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Digeste de la construction au Canada, 1969-05
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L'acoustique des salles publiques
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 92F
L'acoustique des salles publiques
Publié à l'origine en mai 1969 T.D. Northwood
Veuillez noter
Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.
Le présent Digeste traite de la conception des salles publiques, c'est-à-dire des locaux qui servent à l'établissement d'une communication sonore entre un orateur ou un artiste et son auditoire. Ces locaux, qui vont de la salle de classe à la salle de concert, ont pour première fonction de favoriser cette communication. L'auditoire doit être capable d'entendre et de comprendre le message qui leur est transmis, sinon la conception du local est fautive.
Le succès ou l'insuccès d'une salle au point de vue acoustique est déterminé par ses dimensions et sa forme, et par les distances entre la source acoustique, les auditeurs et les surfaces qui les entourent. Dès que le crayon du dessinateur effleure le papier le résultat acoustique commence à se préciser. Le but visé par le présent Digeste est d'aider l'architecte dès les stades préliminaires, non à effectuer les calculs acoustiques détailles mieux accomplis par l'expert, mais à comprendre les phénomènes fondamentaux de la communication acoustique et à saisir comment la forme de la salle peut l'influencer. On traitera principalement de la communication verbale, mais les caractéristiques particulières de la salle de concert seront également esquissées.
La parole et l'audition
La parole consiste essentiellement en une émission de voyelles reliées par des consonnes. Ce sont les voyelles qui transmettent la plus forte puissance acoustique aux fréquences de 250 à 500 hertz. Ce sont pourtant les effets modulateurs des consonnes qui transmettent l'information à des fréquences plus hautes.
Le degré d'intelligibilité de la parole dépend de la différence de niveau entre le signal acoustique et le bruit de fond à chaque fréquence de la gamme 250 Hz - 4 000 Hz. Si le signal dans une certaine bande de fréquences est d'un niveau inférieur au bruit de fond, l'intelligibilité de la parole diminue. Le son voyageant en droite ligne de l'orateur à l'auditeur sera d'une puissance insuffisante à partir d'une distance de 30 pi. (9m) aux niveaux habituels du bruit de fond. L'enveloppe de la salle a pour fonction de redistribuer l'énergie acoustique émise par la source pour assurer une communication au-delà de cette distance.
La durée des sons individuels de la parole varie de quelques millisecondes à quelques dixièmes de seconde. Pour obtenir une bonne intelligibilité de la parole, l'auditeur doit pour voir séparer des sons durant aussi peu que 50 millisecondes. En conséquence, si l'on veut obtenir un renforcement utile, l'énergie réfléchie doit atteindre l'auditeur moins de 30 millisecondes après le son direct. Comme la vitesse du son dans l'air est de 1100 pi./sec. (335 m/s), il s'ensuit que la différence de chemin parcouru entre le son direct et le son réfléchi ne devrait pas dépasser environ 30 pi. (9 m).
Bien que les sons réfléchis soient indispensables à l'audition dans un auditorium, le champ acoustique résultant peut se révéler très complexe, les différentes réflexions arrivant de directions variées à des instants légèrement différents. L'auditeur localise la source de façon satisfaisante si les premiers sons lui parviennent directement de la source. Les arrivées successives des réflexions dans d'autres directions ne gênent pas le processus de localisation de la source, même si leur niveau acoustique est plus haut de 10 dB. Cette considération est importante pour placer les dispositifs électroniques d'amplification.
La musique
Les sons musicaux ressemblent à la parole en ce qu'ils consistent en une série de sons transitoires de durées et d'intensités variables et de fréquences diverses. La différence de puissances entre le son musical le plus fort et le son le plus faible est plus grande que pour la parole, mais les niveaux minimaux sont comparables. Les fréquences des sons musicaux s'étendant sur une gamme bien plus large que pour la parole, depuis les 30 hertz produits par certains instruments jusqu'à environ 10 000 Hz, ces hautes fréquences acoustiques caractérisant le timbre d'autres instruments.
Les phénomènes qui accompagnent l'audition musicale sont similaires à ceux qui conditionnent l'audition de la parole, bien que de nouveau il y ait certaines différences de degré. Les sons musicaux, comme les sons vocaux, doivent être entendus selon une séquence et avec une résolution suffisante. Mais comme la durée des sons musicaux est généralement plus longue que celle des sons vocaux, il se produit souvent un peu de chevauchement des sons individuels, phénomène qu'on considère comme un embellissement. La nature exacte de cette amélioration est plutôt fuyante, c'est pourquoi une salle de concert est tout autant une oeuvre d'art que le résultat d'une étude acoustique.
La réverbération des sons
On a remarqué que les réflexions à retard minime donnaient un renforcement indispensable du son direct. Les phénomènes de réflexion ne s'arrêtent pourtant pas quand les premiers sons réfléchis ont atteint leur destination. Les ondes acoustiques continuent à se réfléchir en perdant une partie de leur énergie à chaque réflexion. Le résultat final est une répartition relativement uniforme du son de réverbération dans le volume de la salle. Ce son de réverbération est nuisible à la compréhension de la parole (mais il ne l'est pas nécessairement pour l'audition de la musique) car il tend à masquer les sons transitoires de faible puissance qui assurent l'intelligibilité.
La vitesse avec laquelle un son de réverbération s'assourdit est exprimée par le temps de
réverbération, défini comme le temps nécessaire pour que le son de réverbération s'affaiblisse
de 60 décibels. On peut calculer approximativement le temps de réverbération en utilisant la formule T = 0.05 V/A, ou V représente le volume de la salle et A l'absorption exprimée en sabins (un sabin représente l'absorption d'un pied carré de matériaux parfaitement absorbant). On a trouvé certaines valeurs du temps de réverbération convenant à diverses applications: pour l'audition de la parole, le temps de réverbération de la fréquence moyenne ne doit pas dépasser une seconde; pour l'audition des instruments de musique joués en solo et da la musique de chambre il sera de 1 à 1.5 seconde; pour la musique symphonique, de 1.5 à 2 secondes; et pour la musique sacrée de 2 à 2.5 secondes. En général on s'accommode de temps plus longs dans les plus grandes salles et pour des ensembles instrumentaux plus importants. Le temps de réverbération devrait être presque constant pour toute la gamme de
fréquences, bien qu'une légère augmentation pour les basses fréquences musicales soit désirable.
Ces valeurs du temps de réverbération fournissent un critère utile mais il est généralement d'importance moins grande qu'une analyse soigneuse de la forme de la salle et de la distribution de l'énergie acoustique réfléchie. On évalue d'habitude le temps de réverbération quand le volume de la salle et le nombre de sièges ont été établis. On obtient ainsi une valeur approximative de l'absorption totale dont on doit tenir compte. Au fur et à mesure que le tracé de la salle se précise, le maître-d'oeuvre prévoit la mise en place de matériau absorbant là où il est nécessaire pour l'amélioration du son final.
Absorption du son et réflexion
Le destin d'une onde sonore rencontrant une surface dépend en première approximation du coefficient d'absorption de cette surface, c'est-à-dire de la proportion de la puissance de son incident qui est absorbée. Des surfaces imperméables et massives telles que du béton ou de la maçonnerie ont des coefficients d'absorption inférieurs à 0.05 et sont considérées comme des surfaces réfléchissantes pratiquement parfaites. Les surfaces plus légères, telles que les panneaux de contreplaqué mince ou de placoplâtre (plasterboard) peuvent constituer des surfaces réfléchissantes aussi efficaces aux fréquences sonores moyennes ou élevées, mais par contre leur coefficient d'absorption peut atteindre 0.50 aux basses fréquences en raison de phénomènes de résonance.
Au contraire, un matériau mince et poreux fixé à un subjectile dur réfléchira principalement les basses fréquences, mais son efficacité d'absorption augmentera en fonction de la fréquence. Les tapis et les panneaux acoustiques en plâtre constituent des exemples typiques de ces surfaces. Les tentures tendent aussi à absorber surtout les sons de fréquences élevées, mais sont pratiquement transparentes pour les sons de basses fréquences.
En général, il est nécessaire de modifier l'absorption des parois aux fréquences basses et moyennes pour obtenir un temps de réverbération uniforme. Une installation d'absorption efficace dans cette gamme consiste souvent en un écran à fentes ou à trous séparé de la paroi par une lame d'air contenant un matériau absorbant. La lame d'air, l'écran et le matériau absorbant constituent un ensemble résonnant qui peut être accordé à n'importe quelle gamme de fréquences. Certains matériaux acoustiques du commerce possèdent deux éléments combinés, tels un subjectile absorbant recouvert d'un revêtement à trous ou à fentes. Leurs caractéristiques d'absorption sont établies en variant l'épaisseur de la lame d'air en arrière des panneaux ou leur méthode de fixation.
C'est en général l'assistance elle-même qui constitue l'élément absorbant le plus important; l'absorption atteint 5 sabins par personne et elle est presque uniforme dans toute la gamme des fréquences importantes. Il est fâcheux que la valeur acoustique d'une salle dépende tant de l'importance de l'assistance. L'utilisation de fauteuils bien rembourrés et de tapis sur les planchers aident à maintenir un certain niveau d'absorption en cas d'absence d'une partie de l'assistance qui normalement les masque.
Acoustique géométrique et forme de la salle
Les surfaces réfléchissantes larges et unies réfléchissent le son comme un miroir réfléchit la lumière. Les surfaces dont les dimensions sont inférieures à quelques longueurs d'ondes incidentes ou qui sont parsemées d'irrégularités mesurant plus d'un quart de longueur d'onde tendent à disperser l'onde incidente un peu comme le fait une source ponctuelle.
Les ondes acoustiques ont des longueurs allant de 50 pieds à une fraction de pouce, et en conséquence la plupart des surfaces ne fonctionneront comme des miroirs que pour une partie de la gamme des fréquences. Les fréquences moyennes, qui sont d'importance capitale tant pour la musique que pour la parole, sont réfléchies convenablement par des surfaces dont les dimensions dépassent 4 pieds et dont les irrégularités mesurent moins d'un pouce environ. On peut, pour tracer la forme de ces surfaces, employer les méthodes de la géométrie acoustique, qui ressemble fort à l'optique géométrique. En traçant simplement le parcours de l'onde
incidente et réfléchie on peut obtenir la répartition totale du son provenant d'une source dans tout le volume d'une salle. La principale différence avec le même problème en optique provient du temps de déplacement des ondes acoustiques, qu'il faut prendre en considération. Les ondes arrivant par différentes voies ne se renforcent que si elles arrivent simultanément au même point.
La méthode consiste à étudier la réflexion de l'onde sonore issue d'une source. Si la surface réfléchissante est plane, le tracé de l'onde réfléchie se trouve faire le même angle que celui de l'onde incidente avec la surface de réflexion (voyez la figure n° 1). Au cours de l'analyse graphique, il est pratique de remplacer l'onde incidente par son image symétrique par rapport à la surface (voyez aussi la figure n° 1). La règle ci-dessus se trouve automatiquement appliquée, et il est facile de tracer toute une série de rayons réfléchis à partir de la source-image par rapport à une certaine surface.
Figure 1. Réflection sur une surface plane.
On peut faire le tracé de réflexion pour une surface courbe de la même façon, en remplaçant la surface courbe par une série de plans. On découvrira que les sons réfléchis sur des surfaces convexes divergent dans un angle très grand, alors que les sons réfléchis sur des surfaces concaves tendent à converger. Un faisceau sonore convergent produit un effet de renforcement, qu'on doit étudier très soigneusement. Une surface légèrement concave peut être très utile si l'on désire une certaine amplication des sons dirigés vers des sièges distants; cependant une surface cylindrique ou hémisphérique pourrait faire converger le son en certains endroits privilégiés. Le premier stade de l'analyse de la forme d'une salle projetée consiste à tracer les chemins suivis par les premières réflexions des principales surfaces, en étudiant les retards de réflexion et la répartition de l'énergie acoustique. Les sièges dont les occupants ont le plus besoin de sons réfléchis sont bien entendu ceux du fonde de la salle.
Théoriquement, le tracé des réflexions devrait s'étendre aux réflexions multiples, montrant ainsi le chemin suivi par chaque fraction de l'énergie sonore jusqu'au moment où elle parvient aux sièges ou à un autre surface absorbante. Le principal objectif de cette méthode est de prévenir la formation d'un faisceau de rayons réfléchis et un endroit où l'énergie sonore serait suffisante pour constituer un écho nuisible.
Un autre écho à prévenir est celui qui se produit par une série prolongée de réflexions entre deux grandes surfaces parallèles. Une seule impulsion sonore produite entre ces surfaces tend à s'y réfléchir successivement, les différents trajets produisant une série de pulsations sonores, qu'on appelle écho flottant. Le phénomène s'amortit rapidement si une des surfaces est légèrement absorbante ou un peu irrégulière. Il ne se produit généralement pas de réflexions entre plafond et plancher, car ce dernier est garni de sièges et de gens, mais il est assez fréquent entre murs latéraux.
Amplification du son
Les salles bien dessinées d'un volume inférieur à 50 000 pi.³ ne devraient pas nécessiter le renforcement électronique de la voix de la plupart des conférenciers ou de la musique. Un bon conférencier peut s'accommoder convenablement de l'acoustique d'une bonne salle de 200 000 pi.³, mais au delà de ce volume il est généralement désirable de renforcer sa voix électroniquement. Cependant l'architecte ne doit pas tabler entièrement sur l'amplification électronique pour résoudre tous les problèmes d'audition, sauf dans les salles colossales. On obtient le meilleur résultat par l'amplification électronique destinée à étendre et à améliorer le comportement d'une salle de conférences. Les auditeurs ne se doutent pas de son existence si on l'utilise intelligemment.
La conception d'un système d'amplification électronique doit faire partie de la conception de la salle elle-même. On peut considérer les hauts-parleurs comme des surfaces réfléchissantes, car ils fournissent de l'énergie acoustique de renforcement du son direct. Il existe cependant une importante différence. Le son part du haut-parleur pratiquement au même instant qu'il part de la source sonore originelle. En conséquence, si l'on veut éviter de désorienter l'auditeur, il faut que le parcours entre haut-parleur et auditeur soit un peu plus long que celui du son direct. En général on ne peut remplir cette condition pour toute une assistance. On peut cependant utiliser un haut-parleur directionnel placé près de la source sonore, aussi haut que possible et incliné de façon qu'il serve les sièges du fond de la salle. Dans les salles énormes il peut se révéler nécessaire de distribuer les hauts-parleurs parmi l'assistance. L'effet résultant peut paraître naturel si l'on s'arrange pour introduire des retards calculés dans l'amplification électronique.
Une autre considération importante pour la mise en place des hauts-parleurs est leur proximité du microphone. L'amplification théorique d'un système électronique est limitée, car à un niveau donné, une énergie suffisante est transmise du haut-parleur au microphone pour amorcer des oscillations entretenues. Pour éviter la production de cet effet on doit placer les hauts-parleurs assez loin du microphone et on doit les orienter convenablement dans une autre direction.
Le bruit
Nous avons indiqué au début de notre exposé que le bruit de fond limite les possibilités d'écoute dans les salles de conférences. Il y a deux sources ordinaires de bruits externes, à part le bruit causé par les auditeurs. Ce sont les bruits transmis des zones adjacentes par les murs, les plafonds, les portes et les fenêtres, et les bruits causés par le système de ventilation. Les premiers requièrent des précautions lors du choix de l'emplacement de la salle et du plan des locaux, ainsi qu'une bonne insonorisation. Ces précautions ont été étudiées dans les CBD 10F et CBD 51F. Les seconds seront réduits par des mesures que tout ingénieur-conseil en mécanique devrait connaître, mais il devra obéir à un cahier des charges qui pourrait se baser sur les spécifications CBD 20 et CBD 30des courbes de critère de bruits (CBD 41F). La plus forte valeur conviendrait à une petite salle, la plus faible à une grande salle.
Exemples
Il peut être intéressant d'étudier à titre d'exemple simple une salle de classe convenant à 30 élèves. Il n'y a pas de grave problème d'acoustique dans ce cas, et une forme parallélépipédique convient. Un calcul des temps de réverbération indique qu'il sera nécessaire d'ajouter des surfaces absorbantes pour réduire le temps de réverbération à environ 0.7 seconde. La maître d'oeuvre peut être tenté de résoudre ce problème et d'autres en installant un plafond de carreaux acoustiques. Ce serait dommage, car le plafond se prête parfaitement au renforcement du son direct. Il vaut mieux appliquer les panneaux absorbants à la partie supérieure du mur de fond qui a l'avantage de supprimer un écho renvoyant la parole au professeur. De même il est possible d'insonoriser l'un ou les deux murs latéraux, spécialement près du professeur, là où un écho flottant pourrait se produire. Un troisième endroit où il serait possible d'appliquer des matériaux absorbants serait au périmètre du plafond.
Étudions comme second exemple une grande salle de cours où 300 étudiants pourraient prendre place. Il est nécessaire dans ce cas de dessiner soigneusement la salle, pour distribuer aussi soigneusement que possible l'énergie vocale du conférencier, spécialement vers le sièges du fond. La figure n° 2 montre une section longitudinale assez simple. Son plan pourrait être en éventail, les murs agissant partiellement comme réflecteurs. On pourrait encore améliorer la répartition de l'énergie sonore en divisant la plafond en panneaux plus nombreux, orientés de façon à diriger une plus forte partie de l'énergie réfléchie vers la moitié arrière du parterre. D'autres facteurs tels que la charpente, l'éclairage, et le type de ventilation influencent la forme du plafond, mais il ne faudrait pas que ces facteurs empêchent la réalisation d'un bon environnement acoustique.
Figure 2. Étude acoustique de la forme d'une salle de conférences.
Il sera nécessaire d'ajouter quelques panneaux absorbants pour réduire le temps de réverbération jusqu'à une seconde. De nouveau c'est le mur arrière qui doit d'abord être considéré. Le reste de l'absorption sera placé sur certaines portions des murs latéraux auxquelles il est difficile de donner un forme utile à la réflexion.
