Faits : A. A._, né en 1967, souffre d'une surdité congénitale bilatérale (sévère à gauche et profonde à droite) et porte des appareils acoustiques (davantage à gauche qu'à droite). Le 6 décembre 2004, il a été engagé comme monteur-électricien par l'entreprise B,_ SA et était, à ce titre, assuré contre le risque d'accident auprès de la Caisse nationale suisse d'assurance en cas d'accidents (CNA). Le 3 mai 2005, alors que A._ se trouvait dans le parking souterrain d'un chantier, deux inconnus ont lancé un pétard qui a explosé à deux mètres derrière lui. Il semble avoir perdu connaissance quelques instants. Après, il n'entendait plus rien et ressentait des vertiges. Un collègue de travail l'a conduit à l'Hôpital C._ où les docteurs D._ et E._ ont posé le diagnostic de probable aggravation de la surdité par traumatisme acoustique (en comparaison au dernier examen audiométrique disponible daté de 1999) et d'acouphènes; les tympans étaient cliniquement intacts (rapport du 23 mai 2005). La CNA a pris en charge le cas. L'assuré a repris son travail pendant six jours au mois de mai, ainsi que du 9 juin au 6 juillet 2005, puis a totalement cessé de travailler en raison de l'augmentation des vertiges et des acouphènes. Lors d'un contrôle le 19 juillet 2005, le docteur F._ a constaté qu'objectivement, l'aggravation de la surdité diagnostiquée dans les suites de l'accident était revenue au stade initial même si subjectivement, l'assuré se plaignait toujours d'une diminution de son ouïe. Selon le docteur D._, de l'Hôpital C._, A._ présentait un acouphène chronique décompensé et un trouble fonctionnel de l'équilibre dans le contexte d'un trouble de l'adaptation avec réaction mixte anxieuse et dépressive consécutif au traumatisme sonore du 3 mai 2005 (rapport du 11 avril 2006). Après avoir envisagé de clore le cas au 28 février 2006, la CNA y a renoncé et continué à verser les indemnités journalières. Par décision du 28 avril 2006, elle a alloué à l'assuré une indemnité pour atteinte à l'intégrité de 5 % pour la perte de l'audition due à l'accident. A la demande de la CNA, le docteur G._, psychiatre, a réalisé une expertise (rapport du 1 er octobre 2007). Ce médecin a relevé qu'en 2001, A._ avait souffert d'une dépression et déjà présenté des problèmes de vertiges sans substrat organique. Il a retenu un trouble dissociatif préexistant et réapparu après l'accident du 3 mai 2005 mais sans lien de causalité avec celui-ci à proprement parler. Les troubles manifestés par l'assuré (vertiges, malaises, acouphènes) découlaient de ce trouble dissociatif et s'étaient progressivement amplifiés en réaction à des facteurs de stress et à la non reconnaissance de son ressenti de victime. Par décision du 5 février 2008, la CNA a mis un terme aux prestations avec effet au 15 février suivant, motif pris de l'absence d'un lien de causalité entre les troubles et l'accident assuré. Saisie d'une opposition, la CNA a demandé au docteur H._, de sa division de médecine du travail, de se prononcer (appréciation des 25 juin et 10 juillet 2008). Dans une nouvelle décision du 18 juillet 2008, elle a partiellement admis l'opposition en ce sens qu'elle a alloué une indemnité pour atteinte à l'intégrité complémentaire de 5 % pour le tinnitus qualifié de partiellement compensé selon la table 13 d'indemnisation des atteintes à l'intégrité. B. B.a. Par jugement du 13 octobre 2010, la Cour des assurances sociales du Tribunal cantonal vaudois (ci-après: la cour des assurances sociales) a partiellement admis le recours formé par l'assuré contre la décision du 18 juillet 2008, annulé celle-ci et renvoyé la cause à la CNA pour instruction complémentaire sur le degré de gravité du tinnitus et nouvelle décision sur le droit aux prestations (rente et indemnité pour atteinte à l'intégrité). B.b. A la suite de ce jugement, la CNA a mis en oeuvre une expertise auprès de l'Hôpital I._ (rapport du docteur J._ du 4 avril 2012). Par décision du 2 mai 2013, confirmée sur opposition le 14 juin 2013, la CNA a maintenu la suppression des prestations au 15 février 2008 et refusé d'allouer une indemnité pour atteinte à l'intégrité pour le tinnitus. B.c. Par jugement du 16 septembre 2014, la cour des assurances sociales a rejeté le recours formé par l'assuré contre la décision du 14 juin 2013. C. A._ interjette un recours en matière de droit public. Il conclut, principalement, au versement, au-delà du 15 février 2008, des prestations légales pour les suites de l'accident du 3 mai 2005; subsidiairement, au renvoi de la cause à l'autorité cantonale ou à la CNA pour complément d'instruction et nouvelle décision dans le sens des considérants. La CNA conclut au rejet du recours. L'Office fédéral de la santé publique a renoncé à se déterminer.