Le casque actif antibruit [1]

Dr Bernard Auriol

Un casque antibruit est un casque dont le but essentiel est la réduction de l'intensité du bruit perçu.

Pour agir « activement » contre les sons de fréquence graves constituant nombre de bruits associés aux travaux avec machines, Paul Lueg a proposé (1933) d'ajouter au bruit exactement le même son, mais en opposition de phase [2] .

Sans connaître Paul Lueg, j’avais parlé de cette idée à mon ami le Pr Josserand qui n’avait pu s’empêcher d’en sourire… Jusqu’à ce que nous tombions sur l’annonce que des acousticiens de Marseille (Christian Carme) avaient réalisé avec succès un tel dispositif [3]  !

Depuis, Christian Carme est allé beaucoup plus loin puisqu'il insonorise certains bruits à la source ou dans une relativement vaste enceinte !

Principe :

Toute onde sonore (tout bruit) peut être considéré comme la somme de sons purs sinusoïdaux (Joseph Fourier).

On crée une onde sonore de même fréquence, en opposition de phase et de même amplitude.

Si on fait interférer les deux ondes sonores (le bruit de départ et le bruit créé) on obtient du silence ! Pour ce faire, dans le casque actif, on ajoute au bruit entrant un second signal symétrique de ce bruit de telle sorte que la surpression de l'air due au bruit coïncide avec la dépression due au son ajouté et réciproquement !

 

Pour montrer le phénomène d’interférence sonore confectionnons un « trombone » au moyen de tubes de PVC montés sur une planche en bois. Un haut-parleur et un microphone relié à un oscilloscope permettent alors respectivement de produire et recevoir du son.

Le son émis par le haut-parleur se divise en deux parties au point P.

A partir de ce point, une partie de l’onde sonore se propage vers la gauche et l’autre partie vers la droite. Ces deux trains d’ondes parcourent ainsi deux chemins différents de longueurs d1 et d2. Puis ils se rejoignent et interférent au point R, où se trouve le microphone relié à l’oscilloscope.

 

Schéma pédagogique adapté de http://eurekalia.umh.ac.be/sitepedago/


publicité non évaluée par le Dr Bernard Auriol

On peut modifier la distance d2 grâce à la partie mobile du tube coulissant comme la coulisse d’un trombone.

Si la différence de chemin parcouru est nulle, ou égale à un multiple entier de longueur d’onde, Dd = |d2 – d1| = kl, les deux ondes atteignent en phase le récepteur, s’additionnent et produisent une interférence constructive : le microphone perçoit un maximum d’intensité sonore.

Par contre, si on déplace la partie amovible du tube de sorte que la différence parcourue équivaut à un multiple de demi-longueur d’onde, Dd = |d2-d1| = k’l/2, où k’ est impair, les deux ondes arrivant au niveau du récepteur sont déphasées de 180°. Dans ce cas, elles s’annulent et donnent lieu à une interférence destructive : le microphone ne détecte dès lors aucun son (l'addition des deux ondes inverses en pointillé les annule toutes deux !).

schémas sur la boite du Panasonic RP - HC 500

Réalisation

En fait, ceci est une simplification qui nous limite en théorie.

Le temps de calcul nécessaire pour créer l’onde antibruit et sa transduction nous limitent aussi en pratique.

Il en résulte que les appareils actuellement disponibles peuvent réduire considérablement le bruit ambiant mais non le supprimer parfaitement.

Par ailleurs, on ne sait aujourd’hui réaliser ce système que dans un espace confiné qui permette de faire interférer de manière relativement simple le bruit environnant et l´onde créée par l´appareil "anti-bruit" !

Principe de l´atténuation du bruit par le bruit : la zone bleue correspond à la zone d’action du  dispositif anti-bruit, par rapport à la zone rouge fortement bruitée. Pour une bonne efficacité, le micro (rouge, à gauche dans la figure) se place au plus près de la zone à traiter et l’écouteur qui reçoit le son correcteur au plus près de l’oreille (bleu, à droite) !

En raison de ces limitations, les systèmes anti-bruits (ANR) sont surtout efficaces dans les basses fréquences. C’est pourquoi on les place dans des casques assurant une protection passive pour les fréquences plus aiguës. On peut ainsi obtenir une atténuation de 30 à 45 dBA [4] selon le bruit ambiant.

Décalage de 10% sur la phase           Erreur de 10% sur l´amplitude

Erreur de 10% sur la phase                Erreur de 10% sur l´amplitude

La source est en rouge, l’anti-bruit généré par le système est en bleu, l’onde résultante est en noir [5] ...

(d’après http://www.pc-optimise.com/news/mdr_nc22.php)

figure adaptée à partir de http://www.technofirst.com/noisemaster.html

 

Les Casques anti-bruit actifs [6] du commerce (Juillet 2006)

 

Gamme NoiseMaster

Elle est destinée aux personnes travaillant dans des environnements très bruyant. Ils intègrent la technologie ANR dont l'utilisation opérationnelle a débuté dans l'armée française il y a plus de dix ans avec l'équipement des pilotes de chars d'assaut et des hélicoptères afin que ceux-ci puissent comprendre clairement les instructions malgré le bruit assourdissant de leurs engins. L'ANR s'est rapidement développé dans les armées du monde entier, les services civils et l'aéronautique et se développe dans le monde industriel pour améliorer les performances des équipements de protection individuels auditifs traditionnels.

Sennheiser PXC 300

On lui a reproché de forcer un peu trop sur les aigus.

Sennheiser PXC 450

Très bonne qualité sonore: bon équilibre entre les basses, les aigus et les mediums, bonne dynamique.

Koss QZ Pro 

Fonction anti-bruit est assez peu performante : les nuisances sonores restent présentes. Il émet un souffle constant.

Sony MDR-NC6

Bonne dynamique et rendu sonore précis. Les basses sont appuyées, ce qui alourdit un peu le rendu global. Il s'adapte automatiquement à l'environnement sonore [7] (Cf. l’étude de Mandorlo).

Bose Quiet Confort 2

Bon sous tous rapports

Bose Quiet Confort 3

Fonction anti-bruit moins performante que celle du Quiet Confort 2.

Creative Aurvana X-Fi

Excellente fonction anti-bruit et bonne qualité sonore [8] mais petit défaut de bourdonnement.

JVC HA- NC250-E :

Mode anti-bruit globalement assez inefficace.

Philips SHN9500

Mauvaise qualité sonore et mode anti-bruit mal conçu [9] .

Able Planet NC 1000

Il n’y a pas grand-chose à reprocher à ce modèle [10] .

Panasonic RP-HC 500 Efficcace et confortable

 

Intérêt des systèmes Anti-Bruit Actifs (ANR)

Les basses fréquences génèrent fatigue, stress et maux de tête. Leur atténuation est dès lors une nécessité d’hygiène du travail, des voyages ou des loisirs. Cette réduction de la nuisance sonore s’accompagne d’une amélioration de la compréhension de la parole puisque les fréquences de parole (1000 à 8000 Hz) ne sont plus masquées par les basses fréquences (63 à 1000 Hz). D’où la diminution de la sensation d'isolement qui résulte souvent du bruit excessif.

Malgré l’analogie, on ne peut assimiler un système anti-bruit actif à l’ingénieuse structure architecturale qui a permis de constituer autrefois des confessionnaux pour lépreux : le prêtre et le malade, placés de part et d’autre de la pièce pouvaient s’entendre sans que les personnes situés en d’autres points de la même pièce puissent capter leurs échanges…

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Psychosonique Yogathérapie Psychanalyse & Psychothérapie Dynamique des groupes Eléments Personnels

© Copyright Bernard AURIOL (email : )

29 Juin 2008

Sources

http://www.technofirst.com/noisemaster.html

Wikipedia : Casque antibruits

PC-optimise.info



[1] Pour réduire le bruit, la première solution a été d'utiliser un casque acoustiquement isolé par des matériaux appropriés. Mais ce n’est efficace que sur les aigus (à partir d'environ 600 Hz).

[2] D. Guicking, On the invention of active noise control by Paul Lueg, Drittes Physikalisches Institut, University of Göttingen, Bürgerstrasse 42-44, D-3400 Göttingen, Federal Republic of Germany (Received 9 January 1990; accepted 11 January 1990). A historical report is given on the invention of active noise control which is related to the person of Paul Lueg, a doctor of philosophy and medicine, who worked as a physicist for many years. He submitted, early in 1933, a patent application describing for the first time the principle of active noise cancellation. Long before any technical realization, he had recognized the essential aspects of this method. It was his personal tragedy that he ran, by this patent, into severe controversies with Nazi army authorities. Instead of recognition (and profit), the invention brought him nothing but detriments which overshadowed his further life.

[3] Christian CARME et Alain ROURE (CNRS) ont déposé leur brevet d'invention sur le casque actif en 1986 (brevets FR2595498 EP0237454 WO8705430) et Christian CARME fonde TechnoFirst® S.A. en 1990 pour lancer la commercialisation de la gamme de casque antibruit actif (ANR, « Active Noise Reduction » ou ANC, « Active Noise Control ») NoiseMaster®. Un brevet similaire est déposé la même année par Bose Corporation (brevet EP0208389). A ce jour plus de 500 000 personnes utilisent le système de protection auditive ANR TechnoFirst.

[4] Les dB A constituent une correction classique – quoique sa pertinence soit discutée – des mesures physiques (dB SPL ou audiométriques dB HL)

[5] Se pose la question de savoir si on pourrait optimiser le résultat en jouant sur des décalages minimes de phase et de très petites variations d’amplitude, réalisées automatiquement et sélectionnant ce qui produit une amplitude minimale de la courbe résultante. Il est probable que ce module de traitement fasse partie des casques antibruit déjà dans le commerce.

[6] On doit bien distinguer les systèmes Anti-Bruits réellement actifs des autres procédés électroniques dits « actifs qui ne sont en réalité que des systèmes « à atténuation passive asservie ». Ces derniers  sont simplement dotés d'un clapet ouvert fixé sur le casque. Dès que le bruit monte jusqu’à 85 décibels, le clapet se ferme et le casque devient une protection auditive passive. La fermeture du clapet est déclenchée électroniquement, mais la protection auditive reste purement passive .

[7] Selon les tests de Sony, ce casque est capable d'annuler 99 % du bruit extérieur tout en offrant un son Hi-Fi.

[8] Il est doté des technologies CMSS-3D et X-FI Xtreme Fidelity.

[9] Une fois activé, la seule différence notable se situe dans le volume sonore qui est augmenté sans que les bruits de fond ne soient atténués !

[10] Ce casque a reçu le prix de l’innovation de l’International Consumer Electronics Show (CES de Las Vegas).