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INFRASONS

On entend par infrasons des vibrations mécaniques de basses fréquences dont la gamme est définie par les propriétés de l’ouïe humaine. Si les périodes des vibrations acoustiques se répètent plus fréquemment que quelque 16 à 20 fois par seconde, l’oreille commence à les intégrer. Apparaît alors la sensation bien connue de la tonalité. Par contre, les périodes plus rares sont perçues par l’ouïe comme des phénomènes distincts. C’est cette limite de 16 à 20 hertz (Hz) d’origine physiologique qui a été admise comme la fréquence supérieure des infrasons dont la gamme s’étend donc de 0 Hz 麗 F 麗 16 à 20 Hz.

Les sources infrasonores

Les sources naturelles

Le tonnerre, les éruptions volcaniques, les tremblements de terre, les météorites, les chutes de roches et l’eau, les avalanches et tous autres phénomènes qui provoquent de brusques variations de pression sont des sources naturelles d’infrasons. Plus généralement, ils apparaissent toujours si un corps change brusquement sa vitesse ou la direction de son mouvement. Par contre, les objets qui se déplacent continuellement dans un milieu homogène, à vitesse toutefois subsonique, ne produisent pas d’infrasons.

Ils sont également émis autour de l’épicentre de chaque tremblement de terre. Pour une période d’une onde séismique de 25 secondes (les mesures donnent des valeurs 10 s 麗 T 麗 50 s), la longueur d’onde infra-sonore serait de 7 kilomètres environ (R. K. Cook, 1965). Ces ondes, d’après Cook, agissent dans les hautes altitudes sur des couches de l’ionosphère et provoquent quelquefois des effets Doppler dans les ondes électromagnétiques réfléchies par la même couche. Un tel effet, par exemple, a été observé par D. Baker au cours du séisme en Alaska, le 28 mars 1964, dans les laboratoires de Boulder (Colo.). Les ondes électromagnétiques de 4 MHz émises verticalement et réfléchies par l’ionosphère ont eu un déplacement Doppler de 3 Hz.

Déjà, en 1908, en Angleterre, on avait enregistré les infrasons produits par la célèbre météorite de Toungouzie tombée en Sibérie; ils avaient provoqué le déracinement de 50 000 arbres. Des recherches postérieures n’avaient pas permis de retrouver les débris de cette météorite; mais, en 1966, une maquette constituée d’une charge explosive (dont le point d’explosion pouvait se propager à une vitesse de 7 à 8 km/s) et d’une forêt miniature faite de fils de laiton et de couronnes de plastique avait permis de reproduire les conditions et les effets de la chute de la météorite de Toungouzie. Il semble se confirmer que c’est l’onde de choc supersonique due aux sons et aux infrasons qui a provoqué les dégâts. Quant à la météorite, elle s’est consumée avant d’atteindre la surface.

On a détecté des infrasons atmosphériques émis par de fortes tempêtes maritimes avec des fréquences comprises entre 10 et 0,1 Hz. En fait, les infrasons sont produits seulement dans les lieux où les ondes maritimes apparaissent, disparaissent ou changent la direction de leur parcours. Ce genre de phénomène est observé, près des côtes, par exemple, où les ondes se brisent contre les rochers, ou au centre d’une dépression cyclonale où se rencontrent des ondes de direction de propagation opposées. En revanche, les ondes qui se propagent au large dans une seule direction ne semblent pas émettre d’infrasons.

Les infrasons dits mystérieux parvenant de l’atmosphère (T = 4 à 5,5 s), qui apparaissent en l’absence de tempêtes au voisinage (L. M. Brekhovskikh, 1960), sont en réalité des ondes provoquées par des tempêtes ou d’autres sources lointaines d’infrasons et réfléchies par des hautes couches de l’atmosphère (45 à 50 km). Certaines hypothèses admettent qu’il s’agit parfois d’ondes infra-sonores dues aux rayons cosmiques. Ces rayons, en agissant sur les ions, provoquent des vibrations de l’ionosphère qui les transmet vers la surface de la Terre.

Les sources artificielles

Les sources autres que naturelles des infra-sons sont multiples. Par exemple, chaque fermeture ou ouverture d’une porte provoque une onde infrasonore mesurable, mais pratiquement d’un niveau insignifiant.

Les infrasons nuisibles s’amorcent parfois dans les chambres à combustion, telles les chaudières (y compris les chaudières domestiques), les cowpers (installations pour réchauffer l’air alimentant les hauts fourneaux), les fusées, etc. Le mécanisme de l’amorçage de ces vibrations est complexe: le plus souvent, il résulte d’un bruit à large bande provoqué par l’écoulement de l’air. Certaines de ses composantes sont amplifiées par le phénomène de résonance de la chambre. Il apparaît ainsi une combustion pulsatoire qui conduit parfois à la destruction du cowper, ou à l’explosion de la fusée.

Les fréquences de vibrations dans les cowpers sont de l’ordre de 5 à 9 Hz (les dimensions d’un cowper sont de l’ordre de 5 à 10 m de diamètre sur 20 à 50 m de hauteur), et dans les fusées à combustible liquide, de 10 à 1 000 Hz. Actuellement, on a trouvé des moyens qui permettent d’éliminer ce genre de vibrations. Dans le cas des chaudières domestiques, la nuisance augmente si la fréquence de la combustion pulsatoire entre en résonance avec une des chambres de logement.

Les bruits et les infrasons provoqués par le bang supersonique représentent une autre source de nuisance. Rappelons qu’à grande distance, les composantes aiguës étant absorbées par l’air, il ne reste que les bruits graves et les infrasons. La protection contre ces derniers étant presque impossible, et le bang supersonique suivant l’avion tout le long de son vol, cela reste un grave problème pour l’aviation supersonique.

Dans la plupart des cas, les bruits industriels des usines sont accompagnés d’ondes infrasonores. Les isolements étant inefficaces, les infrasons se manifestent aussi bien à l’intérieur qu’à l’extérieur des bâtiments.

Propriétés physiques des infrasons

Les propriétés physiques des ondes mécaniques, y compris des ondes infrasonores, résident dans le fait qu’elles se propagent dans un milieu et non pas avec le milieu. L’énergie vibratoire se déplace sous forme de variations alternatives de la pression; mais elle ne provoque qu’un déplacement de va-et-vient local des particules du milieu de sorte que ce dernier ne se propage pas. Ainsi, les pressions provoquées par les rafales du vent peuvent parfois entraîner des effets physiques ou physiologiques semblables à ceux des infrasons, mais on ne peut guère considérer qu’on a affaire à des ondes infrasonores.

La vitesse de propagation des infrasons est très proche de celle des ondes audibles, soit de quelque 330 m/s dans l’air et de 1 430 m/s dans l’eau. Dans l’air, leur vitesse, nettement supérieure à celle du vent même très fort, de l’ordre de 40 m/s, permet justement de les distinguer des rafales de vent.

L’émission des infrasons par des moyens techniques peut se faire, en principe, par les mêmes émetteurs que ceux qui sont utilisés pour les sons audibles: les sifflets, les tuyaux résonants (tuyaux d’orgues), les haut-parleurs, etc. Toutefois, les émetteurs doivent être de très grande dimension, surtout dans le cas d’utilisation d’effet de résonance: un tuyau résonant à une fréquence de 2,5 Hz doit avoir une longueur de 24 m. Une autre difficulté est liée au très faible rendement d’émission des basses fréquences. Pour cette raison, on construit les haut-parleurs de sorte que leurs résonances soient situées dans les fréquences les plus basses de la gamme d’émission (entre 30 et 100 Hz), pour compenser les pertes d’émission des sons graves.

La directivité d’émission des ondes acoustiques diminue avec la fréquence. Si les émetteurs des ultrasons rayonnent pratiquement dans une seule direction, l’angle d’émission pour les fréquences audibles commence à augmenter à mesure que la fréquence baisse, et l’émission des ondes infrasonores, elle, devient pratiquement sphérique, ce qui disperse davantage leur énergie et diminue leur niveau. En conséquence, il est pratiquement impossible d’obtenir des niveaux d’ondes infrasonores pures se propageant en espace libre et dépassant 150 dB (A). Pour cette raison, et en particulier pour des recherches physiologiques, on utilise fréquemment des chambres closes où l’on produit des variations locales de pression (fig. 1). Bien que de telles variations ne se propagent pas, leur action physiologique sur de petits animaux devrait être sensiblement analogue à celle de l’action de véritables infrasons.

Entre la durée d’un signal et la largeur de son spectre, il existe une relation inverse: le spectre d’un signal est d’autant plus large que le signal est plus court. Ainsi, une impulsion acoustique très brève possède un spectre qui s’étend de la fréquence 0 aux très hautes fréquences. Il en découle que chaque impulsion sonore, en particulier celle des fortes explosions, émet des composantes fréquentielles allant des infrasons aux fréquences audibles les plus aiguës et même aux ultrasons.

D’autre part, l’absorption par le milieu de propagation des vibrations acoustiques diminue avec la fréquence: l’absorption dans l’air d’une composante sonore de 1 000 Hz est 10 000 fois supérieure à celle d’une composante infrasonore de 10 Hz. En conséquence, à grande distance d’une explosion, les composantes aiguës étant absorbées plus vite que celles des basses fréquences, le bruit de l’explosion devient tout d’abord plus grave et il ne reste que les composantes infrasonores, à une distance encore plus éloignée.

Ainsi, chaque forte impulsion sonore n’émet, à grande distance, que des infrasons. C’est le cas, nous l’avons déjà dit, du bang supersonique, mais aussi des explosions chimiques, des explosions des bombes atomiques, etc. Pour ces dernières, intervient en plus un phénomène physique qui avantage la propagation des infrasons: il s’agit d’un guide d’onde naturel qui apparaît dans l’atmosphère et dans le milieu marin, par suite de la réflexion des ondes par des couches où les vitesses de propagation du son sont différentes. C’est un phénomène analogue à celui, bien connu, de la réfraction et de la réflexion de la lumière à la surface de séparation de deux milieux (par exemple, de l’air et d’un verre). Comme on le sait, ce phénomène résulte de la différence des vitesses de propagation de la lumière dans les deux milieux. Par suite, et à cause de la très faible absorption des infrasons, les ondes provoquées dans l’atmosphère par une forte explosion nucléaire (durée de période T 閭 6 mn) ne sont affaiblies, au cours d’une circonvolution du globe terrestre, que de quelque 5 p. 100. Cet affaiblissement minime permettrait de détecter les ondes infra-sonores des fortes explosions atomiques plusieurs fois de suite après qu’elles auraient contourné, chaque fois, le globe terrestre.

La détection des infrasons en fonction de la fréquence se fait par deux genres de transducteurs. Pour les fréquences F 麗麗 1 Hz, on les détecte avec des baromètres utilisés pour la mesure des pressions quasi statiques. C’est le cas, par exemple, de la détection des explosions nucléaires dont les durées de périodes dépassent, à grande distance, plusieurs minutes.

Les infrasons de fréquences F 礪 0,001 Hz sont, la plupart du temps, détectés par les microphones électrostatiques. En transposant les vibrations infrasonores par modulation avec une fréquence porteuse, ces microphones peuvent couvrir la gamme à partir de 0 Hz. Pour les niveaux infrasonores élevés, on utilise également les microphones piézoélectriques. Pour la gamme de 0,003 à 50 Hz, on a proposé le microphone «solion» où les vibrations transmises à un liquide modulent le courant des ions d’un électrolyte.

Les nuisances physiologiques

Le problème de l’action physiologique des infrasons est très complexe. Tout d’abord, il est difficile de séparer l’action des infrasons de celle des sons audibles. Rappelons que les phénomènes transitoires, le bang ou les explosions chimiques, par exemple, provoquent toujours un mélange des composantes sonores et infrasonores. Il en est de même avec les moteurs, les compresseurs et autres installations industrielles qui représentent les principales sources de bruits.

Or l’action des sons graves, y compris celle des infrasons, est d’une grande importance car leur détection est difficile et il est malaisé de s’en protéger: les plus fortes densités spectrales relevées dans les cabines des avions, des automobiles (70 à 100 dB), etc., sont presque toujours concentrées dans la partie grave (fig. 2). En effet, les composantes aiguës étant absorbées par les silencieux, les isolants acoustiques de la cabine, par l’air, etc., il ne reste que les composantes graves.

Un problème particulier de la nuisance du bruit et donc des infrasons est dû à la double action des vibrations qui peuvent agir, soit comme énergie, soit comme source d’informations désagréables et même nuisibles. Cette seconde action est équivalente à une action psychologique.

Le problème se complique davantage si le bruit et les infrasons ne représentent qu’une composante d’un message plus complexe, comportant des signaux lumineux ou autres. Ainsi, des animaux peuvent être en état d’excitation s’ils perçoivent les infrasons du tonnerre lointain accompagnés d’éclairs, et éventuellement d’un temps dit lourd. Par contre, ils ne réagissent pas aux mêmes infrasons reproduits par un magnétophone.

Le problème de nuisance des bruits et des infrasons de niveau faible ayant un caractère psychologique est donc très difficile à saisir d’une manière rigoureuse. En réalité, on possède plus de précisions concernant la nuisance des infrasons de niveau élevé qui agissent déjà comme une énergie.

Le niveau infrasonore à partir duquel apparaissent différents dangers est très supérieur à celui des bruits audibles (fig. 3). L’action mortelle des infrasons apparaît à partir de N 閭 185 dB. Un tel niveau correspond approximativement à une énergie de 5 憐 10⁺⁶ joule/m².s. L’exposition d’animaux, pendant dix minutes, à des niveaux de quelque 190 dB a provoqué des déchirures des enveloppes alvéolaires des poumons, et en conséquence leur mort. Par contre, l’action des infrasons inférieurs à 172 dB est supportable pour les animaux (H. E. von Gierke, 1974).

Au cours du lancement de fusées, des personnes en bonne condition physique ont supporté des niveaux infrasonores de l’ordre de 140 à 155 dB; cependant, certains troubles du système végétatif de caractère passager ont été parfois observés.

Des réactions visuelles et des troubles du système circulatoire ont été signalés pour des plages de 140 à 120 dB; des actions nuisibles des infrasons de l’ordre de 110-120 dB, signalées par Andreeva-Galomina, Morita et Bandarev, ont été ensuite infirmées (L. Pimonow, 1976).

Plus généralement, il semble que les observations contradictoires relatives aux infrasons de 110 à 140 dB sont la conséquence de la superposition de leur action énergétique avec celle de caractère psychologique. Toutefois, des niveaux infrasonores supérieurs à 120 dB ne peuvent être négligés, en particulier dans l’exercice d’une activité impliquant une grande attention, telle que le pilotage d’avions, ou des efforts intellectuels.

Quoique la nuisance des infrasons inférieurs à 140-120 dB ne soit pas encore définitivement précisée, il est certain qu’ils sont moins gênants que le bruit audible de même niveau. Mais la protection contre les infrasons étant très difficile, sinon impossible, même les niveaux faibles peuvent présenter une gêne provoquant, par exemple dans le cas d’une action prolongée, une fatigue et même des troubles irréversibles.

Les applications des infrasons

L’utilisation des infrasons qui se propagent dans l’air ou dans l’eau est très restreinte. Rappelons que la détection des objets au moyen de la lumière ou des ondes acoustiques dépend du pouvoir séparateur et des conditions de propagation. Si la propagation des infrasons est bonne et nettement meilleure que celle des sons ou des ultrasons, leur pouvoir séparateur, au contraire, est faible. En conséquence, ils peuvent être utilisés pour certaines détections: montagne, fond d’océan, couches profondes de la Terre, etc. Toutefois, la production des infrasons périodiques étant difficile, on utilise en général comme source infrasonore les explosions qui ont de larges spectres.

L’utilisation des ondes infrasonores en signalisation se heurte à une autre difficulté. Notamment, d’après la théorie de l’information, le débit informationnel que peut porter un phénomène vibratoire est proportionnel à sa bande passante. Or, celle des infrasons d’une largeur F = 20 Hz est très étroite: à titre de comparaison, celle d’une liaison téléphonique qui permet tout juste une transmission correcte de la parole est de l’ordre de F = 3 000 Hz: les infrasons, malgré leur bonne propagation, ne peuvent être utilisés que pour de très simples signalisations. Au bord de la mer, les tentatives de remplacement des balises sonores de brume par des émetteurs infrasonores n’ont pas débouché sur des applications pratiques; en particulier, à cause de la nécessité d’utiliser des récepteurs d’infrasons sur les navires.

Si l’utilisation des infrasons dans la technique ne semble pas être prometteuse, par contre on profite fréquemment de leur présence pour la détection des phénomènes qui les émettent.

Comme on l’a vu, on a ainsi détecté, en 1908 à Londres, les ondes infrasonores produites par la célèbre météorite de Toungouzie. Au cours de la Seconde Guerre mondiale, H. Martin détectait, à Iéna, les ondes provoquées par les bombardements de différentes localités d’Allemagne. Dans la période de l’après-guerre, on détecte couramment de cette façon les explosions nucléaires même distantes de dizaines de milliers de kilomètres, au moyen de manomètres munis pour amplification de cellules photoélectriques, de manomètres à capacité, etc.

Enfin, les vibrations dans les solides entrent dans le domaine bien étudié des «vibrations mécaniques», où les vibrations graves sont fréquemment utilisées dans la technique.