Atténuation

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En électronique, l’atténuation ou affaiblissement est la diminution relative de la puissance d'un signal au cours de sa transmission[1]. C'est le rapport entre la valeur efficace du signal à la sortie par celle à l'entrée de la section considérée.

L'atténuation, que ce soit dans les lignes de transmission ou dans la transmission hertzienne, est une grandeur importante dans les télécommunications, dont elle est un facteur limitatif. Ce concept sert aussi en acoustique, notamment en acoustique environnementale pour le calcul de l'isolation phonique. Dans les circuits électroniques, les montages atténuateurs servent pour l'adaptation du niveau du signal entre des parties d'un appareil, sans en modifier d'autre part les caractéristiques.

Définitions[modifier | modifier le code]

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

Ce rapport, toujours inférieur à 1 par définition, s'exprime souvent en décibels[2]. 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 caractéristique d'une ligne de transmission qui indique que la puissance du signal subit une décroissance exponentielle selon la distance.


où α est l'atténuation linéïque en néper par unité de longueur et la distance.

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

L'atténuation des ondes dans leur milieu de propagation est d'abord géométrique et proportionnelle au carré de la distance parcourue (loi en carré inverse). À cette atténuation géométrique s'ajoutent les pertes dans le milieu.

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 puissance du signal de sortie et celle 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].

Boucle locale 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, 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 de l'atténuation sera élevée et plus le signal ADSL sera affaibli. 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] ; elles suivent une loi en carré inverse.

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

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

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 radio, de la télévision, des téléphones mobiles, des satellites, des radars, etc. Le calcul prévisionnel de cette atténuation doit prévoir le type d'instrument à utiliser et les relais à installer. L'état de l'atmosphère et les précipitations font varier l'absorption de l'air. Les obstacles (édifices, relief, etc.) causent de la diffusion, de la réfraction et des réflexions multiples qui s'ajoutent au signal et font varier l'atténuation effective considérablement d'un endroit à un autre, même proche.

Ondes sonores[modifier | modifier le code]

L'atténuation d'un son, et plus généralement, d'une vibration, est le rapport de la puissance existant entre deux points de mesure.

La plupart des milieux présentant une viscosité, ils sont dissipatifs : la propagation des vibrations s'accompagne de dissipation d'énergie acoustique sous forme de chaleur, qui s'ajoute à l'atténuation géométrique, si la propagation se fait en champ libre. Le domaine des ultrasons fait particulièrement l'objet de recherches en atténuation dus aux nombreuses applications d'appareils de diagnostic par échographie 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 diamètre 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. En isolation acoustique et vibratoire, on cherche à fabriquer des milieux aussi dissipatifs que possible.

L'atténuation du son dépend du médium traversé et de sa phase. La stabilité thermodynamique d'un fluide, comme l'atmosphère, l'influence fortement : plus le milieu est stable, moins le signal est dispersé.

Dans l'air, l’absorption du son augmente avec la fréquence, et diminue quand l’humidité 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.

Coefficient d'atténuation[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Coefficient d'extinction et Absorbance.

Le coefficient d'atténuation ou coefficient d'extinction décrit la diminution d'un phénomène décroissant, dans les domaines les plus divers. C'est ainsi que dans la noblesse, « le nombre des noms de famille diminue : le coefficient d'extinction est de 0,28% par an ». Le coefficient semble ici n'être autre que le taux de décroissance[7].

Le coefficient d'atténuation, comme propriété d'un milieu, décrit la diminution d'intensité d'un rayonnement qui le traverse. Il dépend de l'énergie de ce rayonnement.

  • Dans le dosage colorimétrique, c'est un rayonnement lumineux, dont la longueur d'onde décrit en général l'énergie[8] ;
  • en radiologie, on donne l'énergie photonique, et le coefficient d'atténuation qui s'exprime comme la quantité μ dans l'expression μ dx 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[9] ;
  • en exploration par ultrasons on utilise la fréquence[10].

Dans tous les cas, le coefficient rapporte l'atténuation à la longueur du trajet dans milieu traversé[a], et à la largeur de bande considérée, de façon à permettre l'intégration des coefficients à bande étroite dans une bande large.

Le coefficient d'extinction ou d'atténuation d'une substance particulière est pour les rayonnements lumineux, l'absorbance spécifique de ce matériau. Il prend en compte, en plus de l'absorption exprimée par le coefficient d'absorption, les effets dus à la diffusion et à la luminescence[11]. Pour les ultrasons, le coefficient d'atténuation regroupe identiquement l'ensemble des pertes subies en traversant le matériau. Il dépend, en plus des propriétés d'absoption du matériau, de la présence et de la forme de particules, de la turbidité, et de tous facteurs qui peuvent affecter la transmission[12].

Annexes[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. L'unité peut être le centimètre en imagerie médicale, aussi bien que le mètre s'il s'agit de la pénétration des rayons solaires dans les eaux des mers et des lacs ou de l'atténuation des impulsions du sonar.

  1. Electropedia 312-06-06 « affaiblissement »
  2. Richard Taillet, Loïc Villain et Pascal Febvre, Dictionnaire de physique, Bruxelles, De Boeck, , p. 50.
  3. Pierre-Gérard Fontolliet, Systèmes de télécommunications : Traité d'électricité, volume XVIII, Lausanne, Presses polytechniques et universitaires romandes, (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. V de L, « Bibliographie critique : Grange (Cyril), Les gens du Bottin Mondain, 1903-1987 », Population, vol. 51, no 4,‎ , p. 1062.
  8. 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.
  9. Electropedia 881-04-25 « coefficient d'atténuation ».
  10. (en) James A. Zagzebski, Essentials of Ultrasound Physics, Mosby Inc.,
  11. (en) Compendium of Chemical Terminology, 2e édition, IUPAC,
  12. (en) Bohren,C. F. et Huffman, D.R., Absorption and Scattering of Light by Small Particles, Wiley, (ISBN 0-471-29340-7).