Atténuation

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L’atténuation ou affaiblissement est la diminution de l'amplitude ou de la puissance d'une onde ou d'un signal au cours de sa transmission[1]. On la quantifie par le rapport entre leur grandeur à la sortie par celui à l'entrée de la section considérée. Ce rapport, toujours inférieur à 1 par définition, s'exprime souvent en décibels quand il s'agit de puissance ou de valeur efficace[2].

atténuation = (valeur en sortie) ÷ (valeur en entrée)

En électronique, la définition de l'atténuation est identique à celle du gain. L'atténuation est un gain inférieur à 1, s'il est exprimé en rapport, ou négatif, s'il est exprimé en décibels.

L'affaiblissement linéïque ou atténuation par unité de longueur est une des caractéristiques des lignes de transmission et de la propagation des ondes, qui indique que la puissance du signal subit une décroissance exponentielle selon la distance.

atténuation = \mathrm e^{-\alpha l}
où α est l'atténuation linéïque en Neper par unité de longueur et l la distance.

On exprime couramment l'affaiblissement linéïque en décibels par kilomètre (valant environ 0,23 nepers par kilomètre).

L'atténuation des ondes dans leur milieu de propagation est d'abord géométrique. À cette atténuation géométrique s'ajoutent les pertes dans le milieu.

L'atténuation est une grandeur importante dans les télécommunications, dont elle est un facteur limitatif.

Circuits électroniques[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Diviseur de tension.

Dans un circuit électronique, analysé comme un quadripôle, on parle d'atténuation dans le contexte du traitement du signal, lorsque

  1. le signal en sortie s'exprime dans la même grandeur (tension ou courant) que celle de l'entrée ;
  2. le rapport entre la grandeur du signal de sortie et la grandeur du signal d'entrée est inférieur à 1 ;
  3. ce rapport est indépendant de la fréquence dans le domaine considéré.

Dans les autres cas, on se réfère, plus généralement, à la fonction de transfert. Quand le rapport entre les grandeurs d'entrée et de sortie dépend principalement de la fréquence, on parle de filtre électronique.

On appelle atténuateur un circuit diviseur de tension, composé souvent uniquement de résistances, dont l'atténuation ne dépend pas de la fréquence dans la bande passante considérée.

L'atténuation provoquée par un atténuateur dépend de l'impédance de sortie de la source et de l'impédance d'entrée de la destination.

Quand cet atténuateur doit s'insérer dans une ligne de transmission, son impédance d'entrée et son impédance de sortie doivent être égales à l'impédance caractéristique de la ligne.

Lignes de transmission[modifier | modifier le code]

L'atténuation dépend généralement de la fréquence et peut, par conséquent, s'exprimer par un nombre complexe, exprimant le rapport des amplitudes et le déphasage de la sortie par rapport à l'entrée à une fréquence donnée. Dans un circuit électronique, cette expression est donnée par la fonction de transfert. Dans une ligne de transmission, c'est le coefficient de propagation ou exposant linéique de propagation, dont la partie réelle s'appelle affaiblissement linéique et s'exprime en nepers par kilomètre, et la partie imaginaire, déphasage linéique et s'exprime en radians par kilomètre[3].

On se contente souvent d'indiquer la diminution de la puissance du signal ou de la porteuse par unité de longueur, le plus souvent en décibels par kilomètre.

Cette valeur concerne aussi les transmissions par fibre optique[4].

Câbles de télécommunications[modifier | modifier le code]

L'atténuation, exprimée en décibels (dB) par kilomètre mesure la perte de puissance du signal en fonction de la distance entre l'émetteur et le répartiteur de lignes raccordé au DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer, un équipement qui fait la jonction entre la boucle locale (xDSL) et le réseau de transport (ATM/Ethernet)). Plus la distance est grande, plus la valeur sera élevée et plus le signal ADSL sera faible. Les hautes fréquences sont les plus touchées par l’éloignement. C’est donc la capacité de réception qui est la plus affectée.

Voici les valeurs de l'ARCEP à 300 kHz pour l’atténuation selon le calibre du câble (valeur théorique sur un câble en bon état)[5] :

  • 15 dB par km pour un calibre de 4/10
  • 12,4 dB par km pour un calibre de 5/10
  • 10,3 dB par km pour un calibre de 6/10
  • 7,9 dB par km pour un calibre de 8/10

Ondes[modifier | modifier le code]

Les ondes, en champ libre, c'est-à-dire en l'absence d'obstacle, subissent une atténuation géométrique, du fait que la puissance propagée par le front d'onde se répartit sur une aire quadruple chaque fois que la distance à la source double[6].

L'atténuation comprend en plus les effets de l'absoption, de la diffusion de l'énergie rayonée par le milieu, et globalement tous les effets qui contribuent à des pertes.

On parle d'atténuation principalement en ce qui concernes les ondes acoustiques, y compris infrasons et ultrasons et les ondes électromagnétiques.

Ondes électromagnétiques[modifier | modifier le code]

Diagramme d'atténuation d'un signal électromagnétique dans l'atmosphère selon la fréquence
Article détaillé : Affaiblissement de propagation.

L'atténuation dans l'atmosphère des ondes électromagnétiques affecte la transmission des communications de la télévision, des téléphones mobiles, des satellites, des radars, etc. Le calcul de cette atténuation permet de prévoir le type d'instrument à utiliser et des relais d'amplification à installer. L'atténuation est due non seulement au passage dans l'air mais également aux obstacles rencontrés (édifices, relief, précipitations, etc.)

Coefficient d'atténuation ou d'extinction[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Coefficient d'extinction.

Le coefficient d'atténuation ou coefficient d'extinction décrit la diminution d'intensité d'un faisceau lumineux traversant un milieu ; il dépend de la longueur d'onde de la lumière[7].

Le coefficient d'atténuation s'emploie aussi en radiologie. Il dépend de l'énergie du rayonnement, et s'exprime comme la quantité μ dans l'expression μ dx, et est appelé coefficient d'atténuation linéique, massique, molaire ou atomique selon que dx est exprimé en unités de longueur, ou en masse, moles ou atomes par unité de surface[8].

Le coefficient d'extinction ou d'atténuation d'une substance particulière, noté k, mesure la perte d'énergie d'un rayonnement traversant ce milieu[9]. Analogue au coefficient d'absorption, il prend aussi en compte, en plus de l'absorbance, les effets dus à la diffusion et à la luminescence[10]. Le coefficient d'absorption (\alpha) prend la forme de :

 \alpha\mathrm{[dB/(MHz*cm)]} =  \frac{\mathrm{Att\acute{e}nuation[dB]}}{ \mathit{l}\mathrm{[cm]}\cdot\mathrm{f[MHz]}}
où dB = décibel, l = longueur de la trajectoire, f = fréquence du signal, cm = centimètre et MHz = mégahertz.

L'atténuation dépend de la dispersion et de l'absorption dans le milieu qu'il traverse[11].

Ondes sonores[modifier | modifier le code]

L'atténuation du son dépend du médium traversé et de sa phase. Dans le cas d'un fluide, comme l'atmosphère, il y aura une forte dépendance sur la stabilité thermodynamique de celui-ci, plus il est stable moins le signal est dispersé. Le domaine des ultrasons fait particulièrement l'objet de recherches en atténuation dus aux nombreuses applications d'appareils diagnostiques utilisant ces fréquences en médecine, études des matériaux et sécurité. Entre autres, la mesure de l'atténuation dans un milieu hétérogène, comme les émulsions et les colloïdes, donne de l'information sur la distribution de diamètres des particules et en rhéologie, la variation du coefficient d'atténuation donne une indication sur la variation d'écoulement de la matière ainsi que sa viscosité.

Dans l'air, l'absoption du son augmente avec la fréquence, et diminue quand l'humididé augmente. Cette atténuation par dissipation énergétique (l'énergie sonore se transforme en chaleur) s'ajoute à l'atténuation géométrique.

On parle d'atténuation également pour des dispositifs et matériaux destinés à l'isolation phonique et à la protection individuelle contre le bruit.

L'atténuation d'une paroi est le rapport entre la pression acoustique mesurée de part et d'autre. Elle augmente avec la fréquence et suit la loi des masses :

  • elle croît avec la fréquence considérée ;
  • elle croît avec la masse surfacique de la paroi.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Electropedia 312-06-06 « affaiblissement »
  2. Richard Taillet, Loïc Villain et Pascal Febvre, Dictionnaire de physique, Bruxelles, De Boeck,‎ 2013, p. 50.
  3. Pierre-Gérard Fontolliet, Systèmes de télécommunications : Traité d'électricité, volume XVIII, Lausanne, Presses polytechniques et universitaires romandes,‎ 1999 (lire en ligne), p. 71 ;
    Electropedia 103-10-18 « exposant linéique de propagation », 103-10-19 « affaiblissement linéique », 103-10-20 « déphasage linéique ».
  4. Electropedia 731-01-48.
  5. Gouvernement français, Affaiblissement des signaux xDSL : explications et détails techniques, 11 janvier 2007 indiquant comme source La paire de cuivre et les interférences (consultés le 5 avril 2014).
  6. Electropedia 881-03-28 « atténuation géométrique ».
  7. Dic. Physique, p. 120 ; Electropedia 845-04-76 « coefficient d'atténuation linéique spectral » ; le « coefficient d'atténuation massique spectral » (Electropedia 845-04-79) est le quotient du coefficient d'atténuation linéique spectral par la masse volumique du milieu.
  8. Electropedia 881-04-25 « coefficient d'atténuation ».
  9. (en) James A. Zagzebski, Essentials of Ultrasound Physics, Mosby Inc.,‎ 1996
  10. (en) Compendium of Chemical Terminology, 2e édition, IUPAC,‎ 1997
  11. (en) Bohren,C. F. et Huffman, D.R., Absorption and Scattering of Light by Small Particles, Wiley,‎ 1983 (ISBN 0-471-29340-7).