En matière de protection auditive, il existe les protections passives et les protections actives.
Les premières, passives, ne constituent qu’une barrière physique pour la protection du son : mousse, cire, ou un casque complet, la protection bloque tout simplement la propagation de tout le bruit ambiant avec plus ou moins d’efficacité. Ces dispositifs ont l’avantage de ne pas nécessiter de source d’énergie.
Les seconde, les protections actives, ont besoin de piles ou de batteries, et pour cause : elles intègrent un circuit électronique, un haut parleur et un micro… pour réduire le bruit ambiant. Fait amusant : avec un tel casque, le bruit d’une machine (marteau piqueur, tronçonneuse…) est masqué, mais une personne qui parle à côté de vous reste audible !
Son fonctionnement est simple, mais fait appel à la nature même du son.
La nature du son
Le son constitue une rapide compression-décompression de l’air, jusqu’à 20 000 fois par seconde. Cette succession de compressions-décompressions constitue une onde qui se propage : on parle d’une onde sonore.
Sur le plan microscopique, les molécules de l’air vibrent en oscillant autour de leur position :
Ce qu’il suffit de faire, pour arrêter ces vibrations — et donc stopper le bruit — c’est former les molécules à vibrer dans l’autre sens au bon moment : quand la molécule va de gauche à droit sans sa vibration, on la pousse de droite à gauche, et vice-versa. C’est ce que font les casques anti-bruit.
Les casques anti-bruit
Obtenir d’une molécule qu’elle ne vibre plus du tout est obtenu en lui envoyant une onde sonore inversé par dessus l’onde initiale :
À droite sur l’image, les deux ondes sont identiques : elles sont juste décalées d’une demi-période d’oscillation. On dit que la phase est décalée, ou, ici, que la phase est opposée : on parle donc d’opposition de phase.
En envoyant deux sons identiques mais en opposition de phase, les deux sons s’annihilent et produisent le silence.
À l’échelle des atomes, quand on envoie deux sons simultanément, la vibration est la somme des deux sons. Si les deux vibrations vont dans le même sens, alors le son devient plus fort. Mais si les deux vibrations vont exactement en sens inverse, alors le son devient nul.
C’est comme si on avait deux personnes tirant chacune avec la même force sur la poignée d’une porte, mais chacun d’un côté : la porte est toujours soumise à deux forces, mais comme les forces sont opposées, elle ne bouge pas plus que si il n’y avait personne du tout !
C’est ce principe qui est utilisé dans les casques anti-bruit actifs : un micro capte le son ambiant et un haut-parleur (ou oreillette) produit le même son, mais en opposition de phase. Une puce électronique est là pour calculer l’opposition de phase et le bon niveau de bruit à envoyer.
Ceci fonctionne avec les sons réguliers de longue durée. Si vous avez un bruit très ponctuel, comme une explosion ou un coup de feu, ça ne marchera pas : le casque n’a pas le temps de capter, calculer, émettre l’onde opposée durant une seule oscillation de l’air.
Les casques anti-bruit qui arrivent à bloquer le son des coups de feu par exemple sont muni d’un autre système : ce sont des casques très isolants (donc bloquant tous les sons) mais doté d’un microphone et d’un écouteur. Les sons faibles (voix, musique…) sont captés par le micro et envoyé à l’écouteur. Mais dès que le micro détecte un son trop fort comme une détonation, l’écouteur est éteint et aucun son n’est transmis. Une fois la détonation passée, l’écouteur est remis en route et les sons ambiants légers repassent à travers le casque.
Mais alors… deux appareils identiques allumés en même temps…
… peuvent produire du silence ?
En théorie dans un monde parfait, oui.
En pratique, non.
Et il y a plusieurs raisons à ça.
La première, la plus simple, est qu’il faut les deux appareils produisent des sons exactement en opposition de phase. Ceci est pratiquement impossible à obtenir en pratique.
La seconde, c’est que l’air est un milieu dispersif : cela signifie que la vitesse de propagation des ondes dépend de la fréquence de l’onde sonore. Les aiguës sont ainsi plus rapides que les basses. De plus, une machine n’émet jamais un son pur unique : le bruit est une superposition d’un très grand nombre de fréquences sonores.
Ainsi, si quelques fréquences peuvent éventuellement être annulées (et ceci est à prendre en compte quand on sonorise une salle de concert, pour ne pas masquer certaines notes !), la majorité du bruit est simplement additionné.
Si le casque y arrive, c’est qu’il est suffisamment proche de l’oreille et aussi suffisamment précis pour que les effets dispersifs soient compensés.
Enfin, la troisième, est que quand un bruit est émis, l’air vibre mais les autres objets également. Nos tympans, par exemple, vibrent, mais aussi les murs, le sol, les vitres… et les autres sources sonores.
De cette façon, si on met deux machines en marche, les deux sources sonores ont tendance à se mettre en phase, et donc à maximiser l’additivité du bruit !
C’est donc comme si les deux sources entraient en résonance de façon ponctuelle.
Ce dernier phénomène se produit très souvent avec différentes formes d’oscillations. Par exemple, quand on place deux horloges sur le même mur, l’oscillation de l’une est transmise à la seconde par les vibrations, même infimes, dans le mur, et l’ensemble se synchronise.
Beaucoup plus amusant, quand on place une trentaine de métronomes sur une table, au bout d’un moment, tous les métronomes vont se synchroniser tout seuls !
De la même façon, le mouvement des planètes est également soumis à ce genre type de résonance, alors qualifiée de « résonance orbitale ».
