Décibel

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Le décibel (dB) est une mesure du rapport entre deux puissances. Il est très utilisé dans des domaines comme l'acoustique, la physique et l'électronique. Alors qu'il a été introduit à l'origine pour mesurer des ratio d'intensité et de puissance, le décibel est désormais largement répandu dans l'ensemble des champs de l'ingénierie. On l'utilise couramment pour mesurer des volumes sonores. C'est une unité « sans dimension », comme le pourcentage (
Décibel

Le décibel (dB) est une mesure du rapport entre deux puissances. Il est très utilisé dans des domaines comme l'acoustique, la physique et l'électronique. Alors qu'il a été introduit à l'origine pour mesurer des ratio d'intensité et de puissance, le décibel est désormais largement répandu dans l'ensemble des champs de l'ingénierie. On l'utilise couramment pour mesurer des volumes sonores. C'est une unité « sans dimension », comme le pourcentage (il ne s'exprime pas en mètres ou en kilogrammes).

Histoire des bels et décibels

Le bel (symbole B) est utilisé dans les télécommunications, l'électronique, et l'acoustique. Inventé par des ingénieurs des Laboratoires Bell pour mesurer l'atténuation du signal audio sur une distance d'un mile , longueur standard d'un câble de téléphone, il était appelé unité de « transmission » à l'origine, ou TU (en anglais), mais fut renommé en 1923 ou 1924 en l'honneur du fondateur du laboratoire et pionnier des télécoms, Alexander Graham Bell.

Définition

Le logarithme décimal d'un rapport de puissances : \log_\left(P_1\over P_\circ\right) s'exprime en Bel. Une telle mesure multipliée par dix : 10\log_\left(P_1\over P_\circ\right) s'exprime donc en décibel (dB). Un décibel étant égal à un dixième de Bel. Par exemple, si le rapport entre les deux puissances est de : 10 = 100, cela correspond à 2 Bel ou 20 dB. Dans certaines situations les puissances sont proportionnelles au carré d'une autre grandeur. Par exemple en électronique si l'on travaille avec des résistances de charge constantes, ou bien en acoustique, la puissance acoustique est proportionnelle au carré de la pression acoustique. Souvent, dans ces situations, si l'on exprime la puissance en fonction de l'autre grandeur, des carrés apparaissent, et il est tentant pour les mathématiciens de les sortir du logarithme pour arriver à des définitions de décibel du genre : dB = 20\log_\left(U_1\over U_\circ\right) Mais il vaut mieux retenir la définition d'origine.

Le décibel comme unité de mesure absolue

Le décibel est utilisé comme mesure du rapport entre deux puissances dans certains domaines, comme les télécommunications ou le radar pour décrire des gains ou des amplifications (dB positifs) ou des pertes ou des atténuations (dB négatifs). On parle alors d'une atténuation de 15 dB compensée par un amplificateur avec 15 dB de gain. Une atténuation de 15 dB est équivalente à un gain de -15 dB. Le décibel a donné naissance à un certain nombre d'unités (sans dimensions) utilisées pour mesurer des puissances ou des intensités de façon absolue. Ceci se fait en utilisant comme puissance de référence (dans le dénominateur de la définition précédente) une valeur de puissance prédéfinie. Dans ce cas, on ajoute une lettre à « dB » pour savoir de quoi on parle. Voici quelques exemples :
- dBSPL décibel en acoustique (voir plus bas) ;
- dBA décibel pondéré en acoustique (voir plus bas) ;
- dBW décibels au dessus d'un watt. La puissance de référence est 1 W ;
- dBm décibels au dessus d'un milliwatt. La puissance de référence est 1 mW ;
- dBu décibels mesurant la tension par rapport à une référence de 0, 775 Volts RMS. Cette valeur de référence correspond à la tension d'une charge de 600 Ohms soumise à 1mW.
- dBV décibels mesurant la tension par rapport à une référence de 1 Volt RMS.
- dBi utilisé pour parler du gain des antennes. Le gain de référence est celle d'une antenne isotrope.
- dBFs: amplitude d'un signal comparativement à son niveau maximum avant saturation.

Unité acoustique

dBSPL

Le décibel, notée dB, est une unité relative de l'intensité acoustique. Le dBSPL (Sound Pressure Level) est défini par le rapport de la puissance par unité de surface du son que l'on mesure et une puissance par unité de surface de référence : : dB_\mathrm = 10 \log_ \left( P\over S \over \left(P\over S\right)_\mathrmr\acutef \right) \ La puissance par unité de surface de référence est 10-12 W·m-2 (un picowatt par mètre carré). La puissance par unité de surface transportée par une onde sonore est reliée à la pression acoustique par la formule : : P\over S = 1\over \rho vp^2 où :
-\frac est la puissance par unité de surface (en W·m-2).
-p est la pression acoustique efficace (en pascal).
-\rho est la masse volumique du milieu (en kg·m-3).
-v est la vitesse du son dans le milieu (en m·s-1). Si, dans la formule de la première définition, on remplace la puissance par unité de surface par la formule en fonction de la pression acoustique, la densité et la vitesse se simplifient et on obtient : : dB_\mathrm = 10 \log_\bigg(\frac\bigg) \ Si on sort le carré du logarithme on obtient la seconde version de la définition de dBSPL : : dB_\mathrm = 20 \log_ \bigg(\frac\bigg) \ p est le niveau de pression du son (en valeur efficace) et \textstyle p_\circ est la pression de référence que l'on accepte comme le niveau à partir duquel l'oreille humaine commence à percevoir un son pur de 1 kHz. Celui-ci est de 20 µPa (valeur efficace). Les deux valeurs de référence (1 picowatt par mètre carré et 20 µPa efficaces) sont équivalentes pour l'air à la température et pression ambiante. Par ailleurs, pour un même niveau acoustique à différentes fréquences, l'homme ne perçoit pas le même niveau d’intensité. Pour un même niveau d’intensité acoustique de 20 dBSPL, un son pur de 1 kHz paraîtra plus fort qu'un son de 10 kHz tandis qu'un son de 100 Hz ne sera pas perçu. Pour avoir le même niveau perçu, le son de 10 kHz devra être à 30 dBSPL et le son de 100 Hz à 50 dBSPL. Les courbes isosoniques représentent les courbes de même intensité perçue qu'un son pur de 1 kHz à un niveau acoustique donné.

Le seuil de perception auditive

Le niveau de 0 phone ou 0 dB SPL est un niveau vraiment bas. Pour s'en rendre compte, voici à quoi ce niveau de 0 dB SPL correspond :
-en puissance par mètre carré : à 0, 5 watts repartis sur toute la surface de la France métropolitaine ;
-en pression : à la pression due au poids d'une couche de 2.10 m d'eau (environ 20 atomes d'épaisseur) ;
-en déplacement des molécules dans l'air : à une oscillation (crête à crête) de 2.10 m, c’est-à-dire 2 dixièmes de l'épaisseur d'un atome !

dB pondéré

Pour prendre en compte cette sensibilité de l'oreille par rapport aux fréquences, le dB(A) est utilisé. En effet, celui-ci utilise la courbe isosonique, correspondant à un niveau perçu de 40 dB pour un son pur de 1 kHz. L’inverse de cette courbe pondère le signal et l’on obtient le niveau en dB(A) par intégration sur toutes les fréquences. Cette unité est très fréquemment utilisée dans les indicateurs acoustiques du bruit.

Divers exemples sur l'échelle du bruit

- De 0 à 10 dB : désert
- De 10 à 20 dB : cabine de prise de son
- De 20 à 30 dB : conversation à voix basses
- De 30 à 40 dB : forêt
- De 40 à 50 dB : bibliothèque
- De 50 à 60 dB : lave-vaisselle
- De 60 à 70 dB : téléviseur
- De 70 à 80 dB : aspirateur
- De 80 à 90 dB : tondeuse à gazon
- De 90 à 100 dB : route à circulation dense
- De 100 à 110 dB : marteau-piqueur
- De 110 à 120 dB : discothèque
- De 120 à 130 dB : avion au décollage (à 300 mètres)
- 180 dB : décollage de la fusée Ariane Au-dessous de 20 dB, le son est pratiquement inaudible pour l'oreille humaine. Il commence à devenir douloureux au-delà de 80 dB, dangereux à partir de 100 dB et carrément insupportable dès 120 dB.

Voir aussi

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Sujets connexes
Acoustique   Bel   Courbes isosoniques   Décibel   Laboratoires Bell   Mille (unité)   Pascal (unité)   Phone   Physique   Radar   Sonomètre   Télécommunications   Téléphone  
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