Faits:
A. L._ était employée par la société X._ SA en qualité d'opératrice polyvalente. A ce titre, elle était assuré contre le risque d'accidents auprès de la Caisse nationale suisse en cas d'accidents (CNA).
Le 3 mai 2002, la prénommée a subi un traumatisme acoustique à la suite d'une explosion dans un four à hydrogène. Apparemment, cet accident n'a pas été annoncé à la CNA et n'a occasionné aucune incapacité de travail. A partir du mois d'octobre 2002, L._ a demandé une réduction de son taux d'activité à 80 %.
Le 22 janvier 2004, l'employeur a fait parvenir à la CNA une déclaration de rechute relative à l'accident du 3 mai 2002. Il y était indiqué que l'assurée entendait de moins en moins bien et qu'elle ressentait des douleurs et un sifflement permanent dans les oreilles.
La CNA a demandé des renseignements médicaux. D'après un certificat médical du docteur B._, psychiatre, L._ souffrait d'un état anxio-dépressif réactionnel dû à la présence d'acouphènes apparus consécutivement à l'accident du 3 mai 2002 et entraînant une incapacité de travail de 100 % depuis le 29 mars 2004. Deux avis de médecins spécialistes en oto-rhino-laryngologie ont également été versés au dossier, selon lesquels l'assurée présentait une légère perte auditive, plus accentuée à droite, pouvant s'accompagner d'acouphènes (rapport des docteurs O._ et K._ respectivement des 5 août 2004 et 15 mars 2005). La CNA a pris en charge le cas.
L'assurée a été examinée le 30 mars 2006 par le docteur M._, du Service psychiatrique de la CNA. Ce médecin a fait état d'une décompensation psychique importante liée aux acouphènes (épisode dépressif sévère sans symptômes psychotiques [F32.2]; attaques panique [F41.0]; trouble dissociatif de l'appareil moteur [F44.4]; syndrome douloureux somatoforme persistant [F45.4]), tout en évoquant la possibilité qu'un trouble de la personnalité pré-psychotique ait joué un rôle dans l'évolution de l'état de santé psychique de l'intéressée; il évaluait l'incapacité de travail en résultant à 25 % (rapport du 15 mai 2006). Dans une appréciation du 18 juillet 2006, le docteur A._, oto-rhino-laryngologue de la division de médecine du travail de la CNA, a estimé le taux d'atteinte à l'intégrité à 5 % retenant, sur la base de l'évaluation psychiatrique de son confrère, l'existence d'un tinnitus important partiellement décompensé.
Par décision du 27 février 2007, la CNA a mis un terme à ses prestations avec effet au 31 mars 2007 et refusé l'octroi d'une rente d'invalidité ou d'une indemnité pour atteinte à l'intégrité. Elle a considéré que les examens médicaux n'avaient «pas mis en évidence d'altérations structurelles susceptibles d'être indemnisées par l'assurance-accidents» mais des troubles psychiques sans rapport de causalité adéquate avec l'accident du 3 mai 2002. Saisie d'une opposition, la CNA a réformé sa décision initiale en ce sens qu'elle a reconnu à l'assurée le droit à une indemnité pour atteinte à l'intégrité de 5 % en se fondant sur l'évaluation du docteur A._ (décision sur opposition du 17 avril 2008).
Entre-temps, L._ a présenté une demande de prestations à l'assurance-invalidité. L'Office AI du canton de Genève (ci-après : l'office AI) a confié une expertise psychiatrique au docteur E._. Ce médecin a confirmé en partie l'appréciation du docteur M._, faisant état d'un épisode dépressif sévère sans symptômes psychotiques, d'un trouble panique et d'un trouble moteur dissociatif. Il a cependant conclu que l'assurée présentait un état psychique la rendant totalement incapable de travailler (rapport du 18 octobre 2007). L'office AI a alloué à L._ une rente d'invalidité entière avec effet au 1er mars 2005.
B. L'assurée a déféré la décision sur opposition de la CNA au Tribunal cantonal genevois des assurances sociales.
Le tribunal cantonal a admis le recours. Il a retenu que l'assurée avait subi une atteinte durable à sa santé à la suite du traumatisme acoutisque du 3 mai 2002 sous la forme d'une discrète perte bilatérale des sons aigus et d'un tinnitus grave à très grave représentant une atteinte à l'intégrité de 10 %. Il a également jugé que l'apparition de ce tinnitus était à l'origine des troubles psychiques développés ensuite par l'assurée. Vu l'intensité particulièrement grave des acouphènes, il fallait reconnaître, à l'aune de la jurisprudence applicable en la matière, que ces troubles se trouvaient en relation de causalité adéquate avec l'accident. Par conséquent, le tribunal cantonal a condamné la CNA à verser à l'assurée une rente d'invalidité de 100 % dès le 1er avril 2007 sous réserve d'une surindemnisation, et lui a renvoyé la cause pour nouvelle décision sur l'octroi d'une indemnité pour atteinte à l'intégrité (jugement du 19 mars 2009).
C. La CNA interjette un recours en matière de droit public. Elle conclut à l'annulation du jugement cantonal et à la confirmation de sa décision sur opposition. Subsidiairement, à ce que la cause lui soit renvoyée pour instruction complémentaire sur le taux d'invalidité.
L._ conclut au rejet du recours. L'Office fédéral de la santé publique a renoncé à se déterminer.

Considérant en droit:
1. 1.1 Le recours en matière de droit public est recevable contre les décisions qui mettent fin à la procédure (<ref-law>), ainsi que contre les décisions préjudicielles et incidentes qui sont notifiées séparément et qui portent sur la compétence ou sur une demande de récusation (<ref-law>). Selon l'<ref-law>, les autres décisions préjudicielles et incidentes notifiées séparément peuvent faire l'objet d'un recours si elles peuvent causer un préjudice irréparable (let. a) ou si l'admission du recours peut conduire immédiatement à une décision finale qui permet d'éviter une procédure probatoire longue et coûteuse (let. b).
1.2 Le tribunal cantonal a statué sur deux rapports juridiques distincts, à savoir sur le droit de l'assurée à une indemnité pour atteinte à l'intégrité et sur son droit à une rente d'invalidité de l'assurance-accidents. Bien que le dispositif renvoie la cause à la CNA pour nouvelle décision sur l'octroi d'une indemnité pour atteinte à l'intégrité, on doit considérer que le jugement attaqué est une décision finale sur les deux objets. En effet, comme le tribunal cantonal a constaté que L._ souffrait d'un tinnitus d'une intensité grave à très grave justifiant l'allocation d'une indemnité pour atteinte à l'intégrité d'un taux de 10 %, ce renvoi ne laisse aucune latitude à la CNA et concerne un simple calcul du montant de l'indemnité. Il incombe uniquement à l'administration de déterminer quel était le montant maximum du gain annuel assuré à l'époque de l'accident (<ref-law>). Le recours de la CNA est ainsi recevable.
2. Dans la procédure de recours concernant l'octroi ou le refus de prestations en espèces de l'assurance-accidents, le Tribunal fédéral n'est pas lié par l'état de fait constaté par la juridiction précédente (<ref-law>).
3. 3.1 Pour l'ouverture et le maintien du droit aux prestations de l'assurance-accidents, il doit exister un rapport de causalité naturelle et adéquate entre l'événement assuré (cf. <ref-law>), d'une part, et les atteintes à la santé en raison desquelles l'assuré demande des prestations, d'autre part. Les premiers juges ont correctement exposé la jurisprudence relative à ces notions, de sorte qu'on peut renvoyer à leurs considérants topiques (voir les consid. 5a et 5b).
3.2 Aux termes de l'<ref-law>, si, par suite de l'accident, l'assuré souffre d'une atteinte durable et importante à son intégrité physique, mentale ou psychique, il a droit à une indemnité équitable pour atteinte à l'intégrité. Celle-ci est échelonnée selon la gravité de l'atteinte à l'intégrité (cf. <ref-law>).
L'annexe 3 à l'OLAA comporte un barème des lésions fréquentes et caractéristiques, évaluées en pour cent. Ce barème - reconnu conforme à la loi - ne constitue pas une énumération exhaustive (<ref-ruling> consid. 1b p. 34). Pour les atteintes qui sont spéciales ou qui ne figurent pas dans la liste, il y a lieu d'appliquer le barème par analogie, en tenant compte de la gravité de l'atteinte (ch. 1 al. 2 de l'annexe).
La division médicale de la CNA a établi plusieurs tables d'indemnisation des atteintes à l'intégrité selon la LAA. Ces tables, qui ne constituent pas des règles de droit mais de simples indications ne liant pas le juge, sont compatibles avec l'annexe 3 à l'OLAA dans la mesure où il s'agit de valeurs indicatives, destinées à assurer autant que faire se peut l'égalité de traitement entre les assurés (<ref-ruling> consid. 4a/cc p. 211).
3.3 Par ailleurs, si l'assuré est invalide (<ref-law>) à 10 % au moins par suite d'un accident, il a droit à une rente d'invalidité (<ref-law>). Selon l'<ref-law>, est réputée invalidité l'incapacité de gain totale ou partielle qui est présumée permanente ou de longue durée.
4. 4.1 La CNA ne remet pas en cause le fait que l'assurée a subi le 3 mai 2002 un traumatisme acoutisque accidentel et qu'elle souffre d'un tinnitus lié à ce traumatisme. Elle estime toutefois qu'au regard des critères définis à la table 13 d'indemnisation des atteintes à l'intégrité selon la LAA applicable aux cas de tinnitus, les troubles auditifs de l'assurée entrent dans la catégorie du «tinnitus important» auquel correspond un taux d'atteinte à l'intégrité de 5 %, et non pas dans celle d'un «tinnitus très important» pour lequel est prévu un taux de 10 %.
4.2 La CNA critique ensuite la manière dont la jurisprudence examine la question de la causalité adéquate dans les cas de décompensation psychique résultant d'un tinnitus dont l'origine est accidentelle (cf. les arrêts U 71/02 du 27 mars 2003 et U 116/03 du 6 octobre 2003). Selon elle, lorsque le Tribunal fédéral explique que pour déterminer si une décompensation psychique est en relation de causalité adéquate avec un tinnitus, il faut définir si le tinnitus est léger, grave ou très grave et qu'il précise ensuite que le tinnitus doit être qualifié de très grave quand il entraîne une décompensation psychique, il adopte une solution qui procède en quelque sorte du raisonnement circulaire. Cette solution est insatisfaisante car elle ne permet pas de tenir compte du rôle joué par d'autres facteurs (par exemple une fragilité psychique constitutionnelle ou des problèmes d'ordre familial, professionnel ou économique), dans l'évolution défavorable de l'état psychique de l'assuré. De même, elle ne prend pas suffisamment en considération les caractéristiques du tinnitus subjectif - de loin le type de tinnitus le plus répandu - dont l'objectivation par un examinateur n'est pas possible et dont le degré de gravité n'est pas non plus mesurable (voir Lazlo Matéfi, Les acouphènes du point de vue de la médecine des assurances, in: Informations médicales, 2008, no 79, p. 66-79). Pour toutes ces raisons, la CNA considère que dans ces situations, l'existence d'un rapport de causalité adéquate entre l'accident et la décompensation psychique devrait plutôt s'apprécier d'après les principes développés par la jurisprudence en matière de troubles psychiques consécutifs à un accident (<ref-ruling>).
5. 5.1 D'après la science médicale, un traumatisme sonore peut engendrer un tinnitus. Ce point est admis de longue date aussi bien par l'assurance-militaire que l'assurance-accidents obligatoire qui indemnisent l'atteinte à l'intégrité subie par un assuré en cas de tinnitus résultant d'un accident lorsque ce trouble présente un certain degré d'intensité et qu'on peut établir qu'il est durable (en matière d'assurance-militaire: voir JÜRG MAESCHI, Kommentar zum Bundesgesetz über die Militärversicherung [MVG] vom 19. Juni 1992, Berne 2000, n. 41 ad art. 49; également JÜRG MAESCHI/MAX SCHMIDHAUSER, Die Abgeltung von Integritätsschäden in der Militärversicherung, in: RSAS 1997, p. 199 ss; en matière d'assurance-accidents: voir la table 13 d'indemnisation des atteintes à l'intégrité relative aux cas de tinnitus établie par la Division médicale de la CNA).
5.2 La table 13 de la CNA distingue trois catégories de tinnitus en fonction de leur gravité :
Le tinnitus léger ou minime
-acouphène intermittent ou continu, uni- ou bilatéral;
-d'intensité subjective faible;
-n'influençant ni la vie quotidienne ni les activités professionnelles du patient.
Il s'agit d'un tinnitus quasi-totalement compensé, sans incidence personnelle notable, et peu gênant. Atteinte à l'intégrité = 0 %
Le tinnitus important
-est le plus souvent continu, uni- ou bilatéral,
-d'intensité subjective marquée, souvent masqué par les bruits ambiants de la vie quotidienne;
-gêne le repos du patient (empêchant souvent celui-ci de dormir);
-perturbe à un degré moyen ou plus marqué par moments certaines occupations (lecture, écriture, écoute etc...) ainsi que les activités nécessitant concentration et ambiance de calme.
Ce tinnitus n'est que partiellement compensé et représente une gêne personnelle de degré moyen. Atteinte à l'intégrité = 5 %
Tinnitus très important
-est continu, uni- ou bilatéral, avec gêne subjective très marquée, étant difficile voire très difficile à supporter;
-est rarement masqué par les bruits ambiants de la vie quotidienne;
-gêne régulièrement l'endormissement, voire est perçu durant le sommeil;
-perturbe de façon notable, de façon permanente ou discontinue, des activités telles la lecture, l'écriture, l'écoute etc...;
-prend subjectivement le pas sur une surdité coexistante ou sur d'autres handicaps.
C'est un tinnitus «décompensé», d'importance subjective considérable, très pénible. Atteinte à l'intégrité = 10 %
5.3 Quand bien même l'objectivation d'un tinnitus peut poser des problèmes, il apparaît néanmoins possible, par des méthodes d'investigations médicales, d'en vérifier la plausibilité, d'en apprécier le degré d'intensité et d'écarter l'implication d'autres facteurs que l'accident à son origine (voir les remarques introductives de la CNA figurant à la table 13). La CNA retient ainsi qu'une expertise médicale est indispensable pour procéder à l'évaluation de l'atteinte à l'intégrité d'un assuré se plaignant d'un tinnitus à la suite d'un accident. Cette expertise doit comprendre des consultations répétées et des examens audiométriques complets tels un audiogramme tonal et une détermination tinnitométrique de l'intensité subjective, en dB, des acouphènes ainsi que de leur fréquence. L'expert est appelé à poser son diagnostic sur la base des résultats obtenus et des données d'anamnèse, et à confirmer que les affirmations de l'assuré concernant le préjudice subi sont plausibles, que les acouphènes sont à attribuer avec une forte probabilité à l'événement assuré et qu'ils risquent vraisemblablement de persister toute la vie avec la même intensité.
5.4 Il est permis de considérer que les critères et méthodes d'évaluation que l'on vient d'exposer - élaborés par la Division médicale de la CNA et approuvés par la Commission d'audiologie et d'expertise de la Société suisse d'ORL et de chirurgie cervico-faciale - permettent d'établir, au degré de la preuve requis en matière d'assurance sociale, si les symptômes présentés par un assuré sous la forme d'un tinnitus constituent une atteinte à la santé importante et durable résultant d'un accident au sens de l'<ref-law>. De jurisprudence constante, le Tribunal fédéral s'est d'ailleurs référé à la table 13 de la CNA pour statuer sur le droit d'un assuré à une indemnité pour atteinte à l'intégrité en cas de tinnitus (cf. arrêt U 14/96 du 25 septembre 1996, consid. 6b; arrêt U 51/88 du 7 décembre 1988 consid. 5 non publié dans RAMA 1989 n° U 71 p. 221).
5.5 Lorsqu'un tinnitus imputable à un accident est à l'origine d'une décompensation psychique, le Tribunal fédéral a jugé que la jurisprudence relative au caractère adéquat du rapport de causalité entre des troubles psychiques et un accident (<ref-ruling>) n'était pas applicable et qu'il fallait, dans ces cas, s'en tenir à la formule habituelle relative au cours ordinaire des choses et à l'expérience générale de la vie. Il a retenu qu'en cas de tinnitus très important (ou très grave), voire à la limite du cas très grave, l'existence d'un rapport de causalité adéquat entre l'accident et la décompensation psychique devait en principe être admise (arrêt U 71/02 du 27 mars 2003 et arrêt U 116/ 03 du 6 octobre 2003 publié in RAMA 2004 no U 505 p. 246). Cette manière de voir trouve sa justification dans les répercussions particulièrement marquées qu'un tinnitus qualifié de «très important» d'après la table 13 de la CNA est de nature à entraîner sur la qualité de vie d'un assuré. Dans les arrêts précités, le Tribunal fédéral n'a cependant pas dit que le degré d'intensité du tinnitus devait s'apprécier à l'aune de la gravité de la décompensation psychique. La gravité d'un tinnitus doit d'abord être évaluée selon les méthodes et critères d'évaluation indiquées à la table 13. Si le diagnostic d'un tinnitus «très important» (ou très grave) peut être posé, encore faut-il qu'il soit également établi par une expertise psychiatrique que la décompensation psychique constatée est la conséquence directe de ce tinnitus très important (ou très grave). Dans cette éventualité seulement, l'événement accidentel assuré est considéré comme la cause adéquate de cette décompensation psychique. Lorsque le tinnitus n'en constitue qu'une cause secondaire, c'est la jurisprudence en matière de troubles psychiques consécutifs à un accident qui est applicable pour l'examen de la causalité adéquate (cf. arrêt U 71/02 du 27 mars 2003 consid. 6.2). Si, au terme de l'instruction médicale, l'expert arrive à la conclusion que le tinnitus dont souffre l'assuré se présente sous la forme d'un tinnitus «léger» ou «important» selon la table 13 de la CNA, il y aura également lieu d'appliquer la jurisprudence tirée de l'<ref-ruling> pour déterminer l'étendue de la prise en charge par l'assureur-accidents des troubles psychiques qui en résultent. En effet, la gêne dans la vie quotidienne d'un tinnitus léger ou même important est sensiblement moins intense que celle d'un tinnitus très important selon la définition qu'en donne la CNA dans ses tables. On doit donc admettre que le développement de troubles psychiques à la suite d'un tinnitus léger ou important ne correspond pas au cours ordinaire des choses et de l'expérience de la vie, et que d'autres facteurs ont concouru à entraîner ou à favoriser le résultat tel qu'il s'est produit. Dans ces deux cas, le tinnitus apparaît comme une cause secondaire de l'affection psychique, ce qui justifie l'application des critères jurisprudentiels en matière de troubles psychiques consécutifs à un accident. C'est dans ce sens qu'il faut comprendre la jurisprudence du Tribunal fédéral.
5.6 La recourante n'apporte aucun argument décisif qui pourrait justifier de revenir sur le fondement de cette jurisprudence. D'une part, ses critiques découlent partiellement d'une interprétation inexacte des arrêts du Tribunal fédéral. D'autre part, on voit mal pour quelle raison les méthodes diagnostiques et les critères d'évaluation qui servent à fixer le degré d'atteinte à l'intégrité d'un assuré souffrant d'un tinnitus ne seraient pas transposables à la question de savoir si l'atteinte constatée est propre, selon l'expérience, à entraîner des troubles psychiques. Il y a par conséquent lieu de s'en tenir à la jurisprudence actuelle dans les termes qui viennent d'être précisés.
6. 6.1 En l'espèce, les troubles auditifs de l'intimée n'ont pas fait l'objet d'une évaluation qui réponde aux exigences formulées à la table 13. Les constatations figurant dans les rapports des médecins oto-rhino-laryngologues sont trop lacunaires pour évaluer la gravité de l'atteinte à l'intégrité subie pour ces troubles. Au plan psychiatrique, il est établi que l'intimée souffre d'un état dépressif sévère. Si les docteurs M._ et E._ partagent l'opinion que l'état dépressif est lié à l'événement accidentel (condition sine qua non), ils ne semblent cependant pas tout à fait d'accord en ce qui concerne l'influence éventuelle de facteurs préexistants à l'accident pouvant faire apparaître le tinnitus comme une cause secondaire du développement psychique défavorable constaté. Le docteur M._ évoque à cet égard un trouble mixte de la personnalité avec traits dépendants immatures anxieux et pré-psychotiques (F.61.0), tandis que le docteur E._ retient qu'on peut tout au plus parler d'une certaine vulnérabilité psychique constitutionnelle non significative et que l'état dépressif est la conséquence directe de la présence des acouphènes. Leurs avis divergent également fortement au sujet des répercussions de l'état dépressif sur la capacité de travail de l'assurée - le docteur M._ conclut à une incapacité de travail de 25 % tandis que le docteur E._ atteste d'une incapacité de travail totale - sans que l'on comprenne très bien les raisons d'une telle différence d'opinion.
6.2 En l'absence d'une expertise oto-rhino-laryngologique en bonne et due forme, il n'est donc pas possible de statuer sur le droit de l'intimée à l'indemnité pour atteinte à l'intégrité et il est également prématuré de se prononcer sur la rente d'invalidité. Il convient par conséquent de renvoyer la cause à la recourante pour qu'elle procède à une instruction médicale complémentaire sur le degré de gravité du tinnitus présenté par l'intimée et fixe à nouveau le taux de l'atteinte à l'intégrité. En fonction des conclusions auxquelles aura abouti l'expert, la CNA examinera ensuite la question du droit à la rente d'invalidité de l'assurée pour ses troubles psychiques conformément à la jurisprudence énoncée au consid 5.5. Au besoin, elle ordonnera une instruction complémentaire au plan psychique. Après quoi, il lui appartiendra de rendre une nouvelle décision sur le droit de l'assurée aux prestations de l'assurance-accidents (indemnité pour atteinte à l'intégrité et rente d'invalidité).
Dans cette mesure, le recours se révèle bien fondé et le jugement entrepris doit être annulé.
7. L'intimée, qui succombe, doit supporter les frais judiciaires (<ref-law>). Elle n'a, en outre, pas droit à des dépens (<ref-law>).
8. Sous le chiffre 5 du jugement entrepris, la juridiction cantonale a condamné la CNA à verser à l'assurée la somme de 2'000 fr. à titre de dépens. A l'issue de la procédure fédérale, la cause est renvoyée à l'assureur-accidents qui doit statuer à nouveau. L'intéressée apparaissait ainsi fondée à recourir contre la décision sur opposition du 17 avril 2008, de sorte qu'il n'y a pas lieu d'annuler ce chiffre 5 du dispositif du jugement cantonal.

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est admis en ce sens que les chiffres 3 et 4 du jugement du Tribunal cantonal genevois des assurances sociales sont annulés, la cause étant renvoyée à la CNA pour qu'elle procède conformément aux considérants et rende une nouvelle décision sur le droit de l'assurée aux prestations de l'assurance-accidents (indemnité pour atteinte à l'intégrité et rente d'invalidité).
2. Les frais judiciaires, d'un montant de 750 fr., sont mis à la charge de l'intimée.
3. Le présent arrêt est communiqué aux parties, au Tribunal cantonal genevois des assurances sociales et à l'Office fédéral de la santé publique.
Lucerne, le 18 août 2010
Au nom de la Ire Cour de droit social
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: La Greffière:
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