Introduction à l acoustique

(1)

Ricardo Atienza 2008-2009 Suzel Balez / Nicolas REMY

CRESSON

École Nationale Supérieure d’Architecture de Grenoble L5C

Voie 1 Leq 200ms A Source :RésiduJEU 16/12/04 23h06m01s200 dBJEU 16/12/04 23h07m28s000 Voie 1 Leq 200ms A Source :bar JEU 16/12/04 23h06m01s20063,9dBJEU 16/12/04 23h07m28s000

bar Résiduel

60 65 70 75 80 85 90

22h50 22h55 23h00 23h05 23h10 23h15

Introduction à l’acoustique

(2)

Plan

Pourquoi le « son » et l’acoustique?

Rappels de physique

Le son

Pression acoustique

Niveau sonore

Décibel & logarithmes

Évolution du niveau de pression acoustique

Fréquence & Octave

Fletcher et Munson & dB(A)

Spectre fréquentiel

Timbre

Bruit ou son ?

Outils techniques

Bibliographie

(3)

L5C /

Pourquoi le « son » et l’acoustique?

Conception = Conception visuelle?

L’expérience d’un lieu n’est que « optique » ?

Du visuel à une conception exclusivement graphique du projet, c’est-à-dire, de l’espace visuel.

Systèmes et langages de représentation abstraits « graphiques » : Géométrie descriptive, …

Et les autres sens ?

Et le paramètre temps ?

(4)

Pourquoi le « son » et l’acoustique?

i / Le son expression sensible du lieu : le sens de l’ouïe,

L’espace sonore.

Systèmes et langages de représentation abstraits « sonores ».

ii / Le son comme expression temporelle du lieu,

L’espace temporel.

Le son, outil du projet temporel.

(5)

L5C /

Rappels de physique

Son : sensation auditive causée par les

perturbations d'un milieu physique matériel élastique (air, eau...) et engendrée par la stimulation des

éléments sensoriels de l'oreille interne (cellules ciliés), le plus souvent par les ondes acoustiques.

Le son est associé au mouvement oscillatoire d’un système vibrant (source sonore). Ce phénomène crée une onde acoustique.

Elle se propage dans toutes les « directions »

(directivité) à une vitesse de 340 m/s (célérité du son dans l’air).

Exemples

eau = 1460 m/s ; acier = 5100 m/s ; béton = 4000 m/s ; verre = 5000 m/s

foudre et tonnerre

besoin d’un milieu de propagation (déserts et espace)

son de sa voix

propagation aérienne et solidienne

Laurie Anderson 1997

Ondes sphériques et ondes planes dans eau

(6)

Le son

3 paramètres de description "simple" d’un son :

niveau sonore (amplitude (A))

fréquence (hauteur du son) > F=1/T

spectre fréquentiel

(7)

L5C /

Le son, un phénomène temporel.

Couleur

(8)

Niveau sonore /

Pression acoustique

L’oreille est sensible à des variations de pression acoustique (en Pa ou Pascals). Elle est très sensible puisque le rapport des pressions acoustiques entre le

« premier son » audible et un son douloureux est de 1 million (10

⁶

).

On définit ainsi le :

seuil d’audibilité PO = 20μPa ou 2.10

^-5

Pa

seuil de douleur P = 20Pa

On a donc été amené à utiliser un artifice pour gérer cette

échelle de sensibilité : l’échelle logarithmique qui entre un son

juste audible et un son douloureux permet un découpage en

120 unités appelées décibels.

(9)

L5C /

Niveau sonore

On définit le niveau sonore, comme le rapport de 2 pressions acoustiques :

P, pression acoustique de la source

P0, pression acoustique correspondant au plus petit son audible par l’oreille humaine.

On choisit d’exprimer ce rapport sous une forme logarithmique pour le ramener dans des proportions raisonnables.

Niveau de pression acoustique (Lp) est ainsi définit : Lp = 10log P

₂

/P

_O2

en dB ou en dB(A)

P

₂

= puissance acoustique de la source

P

₀₂

= puissance de référence (10

^-12

W)

(10)

Décibel

Le décibel est l’expression de la mesure sonore. Il s’agit d’une unité sans dimension permettant d’exprimer le

rapport des valeurs de deux puissances, ou de deux pressions ou de deux intensités.

! le dB n’est pas une unité en soi

attention les Niveaux sonores ne s’additionnent pas

arithmétiquement : 60 dB + 60 dB ≠ 120 dB (cf. infra)

(11)

L5C /

Logarithmes

Logarithme népérien, logarithme décimal

Un logarithme se calcule part rapport à une base. (En décimal on utilise "10"

comme base.)

Les logarithmes népériens ont pour base la valeur e = 2.71828. Le logarithme népérien de e est égal à 1.

En abrégé ou dans les démonstrations mathématiques, on écrit ln(x) pour parler du logarithme népérien de x et log(x) pour préciser qu'il s'agit du logarithme décimal.

Le log décimal est calculé à partir du log népérien à l'aide de la formule :

log (x) = ln(x)/ln(10)

où ln(10) = 2,30259

Variation de la fonction Log

(12)

Évolution du niveau de pression acoustique (Lp)

(13)

L5C /

L'enveloppe d'intensité : structure horizontale (temporelle) du son.

(14)

Fréquence = Hauteur du son

L’oreille humaine est sensible à des variations de fréquences entre 20Hz et 20000 Hz (ouïe jeune et en bonne santé).

La perception de la variation de fréquence n'est pas linéaire, mais logarithmique.

Cette variation de la fréquence n'est pas un altération neutre ou

indifférente: elle présente des rapports physiques repérables à l'écoute:

c'est le cas de l'octave (= doublement de la fréquence), ou des autres

intervalles musicaux.

(15)

L5C /

20 000 11314 16K

11313 5657 8K

5656 2829 4K

2K 2828 1415

1414 708 1k

500 707 353

250 353 177

176 89 125

63 88 44

Découpage en octaves (Hz)

Fmini Octave Fmax

Octaves de référence (acoustique physique).

Exemples

transformateur : 100-120hz

LA du téléphone : 440 Hz

Voix humaine: 300-4000 Hz

Clavecin 63-18 000 Hz

Typologie

sons graves : 20-300 Hz

sons médiums : 300-1000 HZ

sons aigus :1000-16000 Hz

En acoustique, les octaves de référence sont définies par une fréquence centrale et regroupent l’ensemble de fréquences suivant: fc / √2 < fc < fc. √2

(16)

Fletcher et Munson, 1933

Diagramme

de Fletcher et

Munson

(17)

L5C /

Courbes de pression sonore équivalente (perception).

(18)

Seuils d'audition et de douleur.

(19)

L5C /

Le diagramme musical fréquence/intensité

(Raymond Murray Schefer).

(20)

Pondération du niveau de pression sonore : dB(A)

Pondération A

Octave (Hz) 125Hz 250Hz 500Hz 1kHz 2kHz 4kHz 8kHz

Pondération A (dB) -15,5 -8,5 -3 0 +1 +1 -1

Un niveau sonore exprimé en décibel (dB) n’est pas vraiment représentatif de la sensation auditive humaine car l'oreille est peu sensible aux fréquences très basses ou très élevées (raison physiologique).

Le niveau sonore doit donc être pondéré par un coefficient dépendant de la fréquence du son émis, afin de « pénaliser » les graves et les aigus par rapport aux médiums.

On obtient ainsi un niveau sonore exprimé en dB(A).

Courbes psophométriques

(21)

L5C /

Échelle dB(A)

Chambre sourde 10

Calme absolu, seuil jamais atteint in situ

Sentiment d’oppression 20

Pièce vraiment tr!s isolé

30 Appartement très calme, zone rurale loin

de toute source bruyante et sans vent

Zone du sommeil

Temps de récupération pour l’oreille 35

Salle de classe très silencieuse, appartement calme

50 Quartier résidentiel,restaurant calme,

bureau calme

Troubles de l’endormissement, insomnies 60

Circulation urbaine moyenne, salle bruyante, aspirateur ménager

Compréhension difficile d’une conversation 70

Rue très circulée,

Troubles végétatifs, troubles nerveux 80

À 30m d’une autoroute (4000 veh/h)

8H d’exposition*

85 Limite légale pour le travail

Choc, surdité à court terme 120

Avion décollage

Effets dB(A)

Activités

* Temps d’exposition divisée par 2 si +3dB(A)

(22)

Le spectre fréquentiel, ou la couleur du son.

Le "fondamental" et les "harmoniques"

Le spectre fréquentiel est la structure verticale su son; rapport (d'intensité) des différentes fréquences composant un son.

Si le son est "musical" au sens acoustique du terme, c’est-à-dire crée par un mouvement vibratoire périodique, on montre que le son peut être considéré comme la superposition de sons simples harmoniques, dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence d’un son de base, appelé le fondamental.

La couleur d’un tel son dépend des intensités relatives des différents

sons simples harmoniques qui le composent.

(23)

L5C /

Timbre = enveloppe d'intensité +spectre fréquentiel.

Le Timbre est la qualité qui permet de distinguer deux sons émis par deux instruments différents.

C'est une qualité hybride composée du croisement de la structure horizontale (intensité) et verticale (fréquence) du son.

Quand cette structure est ordonnée, on parle généralement de "sons

timbrés" ou musicaux (ou "sons" tout court). Quand elle ne l'est pas, on

parle de sons "indéterminés", et parfois de bruit.

(24)

Bruit ou son ?

Le bruit (définition normalisée)

1- vibration acoustique erratique, intermittente ou statistiquement aléatoire

2- Toute sensation auditive désagréable ou gênante

sons, bruit,… comment faire la différence ?

Quels outils pour décrire ces phénomènes

physiques et ces perceptions ?

(25)

L5C /

Indices acoustiques

Leq ou Niveau de bruit équivalent en dB(A)

L’énergie d’un son est proportionnelle à son niveau et à sa durée. Le Leq tient compte de la durée d’exposition. C’est une moyenne « intelligente »

Outils techniques 1

leq=10log 1

T 10

Lp 10 T

∫ ^dt

⎡

⎣ ⎢

⎤

⎦⎥

Lp en dB(A)

t en s Leq

(26)

. Histogramme

% du temps de la mesure

Classes de niveaux sonores en dB(A)

45 50 55 60 65 70 75 80 85

% du temps de la mesure

45 50 55 60 65 70 75 80 85 50 %

Outils techniques 2

Indices statistiques ou indices fractiles

L5 : Niveau sonore obtenu pendant 5% du temps de la mesure (crêtes)

L95 : Niveau sonore obtenu pendant 95% du temps de la mesure (bruit de fond)

Lmax et Lmin : Niveau sonore maximum et minimum

(27)

L5C /

Lp _total = 10 × log( 10

Lp

_i

10 i=1

∑ n ⁾

Soit n niveaux sonores Lpi, la somme est donnée par la formule : exprimée en dB(A)

Exemples : additionnez 30 ⊕ 60 ⊕ 70 ⊕ 70

Lp

_total

= 10 × log(10

30

10

+ 10

60

10

+ 10

70

10

+ 10

70 10

) ...

Addition de niveaux sonores

(28)

Ordres de grandeurs

L’usage des logarithmes n’est pas sans conséquence sur la

compréhension des calculs, des mesures issues des études. Ce dont il faut se souvenir :

le dB(A) est la plus petite unité perçue par l’oreille humaine… en théorie, en labo.

couramment, on se rend compte d’un changement de niveau sonore si la variation est de l’ordre de 3dB(A)

quand on double la source, on augmente le niveau sonore de 3dB(A) : 60 dB(A) + 60 dB(A) = 63 dB(A)

Inversement, diminuer par 2 la puissance de la source, c’est diminuer son niveau sonore de 3dB(A).

pour avoir la sensation qu’on a diminué ou augmenté la puissance de la source par 2, il faut une variation physique de 10 dB(A).

Une source ponctuelle, en champ libre décroît de -6dB(A) par doublement de distance

Une source linéique, en champ libre, décroît de -3dB(A) par doublement de distance

(29)

L5C /

Acoustique du bâtiment : problèmes à l’intérieur d’un même bâtiment,

problèmes liés au voisinage d’activités bruyantes (industries, domestiques)

Mots-clés :

Isolation phonique

Transmissions directes, latérales

Bruits aériens

Bruits de choc

Sols flottants

Ponts phoniques

Isolement brut, normalisé et

standardisé

Bruit des équipements

Facteur de transmission

Indice affaiblissement

Acoustique du bâtiment

Sous couche Velaphone, isolation bruit de chocs

Isolant acoustique, laine minérale

(30)

L’acoustique des salles vise à offrir la meilleure qualité possible d’écoute à différents lieux dédiés au spectacle ou non : salle de

concert, théâtre, opéra, mais aussi des lieux publics comme des hall d’entrée, des gymnases, des piscines, des réfectoires

Mots-clés :

Champ direct et champ diffus

Réverbération d’un local

Décroissance sonore d’une source

Intelligibilité de la parole

Formule de Sabine

Coefficient d’absorption alpha Sabine

Aire équivalente d’absorption

Acoustique des salles

la salle des Princes, Monaco -Système Carmen

(31)

L5C /

Acoustique urbaine

Revêtements acoustiques - www.boscoitalia.it

Acoustique urbaine ou des bruit des transports (train, voitures,

avions) vis-à-vis des riverains : cela renvoie à la question de la

protection des riverains du bruit de ces infrastructures

Mots-clés

Propagation en champ libre

Effets météorologiques

Décroissance du bruit

Revêtements

Murs anti-bruits

Isolation des façades

(32)

Bibliographie 1/3

Ouvrages généraux :

CIATTONI J.P. : Le bruit - Toulouse - Privat - 1997 - 159p

BOUYSSY A.,DAVIER M.,GATTY B.: Physique pour les sciences de la vie (T3 : Les ondes). Paris. Belin. 1990. 292p

BRUNEAU M : Introduction aux théories de l'acoustique Université du Maine 1983-650p

TOMATIS A.: L'oreille et la vie- Paris, Laffont 1977- 314p

BURGEAT M-GRALL Y-LOTH D : Physique et biophysique en PCEM Paris-Masson 1973 -300p

JOSSE R: Notions d'acoustique à l'usage des ingénieurs architectes et urbanistes .Paris. Eyrolles, 1972,288 p,

CRAWFORD F S: Ondes , cours de physique de Berkeley.vol 3.Paris. Armand Colin. 1972. 620p

PUJOLLE J : Lexique guide d'acoustique architecturale. Paris. Eyrolles- 1971

FLEURY P -MATHIEU JP : Vibrations mécaniques et acoustique Paris Eyrolles 1968. 350p

MERCIER J : Acoustique Paris PUF 1962. 1000

Techniques d'isolation dans les bâtiments

:

HAMAYON L. : Réussir l'acoustique d'un bâtiment - Paris - Le Moniteur - 1996 - 271p

MEISSER : L'Acoustique des bâtiments par l'exemple -Paris: Le Moniteur, 2° édition 1994, 392 p.

MERCIER D et alii.- Le livre des techniques du son . Paris. Eyrolles. 1988/94 (3 tomes).1000 p

PINCON G. -Amélioration acoustique des logements . Paris. Cated -1988. 170p

ANAH. L'isolation acoustique des logements anciens. Paris. Eyrolles. 1986

HAMAYON, L.: Guide acoustique pour la conception des bâtiments d'habitation, Paris Le Moniteur, 1982,180 p

Collectif : CSTB. REEF 1982, 300 p.

C.A.T.E.D. : L'isolation acoustique. Paris : Le Moniteur, 1980, 339 p.,

PUJOLLE : La Pratique de l'isol acoustiques des bâtiments . Paris Le Moniteur, 1978, 573 p.,

DELEBECQUE R -ROMAGNOLI J : Confort de l'habitat, isolation acoustique. Paris Delagrave. 1975. 100p

MEISSER : La pratique de l'acoustique dans le bâtiment Paris Cated-Eyrolles. 1971. 130p SIMONIN-ADAM Christine, Acoustique et Réhabilitation, Ed. Eyrolles, PUCA, 2002, 381 p.,

(33)

L5C /

Bibliographie 2/3

Acoustique des salles :

JOUHANEAU J. : Acoustique des salles et sonorisation - Paris - T1D - 1997 - 610p

Collectif : Theaters and halls. Tokyo. Meisei. 1995. 224p

BARRON M. : Auditorium acoustics and architectural design. Londres. E&FN SPON. 1993. 443p

Colllectif : Rencontres architecture et musique - Chateau de forges, Pesmes - 1992 78p

EGAN David : Architectural acoustics. New York- Mac Graw Hill. 1992

POUBEAU P, BARON C : Produits pour la correction acoustique. Paris. CATED. 1991. 72p

FORSYTH M: Architecture et musique:l'architecte,le musicien et l'auditeur du17ème siècle à nos jours.

Bruxelles-P.Mardaga. 1987,360p

ADAM M. : Acoustique architecturale et acoustique des salles. Blauen (CH). Schweizer Baudokumentation.

1985. 68p

LEIPP, E : Acoustique et musique. Paris. Masson. 1980

IZENOUR : Theater design. New York : Mac Graw hill Cie, 1977, 630 p

LAMORAL R : Music et architecture. Paris : Masson, 1975, 180 p.,

RAES A.C. : Isolation sonore et acoustique architecturale - Paris - Chiron - 1964 - 383p

BERANEK L : Music, acoustic and architecture . New York. J. WILEY,1962, 580 p

KNUDSEN V.O. ET HARRIS C.M. : Le projet acoustique en architecture - Paris - Dunod - 1957

Acoustique urbaine :

C.E.T.U.R. : Guide du bruit des transports terrestres (plusieurs tomes spécialisés).Paris

BAR P, LOYE B : Bruit et formes urbaines : propagation du bruit dans les tissus urbains,Paris. CETUR. 1981

MIGNERON : Acoustique urbaine. Paris : Masson, 1980, 126 p.,

(34)

Bibliographie 3/3

Environnement sonore :

AMPHOUX P. : L'identité sonore des villes européennes, Guide méthodologique. CRESSON-IREC. 1993. 2 tomes. 86p

AMPHOUX et alii: Aux écoutes de la ville, enquète sur 3 villes suisses. Lausanne CRESSON/IREC 1991.

319p

CHELKOFF et alii: Entendre les espaces publics. Grenoble. CRESSON 1988, 160p

AUGOYARD, BALAY, CHELKOFF. Sonorité,sociabilité,urbanité. Grenoble. CRESSON, Plan construction 1982

PLAN CONSTRUCTION : Paysage sonore urbain. Paris : MECV, 1980, 139 p., (N 4335).

MURRAY-SCHAEFFER R : Le Paysage sonore. Paris : Lattès, 1979, 387 p., (N 395).

AUGOYARD J.F et TORGUE H., Répertoire des effets sonores,- ED. Parenthèse, Marseille.

THIBAUD Jean-Paul, l’espace Urbain en méthode - editions Parenthèse, Marseille.

Revues

Technique et architecture

Les cahiers techniques du moniteur

Actualité de la scénographie

Les cahiers du CSTB

Acta Acustica (et les versions précédentes: : Revue d'acoustique /Journal d'acoustique)

Le bulletin du CIDB

Echo Bruit. Revue du CIDB

Isolation -Information , la revue du CFI