Introduction à l acoustique

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1 Introduction à l acoustique JEU 16/12/04 23h06m01s200 Voie 1 Leq 200ms A Source :Résidu db JEU 16/12/04 23h07m28s000 JEU 16/12/04 23h07m28s000 Voie 1 Leq 200ms A Source :bar 63,9dB JEU 16/12/04 23h06m01s bar 22h50 22h55 23h00 23h05 23h10 23h15 Résiduel Ricardo Atienza Suzel Balez / Nicolas REMY CRESSON École Nationale Supérieure d Architecture de Grenoble L5C

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 L5C / 2

3 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? L5C / 3

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, Le son, outil du projet temporel. L espace temporel. L5C / 4

5 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 L5C / 5

6 Le son 3 paramètres de description "simple" d un son : niveau sonore (amplitude (A)) fréquence (hauteur du son) > F=1/T spectre fréquentiel L5C / 6

7 Le son, un phénomène temporel. Couleur L5C / 7

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 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. L5C / 8

9 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) L5C / 9

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) L5C / 10

11 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 = 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 L5C / 11

12 Évolution du niveau de pression acoustique (Lp) L5C / 12

13 L'enveloppe d'intensité : structure horizontale (temporelle) du son. L5C / 13

14 Fréquence = Hauteur du son L oreille humaine est sensible à des variations de fréquences entre 20Hz et 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. L5C / 14

15 Octaves de référence (acoustique physique). Fmini Octave Fmax k K K K K Découpage en octaves (Hz) Exemples transformateur : hz LA du téléphone : 440 Hz Voix humaine: Hz Clavecin Hz Typologie sons graves : Hz sons médiums : HZ sons aigus : 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 L5C / 15

16 Fletcher et Munson, 1933 Diagramme de Fletcher et Munson L5C / 16

17 Courbes de pression sonore équivalente (perception). L5C / 17

18 Seuils d'audition et de douleur. L5C / 18

19 Le diagramme musical fréquence/intensité (Raymond Murray Schefer). L5C / 19

20 Pondération du niveau de pression sonore : db(a) 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). Pondération A Courbes psophométriques Octave (Hz) 125Hz 250Hz 500Hz 1kHz 2kHz 4kHz 8kHz Pondération A (db) -15,5-8, L5C / 20

21 Échelle db(a) Activités Avion décollage Limite légale pour le travail À 30m d une autoroute (4000 veh/h) Rue très circulée, Circulation urbaine moyenne, salle bruyante, aspirateur ménager Quartier résidentiel,restaurant calme, bureau calme Salle de classe très silencieuse, appartement calme Appartement très calme, zone rurale loin de toute source bruyante et sans vent Pièce vraiment tr!s isolé Calme absolu, seuil jamais atteint in situ db(a) Effets Choc, surdité à court terme 8H d exposition* Troubles végétatifs, troubles nerveux Compréhension difficile d une conversation Troubles de l endormissement, insomnies Zone du sommeil Temps de récupération pour l oreille Sentiment d oppression Chambre sourde * Temps d exposition divisée par 2 si +3dB(A) L5C / 21

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. L5C / 22

23 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. L5C / 23

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? L5C / 24

25 Outils techniques 1 Indices acoustiques leq=10log 1 Lp T dt T 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» Lp en db(a) Leq t en s L5C / 25

26 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. Histogramme % du temps de la mesure % du temps de la mesure 50 % Classes de niveaux sonores en db(a) L5C / 26

27 Addition de niveaux sonores Soit n niveaux sonores Lpi, la somme est donnée par la formule : exprimée en db(a) Lp i Lp total =10 log( ) n i=1 Exemples : additionnez Lp total =10 log( ) L5C / 27

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 L5C / 28

29 Acoustique du bâtiment 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 Isolant acoustique, laine minérale Sous couche Velaphone, isolation bruit de chocs L5C / 29

30 Acoustique des salles 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 Hall de la Gare du Nord,SNCF- AREP - image N. Rémy la salle des Princes, Monaco -Système Carmen L5C / 30

31 Acoustique urbaine 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 Revêtements acoustiques - L5C / 31

32 Bibliographie 1/3 Ouvrages généraux : CIATTONI J.P. : Le bruit - Toulouse - Privat p BOUYSSY A.,DAVIER M.,GATTY B.: Physique pour les sciences de la vie (T3 : Les ondes). Paris. Belin p BRUNEAU M : Introduction aux théories de l'acoustique Université du Maine p TOMATIS A.: L'oreille et la vie- Paris, Laffont p BURGEAT M-GRALL Y-LOTH D : Physique et biophysique en PCEM Paris-Masson p 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 p PUJOLLE J : Lexique guide d'acoustique architecturale. Paris. Eyrolles FLEURY P -MATHIEU JP : Vibrations mécaniques et acoustique Paris Eyrolles p MERCIER J : Acoustique Paris PUF Techniques d'isolation dans les bâtiments : HAMAYON L. : Réussir l'acoustique d'un bâtiment - Paris - Le Moniteur p 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 p ANAH. L'isolation acoustique des logements anciens. Paris. Eyrolles 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 p MEISSER : La pratique de l'acoustique dans le bâtiment Paris Cated-Eyrolles p SIMONIN-ADAM Christine, Acoustique et Réhabilitation, Ed. Eyrolles, PUCA, 2002, 381 p., L5C / 32

33 Bibliographie 2/3 Acoustique des salles : JOUHANEAU J. : Acoustique des salles et sonorisation - Paris - T1D p Collectif : Theaters and halls. Tokyo. Meisei p BARRON M. : Auditorium acoustics and architectural design. Londres. E&FN SPON p Colllectif : Rencontres architecture et musique - Chateau de forges, Pesmes p EGAN David : Architectural acoustics. New York- Mac Graw Hill POUBEAU P, BARON C : Produits pour la correction acoustique. Paris. CATED p 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 p LEIPP, E : Acoustique et musique. Paris. Masson 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 p 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 MIGNERON : Acoustique urbaine. Paris : Masson, 1980, 126 p., L5C / 33

34 Bibliographie 3/3 Environnement sonore : AMPHOUX P. : L'identité sonore des villes européennes, Guide méthodologique. CRESSON-IREC tomes. 86p AMPHOUX et alii: Aux écoutes de la ville, enquète sur 3 villes suisses. Lausanne CRESSON/IREC p 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 L5C / 34