Environnement : mesures acoustiques et sismiques basse fréquence

Les ondes acoustiques et sismiques en basse fréquence sont utilisées pour mesurer les activités naturelles ou artificielles ayant un impact potentiellement élevé sur l'environnement et la société. Cependant, les normes de mesure ne couvrent pas la plupart des gammes de fréquences pertinentes dans ces applications, ce qui rend les données non traçables et compromet leur fiabilité et leur acceptation.

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Les mesures acoustiques et sismiques basse fréquence sont utilisées dans le Système de surveillance international (IMS) pour assurer la conformité avec le Traité d'interdiction complète des essais nucléaires (CTBT), ainsi que dans des applications géophysiques, de prévision météorologique et de changements climatiques. Cependant, l'absence totale de traçabilité réduit considérablement la fiabilité des données.

Ce manque de traçabilité au SI a conduit le Comité Consultatif de l’Acoustique, des Ultrasons et des Vibrations (CCAUV) du BIPM à souligner dans ses derniers documents stratégiques le besoin de capacité d’étalonnage en acoustique et vibration à des fréquences inférieures à 20 Hz.

Depuis quelques années, le LNE est pleinement engagé à répondre à ces nouveaux objectifs en particulier dans le cadre du JRP INTRA-AUV . Parmi les objectifs du projet, le LNE est particulièrement impliqué dans le développement d’un pistonphone laser, un moyen d’étalonnage primaire pour la réalisation d’un étalon de pression acoustique optimisé pour la gamme de fréquence 10 mHz – 20 Hz.

Le dispositif repose sur la méthode du pistonphone calculable : le mouvement d’un piston génère une pression acoustique dans un volume fermé. La pression acoustique dans la cavité est alors calculée à partir de la mesure du débit volumique du piston (à l’aide d’un interféromètre laser) et du calcul de l’impédance acoustique de la cavité (via une modélisation).

Le prototype actuel a été dimensionné pour permettre l’étalonnage d’un grand nombre de capteurs, à savoir des microphones, des microbaromètres, des manomètres ou bien des baromètres utilisables en tant que capteurs infrason. Les performances métrologiques du banc d’étalonnage ont été démontrées et publiées.

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Le LNE apporte désormais la traçabilité au SI des mesures infrasonores à de nombreux laboratoires internationaux.

SI : réalisation de l’étalon de pression acoustique

La méthode d'étalonnage de la réciprocité en pression telle que spécifiée dans la norme CEI 61094-2:2009 constitue la méthode de base, utilisée par l’ensemble des Laboratoires Nationaux de Métrologie pour la réalisation de l’étalon de pression acoustique dans le système international d'unités.

La méthode de la réciprocité en pression nécessite l’usage de trois microphones réciproques, couplés par paires à l'aide d'une cavité, généralement de forme cylindrique. Les extrémités du coupleur sont fermées par les membranes des microphones, l'un étant utilisé en émetteur et l'autre en récepteur. Les efficacités des microphones sont déterminées à partir de mesures électriques et d'un calcul analytique de l'admittance acoustique de transfert de la cavité de couplage. Cette opération est répétée avec trois couples de microphones pour déterminer l’efficacité de chaque microphone.

Le calcul de l'admittance acoustique de transfert est un point clé de l'étalonnage par la méthode de la réciprocité et a fait l’objet de plusieurs études au cours des dernières décennies.

La norme CEI 61094-2:2009 précise deux modèles permettant le calcul de l'admittance acoustique de transfert d’une cavité cylindrique. A savoir, un modèle adapté aux basses fréquences et un modèle adapté aux moyennes et hautes fréquences. Les travaux de recherche effectués au LNE ont menés à une remise en question du modèle basse fréquence préconisé dans la norme.

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Sur la base de ces travaux, il s’en est suivi la publication en 2022 de l’amendement à la norme CEI 61094-2:2009/AMD1:2022.

Le LNE reste actif dans ce domaine et travaille actuellement à un modèle unifié d’admittance acoustique de transfert de cavités cylindriques adapté à une large gamme de fréquence.

Santé : infrasons et ultrasons

En France, la surdité concerne plusieurs millions de personnes, qui du fait de leur handicap, peuvent se retrouver mis à l'écart de toute vie sociale. C’est pourquoi les programmes de santé nationaux investissent aussi bien dans le diagnostic auditif par le biais des programmes de dépistage que dans le traitement de ces troubles par le biais des appareillages auditifs. Outre le vieillissement, les troubles auditifs peuvent être déclenchés par de nombreux facteurs : surdité médicamenteuse, otospongiose, traumatismes acoustiques, etc. Par ailleurs, les nuisances sonores au travail restent une source importante de maladies professionnelles.

Au-delà de cet état des lieux, des questions restent sans réponses notamment en ce qui concerne la dangerosité des sons non-audibles, à savoir les infrasons et les ultrasons. De même, les outils de diagnostic disponibles demandent à être perfectionnés et spécialisés, plus particulièrement en ce qui concerne les enfants et nouveau-nés. C’est dans ce contexte que le LNE s’est investi dans le projet EMRP « Metrology for a universal ear simulator and the perception of non-audible sound », cherchant à approfondir les connaissances actuelles autour de 2 axes :

1. la perception des sons non audible et leur impact sur la santé
2. le développement de nouveaux simulateurs d’oreille afin d’améliorer le dépistage de la surdité, notamment chez les enfants et les nouveau-nés.

Les objectifs fixés au LNE se concentrent plus précisément sur ce deuxième axe.

Dans le processus visant à concevoir et à fabriquer un prototype de simulateur d’oreille universel, la première tâche a consisté à établir un cahier des charges qui soit en accord avec les besoins des utilisateurs. Ainsi, la méthodologie de conception d’un simulateur d’oreille a été entreprise afin d’en faire ressortir les paramètres clefs. Une étude détaillée de la littérature existante a donc été conduite afin de collecter les paramètres physiologiques clefs relatifs aux oreilles pour des sujets de tout âge (des nouveau-nés jusqu’aux adultes).

Sur la base de ces informations collectées, le dimensionnement de simulateurs d’oreille pour plusieurs groupes d’âge a débuté. Ce dimensionnement a consisté à assembler un réseau complexe de conduits, cavités, capillaires et microphones. Cette tâche a été accomplie à l’aide de deux outils de modélisation acoustique. Dans un premier temps, un modèle analytique a été développé permettant ainsi de tester par approximation successive plusieurs géométries. Ces géométries ont ensuite été affinées par modélisation numérique à l’aide du logiciel COMSOL dans lequel les équations fondamentales de l’acoustique en fluide thermo-visqueux ont été implémentées. Les figures suivantes présentent les designs des simulateurs d’oreille définis par l’étude ainsi que le prototype pour le groupe des nouveaux nés.

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Le nouveau concept de simulateur d'oreille développé au sein de ce projet vise à améliorer la qualité du dépistage de la surdité pour l’ensemble de la population, mais surtout pour les nouveau-nés et les enfants pour lesquels il n’existait pas de simulateur d’oreille.

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