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Digeste de la construction au Canada, 1965-03
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Le son et les hommes
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 41F
Le son et les hommes
Publié à l'origine en mars 1965 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.
Pour les physiciens, le son est un mouvement ondulatoire dans un milieu élastique (solide, liquide ou gazeux); pour les êtres pourvus d'un système auditif le son est ce qui s'entend; les sons indésirables sont des bruits. Dans cette étude nous nous proposons de donner un aperçu des propriétés de ces trois manifestations du son en insistant sur celles qui sont applicables à la conception et à l'utilisation des bâtiments. Cependant, nous ne parlerons guère des bâtiments eux-mêmes et nous nous concentrerons sur les effets que le son peut avoir sur leurs occupants.
Nous nous occuperons donc, surtout de la deuxième et de la troisième manifestation du son qui sont des impressions subjectives. Toutefois, comme il est difficile de mesurer et d'analyser les complexes processus physiologiques et psychologiques nous substituerons parfois des approximations physiques aux impressions subjectives. La signification de ces approximations fera l'objet d'une bonne partie de notre étude. Nous nous efforcerons, par ailleurs, de donner une signification précise aux termes d'acoustique les plus employés.
Propriétés physiques du son
Bien que la plupart des sons réels soient de nature complexe, la théorie est basée sur la notion d'une simple perturbation qu'on peut appeler "son pur". Si le son pur est une onde sonore se déplaçant dans l'air libre, il prend la forme d'une petite vibration sinusoïdale superposée à la pression atmosphérique statique. Un graphique illustrant une telle onde sonore se trouve à la figure 1. Cette onde est caractérisée par son amplitude et par la fréquence de ses vibrations (habituellement exprimée en cycles par seconde). La période représente l'inverse de la fréquence, c'est-à-dire le temps correspondant à un cycle.
Figure 1. Onde pure sinusoïdale dans l'air.
Les crêtes successives d'une onde sinusoïdale pure, se propagent dans l'espace à une longueur d'onde d'intervalle et à une vitesse appelée vitesse de propagation ou célérité du son. L'on voit aisément que la longueur d'onde , la fréquence f, et la vitesse de propagation v sont reliés par l'expression v = f . La vitesse du son dans l'air est d'environ 1140 pieds par seconde. Les longueurs d'on de réparties entre une fraction de pouce et 50 pieds représentent le spectre intéressant le domaine de l'acoustique. Ce large spectre de longueurs d'ondes qui englobe les dimensions des hommes et de la plupart des objets qui les entourent ne se prête pas aux hypothèses simplificatrices de la théorie des ondes, bien que les principes simples de l'optique géométrique soient de quelque secours dans le cas de sons à hautes fréquences (courte longueur d'onde).
Tout son complexe peut être complètement décrit comme étant le résultat de la combinaison d'un nombre de sons purs d'amplitudes variées et dont les fréquences et les phases sont liées les unes aux autres. Certains sons musicaux (ceux de la flûte par exemple) ne contiennent que quelques composantes dont les fréquences et les phases sont liées par des relations simples et bien définies. Les sons plus complexes contiennent de nombreuses composantes qui peuvent ne pas être systématiquement reliées en fréquence et en phase. Les sons les plus complexes constituent ce qu'on appelle le "bruit blanc", lequel est formé d'une perturbation à caractère aléatoire contenant toutes les fréquences; le son émis par un jet d'eau ou d'air donne un aperçu du bruit blanc. Un son simple peut être décrit en fonction du spectre des sons purs, c'est-à-dire en fonction de ses composantes à son pur. Un son complexe est généralement décrit en fonction de son spectre de bande, c'est-à-dire de la répartition des pressions acoustiques situées dans une série de bandes de fréquences contiguës (généralement des octaves, des demi-octaves ou des tiers d'octave).
L'échelle des décibels
L'échelle des décibels qui est presque universellement utilisée pour décrire l'intensité des sons, a été établie en fonction de la façon dont les êtres humains réagissent aux sons. En général, un rapport donné de pressions acoustiques produit la même sensation de changement, quelles que soient les pressions acoustiques absolues, c'est-à-dire qu'un accroissement de l'amplitude de la pression acoustique de 1 à 2 microbars produit la même impression de changement que l'accroissement de 0,01 à 0,02 microbar. C'est pour cette raison que le procédé d'échelonnement des sons est basé sur des rapports plutôt que sur les pressions acoustiques absolues.
L'arithmétique de l'acoustique et de l'électroacoustique est facilitée, si on a recours aux logarithmes des rapports plutôt qu'aux simples rapports, car ainsi la multiplication et la division
des rapports sont converties en addition et en soustraction des logarithmes. On peut donc faire appel à la propriété des logarithmes
que log (ab) = log a + log b et que log (a/b) = log a - log b.
Alors, finalement. se dégage l'échelle des décibels: le niveau de pression acoustique correspondant à une pression acoustique P est donné, en décibels, par:
20 log (P/P0)
où Po est la pression standard de référence de 0,0002 microbar (c'est à peu près le niveau
minimum du bruit audible).
Il découle des propriétés des logarithmes que la différence de niveau sonore entre deux pressions acoustiques P1et P2devient:
20 log (P1/P0) - 20 log (P2/P0) = 20 log (P1/P2).
Le premier terme de cette équation pourrait, par exemple, représenter le niveau de pression acoustique d'une pièce où se trouve une source sonore, tandis que le deuxième terme pourrait représenter le niveau du bruit résultant dans une pièce adjacente. Dans ce cas, l'expression de droite représenterait la réduction du bruit (en décibels) réalisée par le mur de séparation.
Quelques exemples concrets peuvent expliciter davantage l'usage que l'on peut faire de l'échelle des décibels: deux pressions acoustiques égales ont une différence de niveau de 0 db, un facteur de 2 en pression acoustique équivaut à 6 db, un facteur de 10 à 20 db. Un décibel correspond approximativement au changement minimum d'un ton pur de 1000 cycles pouvant être décelé subjectivement dans les conditions du laboratoire; plus généralement, le changement minimum décelable, pour ce qui est des sons complexes dans les conditions d'écoute normales est d'environ 3 db.
Nous avons jusqu'à présent donné à entendre que le son est constitué d'éléments stables et continus. En réalité, les sons importants comme ceux de la parole et de la musique sont formés en grande partie d'éléments transitoires qui ne durent qu'une fraction de seconde. Pour que ces sons soient perçus comme il faut, il est nécessaire qu'ils maintiennent leur forme caractéristique jusqu'à ce qu'ils atteignent l'oreille de l'auditeur. Dans la parole, par exemple, les consonnes maintiennent la forme du début et de la fin des sons-voyelles qu'elles enserrent. C'est un facteur dont il faut tenir compte lorsqu'on établit les plans des grandes salles où les auditeurs sont appelés à percevoir une série de sons différés après avoir entendu le son direct. Les propriétés subjectives du son
Seule une partie de ce que les physiciens nomment son peut être entendue par les êtres humains. La figure 2 représente l'intervalle des niveaux sonores et des fréquences perceptibles. La ligne la plus basse représente le seuil de l'audibilité, c'est-à-dire le premier niveau de son audible. A noter que l'oreille est très réceptive aux fréquences allant de 1000 à 2000 cycles par seconde, c'est-à-dire dans la zone où le seuil de l'audibilité est approximativement égal à 0 db. C'est aussi l'intervalle des fréquences le plus important pour les communications verbales. La ligne la plus haute, laquelle atteint environ 130 db est le seuil de la douleur. A ce niveau le son cesse d'être entendu mais il provoque une sensation de chatouillement ou de douleur. L'intervalle des fréquences perçues sous forme de sons va d'environ 18 à 18000 cycles par seconde. Une personne qui serait exposée de façon continue à un niveau de pression acoustique supérieur à 80 ou 90 db risquerait d'affaiblir irrémédiablement son sens de l'ouïe. Ce danger existe pourtant dans de nombreuses usines.
La quantité subjective qui correspond au niveau de pression acoustique est le niveau de sonorité mesuré en phones. Les graduations en décibels et en phones correspondent pour les sons purs de 1000 cycles et la relation pour les sons purs à d'autres fréquences est indiquée par les courbes isophones de la figure 2. Pour un son complexe, la sensation de sonorité dépend d'une façon fort compliquée des composantes de fréquences qu'il contient. L'impression
physiologique de la hauteur est en relation étroite avec la fréquence pour les sons purs, mais elle est très compliquée pour les sons complexes.
Figure 2. Intervalle des niveaux sonores et des fréquences que perçoivent les êtres humains. Les courbes représentent les profils isophones des sons purs.
Très souvent on décrit les sons complexes en avant recours à l'une des diverses approximations physiques qui correspondent aux impressions physiologiques. La plus simple est fournie par les réseaux de lestage A, B et C d'un phonomètre ordinaire. Les trois réseaux font varier la sensibilité de l'appareil en fonction de la fréquence un peu comme varie la sensibilité de l'oreille, tout en suivant les courbes isophones de 40, 70 et 100 phones respectivement (voir figure 2). Pour les sons purs ou les sons contenant une répartition raisonnablement uniforme de fréquences, l'utilisation du réseau adéquat fournit une mesure approximative du niveau de sonorité. Cette technique est simple mais elle a des limitations. La plus évidente de celles-ci est que pour obtenir une mesure valable du niveau de sonorité on doit savoir quel réseau utiliser. ce qui dépend du niveau de sonorité. A cause de ces problèmes il est courant de décrire les mesures faites avec un phonomètre comme étant simplement des niveaux sonores. Ce terme général est employé pour les mesures effectuées sur le réseau C, c'est-à-dire celles qui correspondent approximativement aux niveaux de pression acoustique. Le réseau A qui englobe l'intervalle de la parole est aussi largement employé pour mesurer l'intensité de la parole, ou encore, l'intensité du bruit pouvant couvrir la parole. Par ailleurs, il est parfois utilisé pour mesurer les effets déplaisants du bruit.
Une méthode plus élaborée que l'on peut employer pour analyser un son complexe consiste tout d'abord à déterminer le niveau de sa bande spectrale et ensuite à calculer l'un des paramètres ayant été identifiés au moyen de réactions subjectives au son. Le plus important de ces paramètres est le niveau de sonorité. Une douzaine de procédés ont été mis au point au cours des ans pour déterminer l'intensité des sons. Les deux méthodes actuellement employées fournissent de bonnes approximations en matière de niveaux sonores détectés subjectivement à l'égard de sons très complexes. Elles conviennent moins bien lorsqu'il s'agit de sons ayant de fortes composantes de son pur alliées à un spectre uniforme.
Il est intéressant du point de vue sémantique de constater que l'évaluation subjective du "caractère bruyant des sons" est différente de celle de la "sonorité" étant donné que le caractère bruyant dépend davantage des sons à haute fréquence que la sonorité. Un procédé semblable à celui employé pour calculer la sonorité mais donnant plus d'importance aux hautes fréquences a été mis au point pour calculer le niveau de bruit perçu, exprimé en PNdb.
Un autre procédé consiste à comparer le spectre de la bande à une famille de courbes de bruit standard appelées courbes de critère du bruit (courbes CB). Ce critère a été établi principalement pour évaluer le problème des communications verbales en milieux bruyants. La figure 3 montre la famille des courbes du critère en question et leur effet sur les communications verbales. La méthode permettant de comparer un spectre donné à ces courbes n'est pas complètement définie. Une procédure classique consisterait à choisir la courbe CB qui longe ou surplombe le spectre donné dans chaque bande, mais de légers dépassements sont habituellement tolérés, sauf en ce qui concerne les bandes importantes pour la parole. Étant donné que l'intervalle des fréquences importantes pour la parole est aussi celui de la meilleure perception pour l'oreille, le critère de bruit est parfois utilisé pour évaluer grosso-modo la sonorité ou le caractère bruyant des sons.
Figure 3. Critère du bruit et communications verbales dans les bureaux. Courbe
CB Application à la communication verbale 20-30 Très silencieux, convenant aux
grandes salles de conférence
30-35 Conversation à voix normale à une distance de 10 à 30 pieds
35-40 Conversation à voix normale à une distance de 6 à 12 pieds
40-50 Conversation à voix haute à une distance de 6 à 12 pieds
distance de 3 à 6 pieds Les propriétés fondamentales du bruit
Il convient, pour finir, de faire une distinction précise entre le son et le bruit. Tout son situé dans la zone de perception peut, dans certaines conditions, être un bruit. Les plus hauts niveaux peuvent même être exprimés en termes de douleur, d'affaiblissement de l'ouïe ou d'interférence dans les communications verbales. Il existe aussi une vague et indéfinissable catégorie de sons gênants ou perturbateurs qui est néanmoins très importante.
Peu de sons sont intrinsèquement déplaisants. Ils le deviennent s'ils pénètrent dans la conscience de l'auditeur au point de le distraire de ses occupations. Pour que cela se produise il faut que l'auditeur distingue le bruit inopportun parmi les autres bruits de son entourage. De plus, il doit le percevoir contre son gré. Il faut pour cela que le son ait un caractère spécial découlant habituellement d'une activité spécifique. Les sons du langage sont particulièrement pénibles s'ils sont intelligibles ou presque. Les chocs subits, les sons effrayants ou alarmants et ceux ayant une hauteur ou un rythme accentué (comme, par exemple, un robinet qui coule goutte à goutte) attirent l'attention et sont, par conséquent, gênants. De même, une source unique de bruit identifiable est plus gênante qu'un niveau sonore équivalent constitué par un mélange de sons en provenance de sources diverses.
On a quelquefois recours à des mélanges de sons confus pour couvrir les sons gênants. La forme la plus acceptable que peut prendre un son de couverture est un "bruit blanc", spécialement conçu pour masquer le bruit importun que l'on ne veut pas entendre. Certains sons comme ceux des systèmes de ventilation et de climatisation peuvent jouer ce rôle. La musique de fond que l'on emploie très souvent dans les restaurants et autres lieux publics est un exemple de son destiné à mettre les gens à l'abri de leurs voisins. Malheureusement, certains fournisseurs de musique de fond qui ignorent la véritable fonction de ce type de musique servent des sons eux-mêmes fort ennuyants.
Le niveau du son de couverture doit être ajusté avec grand soin. Pour remplir son rôle, il doit être égal ou supérieur, dans chaque bande d'octave (ou mieux encore dans chaque tiers de bande d'octave) au niveau du bruit importun. Par contre, le son de couverture ne doit pas être d'une intensité telle qu'il empêche ceux qui l'entendent de se livrer à leurs occupations normales. Dans les bureaux son niveau maximum dépend généralement des exigences en matière de communications verbales (on pourrait l'établir en fonction des courbes CB dont il a été question plus haut). Dans les logements le problème est plus complexe à cause de la grande variété des activités domestiques et des intensités sonores très différentes qui en résultent. Dans ces conditions, le bruit de fond est tout de même plus agréable que le bruit provenant des voisins.
Propagation du son dans les bâtiments
Nous avons, au cours de notre étude plutôt abstraite du son et de ses effets sur les personnes, fait mention des problèmes qui se posent en acoustique architecturale. Sans chercher à esquisser tous ces problèmes nous allons maintenant donner un court aperçu de la propagation du son dans les bâtiments.
Dans un espace illimité, le son se propage dans toutes les directions à partir de sa source en diminuant de 6 db chaque fois qu'il double la distance qui le sépare de sa source. Si la source est située dans une pièce fermée, on entend en n'importe quel point le son direct plus une série infinie de sons réfléchis sur les parois de la pièce. Le niveau dû à ces réflexions, lequel constitue ce qu'on appelle le niveau de réverbération, dépend de la nature des murs et de l'ameublement de la pièce; si ces éléments sont constitués par des matériaux qui absorbent la majeure partie des sons qui les frappent, alors le niveau de réverbération peut être faible. La solution des matériaux absorbants convient, par exemple, pour les bureaux et les restaurants ou se trouvent des sources de bruits très différentes. Par contre, les salles de conférence et les auditoriums, destinés à l'audition d'une seule source sonore par de nombreux auditeurs, doivent être conçus de telle manière que la plus grande partie du son original soit distribuée
comme il faut dans toute l'enceinte. Dans ce cas peu de matériaux absorbants sont utilisés car les sons réfléchis sont nécessaires pour renforcer le son direct.
Une petite partie des sons qui atteignent les parois d'une pièce renfermant une source sonore se dirige au travers des murs vers les pièces voisines. Les sons ainsi transmis constituent un fléau dans les immeubles résidentiels par exemple. La propagation du son à l'intérieur d'un bâtiment dépend donc fortement de la nature de ce bâtiment, c'est-à-dire de la mesure dans laquelle ses diverses parois renvoient, absorbent ou transmettent les sons qu'elles reçoivent.
