Absorption atmosphérique

L’atténuation des ondes sonores peut également résulter de divers processus liés aux caractéristiques des fluides dans lesquels elles se propagent. Ces processus dissipatifs apparaissent le plus souvent dans les fluides complexes (non homogènes ou polyphasiques), mais également dans les fluides simples (en particulier dans les gaz). Leur importance a été définitivement établie dans de nombreuses situations réelles. Dans le cas des fluides « simples » qui ne sont pas le siège de phénomènes particuliers tels que la cavitation, la dissipation de l’énergie acoustique résulte essentiellement de trois processus, respectivement liés à la viscosité (1), la conduction thermique (2) et la relaxation moléculaire (3) :

1. Quand deux couches voisines de fluide sont animées de vitesses différentes, la viscosité du fluide se traduit par des forces (de cisaillement et de volume) entre ces deux couches, forces qui tendent à perturber leur mouvement et par suite sont responsables d’un amortissement des ondes. Dans le cas où ces phénomènes visqueux peuvent être négligés – c’est le cas de la propagation atmosphérique – cette dissipation n’est pas prise en compte.
2. Lorsque la pression d’un gaz est modifiée en lui imposant une variation de volume, sa température évolue corrélativement dans le même sens que sa pression (loi de Lechâtelier). Dans le cas d’une onde acoustique, les zones de surpression et de détente sont juxtaposées dans l’espace ; l’écart de température entre ces régions voisines se traduit par un transfert de chaleur des régions « chaudes » vers les régions « froides ». Ce transfert existe mais, sachant que l’écart de température sur une demi-longueur d’onde reste très faible et que l’onde thermique diffuse très lentement, ces effets thermiques sont négligés et les phénomènes sont par suite supposés adiabatiques.
3. Enfin, un autre phénomène peut intervenir dans l’amortissement des ondes dans les fluides : il s’agit du retard à l’établissement d’un équilibre, dû à une sollicitation extérieure (physique, thermique, chimique…) et qui n’apparaît pas instantanément. Ce phénomène, appelé relaxation moléculaire, peut être important dans l’air lors de la propagation à longue distance ou dans certaines circonstances : les retards temporels sont affectés de manière significative par la concentration en molécules polyatomiques, en particulier en molécules de vapeur d’eau, ou en termes plus communs par l’humidité relative ; cet effet est directement proportionnel à la pression atmosphérique et à l’hygrométrie. Les normes ISO 9613-1 et ANSI S1.26-1995 donnent une méthode de calcul qui permet de quantifier ces effets : l’atténuation provoquée par l’absorption atmosphérique est une fonction de deux fréquences de relaxation f_rO et f_rN, respectivement celle de l’oxygène et de l’azote. Les valeurs de f_rO et f_rN (en Hz) dépendent de la pression atmosphérique, de la température et de l’hygrométrie ambiante ; elles conduisent à la valeur du coefficient d’atténuation exprimé en dB/m pour chaque fréquence [4].

Certains auteurs ont montré qu’au-delà de 500 Hz environ, la conversion d’une fraction de l’énergie sonore en modes internes de vibration et de rotation (absorption moléculaire) était essentiellement déterminée par la relaxation des molécules d’oxygène de la vapeur d’eau. Quantitativement, cet effet s’élève selon eux à au moins 2 dB de perte par kilomètre et croît très rapidement avec la fréquence ; il peut être ainsi un facteur non négligeable lors de la propagation sonore en milieu extérieur. Au-dessous de 500 Hz, le mécanisme prépondérant de l’absorption moléculaire est la relaxation des molécules d’azote de l’air. L’absorption énergétique est considérablement moindre que celle engendrée par la relaxation des molécules d’oxygène, pour être pratiquement négligeable au-dessous de 200 Hz, même à grande distance de la source [5].

L’absorption atmosphérique doit donc être prise en compte lors de la propagation des ondes sonores. Cependant, cette prise en compte peut être implicite en considérant les niveaux de pression sonore relatifs au champ libre (incluant l’effet d’absorption atmosphérique), ou atténuation excédentaire.

Calcul de l’absorption atmosphérique

L’absorption atmosphérique peut être calculée à partir de la norme ISO 9613-1 : Acoustique – Atténuation du son lors de sa propagation à l’air libre – Partie 1 : calcul de l’absorption atmosphérique – Juin 1993.

Soit L0 un niveau sonore à un point de référence, le niveau sonore à un deuxième point éloigné d’une distance r de ce point de référence s’obtient à partir de

h : fraction molaire de vapeur d’eau (peut être calculée à l’aide de l’humidité relative).
– f : fréquence de l’onde acoustique (Hz)
– T : température de l’air (K)
– pa : pression atmosphérique de l’air (Pa).
– pr=101 325 kPa, T0=293.15 K.

Influence de la température et de l’humidité relative

Les influences de la température et de l’humidité relative de l’air sur l’absorption atmosphérique sont représentées sur les figures suivantes (l’axe des ordonnées représente l’atténuation acoustique pour chaque portion de 100m parcourue par l’onde acoustique).