitent l’absorption et la diffraction pour gagner 5 à 10 dB chez les riverains
- Un casque à réduction de bruit active génère une onde en opposition de phase avec le bruit ambiant, efficace surtout sur les basses fréquences
- Le sonar et l’échographie médicale reposent sur la mesure de l’intensité d’une onde réfléchie
FAQ
Q : Pourquoi FizziQ affiche-t-il des décibels et non des W·m⁻² ? R : Parce qu’un microphone mesure une variation de pression, dont on déduit un niveau relatif à une référence. Convertir en W·m⁻² absolus exigerait un étalonnage précis du microphone, propre à chaque modèle de téléphone. Le décibel est de toute façon la grandeur utilisée en pratique.
Q : Deux enceintes réglées à 70 dB chacune donnent-elles 140 dB ? R : Non, environ 73 dB. Ce sont les intensités qui s’additionnent, pas les niveaux. Doubler l’intensité ajoute 3 dB.
Q : Pourquoi ne mesure-t-on pas exactement −6 dB quand je m’éloigne du double de la distance ? R : La loi en 1/r² suppose un champ libre, sans réflexion. Dans une salle, le son réfléchi par les murs s’ajoute au son direct et la décroissance mesurée est plus faible. En extérieur, loin de toute paroi, on s’approche bien des 6 dB.
Q : Un son de 0 dB est-il un silence ? R : Non. 0 dB correspond à I = I₀, le seuil d’audibilité conventionnel : c’est un son très faible mais audible par une oreille jeune à 1 kHz. Un silence total correspondrait à I = 0, soit un niveau qui tend vers moins l’infini.
Q : Quelle est la différence entre intensité sonore et puissance sonore ? R : La puissance P, en watts, caractérise la source elle-même et ne dépend pas de l’endroit où l’on se place. L’intensité I, en W·m⁻², caractérise ce qui arrive en un point donné : elle diminue quand on s’éloigne.
Concepts liés
Niveau sonore - Décibel - Puissance acoustique - Loi en carré inverse - Onde sonore - Pression acoustique - Sonomètre - Réduction de bruit active