La perception des vibrations
Les vibrations sont parfois à la source de nombreuses gênes perçues lors de l'utilisation d'un produit. Les vibrations se caractérisent généralement par leurs amplitudes, leurs fréquences (on parle également de période) et leurs amortissements.
La perception d'une vibration dépend tout d'abord de deux types de facteurs objectifs :
Facteurs liés à la vibration elle-même
- Amplitude
- Fréquence
- Amortissement
Facteurs liés au mode de propagation et à l'organe de réception :
- Propagation dans l'air ou via un solide
- Perception par l'oreille, les muscles, les autres organes
- Direction de propagation
Deux autres facteurs, moins objectifs entrent en jeu :
Facteurs intrinsèques à l'individu :
- âge, sexe, taille, corpulence
- Expérience, habitudes individuelles ou culturelles
- Attentes, motivations
Facteurs contextuels :
- Position du corps
- Activité au moment de la vibration
Les fréquences et leurs effets sur le corps humain
| Fréquence vibratoire | Type d'effet |
|---|---|
| En dessous de 1 Hz | Mal des transports |
| De 3.5 à 6 Hz | Effet d'alerte |
| De 4 à 10 Hz | Douleur thoracique et abdominale |
| Autour de 5 Hz | Dégrade l'action manuelle |
| De 7 à 20 Hz | Problème de communication |
| De 8 à 10 Hz | Mal de dos |
| De 10 à 20 Hz | Douleurs intestinales et vésicales |
| De 10 à 30 Hz | Dégrade le contrôle manuel et visuel |
| De 10 à 90 Hz | Dégrade les actions visuelles |
Notion de confort en fonction des accélérations
| Fréquence vibratoire | Type d'effet |
|---|---|
| En dessous de 0.315 m/s2 | Confortable |
| De 0.315 à 0.63 m/s2 | Très légèrement inconfortable |
| De 0.5 à 1 m/s2 | Inconfortable mais acceptable |
| De 0.8 à 1.6 m/s2 | Inconfortable |
| De 1.25 à 2.5 m/s2 | Très inconfortable |
| Au delà de 2 m/s2 | Extrèmement inconfortable |
Guide des effets des vibrations sur le confort et les limites de perception de l'ISO 2631
Perception mécanique
Sous les 20 Hz et au delà, nous percevons les vibrations transmises mécaniquement. La perception, et surtout le gêne qui peut être occasionnée dépend de la partie du corps qui reçoit la vibration (Par exemple, les mains n'ont pas la même sensibilité que les pieds ou le dos). Les vibrations de fréquences comprises entre 0,5 et 60 Hz sont essentiellement perçues par les "gros organes" comme les bras, les jambes, le dos, le cœur ou l'estomac. Les mouvements de caisse d'une automobile de type roulis, pompage sont bas en fréquence et sont en partie à l'origine du mal des transports.
Mode de résonnance
Le cœur présente une résonance à 7 Hz. De plus des douleurs analogues à celle de l’infarctus du myocarde apparaissent à 4 Hz et persistent jusqu’à 11 Hz. Des mouvements d’ensemble de la masse thoraco-abdominale sont probablement liés aux propriétés dynamiques du foie qui pèse 1,5 kg environ. Sa fréquence de résonance est située entre 4 et 8 Hz, celle de l’estomac entre 4 et 5 Hz [Griffin (1986)][Griffin et al. (1977)]. Dans certains cas, une augmentation des troubles gastro-intestinaux (ulcères gastroduodénaux et gastrites) a été rapportée par les conducteurs de véhicules vibrants. Au-dessus et jusqu’au 6 Hz, ces effets se manifestent par une respiration et une parole compliquées. Les mouvements du rein sont maximaux entre 6 et 12 Hz, ils peuvent induire des étirements de l’uretère et modifier le péristaltisme de celui-ci (contraction des muscles pour déplacer le contenu d’un organe). Enfin des études épidémiologiques [INRS 2001] ont montrées que des douleurs lombaires, hernies discales et lésions précoces de la colonne vertébrale sont plus fréquentes en cas d’exposition prolongée de l’ensemble du corps à des vibrations dans les moyennes fréquences à partir de 10 Hz. L’être humain est donc fortement sensible aux vibrations verticales qu’il subit, c’est pourquoi la suspension doit, entre autres, permettre de filtrer toutes les vibrations désagréables pour l’Homme [Griffin et al. (1988)].
Amortissement
A l'origine de toute sensation auditive, il y a généralement un corps qui vibre et constitue une source sonore. Lorsqu'un corps subit un choc, il se met à vibrer. Une vibration est un mouvement alternatif autour d'une position d'équilibre. Elle est définie par son amplitude et sa fréquence. L'amplitude correspond au niveau maximal d'une vibration. Pour une vibration mécanique, elle peut être une longueur, exprimée en mètres, ou une accélération, exprimée en m/s2. Dans l'automobile, les sollicitations peuvent être multiples. Par exemple, le moteur transmet des vibrations par voies solidiennes qui vont solliciter certaines zones du véhicule. L'air environnant de la pièce sollicitée se met lui aussi à vibrer et forme autour de la source sonore des ondes de pression. La vibration est captée par le pavillon de l'oreille, puis se propage dans le conduit auditif, fait vibrer le tympan, continue son parcours dans les osselets et enfin la cochlée. La notion de son n'a donc de sens qu'en présence d'un organe récepteur : l'oreille.
Amplitude
Le corps humain perçoit les vibrations à partir d'une amplitude de 0,015 m/s2 et les ressent comme inconfortables aux alentours de 1 m/s2. L'oreille est sensible à des pressions allant de 2.10-5 Pa (soit 0 dB) à 20 Pa (soit 120 dB). La relation entre un stimulus physique et la sensation s’exprime souvent grâce à la loi de Stevens. L’amplitude objective φ et l’amplitude subjective ψ d’un stimulus sont reliées par la relation ψ = k.φ exp n. La valeur de l’exposant ݊détermine la croissance de la sensation par rapport à celle du stimulus et dépend du type de stimulus (fréquence). ݇k dépend de l’unité de mesure employée.
Propagation voie solidienne et aerienne
Lorsqu'un objet vibre, il peut transmettre ses vibrations aux solides qui sont en contact avec lui. On dit alors que la vibration se propage de façon solidienne. L'objet qui vibre peut également faire vibrer l'air qui l'entoure. On parle alors de propagation aérienne. Lorsqu'une vibration arrive au corps humain, elle peut, si son amplitude et sa fréquence correspondent au domaine de perception de l'homme, provoquer une sensation de vibration mécanique. Lorsqu'une vibration arrive au tympan, elle peut (là encore si son amplitude et sa fréquence correspondent au domaine de perception de l'homme) provoquer une sensation auditive
Perception acoustique
La fréquence (f) exprime le nombre de cycles complets décrits par le corps en vibration autour de sa position d'équilibre en une seconde. Elle s'exprime en hertz (Hz). L'oreille humaine perçoit les sons dans une gamme de fréquence qui va de 20 hertz (très grave) à 20 000 hertz (très aigu).
De 20 à 200 Hz, ce sont les basses fréquences
De 200 à 2 000 Hz, ce sont les moyennes fréquences
De 2 000 à 20 000 Hz, ce sont les hautes fréquences
Sous 20 Hz, ce sont les infrasons. L’oreille humaine ne peut les percevoir, mais que nous pouvons les ressentir. Au-delà de 20 000 Hz, on parle d’ultrasons. L’oreille humaine n’est pas sensible de la même façon aux différentes fréquences. La perception par l'oreille n'est pas linéaire : l'oreille perçoit un doublement du volume sonore à chaque fois que le niveau de pression sonore augmente de 10 dB.