Lesinfrasons sont desondes sonores debasse fréquence ; ce sont donc à la fois desvibrations mécaniques et des oscillations acoustiques. Ils sont habituellement situés sous le seuil de la limite moyenne des sons graves perceptibles par l'oreille humaine, soit entre 0 Hz et 16 à 20 Hz environ[1],[2], c’est-à-dire que lespériodes de leurs vibrations acoustiques se répètent toutes les 16 à 20 fois par seconde. S’ils sont émis à haute intensité dans une gamme située entre 16 et 20 Hz[3], ils peuvent provoquer pour l'auditeur une sensation de « tonalité »[1]. Aux fréquences inférieures, pour des raisons physiologiques, ils ne sont plus perçus par l'ouïe (à partir d'une limite dite « fréquence supérieure des infrasons »)[1].
De nombreuses études ont porté sur la production et la transmission des infrasons et desultrasons, ainsi que sur la sensibilité humaine (et de quelques espèces animales) à ces fréquences, à différentes intensités d'exposition. Les sources naturelles les plus constantes et communes en sont le vent (à100 km/h, le vent produit des infrasons à environ 135 dB[4]), les vagues marines (qui à une fréquence de moins de 1 Hz en émettent à une hauteur de 100 dB environ)[4]. La sismicité naturelle du globe terrestre en est aussi une source constante. Des sources artificielles d’infrasons, notamment industrielles, sont de plus en plus présentes et très nombreuses[4].
| Exemples d'infrasons | |
| Note : pour une perception optimale, se munir d'appareils d'écoute adéquats et écouter à haut volume. | |
| Onde sonore sinusoïdale de fréquence 20Hz. | |
| Onde sonore sinusoïdale de fréquence 16Hz. | |
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La sensibilité de l'audition humaine au spectre sonore et à l'intensité de sons varie, selon l'âge, l'attention et les individus, approximativement de 20 à 20 000 Hz.
La bande de fréquence de 20 à 40 Hz est une zone de transition entre les infrasons et les sons audibles[5]. Au-delà de 20 kHz et sous 20 Hz, les sons ne sont généralement plus perceptibles par l'oreille humaine (sauf à forte intensité pour les infrasons[1]) ; d'autresorganes permettent alors de lesressentir en tant que phénomène vibratoire, par exemple lacage thoracique, l'abdomen, lapeau, lesglobes oculaires, lesmuscles, lesquelette ou laboite crânienne ou d'autres organes internes, en entrant en résonance avec eux ou en ressentant l'énergie vibratoire induite. De tels infrasons sont également perceptibles par une personne atteinte desurdité, par exemple pour des niveaux sonores de l’ordre de 124 dB, (décibels) à 4 Hz[3]. On parle parfois dans ces cas de« perception vibrotactile »[3] (mais ce mot a d'autres acceptions). L'INRS estime en 2006 que selon la littérature scientifique,« Au-delà de 40 Hz et jusqu’à 100 Hz, on admet que l’on a affaire à des sons audibles basse fréquence »[3], et comme pour toutes les fréquences audibles, uneécoute binaurale (par les deux oreilles) semble améliorer la sensibilité aux infrasons (de 3 dB par rapport à une écoute monaurale)[6].
On sait depuis longtemps que le bruit à haute intensité est délétère pour l’audition et on s’attache depuis plusieurs décennies à déceler et mesurer d’éventuels effets de la part inaudible des vibrations auxquelles nous sommes exposés[7]. LaNASA, qui expose ses pilotes et astronautes à des niveaux très élevés de vibrations et de bruit, s’y est notamment intéressée[8]. Les expériences préparant lesmissionsApollo ont exposé sous contrôle médical des volontaires à des niveaux très élevés d’infrasons (120 à 140 dB)[9],[10] sans effets nocifs détectés sur leur santé ; un niveau élevé d’infrasons est ainsi bien plus supportable que le même niveau sonore dans la plage normale de fréquences audibles.
On a montré en laboratoire sur lemodèle animal que les infrasons ont bien des effets physiologiques, mais uniquement en cas d'expositions chroniques et de haute amplitude[11]. Chez l'humain, à partir d'un niveau élevé (qui porte l’infrason près duseuil d'audition) des réactions de fatigue, de dépression, de stress, d’irritation, d’asthénie, de mal de tête, de troubles de la vigilance ou de l’équilibre et des nausées (« mal de mer ») ont été décrits. Leseuil d'audibilité est le volume sonore minimal perceptible par l’oreille humaine ;« plus les fréquences sonores sont basses, plus le niveau sonore doit être élevé pour qu’il soit perceptible »[11]. Ces réactions pourraient être dues à la mise en vibration de certains organes internes (digestifs, cardio-vasculaires, respiratoires) ou des globes oculaires en présence de certains infrasons.
À titre de comparaison, de telles réactions n’apparaissent qu’à des seuils bien supérieurs aux infrasons émis par les éoliennes (par exemple évalués en 2004 par Jakobse[12] et par van den Berg[13]. Selon les résultats de Hayes (2006), induire unemaladie vibroacoustique (VaD) chez l'animal nécessite de l'exposer à un niveau de 50 à 60 dB plus élevé que le niveau d’infrasons et de sons de basse fréquence émis par les fermes éoliennes dans cette plage de fréquences[14].
Selon l'Institut national de recherche et de sécurité (INRS),« les sources infrasonores sont nombreuses, qu’elles soient naturelles ou artificielles ». Certaines sont nocives ou gênantes[3]. Exceptionnellement, des sources cohérentes émettant deux fréquences pures non infrasonores assez proches peuvent aussi — en raison de non-linéarités du milieu — localement provoquer l’apparition d’infrasons parasites perçus comme des battements (mais alors à des niveaux sonores généralement assez faibles[4]).
Parmi elles, la littérature scientifique identifie dans une large fréquence de sons« des composantes de haute énergie se situant dans la partie infrasonore du spectre »[3], notamment :
Les composantes de basse fréquence de ces phénomènes peuvent être transmises d'un fluide à un objet ou inversement,« ré-émises dans l'air »[3]. Dans le milieu naturel (ou anthropisé), la présence locale et parfois temporaire de certaines « couches » dans les nuages, dans le sol géologique et dans l'eau peut conduire des infrasons sur de très grandes distances (dizaines à centaines de kilomètres). Certaines espèces de baleines utilisent ainsi des couches océaniques de densité thermique et/ou saline différenciée commecanal SOFAR (SOFAR channel, l'équivalent d'unguide d'ondes acoustique, étudié et utilisé par l'acoustique sous-marine) pour communiquer sur de très longues distances (à l'inverse des animaux qui émettent dans l'ultrason, dont les appels et chants sont rapidement atténués par le milieu ambiant). Dans un contexte normal, le chant de la baleine à bosse (15 400 Hz) est audible à dix kilomètres, mais jusqu'à plusieurs centaines ou milliers de kilomètres dans les meilleures conditions.
Les infrasons jouent un rôle dans la communication chez certains mammifères tels que leséléphants, lesbaleines, les dauphins (9 Hz chez certaines espèces), lesfurets (16 Hz) lesokapis et peut-être lesgirafes ou le furet[22] voire certains poissons (lePoisson rouge les perçoit un peu sous les 20 Hz).
L'éléphant peut communiquer à grande distance (une trentaine de kilomètres) en produisant des infrasons avec son larynx (cachés dans le barrissement) ou en frappant des pieds sur le sol. L'onde sismique est alors perçue par la partie vestibulaire de sonoreille interne (crêtes des ampoules des canaux semi-circulaires, macules utriculaires et sacculaires)[23],[24].
Les Cétacés émettent des sons dans une très large bande de fréquence, entre 9 Hz et 150 kHz environ, donc pas tous audibles par l'homme[25].
Lesokapis[22] ou les girafes, que l'on pensait autrefois muettes, communiquent, selon certains auteurs, au moyen d'infrasons, d'après des enregistrements de girafes duzoo de Riverbanks de Columbia (Caroline du Sud), et celles du zoo d'Asheboro (Caroline du Nord)[26],[27],[22]. Il a été suggéré que le vastesinus frontal des girafes pourrait jouer un rôle de chambre de résonance pour la production et/ou perception d'infrasons[28] et que certains mouvements du cou (étirement notamment) pourraient être associés à la production de vocalisations infrasonales parrésonance de Helmholtz[22], bien qu'en 2003 Bashaw lors de sa thèse n'était pas arrivé à confirmer qu'il existe une vraie communication infrasonore chez cette espèce[29]. Sur cinq enregistrements d'infrasons effectués dans la nature, deux ont été produits lors d'interactions sociales de proximité, suggérant que ces vocalisations pourraient jouer un rôle de communication, qui reste à confirmer[22]. Les mécanismes de transmission aérienne et/ou sismique de ces vocalisations doivent encore être évalués[22].
Des enregistrements effectués (de jour et de nuit) dans trois zoos européens ont montré en 2015 que la girafe produit la nuit des sons de différents types, dont des grognements et des vocalisations harmoniques, soutenues et modulées en fréquence (dont aucune n'est dans la gamme infrasonore). Les auteurs de cette étude suggèrent de considérer avec prudence l'hypothèse d'une vraie communication infrasonienne chez la girafe et invitent à des études complémentaires[30].
En raison des caractéristiques des basses fréquences, les infrasons se propagent très bien dans tous les milieux ; liquides (eau), gazeux (dont l'air) ou élastico-solides (sol, structures, infrastructures construites, etc.). Seul le vide intégral les arrête immédiatement. Les molécules constituant l'air ne diminuent l’énergie d'une onde infrasonore de 10 Hz que d'environ 0,1 dB/km, soit 100 fois moins que les 10 dB/km absorbé par l'air pour des sons de fréquence audible à 1 kHz.
La règle de l'atténuation due à la propagation enondes sphériques (6 dB de moins chaque fois que la distance double) vaut aussi pour les infrasons ; c'est le principal facteur d'atténuation énergétique des ondes infrasonores avec la distance.
Les sources d'infrasons peuvent dont être très éloignées (centaines à milliers de kilomètres) et leur gamme de fréquence (grandes longueurs d’onde, par exemple 34 m pour une fréquence de 10 Hz) rend plus difficile la mesure de la directivité de la source. En outre, beaucoup de sources industrielles apparaissent« petites » par rapport à la longueur d’onde émise. Les infrasons étant peu freinés, la source émettrice les envoie dans toutes les directions de l’espace avec une énergie à peu près équivalente ; on les dit« omnidirectionnelles ». Ces caractéristiques rendent difficile la localisation de l’origine de nombreux infrasons.
Pour toutes ces raisons, il est presque impossible de se protéger des infrasons par les méthodes classiques d'isolation phonique par absorption acoustique. Des solutions de« contrôle actif du bruit » sont récemment apparues, qui permettent de créer un silence artificiel localement (dans une petite partie de la sphère d'émission), mais elles ne parviennent pas à inhiber toute l'émission, et sont imparfaites à grande échelle en raison de l'omnidirectionnalité des sources.
La solution la plus pratique en cas de gêne ou problème grave est généralement de désactiver, déplacer ou supprimer l'émetteur.
Aux niveaux naturels courants, l'exposition aux infrasons n'a pas d'effets connus. Mais la vie moderne et certains métiers exposent à de nombreuses sources artificielles d'infrasons[33], dont certains peuvent avoir un effet gênant voire nocif. Ainsi, fin 1963, le docteur Gavreau, du Laboratoire d'électro-acoustique de Marseille, se rend compte que les chercheurs de son équipe sont sujets à desnausées et desmaux de tête violents et inexplicables. Ils finissent par découvrir qu’un ventilateur du système de ventilation en est la cause : la machine en fonctionnant émettait un son à une fréquence de 7 Hz qui, amplifié par le conduit d'aération où elle était encastrée, devenait insupportable bien qu'inaudible[45]. L'hypothèse de lanocivité de certains infrasons pour l'Homme est périodiquement mise en débat dans les médias.
La perception ou l'utilisation d'infrasons par la faune est également abordée pour la communication à longue distance chez les éléphants ou grands cétacés, ou dans un but hypothétiquement paralysant sur l'homme ou des proies animales des infrasons[46]. Exposées aurugissement d'untigre au moment d'une attaque, des personnes auraient ressenti une peur panique irrépressible, bien que n'ayant auditivement perçu aucun son. Certains lieux réputés« hantés » par des esprits amplifieraient en fait des infrasons par des conduits d'aération. D'anciens bureaux désaffectés ont servi de troisième exemple de cet effet des infrasons sur l'homme, de typesyndrome du bâtiment malsain. Letaux de suicide de salariés qui travaillaient dans de tels bureaux était anormalement élevé ; le personnel y était sujet à des dépressions, des nausées et des maux de tête. Dans ce cas, la cause s'est avérée être des infrasons émis par le système de ventilation d'untunnel autoroutier proche[46].
Au delà de certains seuils de puissance, les infrasons constituent une gêne physiologique importante pour les animaux et les humains. Une exposition prolongée induit un inconfort, une fatigue, voire des troubles nerveux ou psychologiques[47]. À forte puissance, les infrasons ont des effets mécaniques et physiologiques nocifs, voire destructeurs. Des essais d'utilisation soniques non létales[44] ou létales ont eu lieu, notamment lors d'expériences menées durant laSeconde Guerre mondiale par les nazis[48]. L’usage de telles armes pourrait ne jamais voir le jour en raison de leur caractère d’armes de destruction massive, non discriminante et des « souffrances inutiles » ou de « blessures superflues » quelles peuvent induire[9]. De plus, des solutions decontrôle actif du bruit pourraient localement annuler leurs effets.
À forte puissance, les infrasons traversent tous les milieux, bien plus facilement que les hautes fréquences car ils sont moins vulnérables aux réflexions[réf. nécessaire], ce qui explique la longue ou très longue portée de leur énergie acoustique. Quand ils sont très puissants, les infrasons peuvent faire vibrer des objets voire mettre un bâtiment en branle.
Si leur fréquence est un sous-multiple de la fréquence de résonance de notre système auditif, ce dernier entre en résonance, produisant un « bourdonnement d'oreilles » dont l'intensité varie avec celle des infrasons, éventuellement extrêmement pénible. Plaquer les mains sur les oreilles ne change rien car elles sont « transparentes » aux infrasons, mais il suffit que d'autres fréquences atteignent les tympans (si d'une intensité en rapport avec celle des infrasons) pour bloquer la résonance : écouter la télévision ou la radio permet par exemple de reprendre un travail cérébral en ambiance ultrasonique. Nous n'entendons pas les infrasons, mais la résonance induite (nombre de micro-centrales hydroélectriques sont source d'infrasons ; pour donner un ordre d'idée, une centrale de 1 500 kW peut éventuellement être perçue par l'oreille humaine à plus de huit kilomètres, une trois fois plus puissante à une trentaine de kilomètres. Il s'agit dans ces cas de centrales ou l'harmonie génératrice/roue/frappes n'est pas respectée, augmentant ainsi considérablement la génération d'infrasons)[47].
Les travailleurs de certaines installations detransport, de certainesindustries, de boites de nuit, d'organisation de concerts de plein air et certains musiciens ou auditeurs de musique, ou encore les bûcherons utilisant des tronçonneuses peuvent y être particulièrement exposés.
Des effets physiologiques sont démontrés pour des expositions à des niveaux élevés ; ils ont abouti à une prise en compte progressive dans laréglementation et lesétudes d'impact, ainsi parfois qu'à certaines mesures correctives et de prévention[réf. nécessaire].
Desvaleurs limites d'exposition ont été proposées ou sont à l'étude dans plusieurs pays ; unerevue scientifique spécialisée,Journal of Low Frequency Noise, Vibration and Active Control, a été lancée, consacrée aux effets des infrasons chez l'homme et aux moyens de les atténuer, éviter ou compenser. Leurs effets et plus encore les mesures à prendre aux intensités moyennes sont encore discutés[3].
En l'absence de réglementation, des recommandations etbonnes pratiques ont paru, notamment listées par l'Institut national de recherche et de sécurité (INRS) en France, publiées dans la revueHygiène et sécurité du travail[3].
Lors de laPremière Guerre mondiale, les alliés ont utilisé les infrasons pour localiser l'artillerie ennemie (parfois lointaine, camouflée en forêt ou montée sur rails)[49]. Avec l’invention de la bombe atomique, des réseaux de détections d’infrasons ont été mis en place de par le monde[50].
Aujourd'hui, des réseaux de capteurs fixes ou mobiles permettent (pour des objectifs civils et/ou militaires) de détecter, mesurer et suivre sur des milliers de kilomètres d'importantes vagues d'ondes acoustiques basses-fréquences (comprenant principalement les infrasons, jusqu'à des fréquences de seulement quelques hertz), vagues d’ondes qui se propageant dans le sol, la mer ou l'atmosphère terrestre.
Une analyse informatique permet de les isoler et de prendre en compte leur interactions avec l’environnement (le vent notamment qui est aussi une source permanente d’infrasons[51]). Ils permettent alors de détecter et localiser des émissions naturelles (tsunamis, volcanisme, entrée de météorite dans l'atmosphère) et/ou artificielles tels quebang sonique d'avions supersoniques ou des explosions (essais nucléaires ou accidents notamment), qui présentent chacune des « signatures » particulières[20] ou encore des tirs de missiles[52] etc..
Des travaux demodélisation affinée (en 2D et 3D) enacoustique etmécanique des fluides sont encore en cours. Elles visent à mieux tenir compte des interactions des infrasons avec les variations saisonnières et jour/nuit de température et surtout avec levent[53], les sols, la mer. Il s'agit aussi de prendre en compte l'inhomogénéité du sous-sol et des montagnes (effets non linéaires et d'absorption thermovisqueuse dans l'air[54] et surtout dans leshautes couches de l'atmosphère[20],[55],[56]. Ceci se fait sur la base de l'Équation de Burgers (augmentée[57]) et deséquations de Navier-Stokes notamment[58],[59]).
En1986, lanavette spatiale Challenger a explosé à 15 km d’altitude ; 13 heures après une série demicrobarographes au sol détectait à environ 14300 km de là une séquence d’ondes infrasonores très intense (périodes de 400 à 700 secondes, amplitude d'environ 30 Pa et vitesse de propagation d'environ 300 m/s, soit une signature proche de celles des explosions nucléaires ; la période principale du signal était de 537 secondes et plus de 90% de l'énergie reçue l’a été dans la plage de 300 à 1000 secondes ; cette vague d’infrason fut un tsunami invisible et inaudible mais intense puisqu’équivalent à la vague d’infrasons qui aurait été générée par 140 Mt de TNT ou l’explosion de 2 à 3 bombes H nucléaires[60]. Ce réseau est notamment chargé de vérifier que les pays signataires respectent le Traité d'interdiction complète des essais nucléaires[61]).
Plus loin de la Terre, les infrasons pourraient être utilisés pour comprendre comment est organisé l’intérieur de Vénus[62].
Une partie des instruments utilisés par lesorchestres symphoniques ou contemporains (guitare électrique, grosse caisse…) et plus encore les puissantshaut-parleurs diffusant de la musique synthétique et/ou à forte puissance émettent des infrasons.
La première moitié de la premièreoctave perçue par l'humain (20 - 40 Hz ou 16-32 Hz[63]) est à la frontière entre l'infrason et le « sous-grave (en) »[64], elle produit une impression à la fois auditive et physique, qui donne une sensation augmentée de « présence » et de « force » du son, par exemple recherchée dans lessalles de cinéma ou sur certaines scènes de concert en extérieur.
De même que desultrasons, la médecine utilise parfois des infrasons, alors produits par des appareils de confort ou thérapeutiques (massage mécanique, thérapie par onde de choc radiale).Au début des années 2000, plusieurs types d’appareils à masser sont utilisés sur l’homme, ou par des vétérinaires sur l’animal. Dans ce dernier domaine, l'outil s'est montré efficace sur des animaux grands (cheval) et de petite taille (chien)[65]. Ces appareils, autorisés par laFood and Drug Administration aux États-Unis[37], sont munis d’embouts adaptés à différentes application allant dudrainage bronchique chez lenourrisson audrainage lymphatique, en passant par le traitement defibroses musculo-tendineuse, decontractures, d’arthrose débutante ou d’escarres[66].
Dans le domaine de la musique, la recherche de production ou reproduction d'infra-grave est beaucoup plus marginale que celle de sous-grave ousub-bass (en), les solutions proposées par le commerce sont donc très rares. La plupart des amateurs avertis se tournent vers des solutions sur mesure, requérant des caissons renforcés très volumineux, destransducteurs spécialisés et une réserve en amplification de puissance dépassant souvent lekilowatt.
Moins un transducteur (subwoofer) est efficace, moins il est en mesure de restituer le sous-grave à une pression sonore suffisamment élevée. L'infra-grave étant très difficile à reproduire pour un transducteur, le risque d'atteindre les limites mécanique () et parfois thermique du transducteur est important, provoquant souvent des bris de l'équipement s'il n'est pas protégé par un filtre contre les infrasons (subsonic filter). Certains amateurs de cinéma-maison recherchent des performances de haut niveau en visant une reproduction des infrasons à des fréquences aussi basses que 10 Hz à ± 3 décibels par rapport au reste du spectre. Cela demande des transducteurs spécialisés dans les forts déplacements d'air (jusqu'à huit litres par poussée, voire plus) et ayant une construction très robuste. Le diamètre d'un transducteur ou la taille de son aimant peuvent ne pas suffir, la conception d'un transducteur de grave est très différente de celle d'un transducteur de sous-grave, en particulier lorsque ce dernier doit reproduire aussi l'infra-grave. Pour la sonorisation professionnelle (spectacle, disco, événements extérieurs, etc.), il n'est à peu près jamais question d'infra-grave et même rarement de la première octave (20-40 Hz) dans le sous-grave parce que trop difficile, coûteux et laborieux à reproduire à un niveau de pression sonore suffisant.
Les infrasons sont moins connus que lesultrasons, notamment parce qu'ils sont moins utilisés et plus difficiles à produire.
