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un casque à musique
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 :

waves
(image)

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 :

i
Les deux ondes sonores à droite sont inversé et leur somme est nulle : les deux sons produisent le silence !

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 ».

image d’en-tête de Nicolas Calzas

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Juju wrote:

La synchronisation est-elle une méthode pour tendre vers un état d'énergie inférieure ?

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Le Hollandais Volant wrote:

@Juju : comment ça ?

En fait, là, les deux ondes se perdent pour former du silence, mais l’énergie n’est pas perdue.

Pour reprendre une analogie, quand deux voitures (identiques) se foncent dedans à une vitesse identique, les deux véhicules sont arrêtés : leur énergie cinétique est donc inférieure.
Les deux voitures sont néanmoins détruites : l’énergie cinétique s’est dissipée en chaleur et en déformant les deux voitures.

Ici, les deux ondes font un peu pareil : une onde sonore c’est une énergie qui se propage, sous la forme d’énergie cinétique de molécules qui vibrent localement. Quand cette vibration est arrêtée par une autre vibration opposée, il faut voir ça comme des collisions de molécules dont la somme annule leur mouvement (comme les voitures).

Les deux molécules ne vont pas se déformer, mais leur vibration est perdue en chaleur (rayonnement).

Enfin, l’énergie acoustique est très faible : la chaleur produite est faible également (c’est imperceptible), mais bien présente.

ÉDIT : il me vient à l’esprit qu’on peut effectivement utiliser des ondes pour ralentir des molécules ou atomes (et donc diminuer leur énergie). Dans dans ce cas, pareil, le mouvement initial de l’atome est perdue en chaleur.
Utiliser une onde pour ralentir un atome, c’est ce qui est utilisé avec le refroidissement laser : c’est ce qui permet de refroidir la matière à des températures très proche du zéro absolu.

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Juju wrote:

Ok, merci. En fait je pensais plutôt à un phénomène d'énergie potentielle mécanique qui serait moindre dans la synchronisation (comme pour la pesanteur). Mais ce n'est pas ça donc.

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Juju wrote:

@Le Hollandais Volant : L'ensemble des métronomes synchronisés aurait une énergie inferieure au même ensemble en "désordre". Comme avec l'énergie potentiel de pesanteur; un même objet présente un potentiel plus faible et plus stable s'il est moins haut...? mais ça n'a sans doute rien à voir ?

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Le Hollandais Volant wrote:

@Juju : Aaaah !
Les métronomes fonctionnent avec un ressort (un peu comme montres mécaniques). Si tous les métronomes sont synchrones, alors leur support l’est également. L’ensemble oscille donc à la résonance, donc c’est effectivement la méthode qui permet au ressort de libérer le plus efficacement son énergie, oui.

L’énergie potentielle dans le ressort (complètement tendu, ou remonté) reste la même et mais je dirais qu’elle décroît de façon plus rapide (en tout cas, de façon plus efficace) quand tous les métronomes se synchronisent. Tout ça fonctionne ici par l’intermédiaire du support, qui est suspendu (et peut donc osciller aussi).

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Xarriss wrote:

Bonjour,

Article très intéressant, comme d'habitude.

Une question cependant :
Lorsque vous dites : "Ceci fonctionne avec les sons réguliers de longue durée. Si vous avez un bruit très ponctuel, comme une explosion, 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."

Comment expliquer que les casques électroniques fonctionnent avec les détonations d'armes à feu, pourtant très ponctuelles ? Les tireurs sportifs, par exemple, utilisent beaucoup ces casques électroniques, et effectivement, cela coupe le bruit des détonations mais on entends toujours le voisin parler.

Cordialement

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Le Hollandais Volant wrote:

@Xarriss : C’est une question intéressante. Après quelques recherches je viens de trouver une réponse sensée qui me satisfait.

En fait, une impulsion très brève n’a pas vraiment de longueur d’onde : c’est tellement ponctuel que le son est seulement un pic et pas une onde. Du coup, le système embarqué dans le casque n’a pas le temps de produire un son opposé au pic. Il faudrait que la production du son soit immédiate sans aucune latence. C’est tout simplement impossible.
De plus, les 150~160 dB d’un coup de feu sont bien trop fort pour qu’un casque audio puisse le reproduire (en inversant la phase).

En d’autres termes, la technologique que je décris dans mon article et qui est utilisée pour les casques anti-bruit actif classiques n’est pas celle utilisée dans les casques utilisés pour cacher le bruit des coups de feu. Du moins, c’est ce qui semble logique. Et je ne me suis pas trompé.

Il existe une autre technologie, utilisée précisément pour les bruits ponctuels ou les bruits très forts (trop fort pour être inversés puis réémis par un écouteur).

Ces systèmes sont juste des casques anti-bruit passifs (donc bloquant tous les sons par une simple isolation physique) mais qui possède en plus un microphone et un écouteur.
Quand on te parle, le son est capté par le micro et envoyé à l’écouteur. Tu entend donc la personne parler (quasi)-normalement.

Quand le micro détecte un son très fort, par contre, l’écouteur est immédiatement coupé (le circuit électronique peut faire ça avec une latence suffisament faible, même pour un coup de feu) : plus aucun son ne passe et le bruit du coup de feu est sensiblement atténué. Une fois que la détonation est passée, l’écouteur est remis en route et le son ambiant revient.
J’avoue ne jamais avoir essayé, mais avec ce types de casque là, je suis prêt à parier que la voix de la personne à côté de toi est également coupée, très brièvement, pendant le coup de feu.

Source : https://www.quora.com/Can-I-use-noise-canceling-headphones-at-the-gun-range

En tout cas, je ne savais pas tout ça moi-même avant ce matin, donc je te remercie. Je vais ajouter ça dans mon article !

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Xarriss wrote:

@Le Hollandais Volant : Merci beaucoup pour ces précisions, ravi pour ma part d'avoir pu apporter quelque chose d'utile.

Oui tout à fait un casque électronique tels que nous les utilisons en stand a lui même une fonction passive de par sa construction. Il atténue déjà les bruits extérieurs de façon passive en plus de son action électronique, même si généralement c'est assez faible. Les coques des casques électroniques ont un profil plus ou moins fin car l'atténuation est avant tout électroniques justement. Éteint, ils ont la même capacité qu'un casque passif de volume équivalent.

Je ne porte pas moi même régulièrement de casque de ce type (assez cher) mais lorsque j'ai eu l'occasion j'ai trouvé ça bluffant de pouvoir entendre les bruits extérieurs tels que les oiseaux ou les voix de façon très claire, mais les détonations sont coupées.

Le modèle le plus utilisé en stand de chez 3M Peltor (il y a d'autres marques concurrentes)
https://www.technologie-motoculture.fr/casques-visieres-proteges-oreilles-epi-vente-en-ligne-petits-prix-oise/94925-protege-oreilles-confort-peltor-bluetooth-casques-visieres-proteges-oreilles-protegenbsporeilles-3m-peltor-nbsp-le-casque-antibr.html

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Le Hollandais Volant wrote:

@Xarriss : voilà :

Le système électronique réagit à la vitesse de l'éclair et protège l'ouïe de l'utilisateur des fortes impulsions sonores.

Ils sont effectivement très chers : les sites où j’ai cherché parlaient effectivement de l’ordre 500~1500 dollars.

Rien n’interdit ensuite de combiner les deux types d’atténuations : les impulsions en coupant tout son venu de l’extérieur et une atténuation active par émission d’un son en opposition de phase. C’est peut-être même déjà le cas pour certains modèles.


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