Comment la réduction de bruit fait-elle taire les sons ?
― Ajouter un son pour en effacer un autre
Dans le train ou l'avion, mettez des écouteurs à réduction de bruit : le grondement grave du moteur s'apaise d'un coup. Contrairement à un simple bouchon d'oreille, tous les sons ne disparaissent pas, mais ce ronflement grave, lui, s'évanouit proprement. La raison : l'appareil ne bloque pas le son, il en ajoute un autre qui l'annule.
Au moment où vous activez la réduction de bruit, le grondement ambiant devient peut-être comme si l'on avait baissé le volume d'un coup de bouton.
Le plus étrange, c'est que rien n'a changé autour de votre oreille. Les écouteurs n'obstruent pas davantage le conduit, et pourtant certains sons seulement (moteur grave, bruit de ventilation) s'éteignent, comme ciblés.
Si le son n'est pas bloqué, que se passe-t-il donc ?
Le son est une onde : la pression de l'air monte et descend, encore et encore.
Si l'on ajoute au son d'origine une onde dont les crêtes et les creux sont exactement inversés, les deux ondes s'annulent et il ne reste presque rien.
La réduction de bruit est une technique qui fabrique artificiellement, avec un circuit électronique, cette « annulation d'ondes ».
Le son est une onde de pression de l'air
Le son, c'est une vibration : la pression de l'air monte et descend sans cesse. Quand on frappe un tambour, l'air vibre, cette vibration atteint l'oreille sous forme d'onde et fait trembler le tympan : c'est ainsi que nous entendons.
Une onde comporte des crêtes (pression forte) et des creux (pression faible). Comme dans l'effet Doppler, qui change la hauteur apparente d'un son, le son voyage dans l'air sous forme d'onde invisible.
Deux ondes opposées s'annulent
Voici le cœur du procédé. Si l'on ajoute, au même endroit et en même temps, une onde et son inverse (crêtes et creux échangés, dite en opposition de phase), les crêtes sont annulées par les creux, et les creux par les crêtes : il ne reste presque rien. On parle d'« interférence destructive », ou d'annulation par opposition de phase.
Les écouteurs à réduction de bruit possèdent un petit microphone tourné vers l'extérieur. Il capte le bruit ambiant, et un circuit interne calcule, en un temps très court, un « son en opposition de phase » dont les crêtes et les creux sont l'inverse exact de ce bruit. Le haut-parleur le diffuse, et il s'annule avec le bruit d'origine juste devant le tympan, dit-on.
Autrement dit, le son n'est pas bloqué physiquement : on lui oppose un son contraire qui le neutralise. Voilà pourquoi certains sons seulement s'apaisent, sans que le conduit soit davantage obstrué.
Elle ajoute au son d'origine son exact contraire, et le rend inaudible.
Pourquoi les sons graves s'annulent-ils mieux que les aigus ?
La réduction de bruit est efficace contre les sons graves et continus, comme un moteur ou une ventilation, mais on sait qu'elle agit peu sur les voix ou les tintements de vaisselle, plus aigus.
La raison tient à un très court délai (le retard de traitement) entre le moment où le micro capte le son et celui où le son inversé est diffusé. Quand ce retard n'est plus négligeable par rapport au temps d'une vibration (la période), le son inversé arrive au mauvais moment et l'annulation échoue.
Un son grave met longtemps à faire une vibration : même avec un petit retard, le décalage reste peu marqué, et l'annulation fonctionne. Un son aigu, lui, vibre très vite : le même retard devient un décalage relativement important, et l'annulation est plus difficile. Pour savoir jusqu'à quelle hauteur l'effet est réel, on le vérifie chiffres en main dans la section repliable suivante.
La réduction de bruit est une technique qui atténue certains sons continus, pas une technique qui efface tout ce qui vous entoure. Les sons soudains (klaxon, quelqu'un qui vous appelle) sont difficiles à annuler et restent audibles. À pied ou à vélo, quand il faut rester attentif aux bruits alentour, il importe d'utiliser la fonction en tenant compte de ces limites.
Ce que vous pouvez vérifier vous-même
- Préparez deux appareils capables de jouer la même musique ou le même son en même temps (à défaut, un appareil et une enceinte peuvent déjà donner des indices)
- Si vous avez des écouteurs ou un casque à réduction de bruit, dans une pièce calme, activez puis désactivez la fonction et comparez le bruit de la ventilation ou de la climatisation
- Comparez un son grave et continu (ventilation, climatisation) avec un son aigu et bref (claquement de doigts, vaisselle) : l'effet est-il différent ?
Si le son grave et continu s'apaise nettement plus, vous avez ressenti par vous-même que « les sons graves s'annulent plus facilement », comme l'expliquait le texte.
En résumé
La réduction de bruit ne bloque pas physiquement le son : elle crée, à partir du bruit capté par le micro, l'onde exactement opposée (le son en opposition de phase) et l'ajoute devant le tympan pour l'annuler. Le traitement prend un temps, même très court : les sons graves, dont la vibration est longue, s'annulent donc mieux que les sons aigus, dont la vibration est brève.
La réduction de bruit n'est pas une magie du silence.
C'est un duel de précision : lire l'onde, puis lui opposer son exact contraire, au bon instant.
Pour aller plus loin ― termes, valeurs, liens avec les manuelsDu collège aux sujets de recherche : le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « physique de base » du lycée
- Lycée+Physique de lycée approfondie, ou contenu des encadrés et compléments des manuels
- Univ.Matières spécialisées de l'université (traitement du signal, acoustique), hors programme du lycée
- RechercheSujets encore en cours d'étude, non enseignés comme acquis même à l'université
CollègeVocabulaire : les mots des ondes et du son
- Onde : phénomène où l'état d'un lieu (ici la pression de l'air) varie de façon périodique en se propageant.
- Amplitude : hauteur d'une crête de l'onde (taille de la vibration). Pour le son, elle correspond au volume.
- Période : temps que met l'onde à faire une vibration.
- Fréquence : nombre de vibrations par seconde. C'est l'inverse de la période, en Hz (hertz).
LycéeVérifier par le calcul : jusqu'à quelle hauteur de son l'annulation marche-t-elle ?
On compare le retard de traitement (entre la capture du son et la diffusion du son inversé) à la période du son pour estimer la hauteur jusqu'à laquelle l'annulation fonctionne bien.
période ＝ 1 ÷ fréquence
| Période | Temps d'une vibration. En secondes |
| Fréquence | Nombre de vibrations par seconde. En Hz |
| Retard de traitement | Temps entre la capture du son et la diffusion du son inversé. En secondes |
Pour garder un décalage faible, le « retard de traitement » doit être assez court devant la « période ». Ici, à titre indicatif, on pose la condition « retard de traitement ≤ un dixième de la période ».
Le retard de traitement varie selon les modèles et les méthodes, mais une valeur indicative courante est d'environ 100 microsecondes (0,0001 s). On l'utilise pour le calcul.
| Retard de traitement (indicatif) | 0.0001 s |
| Période requise (au moins 10 fois le retard) | 0.0001 × 10 ＝ 0.001 |
| Période requise | 0.001 s ou plus |
| Fréquence correspondant à cette période | 1 ÷ 0.001 ＝ 1000 |
| Limite haute des sons faciles à annuler (indicatif) | env. 1000 Hz (1 kHz) |
Ce calcul donne pour repère que les sons plus graves qu'environ 1000 Hz s'annulent facilement, et les plus aigus plus difficilement. Les grondements graves des avions et des moteurs se situent pour la plupart sous cette limite, d'où l'efficacité observée ; en revanche, la voix humaine (dont les consonnes contiennent beaucoup de composantes plus aiguës) dépasse souvent cette plage et s'annule mal, explique-t-on parfois.
※ La valeur précise du retard varie selon les modèles et les méthodes ; le chiffre donné ici est un repère courant. Le critère du « dixième de la période » est lui aussi une simplification pour comprendre le principe, et diffère des critères de conception réels.
Lycée+Le penser comme un décalage de phase
Le texte et les points ①② parlent de « décalage dans le temps », mais en physique des ondes on parle plutôt de « décalage de phase ». Un son en opposition de phase est décalé d'une demi-période (180 degrés de phase) par rapport au son d'origine. Avec un retard de traitement, ce décalage de 180 degrés n'est plus exactement de 180 degrés, et l'annulation devient imparfaite. Si l'écart devient trop grand, au lieu d'annuler, on peut même renforcer le son, dit-on.
Univ.Méthodes feedforward et feedback
Les systèmes réels utilisent la méthode « feedforward », où un micro extérieur capte le son ambiant et le traite par anticipation, et la méthode « feedback », où un micro intérieur (près du tympan) mesure le son qui arrive réellement et corrige en continu ; beaucoup de produits combinent les deux.
On emploie aussi une technique de traitement du signal, les filtres adaptatifs, qui ajustent finement l'annulation selon les caractéristiques du bruit ambiant. C'est une astuce pour s'adapter aux bruits réels, qui changent avec le temps, plutôt qu'à des sons simples aux propriétés connues d'avance.
RechercheCe qui reste incertain ou en développement
- Jusqu'où peut-on annuler les sons irréguliers et rapides (non stationnaires), comme les voix ou la vaisselle ? Le domaine est toujours en recherche et développement. Annuler efficacement ces sons est techniquement plus difficile que pour des sons graves et réguliers.
- Comment réduire le bruit du vent, gênant en marchant dehors ? C'est aussi un défi en cours. Le bruit créé par le vent frappant directement le micro diffère d'un bruit ordinaire et reste difficile à traiter.
- La recherche avance aussi sur les « zones sonores », qui rendent silencieux un lieu précis sans écouteurs. Plusieurs haut-parleurs annulent le son à un endroit et le laissent normal ailleurs, mais de nombreux obstacles techniques restent à lever avant une utilisation pratique.
L'idée de base, « ajouter un son pour en effacer un autre », est ancienne, mais la rendre efficace pour tous les sons et en tous lieux reste un sujet de recherche.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : propriétés du son | Vocabulaire de base : onde, amplitude, période |
| Lycée | Physique de base : propriétés des ondes | Calcul de la limite des sons annulables à partir de la période et de la fréquence |
| Lycée+ | Physique : interférence des ondes | Explication par le décalage de phase |
| Univ. | Acoustique, traitement du signal | Méthodes feedforward / feedback, filtres adaptatifs |
| Recherche | Acoustique (en développement) | Sons non stationnaires, bruit du vent, zones sonores |
- Explications du principe de base du contrôle actif du bruit dans les manuels d'acoustique.
- Kuo, S. M. & Morgan, D. R., Active Noise Control Systems: Algorithms and DSP Implementations (ouvrage de référence sur la réduction de bruit par filtres adaptatifs).
- Documents de vulgarisation des grands fabricants de casques et d'écouteurs sur le principe de la réduction de bruit.
- Explications, dans les manuels de physique, du principe de superposition et de l'interférence des ondes.
- Travaux de recherche en acoustique sur la technique des « zones sonores personnelles ».
※ Le retard de traitement et la fréquence limite d'annulation sont des valeurs indicatives pour comprendre le principe ; la performance réelle varie selon les modèles et les méthodes.
※ Cet article est une explication scientifique grand public. La réduction de bruit ne coupe pas tous les sons ambiants. Pour l'usage à pied, à vélo ou dans toute situation où il faut rester attentif aux bruits alentour, suivez le mode d'emploi et les consignes de chaque produit.