La réduction de bruit active annule un bruit en lui superposant une onde de même amplitude en opposition de phase : c’est une interférence destructive. Efficace surtout sur les basses fréquences, elle complète l’atténuation passive des coussinets, qui traite les aigus.
Observer expérimentalement la réduction de bruit active
FizziQ combine un sonomètre et un synthétiseur de fréquences : on peut émettre deux sons identiques, faire varier le déphasage entre eux et mesurer le niveau résultant. C’est la manière la plus directe de constater qu’un son plus un son peut donner du silence.
Étapes :
- Relier deux haut-parleurs identiques à deux appareils, ou utiliser les deux voies d’une enceinte stéréo
- Émettre avec le synthétiseur de FizziQ un son pur de basse fréquence identique sur les deux voies, par exemple 200 Hz
- Placer le smartphone-sonomètre à égale distance des deux sources et relever le niveau en dB
- Inverser la polarité d’une des deux voies (échanger les deux fils du haut-parleur) : les ondes passent en opposition de phase
- Relever de nouveau le niveau : il doit chuter nettement au point d’équilibre
- Déplacer le sonomètre de quelques centimètres et observer que l’annulation disparaît, puis recommencer à 2 000 Hz pour comparer
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Comment le casque fabrique-t-il l’anti-bruit ?
La chaîne comporte trois éléments. Un microphone capte le bruit extérieur. Un processeur inverse le signal, c’est-à-dire qu’il le multiplie par −1, et le corrige pour compenser le trajet et les retards du système. Un haut-parleur, celui-là même qui diffuse la musique, émet ce signal inversé. Au niveau du tympan, l’onde du bruit et l’onde anti-bruit se superposent et leur somme est proche de zéro.
Tout repose sur la précision du timing. Pour que l’annulation fonctionne, l’anti-bruit doit arriver au tympan exactement en opposition de phase avec le bruit. Une erreur de phase se paie immédiatement : à un déphasage de 60° l’atténuation n’est plus que de quelques décibels, et au-delà de 120° la superposition renforce le bruit au lieu de l’annuler.
Pourquoi seulement les basses fréquences ?
C’est la limite fondamentale, et elle est purement géométrique. Le microphone n’est pas à la même place que le tympan : il y a typiquement 1 à 3 cm entre les deux. Le système doit donc prédire ce que sera le bruit à l’oreille à partir de ce qu’il capte quelques millimètres plus loin, et le faire en quelques dizaines de microsecondes.
Tant que la longueur d’onde est grande devant cette distance, le bruit est quasiment identique aux deux endroits : la correction reste valable. C’est le cas en dessous d’environ 1 kHz, où λ dépasse 34 cm - soit dix fois l’écart micro-oreille. En revanche, à 5 kHz, λ ne vaut plus que 6,9 cm : entre le micro et le tympan, l’onde a déjà parcouru une fraction notable de sa période, et la phase calculée n’est plus la bonne. Le système ne peut plus garantir l’opposition de phase, et l’annulation cesse d’être fiable. S’ajoute la latence du traitement numérique, qui devient elle aussi comparable à la période du signal.
En pratique, un bon casque atteint 20 à 30 dB d’atténuation active entre 50 et 500 Hz, quelques décibels seulement au-delà de 1 kHz, et rien du tout à 5 kHz.
Et les aigus, alors ?
Ils sont traités autrement : par atténuation passive. Les coussinets, la mousse et la coque rigide du casque réfléchissent et absorbent les ondes courtes, qui pénètrent mal les matériaux denses. L’isolation passive est bonne au-dessus de 1 kHz et médiocre en dessous - exactement l’inverse de l’isolation active. Les deux techniques sont donc complémentaires, et c’est leur combinaison qui donne le confort d’un casque de voyage. Un casque à réduction de bruit ouvert, sans coussinet enveloppant, serait décevant sur les voix.
Une histoire plus ancienne qu’on ne croit
Le principe a été breveté dès 1933-1936 par l’ingénieur allemand Paul Lueg, bien avant l’existence de l’électronique capable de le mettre en œuvre. Les premières réalisations pratiques datent des années 1950, dans le contexte aéronautique : Lawrence Fogel travaille sur des casques pour équipages d’hélicoptères, où le bruit rotor est intense et très grave - donc idéal pour l’anti-bruit. Le grand public n’y a accès qu’à partir des années 1980-1990.
Anti-bruit et battements : ne pas confondre
Deux sons en opposition de phase s’annulent parce qu’ils ont la même fréquence. Deux sons de fréquences légèrement différentes, eux, produisent des battements : l’amplitude passe périodiquement par des minima, mais le son n’est jamais éteint durablement. Le casque anti-bruit relève du premier phénomène, pas du second.
Battements et Oscillateurs Basse Fréquence (LFO) (blog FizziQ) permet de bien distinguer les deux situations | L’addition de deux sources sonores augmente-t-elle le niveau sonore de 3 décibels ? traite du cas des sources cohérentes, celui qui rend l’anti-bruit possible.
Formule
Signal anti-bruit idéal, opposé du bruit capté :
s_anti(t) = − s_bruit(t)
Pour un son pur, cela équivaut à un déphasage d’une demi-période :
s_anti(t) = A × sin(2πft + π)
Superposition de deux ondes de même fréquence, d’amplitudes A₁ et A₂, déphasées de φ - l’amplitude résultante vaut :
A = √(A₁² + A₂² + 2A₁A₂ × cos φ)
Cas particuliers : φ = 0 donne A = A₁ + A₂ (interférence constructive) ; φ = π avec A₁ = A₂ donne A = 0 (interférence destructive totale).
Longueur d’onde, qui fixe la taille de la zone d’annulation :
λ = v / f
où :
- s(t) : signal de pression acoustique à l’instant t (Pa)
- A : amplitude de l’onde (Pa)
- f : fréquence (Hz)
- φ : déphasage entre les deux ondes (rad)
- λ : longueur d’onde (m)
- v : vitesse du son, environ 343 m·s⁻¹ dans l’air à 20 °C
Exemples d’application
- Casques de voyage : le bruit de cabine d’un avion est dominé par des composantes de 60 à 300 Hz. À 100 Hz, λ = 3,4 m, très grand devant l’écart micro-tympan : l’anti-bruit y est très efficace, avec 25 à 30 dB gagnés. Les annonces du commandant, elles, restent audibles - leur spectre est trop aigu.
- Voix des passagers voisins : situées entre 300 Hz et 3 kHz, elles ne sont que faiblement atténuées par la partie active. Ce qui les réduit, c’est le coussinet.
- Habitacles automobiles : certaines voitures diffusent par les haut-parleurs de bord un anti-bruit calé sur le régime moteur, mesuré par le calculateur. La fréquence à annuler est connue à l’avance, ce qui rend la tâche plus simple qu’avec un bruit aléatoire.
- Ordre de grandeur de la fréquence limite : avec 2 cm entre micro et tympan, la condition « λ ≫ d » cesse d’être satisfaite vers 1 à 2 kHz. C’est bien la plage où l’on constate la chute d’efficacité des casques du commerce.
- Casques de chantier passifs : ils atteignent 25 à 30 dB d’atténuation au-dessus de 1 kHz par simple isolation, sans aucune électronique - la preuve que le passif suffit dans les aigus.
- Limite en salle : annuler le bruit dans toute une pièce est hors de portée, car il faudrait maintenir l’opposition de phase en chaque point simultanément. L’anti-bruit ne fonctionne que dans un petit volume autour de l’oreille.
FAQ
Q : Pourquoi un casque anti-bruit ne supprime-t-il pas les voix ? R : Parce que les voix occupent une plage de fréquences trop élevée, entre 300 Hz et 3 kHz environ. Au-dessus de 1 kHz, la longueur d’onde devient comparable à la distance entre le microphone du casque et le tympan, et le système ne peut plus calculer correctement la phase de l’onde à annuler. Seule l’isolation passive du coussinet agit alors.
Q : Deux sons peuvent-ils vraiment produire du silence ? R : Oui, à condition qu’ils aient la même fréquence, la même amplitude et un déphasage d’une demi-période. L’énergie n’est pas détruite pour autant : elle est redistribuée dans l’espace ou renvoyée vers les sources. Et l’annulation n’est totale qu’en un point, jamais partout.
Q : Le casque peut-il augmenter le bruit au lieu de le réduire ? R : Oui, si la phase est mal calculée. Un déphasage supérieur à 120° transforme l’interférence destructive en interférence constructive. C’est pourquoi certains casques bon marché produisent un léger souffle ou une sensation de pression désagréable sur certaines fréquences.
Q : Faut-il un casque très isolant si la réduction est active ? R : Oui, les deux sont indispensables et complémentaires. L’actif traite les graves, où l’isolation passive est inefficace ; le passif traite les aigus, où l’actif ne fonctionne plus. Un casque à réduction active dépourvu de bonne isolation mécanique serait décevant.
Q : Pourquoi n’installe-t-on pas des systèmes anti-bruit dans les logements près des aéroports ? R : Parce que l’annulation n’est valable que dans un petit volume autour du point où la phase est contrôlée, de l’ordre de la longueur d’onde. Couvrir une pièce entière demanderait un réseau de micros et de haut-parleurs impossible à calibrer en temps réel. On préfère l’isolation passive : double vitrage, murs antibruit.
Concepts liés
Interférence destructive - Opposition de phase - Onde sonore - Déphasage - Longueur d’onde - Intensité sonore - Décibel - Microphone - Battement acoustique