Maquette de salle à volumes couplés

La maquette utilisée au cours de ce travail de thèse a été construite dans le but de fournir des données de mesures physiques, dans une démarche exploratoire au regard de diverses configura-tions de la salle. Les données recueillies ont notamment servi de référence lors de comparaisons avec des simulations numériques et des modèles analytiques.

3.1.2.1 Fabrication : géométrie et matériaux

Cette maquette est composée de deux cavités réunies autour d’une paroi commune, serrée entre ces cavités. La géométrie de cette maquette à l’échelle 1:20 est relativement simple. Il s’agit de deux pavés liés par une surface commune qui modélisent deux salles acoustiquement couplées, comme illustré sur le schéma de la Figure 3.2 et la photographie de la Figure 3.3. Cette paroi peut être fermée, laissant chaque volume indépendant, ou alors ouverte, donnant lieu à un couplage acoustique entre les cavités. Notons que la paroi commune, étant faite de plastique rigide de 11 mm d’épaisseur, isole fortement les cavités l’une de l’autre, bien que cette considération ne soit pas très utile puisque la paroi commune comporte une surface de couplage ouverte pour la grande majorité des mesures. Une paroi fermée est utilisée uniquement pour mesurer les temps de réverbération de chaque salle indépendante, par exemple pour calibrer un modèle. Ainsi l’atténuation sonore de la paroi fermée n’est jamais un problème pour les travaux effectués dans la maquette. Ce dispositif permet différentes configurations de couplage selon la géométrie de l’ouverture pratiquée dans cette surface. Par ailleurs, les parois étant couvertes par des matériaux différents dans chaque salle, les temps de réverbération obtenus dans les salles indépendantes sont différents. En effet, des matériaux plus absorbants sont placés dans la grande salle, rendant cette dernière moins réverbérante que la salle plus petite, appelée chambre de réverbération. La structure de cette maquette est réalisée en plaques de polychlorure de vinyle (PVC) avec une paroi en plexiglas pour garder le plafond transparent afin de vérifier que le matériel est bien en place pendant les mesures. Les dimensions choisies correspondent à une moyenne des dimensions des salles à volumes couplés existantes [Beranek, 2004], visibles dans le Tableau 3.2. Les dimensions de la salle de Lucerne sont celles dont la maquette s’approche le plus.

Échelle Longueur (m) Largeur (m) Hauteur (m) Volume (m³) Surface (m²) α¯ Salle principale 1:1 44 24 18 19000 4560 0,38 1:20 2,2 1,2 0,9 2,38 11,4 0,38 Chambre de réverbération 1:1 14 24 18 6050 2040 0,10 1:20 0,7 1,2 0,9 0,76 5,1 0,10

Table 3.2 – Caractéristiques architecturales de la maquette

L’intérieur de la maquette a dû être aménagé afin d’éviter les échos flottants qui se produi-saient entre les surface parallèles. De plus, l’ajout de relief, comme les balcons, a contribué à

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Figure 3.2 – Schéma de la première version de la maquette construite au LIMSI.

Figure 3.4 – Schéma de la maquette du LIMSI. La salle principale est aménagée avec des balcons.

rendre la diffusion du son plus importante, rendant le champ acoustique plus homogène dans la maquette. Ainsi des planches de médium (MDF) ont été ajoutées et posées de manière légère-ment non-parallèle aux parois de PVC, selon un angle de 2^o comme le montre la Figure 3.4. Les balcons n’étant pas suffisants en termes d’éléments diffusants et pour éviter des réflexions trop fortes sur le plafond qui devait rester plat et rigide pour permettre la visibilité, des éléments courbes en plastique rigide ont été suspendus dans la salle principale, comme le montre la Fi-gure 3.5. Sur cette image, le public est représenté par de l’herbe synthétique. L’absorption de ce matériau a été mesurée dans la chambre réverbérante miniature prêtée par Radio France, visible sur la Figure 3.6, et montre des coefficients d’absorption (Figure 3.7, [Luizard, 2010; Schoeff-ter]) de l’énergie acoustique en fonction de la fréquence légèrement plus basses (à environ 40% d’absorption entre 200 Hz et 1 kHz) que les valeurs moyennée à partir des valeurs données dans 20 documents de référence (à environ 45% d’absorption entre 500 Hz et 4 kHz) [Nishihara and Hidaka, 2001]. Notons que Beranek [Beranek, 1969; 1998] propose une valeur plus élevée, autour de 80% d’absorption entre 500 Hz et 4 kHz. Ces valeurs dépendent, entre autre, du matériau qui couvre les sièges, plus ou moins absorbant, et changeant d’une salle à l’autre. Ainsi les valeurs obtenues par le gazon artificiel sont peut-être un peu basses par rapport à la moyenne générale mais correspondent à quelques salles réelles.

Finalement, dans le cadre d’une étude comparative avec des méthodes numériques de mo-délisation du champ sonore exposée dans la Section suivante, les balcons ont été déposés et l’ensemble des parois à l’exception du plafond ont été couvertes de jonc de mer, un matériau fait de fibres naturelles tressées présentant un léger relief qui favorise la diffusion aux hautes fréquences.

3.1.2.2 Matériel de mesure

Les mesures ont été effectuées avec un matériel dont les réponses en fréquence sont présentées en annexe A.3, couramment utilisé dans le domaine de l’audio, par opposition au matériel de mesure acoustique classique. En effet, la carte d’acquisition est une Fireface 800 avec des préamplificateurs Octamic produits par RME, les microphones sont des DPA 4060, appelés

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Figure 3.5 – Photographie de la salle principale, aménagée avec des balcons et des réflecteurs courbes diffusants.

Figure 3.6 – Photographie de la maquette de chambre réverbérante servant à mesurer l’absorp-tion des matériaux aux hautes fréquences.

10² 10³ 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Fréquence (Hz) α Jonc de mer Gazon

Public [Nishihara et al., 2001]

Figure 3.7 – Coefficients d’absorption (αSabine) du jonc de mer et du gazon synthétique, mesurés aux hautes fréquences, affichés à l’échelle 1. L’absorption du public assis dans des salles de concert a été moyennée, provenant de 20 livres différents [Nishihara and Hidaka, 2001].

Figure 3.8 – Photographie de la salle principale couverte de jonc de mer, avec la source à 12 tweeters et un alignement de microphones.

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“micros cravate”, omnidirectionnels à condensateur dont le diaphragme mesure 1/4 de pouce. L’alimentation électrique de la source est fournie par un amplificateur Samson Servo 120a. La source a d’abord été une pyramide à base triangulaire dont les trois faces visibles possèdent un haut-parleur (transducteurs de type tweeter). Cette géométrie est un bon compromis entre la directivité de la source sonore et sa taille qui doit rester raisonnablement faible lorsqu’elle est rapportée à l’échelle 1:1, compte tenu des dimensions des transducteurs. Les autres sources utilisées sont les dodécaèdres miniatures proposés par Dr-Three, qui ont l’avantage d’être plus proches d’une source omnidirectionnelle grâce à leurs 12 tweeters, visible sur la Figure 3.8, ayant un encombrement moindre comparé à ceux de la source tétraédrique.

Ce matériel n’est pas vendu pour fonctionner dans le domaine des ultra-sons mais les essais ont montré qu’il est possible d’obtenir une dynamique suffisante pour calculer des indices acous-tiques jusque dans la bande d’octave centrée sur 40 kHz. La carte d’acquisition et l’amplificateur de source ont une réponse en fréquence semblable, qui ne diminue que de 5 dB entre 20 Hz et 80 kHz. Les facteurs limitant l’accès aux hautes fréquences sont donc les sources et les récepteurs. L’intérêt d’utiliser un tel matériel réside dans le fait qu’il permet d’obtenir un signal ayant une dynamique importante malgré une source relativement peu puissante aux hautes fréquences. En effet le rapport signal sur bruit obtenu permet d’estimer des temps de réverbération sur une décroissance de 20 dB dans la bande d’octave centrée sur 40 kHz, soit 2 kHz à pleine l’échelle. Un matériel de mesure plus classique, composé de microphones GRAS 40 DP, d’un préamplifica-teur Nexus de Brüel & Kjær et d’une carte d’acquisition National Instruments a également été testé. Les microphones GRAS 40 DP (1 mV/Pa) étant 20 fois moins sensibles que les DPA 4060 (20 mV/Pa), ils nécessitent une excitation sonore plus puissante pour obtenir un rapport signal sur bruit suffisant, par exemple une excitation de type impulsionnelle, typiquement une source à étincelle, ce qui demande un temps beaucoup plus long pour effectuer des mesures répétées pour obtenir une réponse impulsionnelle. Une source impulsionnelle de type pétard ou pistolet à amorce aurait pu être employée mais elle aurait pausé une difficulté de fabrication pour être actionnée depuis l’extérieur de la maquette. Par ailleurs, le choix a été fait de travailler avec la méthode du sinus glissant qui semblait être le meilleur compromis pour obtenir des mesures de qualité.

Le système logiciel qui commande la chaine de mesure a été codé par Brian Katz et fonc-tionne sous Matlab. Il génère le signal source, l’envoie à la carte d’acquisition, reçoit le signal enregistré et effectue la déconvolution nécessaire avec le signal source ainsi qu’un filtrage passe-bande selon les fréquences excitées dans la maquette. Il est alors possible de visualiser la réponse impulsionnelle déconvoluée pour chaque récepteur directement après une mesure et ainsi de véri-fier la présence de certaines caractéristiques (rapport signal sur bruit suffisant, durée suffisante, double pente éventuelle). De plus, cette procédure permet de connaitre précisément l’instant d’envoi du signal d’excitation et d’utiliser la même base temporelle pour la source et l’ensemble des récepteurs, ce qui est impossible avec une commande de déclenchement de source extérieure au système de mesure.

Figure 3.9 – Photographie de la configuration de mesure sur la maquette du Musée des Arts et Métiers.

3.1.2.3 Autre maquette utilisée

Au début de la thèse, une série de mesures a été réalisée sur une maquette conservée au Musée des Arts et Métiers à Paris. Cette maquette à l’échelle 1:25 a été construite au XIX^e siècle pour illustrer un travail de charpente qui consiste à utiliser des poutres de faible longueur tout en obtenant un plancher ayant une portée importante. Ainsi une géométrie particulière est mise en œuvre et l’étude [Katz, B.F.G. ; Delarozière, O. ; Luizard, P. “A ceiling case study inspired by an historical scale model”, Proc. Institute of Acoustics, 8th International Conference on Auditorium Acoustics, Dublin, Ireland, 20-22 May, 2011. Vol. 33. Pt.2, pp. 314-321.] visait à quantifier l’effet de ce plancher sur l’acoustique de la salle située en dessous. Une photographie de la maquette en Figure 3.9 montre cette géométrie. Les mesures ont été effectuées avec une série de récepteurs placés au niveau du sol, selon la projection d’un rayon de la structure du plancher, la source sonore étant placée au centre. Cette source devant être orientée vers le haut et pointer vers une seule direction, un tweeter seul a été utilisé, placé légèrement plus haut que les récepteurs et orienté vers le centre de la structure. Des séries de mesures avec ce plancher apparent, une plaque de plexiglas placée au-dessus, ont été comparées à des mesures effectuées lorsque la plaque de plexiglas était placée juste sous le plancher, simulant une surface réfléchissante, remplaçant le plancher par une surface plate et rigide.

Cette étude a permis d’utiliser la chaine d’acquisition dans un contexte différent de celui du laboratoire et les analyses effectuées, étant différentes de ce que nous avions fait jusque là, ont contribué à élargir le spectre des possibilités offertes par nos mesures sur maquette acoustique.