Voie 1 Leq 200ms A Source :Résidu JEU 16/12/04 23h06m01s200 db h50 22h55 23h00 23h05 23h10 23h15 Résiduel

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1 Acoustique, rappels Voie 1 Leq 200ms A Source :Résidu JEU 16/12/04 23h06m01s200 db JEU 16/12/04 23h07m28s000 Voie 1 Leq 200ms A Source :bar 63,9dB JEU 16/12/04 23h06m01s200 JEU 16/12/04 23h07m28s bar 22h50 22h55 23h00 23h05 23h10 23h15 Résiduel Suzel Balez Nicolas REMY CRESSON École Nationale Supérieure d Architecture de Grenoble M1CV suzel.balez@grenoble.archi.fr cresson.archi.fr grenoble.archi.fr

2 Plan Rappels de physique Le son Pression acoustique Niveau sonore Décibel & logarithmes Évolution du niveau de pression acoustique Fréquences & Octaves Fletcher et Munson & db(a) Timbre Outils techniques Ordres de grandeur Acoustique des salles Paroi Réflexion Absorption réverbération Acoustique urbaine Champs libre Acoustique du bâtiment Bruit ou son Outils législatifs Outils conceptuels Outils méthodologiques Bibliographie M1CV /

3 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 M1CV /

4 Le son 3 paramètres de description d un son : niveau sonore (amplitude (A)) fréquence (hauteur du son) timbre M1CV /

5 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 pression acoustique entre le «premier son» audible et un son douloureux est de 1 million (10 6 ). On définit ainsi le : le seuil d audibilité PO = 20μPa ou Pa le 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. M1CV /

6 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) M1CV /

7 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) M1CV /

8 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 M1CV /

9 Évolution du niveau de pression acoustique (Lp) M1CV /

10 Fréquences L oreille humaine est sensible à des variations de fréquences. L oreille est sensible à des variations de fréquences entre 20Hz à Hz (oreille jeune et en bonne santé) Ce grand domaine de sensibilité est divisé en paquets de fréquences qui sont ordonnés de façon régulière pour l oreille. Ce sont par exemple, les octaves. Quand on passe d une octave à une autre, on a la sensation auditive que l on a doublé la hauteur du son. Exemples Sonagrammes 01dB - dbenv32 fonction equaliser d un lecteur audio sur PC M1CV /

11 Octaves 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 Les octaves sont définies par une fréquence centrale et regroupent l ensemble de fréquences suivant fc / 2 < fc < fc. 2 M1CV /

12 Fletcher et Munson, 1933 Diagramme de Fletcher et Munson M1CV /

13 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, M1CV /

14 Échelle db(a) Activités db(a) Effets Avion décollage 120 Choc, surdité à court terme Limite légale pour le travail 85 8H d exposition* À 30m d une autoroute (4000 veh/h) 80 Troubles végétatifs, troubles nerveux Rue très circulée, 70 Compréhension difficile d une conversation Circulation urbaine moyenne, salle bruyante, aspirateur ménager Quartier résidentiel,restaurant calme, bureau calme 60 Troubles de l endormissement, insomnies 50 Salle de classe très silencieuse, appartement calme Appartement très calme, zone rurale loin de toute source bruyante et sans vent 35 Zone du sommeil Temps de récupération pour l oreille 30 Pièce vraiment tr!s isolé 20 Sentiment d oppression Calme absolu, seuil jamais atteint in situ 10 Chambre sourde * Temps d exposition divisée par 2 si +3dB(A) M1CV /

15 Timbre Le Timbre est la qualité qui permet de distinguer deux sons émis par deux instruments différents. 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. Le timbre d un tel son dépend des intensités relatives des différents sons simples harmoniques qui le composent. M1CV /

16 Outils techniques 1 Indices acoustiques leq=10log 1 T Lp Leq ou Niveau de bruit équivalent en db(a) T dt 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 M1CV /

17 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) M1CV /

18 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( ) M1CV /

19 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 M1CV /

20 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 M1CV /

21 Comportement acoustique d une paroi soumise à une puissance acoustique Puissance incidente Puissance absorbée P P = A P + T P + R P 1= α + τ + ρ Puissance réfléchie Puissance transmise Cette équation est toujours valable mais elle varie avec les longueurs d onde (les fréquences) M1CV /

22 Le cas de la réflexion Réflexion spéculaire λ >>dimension du motif Réflexion diffuse uniforme Loi de Lambert λ = dimension du motif Réflexion spéculaire λ << dimension du motif M1CV /

23 Le cas de l absorption Absorber les graves (< 300Hz) effet de panneau Absorber les médiums ( Hz) résonateur de Helmotz Absorber les aigus (>1000Hz) fibres, effets de frottements M1CV /

24 Réverbération d un local Formule de W.C. Sabine en seconde TR = 0,16 V A avec A : Aire équivalente d absorption en m 2 α, coefficient d absorption alpha sabine A = n i=1 α i.s i Exemple de alpha sabine 125Hz 250Hz 500Hz 1kHz 2KHz 4KHz Béton brute 0,02 0,04 0,05 0,05 0,05 0,05 Mousse 50mm 0,32 0,89 0,82 1,00 1,00 1,00 M1CV /

25 Réverbération d un local La réverbération d un local doit être maintenue dans une fourchette de valeurs acceptable pour l usage du local. Exemple : Salle de classe Tr [500-2kHZ] 0,6-0,8s (cf. JOUHANEAU J. : Acoustique des salles et sonorisation - Paris - T1D p) la salle des Princes, Monaco - Système Carmen Gymnase à Grenoble, Nicolas Michelin M1CV /

26 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 - M1CV /

27 Propagation en champ libre Propagation en champ libre est régie par la loi suivante : Lp = Lw +10log exprimée en db(a) Q 4πd 2 avec. Lw = niveau de puissance de la source. d, distance source récepteur. Q = directivité de la source Q=1, source omnidirectionnelle Q=2, source omni contrainte par un sol Q=3, source omni contrainte par 2 plans Q=4, source omni contrainte par 3 plans formule valable jusqu à 150m Au delà, il faut tenir compte des effets météorologiques et du revêtements du sol. Cf. guide du CSTB - CETUR en bibliographie d M1CV /

28 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 M1CV /

29 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? M1CV /

30 Outils législatifs Loi Bruit La loi du 31 Décembre 1992, dite loi «Royal» ou loi «Bruit», premier texte global en la matière constitue sans doute le premier effort notable de formulation d un texte fondateur renforçant la législation existante sans forcément remanier ni remplacer les texte précédents. Cette loi instaure : - des mesures de prévention des émissions sonores - réglemente certaines activités bruyantes - fixe de nouvelles normes pour l urbanisme et la construction au voisinage des infrastructures de transports - instaure des mesures de protection des riverains des aérodromes - simplifie la constatation des infractions, renforce les modalités de contrôle et de surveillance ainsi que les sanctions judiciaires et administratives pour l'application de la réglementation. Cette loi fera naître de nombreux textes d applications ainsi que la NRA (Nouvelle Réglementation Acoustique) dont un des objectifs était l uniformisation des critères et des méthodes à l échelle européenne. Centre d information et de document du bruit (Cidb) Legifrance M1CV /

31 M1CV /

32 Modèle perceptif Tous ces outils sont fondamentaux mais reposent sur un modeèle théorique remis en cause aujourd hui par beaucoup de recherches : le modèle «stimulus - réponse» de la perception (chien de Pavlov). L usager n est-il qu un récepteur à des stimulus? L usager n est-il pas aussi le faiseur de bruit? L usager ne subit-il que les affres de son inconfort? N est-il jamais acteur des situations qu il vit? Qu en est-il de la construction perceptive des usagers? Ces questions ne renvoient-elles pas à des questions culturelles? Entre différents pays, mais aussi entre des catégories d individus Nécessité d intégrer dans la question du bruit les questions liés au contexte social et culturel Ces phénomènes se répètent-ils selon tous les types de lieux (logement, espace public, ) Nécessité d intégrer le contexte spatial des situations M1CV /

33 Outils conceptuels Objet sonore (Pierre Schaeffer) : c est le son enlevé de toute signification et de toute construction phénoménologique. Paysage Sonore (Murray Schaffer) : c est la contemplation d un agencement de signaux sonores (naturels et/ou artificiels) pour leur(s) beauté(s). (mise à distance paysagère) Effets sonores (Jean-François Augoyard, Cresson) : ce sont les phénomènes sonores pris dans un contexte social et physique. Lisbon Story - Wim Wenders Identités sonores d un quartier / ville. (Pascal Amphoux) M1CV /

34 Outils méthodologiques 1/2 Mesures Sonomètres des sociétes Bruël et Kjaer 01dB - Metravib 01dB : symphonie 01dB : dbenv32 01dB : Solo M1CV /

35 Outils méthodologiques 2/2 Calculs prédictifs QuickTime et un décompresseur TIFF (non compressé) sont requis pour visionner cette image. QuickTime et un décompresseur TIFF (non compressé) sont requis pour visionner cette image. QuickTime et un décompresseur TIFF (non compressé) sont requis pour visionner cette image. Exemple de modélisation sous MITHRA-SIG (CSTB + IGN) 01dB : Cadnaa et Mithra - cartographie de bruit CSTB - Acoubat - acoustique du bâtiment Catt Acoustic - acoustique des salles M1CV /

36 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., M1CV /

37 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 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., M1CV /

38 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 M1CV /