Sons, décibels et santé - Petit voyage acoustique

Qu’est-ce que le son ? Que se passe-t-il dans l’oreille ? Qu’est-ce qu’un décibel ? Quels sont les dangers du son ? Autant de questions qui relèvent de l’acoustique, un domaine scientifique passionnant qui touche à des questions de santé publique par l’enjeu de la réduction de la pollution sonore. L’échelle de décibels, qui mesure l’intensité du son et précise les niveaux autorisés, peut se montrer difficile à comprendre par son fonctionnement non linéaire. Voici quelques clés explicatives sur la question.

D’où vient le son ? D’une voix humaine ou animale, de l’eau en mouvement, d’une corde de violon en vibration, du choc entre des pierres, des plumes d’un oiseau en mouvement dans l’air, d’une machine… Lorsqu’on réfléchit à un niveau plus fondamental, on s’aperçoit que toutes ces situations impliquent systématiquement du mouvement. Ainsi, à l’origine d’un son, il y a toujours un déplacement de matière : par exemple la vibration des cordes vocales, une aile d’oiseau fendant l’air, une pièce de machine frappant une autre. Réciproquement (à l’exception de certains cas très particuliers1), un mouvement engendre toujours un son, même très faible.

Enjeux de réduction du son

Ainsi, on peut finalement affirmer que déplacement et son sont indissociables. Impossible, en théorie, de bouger sans faire de bruit ! On le constate en observant les précautions des enfants jouant à cache-cache, ou encore les chouettes et hiboux, dont les plumes possèdent une structure réduisant le bruit du vol, ce qui augmente leurs chances de capturer un rongeur par surprise. De même, circuler le plus silencieusement possible est un enjeu important pour un sous-marin qui doit éviter d’être repéré. Mais c’est aussi de ce lien entre son et mouvement que vient le problème social autour du bruit urbain. Les ingenieur·es tentent d’ailleurs de rendre les véhicules moins bruyants. Notons d’ailleurs que, si l’électrification peut constituer une solution à faible vitesse par la disparition du bruit du moteur thermique, au-delà de 40 km/h, le son provient surtout des pneus sur la route. Les voitures électriques ne règlent donc pas le problème du bruit de l’autoroute.

Qu’est-ce qu’un son ?

Un son est donc produit par un objet en mouvement, qui communique à l’air ambiant (ou, de façon plus générale, à la matière ambiante) « quelque chose qui se propage ». Ce « quelque chose » est appelé en physique « onde mécanique » : c’est-à-dire une perturbation mécanique qui voyage dans les milieux matériels : air, eau, métal, caoutchouc, bois, etc.

Pour se représenter cette onde, l’analogie avec les vagues sur un lac est parlante. Une pierre jetée dans l’eau engendre des vagues circulaires qui s’éloignent à une certaine vitesse du point d’impact, et qui diminuent avec la distance. À plus grande échelle, la houle dans l’océan donne une idée visuelle de ce qu’est un son qui se propage à grande distance, comme celui émis par une autoroute, ou encore un séisme, qui n’est autre qu’un bruit extrêmement intense se propageant par la terre, jusqu’à des milliers de kilomètres.

Ainsi, lorsqu’une personne parle, elle envoie dans l’air une onde mécanique de même nature que les vagues sur le lac, mais invisible. On parle d’onde de compression, car la source de son (ici, les cordes vocales) compresse et dilate alternativement l’air. Cette « vague » de compression-dépression se propage rapidement dans l’air, à la vitesse d’environ 340 mètres par seconde. Une oreille exposée à cette vague, exposée à ces rapides compressions-dépressions de l’air, entrera à son tour en vibration.

De l’air au cerveau : voyage d’un signal acoustique

Que se passe-t-il ensuite dans l’oreille ? D’abord, le son est concentré par le pavillon, qui joue un rôle de collecteur. Il passe ensuite dans le conduit externe, au fond duquel se trouve le tympan, petite membrane qui entre en oscillation, et communique son énergie mécanique à un petit os appelé marteau. Le marteau fait ensuite vibrer un autre osselet, appelé l’enclume, qui transmet le mouvement à un troisième osselet, l’étrier. Celui-ci propage alors le signal au liquide de l’oreille interne, vibration qui stimule de petits cils. Les mouvements de ces cils sont transformés en signaux électriques, transmis par le nerf auditif et analysés par le cerveau2. Tout ce processus paraît complexe, mais il s’explique par les lois de l’évolution, conditionnées par celles de la physique. En effet, le son passe difficilement de l’air à un liquide, comme on peut s’en apercevoir dans une piscine, où les bruits extérieurs pénètrent peu. Les trois osselets aux noms si jolis jouent le rôle d’« adaptateur d’impédance »3, garantissant une bonne transmission de l’extérieur vers le liquide interne. Quant aux cils, ils sont le moyen de transformer un mouvement en une information exploitable par le cerveau, lequel ne lit que les messages électriques !

La perception auditive présente une particularité : elle traite de façon plus détaillée un son faible qu’un son fort.

Intensité : la perception de l’oreille et les décibels

L’oreille humaine peut percevoir des sons dans une très large éventail d’intensités : le son le plus fort acceptable, au seuil de la douleur, est, en termes d’énergie reçue par le tympan, mille milliards de fois plus puissant que le plus faible son perceptible ! Pour pouvoir appréhender une telle gamme d’intensités, la perception auditive présente une particularité : elle traite de façon plus détaillée un son faible qu’un son fort.

Par exemple, face à un ensemble de violonistes, on perçoit nettement un passage de 1 à 2 musicien·nes, alors qu’on ne perçoit pas un passage de 100 à 101. Pour être précis, l’oreille « entend » la même différence de niveau sonore entre 1 et 2 violons qu’entre 100 et 200 violons. Donc, notre oreille traite de la même façon une multiplication par deux, qu’elle soit de 1 à 2, de 100 à 200 ou de 10 000 à 20 000. C’est ce qu’on appelle, en mathématiques, une perception « différentielle », ou « logarithmique ».

Avec cette perception, donc, la progression ressentie comme régulière par une oreille n’est plus la succession linéaire 10, 20, 30, 40, 50, mais la progression 10, 100, 1000, 10 000, 100 0004. C’est ainsi que les décibels, unité usuelle de mesure de niveau acoustique, sont définis à partir du logarithme de l’intensité. Sans entrer dans le détail, on retient que dans ce système, multiplier par 2 l’intensité (l’énergie) du son revient à ajouter un certain nombre de décibels (environ 3). Multiplier par 10 un son revient à ajouter 10 dB. Et multiplier par 100, c’est ajouter 20 dB, etc.

Étrange ? Pas tellement

Ce système logarithmique peut sembler bizarre, mais il se révèle, en définitive, parfaitement adapté aux situations usuelles : en effet, il reflète le fait que l’oreille ressente des nuances fines dans les sons faibles (par exemple, une variation de son d’un moustique proche nous permet de savoir s’il vient vers nous), et des détails plus grossiers dans les sons forts (une variation de son dans le vacarme d’une tempête nous permet de savoir qu’un arbre est tombé), mais pas des détails fins dans un contexte fort : on n’entend pas le moustique dans la tempête, mais ce n’est pas grave. On peut faire l’analogie avec le système des pièces et billets. Dans tous les pays du monde, les valeurs des pièces et billets suit un système logarithmique, avec des valeurs non pas de 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 mais généralement 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, suivant une progression de type géométrique. Ceci permet à la fois de payer finement de petites sommes (7=5+2), mais aussi de grosses sommes rapidement (700=500+200), ce qu’on ne pourrait pas faire avec un système de pièces de 1 à 10 (il faudrait 70 billets de 10 pour payer 700).

II est faux de dire qu’un son de 80 dB est deux fois plus puissant qu’un son de 40. Il est 10 000 fois plus puissant, puisque ajouter 40 dB, c’est multiplier quatre fois le son par 10, donc multiplier par 10 000.

Une source commune de mécompréhensions

Ce caractère étrange de l’échelle des décibels est fréquemment à la source d’erreurs. Par exemple, il est faux de dire qu’un son de 80 dB est deux fois plus puissant qu’un son de 40. Il est 10 000 fois plus puissant, puisque ajouter 40 dB, c’est multiplier quatre fois le son par 10, donc multiplier par 10 000.

On comprend ainsi, par exemple, pourquoi il est si difficile de se débarrasser du bruit d’une autoroute. Une personne habitant à 100 m de l’E 411 avec 60 dB pourrait penser que déménager à 200 m, où l’intensité du bruit est deux fois moindre, abaissera le niveau sonore à 30. Hélas, avec notre logique logarithmique, le niveau sera encore de… 57 dB, en vertu de la règle « diviser par deux l’intensité = enlever 3 dB au niveau sonore ». Il faudra habiter à 400 m pour enlever 3 autres décibels, à 800 m pour en perdre encore 3 autres, ce qui en laisse tout de même 425.

Il faut donc bien faire attention aux décibels, qui ne fonctionnent pas comme les unités habituelles, mais suivent d’autres règles de calcul plus complexes, où l’on est souvent surpris de la faible variation des décibels par rapport aux variations physiques.

Dans la zone de 90 à 120 dB, nous trouvons un marteau-piqueur, un concert de rock, une Formule 1, et enfin un avion au décollage. C’est dans cette zone, pourtant sans douleur, que se trouvent les dégâts du son en exposition aiguë, avec la destruction irréversible de cils de l’oreille interne, et donc une perte d’audition définitive.

Exposition aiguë : une oreille mal protégée par l’évolution

L’échelle des décibels, s’échelonnant de 0 à 120, passe par divers jalons que nous pouvons garder en référence6. 20 dB, c’est un jardin calme (sans oiseaux, ni tondeuses, ni conversations, ni musique). 50, une conversation tranquille. 60 dB, un marché animé. Le passage à 80 dB, qui correspond à une rue à fort trafic, est un repère important : il déclenche l’action en milieu professionnel. 87 dB délimite la valeur qui ne peut être dépassée au travail.

Puis, de 90 à 120 dB, nous trouvons respectivement un marteau-piqueur, un concert de rock7, une Formule 1, et enfin un avion au décollage8. C’est dans cette zone, pourtant sans douleur, que se trouvent les dégâts du son en exposition aiguë9, avec la destruction irréversible de cils de l’oreille interne, et donc une perte d’audition définitive. Notons que cette différence entre seuil de douleur et seuil de danger constitue une sorte de faille de notre système de défense, puisqu’il nous permet de nous exposer à des sons de l’intervalle 90-120. Imaginons un équivalent thermique, où un seuil de douleur mal réglé à 80°C nous permettrait de plonger tranquillement dans de l’eau à 70°C, avec de gros dégâts physiologiques !

Il existe certes un réflexe (réflexe dit « stapédien ») de diminution de la transmission du son à l’oreille interne, qui permet de protéger celle-ci d’un son trop fort. Une sorte d’équivalent auditif du réflexe de contraction des pupilles, qui permet d’éviter l’éblouissement par une lumière trop forte. Hélas, cette protection se révèle assez peu adaptée au contexte moderne : elle est fatigable (c’est-à-dire qu’elle perd de son efficacité avec la durée d’exposition), ne fonctionne pas contre les bruits aigus, et ne se déclenche qu’après un délai de 30 ms : inefficace, donc, contre les bruits courts et intenses. Par conséquent, il faut être particulièrement vigilant·es dans des ambiances sonores bruyantes où « on n’a pas mal » (concerts, foules, chantiers, machines…), en mettant par exemple des casques anti-bruit, des bouchons d’oreille… Ou tout simplement en s’éloignant de la source, si on peut.

Nous constatons par ces mécanismes insuffisants (seuil de douleur trop haut, réflexe stapédien peu efficace) que l’humain semble assez mal adapté contre l’exposition aiguë au bruit. Il faut dire que l’évolution de notre espèce n’a pas connu de cas de sons aussi intenses, qui n’existent de façon courante que depuis quelques centaines d’années !

La réduction du bruit ambiant en ville, ou sur le lieu de travail, doit être considérée comme une problématique collective, qui implique une politique globale, pour une meilleure santé mentale et physique.

Exposition chronique : des dégâts insidieux

Moins connues sont les conséquences du bruit en exposition chronique, c’est-à-dire une exposition à un son relativement peu intense, mais sur de très longues durées. Une autoroute ou une grande avenue urbaine, par exemple, génèrent, à une distance de quelques dizaines de mètres, un bruit de 50 à 70 dB pendant de longues durées continues : plusieurs heures d’affilée, voire plus, presque tous les jours de l’année. Il s’agit donc d’un niveau sonore bien inférieur au seuil de danger en exposition aiguë, mais dont les conséquences sont encore un sujet de recherche : augmentation de certaines maladies cardio-vasculaires, altération du sommeil, avec un cortège d’effets nocifs encore sous-estimés, comme le diabète, la baisse de la concentration, des troubles de l’humeur, des performances cognitives, etc10. Ces risques n’ont, finalement, rien à voir avec l’oreille, et mériteraient d’être mieux connus du grand public. L’excès de bruit n’abîme pas que l’audition, mais affecte de nombreuses fonctions du corps humain.

Mais, contrairement aux bruits intenses, l’exposition chronique est plus insidieuse, et il est difficile de s’en protéger individuellement. La réduction du bruit ambiant en ville, ou sur le lieu de travail, doit être considérée comme une problématique collective, qui implique une politique globale, pour une meilleure santé mentale et physique. À prendre en compte dans la réflexion sur l’aménagement et l’adaptation des différents milieux : d’apprentissage, de travail ou de vie.

• 1Comme le déplacement d’un objet dans l’espace vide, par exemple celui d’une station spatiale en orbite.
• 2https://www.pasteur.fr/fr/journal-recherche/actualites/audition-comment-ca-marche
• 3Analogue, d’une certaine manière, à une boîte de vitesses de voiture ou de vélo, adaptant la vitesse du moteur (ou du pédalier) à celle des roues.
• 4Progression dite géométrique.
• 5Ces calculs restent simplistes et ne tiennent pas compte du vent, des arbres, du relief, etc.
• 6https://www.bruitparif.fr/l-echelle-des-decibels/
• 7Notons qu’un concert non amplifié peut également atteindre de hauts niveaux (notamment si l’on se situe devant les cuivres).
• 8Les distances ne sont pas indiquées, mais il s’agit de distances normales d’exposition : marteau-piqueur à quelques mètres, concert de rock dans la salle, avion au décollage au bord de la piste, etc.
• 9Au sens de l’exposition quelques minutes ou quelques heures, par opposition à l’exposition chronique.
• 10R. Slama, Le mal du dehors, éditions Quae, Versailles, 2017.