Formation Bâtiment durable: Acoustique : conception et mise en oeuvre

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1 Formation Bâtiment durable: Acoustique : conception et mise en oeuvre Debby WUYTS Centre scientifique et technique de la Construction Guidance technologique Eco-construction et développement durable de la Région de Bruxelles Capitale, subsidiée par Innoviris

2 Objectifs de la présentation Les notions de «isolation acoustique», «absorption acoustique» et «temps de réverbération» et leurs interactions Conscientisation de l importance de la présence de l absorption dans les locaux Connaissance des critères de confort NBN pour les immeubles d habitation et scolaires Compréhension de la caractérisation des produits et des valeurs uniques Calculs de conception élémentaires du temps de réverbération et de l absorption dans un local 2

3 Plan de l exposé Absorption acoustique versus isolation acoustique Correction acoustique Aire d absorption Temps de réverbération nominal La loi de Sabine Critères de confort relatifs à la correction acoustique NBN S : immeubles d habitation (2008) NBN S : bâtiments scolaires (2012) Caractérisation du produit (coefficient d absorption) Mesure dans la chambre réverbérante (NBN EN ISO 354) Détermination des valeurs uniques Valeurs types pour des matériaux courants Principes de dimensionnement: exemple de calcul 3

4 Absorption versus isolation acoustique OUT 1 1. IN OUT 2. IN IN 3. IN ISOLATION Entre deux locaux IN 2 IN 3 ABSORPTION dans un local ISOLATION protection du bruit provenant des pièces avoisinantes ABSORPTION correction acoustique à l intérieur des pièces 4

5 Absorption versus isolation acoustique ISOLATION ABSORPTION EXEMPLE Laine de verre (5 cm - 60 kg/m³) très absorbant, peu isolant isolatie = 5 db absorption = 0.7 Multiplex (17 mm kg/m³) peu absorbant, isolation moyenne isolation = 29 db absorption = 0.2 5

6 Absorption versus isolation acoustique ISOLATION ABSORPTION EXEMPLES écrans anti-bruit, capotages, 6

7 Correction acoustique Aire d absorption equivalente A [m²] Absorption dans le local [m²] Absorption d une surface i [m²] A = S (a i * S i ) = S A i m² equivalent open window A i = S i * a i A i = S open window * a open window a fopen window = 1 (absorption maximale) = S open window 7

8 Correction acoustique Source ON : établissement du champ acoustique Niveau de pression acoustique L p L p Temps Niveau de puissance acoustique fonction de L p L w 10 log Q 4. r ² 4 A - La distance r [m] par rapport à la source - La quantité d absorption A [m²] 8

9 Correction acoustique Influence de l absorption acoustique A - 3 db L p L w 10 log Q 4. r ² 4 A X 2 Réduction de 3 db (champs réverbérant) par doublement de la quantité d absorption 9

10 Correction acoustique Source OFF : extinction du champ acoustique Niveau de pression acoustique L p Moins dabsorption T 60 plus long 60 db Temps de réverbération T = temps nécessaire pour que le niveau de pression acoustique chute de 60 db après avoir éteint la source de bruit stationnaire La décroissance du niveau de pression acoustique est déterminée par le volume du local et la répartition et la quantité de l absorption présente dans le local 10 T Temps

11 Correction acoustique La loi de Sabine (générale) T 55.2 V/(c A) [s] Avec c = la vitesse du son [m/s] dans le milieu considéré Valable pour des champs diffus - Relativement peu d absorption - Espace de forme cubique - Espace suffisamment grand Souvent plutôt une formule approximative Le temps de réverbération est dépendant de la fréquence!! Temps de réverbération nominal T nom = (T 500 Hz + T 1000 Hz )/2 11

12 Correction acoustique La loi de Sabine (simplifiée) T = 0.16 V/A [s] (dans l air, 20 C) Temps de réverbération T - Augmente avec le volume du local V [m³] - Diminue avec la quantité d absorption dans le local A [m²] Grande Réverbération Peu d absorption Grand volume Beaucoup d absorption Petit volume Réverbération Courte 12

13 Correction acoustique Espaces bruyants Grandes volumes Grandes surfaces réfléchissantes Niveaux sonores élevés Temps de réverbération élevé BRUIT Ajouter de l absorption! 13

14 Exigences relatives à la correction acoustique 14

15 ABSORPTION BRUIT Exigences relatives à la correction acoustique Immeubles d habitation : absorption minimale NBN S :2008 Critères acoustiques pour les immeubles d habitation Absorption minimale A w 0.3 x S H Surface circulable projetée sur plan horizontal couloirs escaliers halls d entrée 15

16 ABSORPTION BRUIT Exigences relatives à la correction acoustique Immeubles d habitation : temps de réverbération NBN S :2008 Critères acoustiques pour les immeubles d habitation Réverbération maximale Espace d accès sous forme d atrium : T nom < 1,5 s T nom < log(v/50) 1600 m³ Valeur moyenne à 500Hz et 1000 Hz 16

17 Exigences relatives à la correction acoustique Immeubles scolaires NBN S :2012 Critères acoustiques pour les immeubles scolaires Principes - Assurer l intelligibilité de la parole - Eviter une réverbération excessive - Exigences pour la conception : absorption minimale (α w moyenne ou A w totale) contrôlé par calcul à partir des propriétés acoustiques des matériaux de finition (NBN EN ISO 354) - Exigences sur le bâtiment fini et meublé : temps de réverbération nominal T nom maximal (500 Hz, 1000 Hz, 2000 Hz) contrôlé par mesure (NBN EN ISO ou -2), tolérance : 10% - Si les exigences de réverbération sont respectées (par mesure) : exigences d absorption minimale ne sont plus d application - Si les exigences de réverbération ne sont pas respectées (par mesure) : le bâtiment est conforme à la norme si les exigences d absorption sont respectées (par calcul) et la mise en oeuvre a été effectuée correctement. Dans ce cas, il est néanmoins conseillé d ajouter des matériaux absorbants acoustiques supplémentaires (autres surfaces de finition ou choix adéquats pour le mobilier) 17

18 Exigences relatives à la correction acoustique Immeubles scolaires : absorption minimale NBN S :2012 Critères acoustiques pour les immeubles scolaires Exigences relatives à la conception 18

19 Exigences relatives à la correction acoustique Immeubles scolaires : réverbération maximale NBN S :2012 Critères acoustiques pour les immeubles scolaires Exigences pour les locaux finis et non meublés 19

20 Exigences relatives à la correction acoustique Immeubles scolaires : réverbération maximale NBN S :2012 Critères acoustiques pour les immeubles scolaires Exigences pour les locaux finis et non meublés Des auditoires destinéés à plus de 50 pers., salle de théâtre et de concert, studios d enregistrement, régies, salle polyvalentes, et salles de classe paysagères étude acoustique spécifique nécessaire 20

21 Exigences relatives à la correction acoustique Salles spécifiques Quelques recommandations dans la littérature Temps de réverbération optimal à 1000 Hz en fonction du volume 21

22 Caractérisation de produit Coefficient d absorption acoustique α [-] valeur entre 0 et 1 : de 0% à 100% d absorption W incidente = W transmise + W absorbée + W réfléchie W inc α = W abs + W trans W inc W trans W réfl α = 1 W réfl W inc W abs 22

23 Caractérisation de produit Coefficient d absorption acoustique α [-] α = 1 valeur entre 0 et 1 : de 0% à 100% d absorption W incidente = W transmise + W absorbée + W réfléchie W inc α = 1 W réfl W inc W réfl W trans α = 0 W inc = W réfl α = 1 W inc = W abs + W trans (W réfl = 0 ) 100 % de REFLECTION 100% d absorption W abs 23

24 Caractérisation de produit Coefficient d absorption acoustique α [-] valeur entre 0 à 1 : de 0% à 100% d absorption de l énergie absorbée dépendant de la fréquence dépendant de l angle d incidence mesuré en laboratoire Reverberation room method pour incidence diffuse (ISO 354) Impedance tube method pour incidence normale (ISO 10534) Tone burst method pour des angles d incidence variables 24

25 Caractérisation de produit Coefficient d absorption acoustique α [-] Impedance tube method pour incidence normale (ISO 10534) tube de Kundt 25

26 Caractérisation de produit Coefficient d absorption acoustique α [-] Impedance tube method versus Reverberation room method Influence de l angle d incidence? Coefficient d absorption a 1 Incidence normale Valeurs d absorption plus élevées pour incidence diffuse (chambre révérbérante) Incidence parallèle 0 90 Angle d incidence par rapport au normal 26

27 Caractérisation de produit Coefficient d absorption acoustique α [-] Impedance tube method versus Reverberation room method tube de Kundt Chambre réverbérante Petits échantillons Résultats réproductibles Echelle directe pour l absorption Toutes applications pratiques Pour incidence diffuse 27

28 Caractérisation de produit Coefficient d absorption acoustique α [-] Reverberation room method pour incidence diffuse (ISO 354) Chambre réverbérante Grand volume ( m³) Surfaces réfléchissantes Eléments diffusants (diffuseurs) Echantillon de minimum 10 m² Temps de réverbération élevés!

29 Caractérisation de produit Coefficient d absorption acoustique α [-] Reverberation room method pour incidence diffuse (ISO 354) Echantillon Toutes applications (plafonds, tentures, écrans ) Montages proches de la réalité Minimum 10 m² Longueur/Largeur = 0.7 à 1 29

30 Caractérisation de produit Coefficient d absorption acoustique α [-] Reverberation room method pour incidence diffuse (ISO 354) Formule détaillée (Sabine) Mesures de temps de réverbération S 5 5, 3V 1 1 4V m m S c T c T S

31 T [s] Caractérisation de produit Coefficient d absorption acoustique α [-] Reverberation room method pour incidence diffuse (ISO 354) Loi de Sabine (avec absorption atmosphérique) T 1 [s] temps de réverbération dans l espace SANS échantillon T 2 [s] temps de réverbération dans l espace AVEC échantillon A 1 [m²] A 2 [m²] SANS échantillon (T nom = 7 s) A 2 A 1 = absorption de l échantillon [m²] 6 4 AVEC échantillon (T nom = 2.5 s) Surface S de l échantillon [m²] 2 0 f[hz] Caractéristique du produit α s [-] 31

32 Caractérisation de produit Coefficient d absorption pondéré α w [-] α s coefficient d absorption [ Hz] (mesuré selon ISO 354 dans la chambre réverbérante) α s [100 Hz 5000 Hz] α w = 0.80 α w coefficient d absorption pondéré (valeur unique calculée selon ISO 11654) 32

33 Caractérisation de produit 1.2 Coefficient d absorption pondéré α w [-] 1.1 Calcul de la valeur unique selon EN ISO sound absorption index S Basses Moyennes Hautes fréquences Valeur unique? S f [Hz] Réverbération et absorption f [Hz] acoustique 33

34 Caractérisation de produit 1.2 Practical sound absorption index p Coefficient d absorption pondéré α w [-] 1.1 Calcul des valeurs de bandes d octaves (à 0.05 près) Coefficients d absorption pratiques a p f [Hz] p Réverbération et absorption f [Hz] acoustique 34

35 Practical sound absorption index p Caractérisation de produit 1.2 Coefficient d absorption pondéré α w [-] 1.1 Dépassement de la courbe de référence Somme des dépassements défavorables 0.10 f [Hz] p ref Réverbération et absorption f [Hz] acoustique 35

36 Practical sound absorption index p Caractérisation de produit 1.2 Coefficient d absorption pondéré α w [-] 1.1 Déplacement de la courbe de référence Translation de la courbe de référence par pas de 0.05 f [Hz] p ref,shift Réverbération et absorption f [Hz] acoustique 36

37 Practical sound absorption index p Caractérisation de produit 1.2 Coefficient d absorption pondéré α w [-] 1.1 Déterminer la valeur unique Valeur unique selon EN ISO a w = 0.80 Toujours multiple entier de 0.05! Valeur de la courbé déplacée à 500 Hz 0.0 Réverbération et absorption f [Hz] acoustique 37

38 Practical sound absorption index p Caractérisation de produit 1.2 Coefficient d absorption pondéré α w [-] 1.1 Information spectrale supplémentaire Indicateur de forme L, M, H selon EN ISO Si plus que 0.25 de dépassement des valeurs de référence : L à 250 Hz M à 500 Hz ou 1000 Hz H à 2000 Hz ou 4000 Hz p.ex. a w = 0.40 (MH) Réverbération et absorption f [Hz] acoustique 38

39 Caractérisation de produit Classe d absorption acoustique (ISO 11654) Classe E D C B A 39

40 Caractérisation de produit EN : Absorption acoustique des écrans routiers 40

41 Caractérisation de produit Coefficient d absorption α [-] Quelques valeurs type Spectre Comparaison rapide 125 Hz 250 Hz 500 Hz 1 khz 2 khz 4 khz α w Fenêtres α 1000 Hz = 0.03 Béton coulé pas-paint Enduit α 1000Hz = 0.01 Bois laqué (p.ex. porte) Laine minérale 100kg/m³ Marbre Carrelage Parquet Locaux de circulation communs : Généralement habillés par des matériaux peu absorbants (α < 0.10). Linoleum Tapis plein

42 Caractérisation de produit Coefficient d absorption α [-] Quelques valeurs type 42

43 Caractérisation de produit Coefficient d absorption α [-] Quelques valeurs type P.ex. paroi mince en béton à 1000 Hz, α = 0.02 = seulement 20% d absorption A [m²] per stoel 43

44 Principes de dimensionnement Calcul de l aire d absorption A w Exemple de calcul 01 Soit le hall d entrée d un immeuble à appartements de 4.5 m de longueur, 1.5 m de largeur et 2.5 m de hauteur. Le sol est recouvert de pierre naturelle, les murs et plafond sont plafonnés, les portes d accès sont vitrées. NBN S :2008 Dans les couloirs, cages d escalier et halls d entrée des immeubles d habitation, l aire d absorption acoustique équivalent totale A w doit être au moins égale à 0.3 fois la surface circulable totale S h des couloirs, escaliers et paliers A w 0.3 S h Pour une surface, avec coefficient d absorption α w et surface S : A w w S vb. wand Calcul sur base de la valeur unique α w Pour un local, en tenant compte des différents matériaux α w,n recouvrant les surfaces S n S n : A w S S S... w, 1 1 w, 2 2 w, 3 3 w, n S n Valeurs uniques! enduit vitrage carrelage 44

45 Principes de dimensionnement Calcul de l aire d absorption A w Exemple de calcul 01 Soit le hall d entrée d un immeuble à appartements de 4.5 m de longueur, 1.5 m de largeur et 2.5 m de hauteur. Le sol est recouvert de pierre naturelle, les murs et plafond sont plafonnés, les portes d accès sont vitrées. NBN S :2008 Dans les couloirs, cages d escalier et halls d entrée des immeubles d habitation, l aire d absorption acoustique équivalent totale A w doit être au moins égale à 0.3 fois la surface circulable totale S h des couloirs, escaliers et paliers A w = 1.84 m² 0.3 S h = 2.03 m² l exigence n est pas respectée (valeurs spectrales pas nécessaires pour le calcul) 125 Hz 250 Hz 500 Hz 1 khz 2 khz 4 khz a w Aw Marbre 7 m² Enduit 29 m² Verre 8 m² A w w S S S 1.84 m, 1 1 w, 2 2 w, 3 3 ² 45

46 Principes de dimensionnement Calcul de l aire d absorption A w Exemple de calcul 01 Soit le hall d entrée d un immeuble à appartements de 4.5 m de longueur, 1.5 m de largeur et 2.5 m de hauteur. Le sol est recouvert de carrelage, les murs et plafond sont plafonnés, les portes d accès sont vitrées. NBN S :2008 Dans les couloirs, cages d escalier et halls d entrée des immeubles d habitation, l aire d absorption acoustique équivalent totale A w doit être au moins égale à 0.3 fois la surface circulable totale S h des couloirs, escaliers et paliers A w = 2.51 m² 0.3 S h = 2.03 m² l exigence est respectée (valeurs spectrales pas nécessaires pour le calcul) 125 Hz 250 Hz 500 Hz 1 khz 2 khz 4 khz a w Aw Carrelage 7 m² Enduit 29 m² Verre 8 m² A w w S S S 2.51 m, 1 1 w, 2 2 w, 3 3 ² 46

47 Principes de dimensionnement Calcul de l aire d absorption A w Contrôle de l exigence NBN determinée par calcul contrôle des surfaces et des valeurs uniques α w utilisées pour matériaux de finition NBN S :2008 Dans les couloirs, cages d escalier et halls d entrée des immeubles d habitation, l aire d absorption acoustique équivalent totale A w doit être au moins égale à 0.3 fois la surface circulable totale S h des couloirs, escaliers et paliers A w 0.3 S h L exemple de calcul montre clairement que cette exigences NBN sera pratiquement toujours vérifiée même si on ne prend quasi aucune disposition particulière pour l absorption des surfaces. Un traitement absorbant reste malgré tout toujours souhaitable, par exemple par la réalisation d un faux-plafond absorbant. 47

48 Principes de dimensionnement Calcul du temps de réverbération T Exemple de calcul 02 Soit une salle telle que L=15m; l=10m et h=6m. Les murs, sol et plafond sont constitués d un bois dont le coefficient d absorption vaut 0.12 à 500 Hz. Un des murs est recouvert, directement posée sur le bois, d une toile en coton de 6 x 6 m dont le coefficient d absorption est de 0.8 à 500 Hz. Lors de la rénovation de la salle, quel va être l effet sur le temps de réverbération à 500 Hz si on enlève cette toile? V = 900 m³ 500 Hz A 500 bois 600 m² m² toile 0 m² m² T 500 = 1.6 s 90 m² T 500 Hz 0,16 V A 500 Hz 48

49 Principes de dimensionnement Calcul du temps de réverbération T Exemple de calcul 02 Soit une salle telle que L=15m; l=10m et h=6m. Les murs, sol et plafond sont constitués d un bois dont le coefficient d absorption vaut 0.12 à 500 Hz. Un des murs est recouvert, directement posée sur le bois, d une toile en coton de 6 x 6 m dont le coefficient d absorption est de 0.8 à 500 Hz. Lors de la rénovation de la salle, quel va être l effet sur le temps de réverbération à 500 Hz si on enlève cette toile? V = 900 m³ 500 Hz A 500 bois 564 m² m² toile 36 m² m² T 500 = 1.3 s 113 m² T 500 Hz 0,16 V A 500 Hz Influence rélativement limité Augmenter le # m² de toile absorbante 49

50 Principes de dimensionnement Calcul du temps de réverbération nominal (T nom ) NBN S (2008) immeubles d habitation Si le hall d entrée se présente sous la forme d un atrium, le temps de réverbération T du hall doit être inférieur à la plus grande de ces deux valeurs : T nom < 1.5 (s) T nom < log(v/50) (s) Exigence contrôlé par mesure dans le bâtiment fini T nom = ½(T T 1000 ) 50

51 Principes de dimensionnement Calcul du temps de réverbération nominal (T nom ) NBN S (2008) immeubles d habitation Si le hall d entrée se présente sous la forme d un atrium, le temps de réverbération T du hall doit être inférieur à la plus grande de ces deux valeurs : T nom < 1.5 (s) T nom < log(v/50) (s) Calcul de dimensionnement? Calcul de l aire d absorption équivalente totale à 500 Hz (A 500 ) et 1000 Hz (A 1000 ) A S S S Hz 500 Hz, Hz, Hz, Hz, n S n A S S S Hz 1000 Hz, Hz, Hz, Hz, n S n paroi vitrages sol sur base des coefficient d absorption à 500 Hz (α 500 ) et 1000 Hz (α 1000 ) pour tous les matériaux de finition présents dans le local 51

52 Principes de dimensionnement Calcul du temps de réverbération nominal (T nom ) NBN S (2008) immeubles d habitation Si le hall d entrée se présente sous la forme d un atrium, le temps de réverbération T du hall doit être inférieur à la plus grande de ces deux valeurs : T nom < 1.5 (s) T nom < log(v/50) (s) Calcul de dimensionnement? Calcul du temps de réverbération à 500 Hz (T 500 ) et 1000 Hz (T 1000 ) par la loi de Sabine? T T 500 Hz 1000 Hz 0,16 V A A 500 Hz 0,16 V 1000 Hz T nom T 500 Hz 1000 HZ 2 T 52

53 Principes de dimensionnement Calcul du temps de réverbération nominal (T nom ) Exemple de calcul 03 Atrium d un immeuble d habitation haut de gamme: X=10 m, Y=10 m et Z=10 m. Plancher recouvert de carrelage, murs enduits, plafond en verre 125 Hz 250 Hz 500 Hz 1 khz 2 khz 4 khz A 500 A 1000 Carrelage, 100 m² Enduit, 400 m² Verre, 100 m² A 500 Hz 20 m ² T 500 Hz 0,16 V A 500 Hz 8 s NBN S :2008 (atria) A 1000 Hz 24 m ² T 1000 Hz 0,16 V A 1000 Hz 6.7 s T nom T 500 Hz T Hz 7.3 s T nom = 7.3 s > 1.5 s (V=1000m³) L exigence NBN n est pas respectée 53

54 Principes de dimensionnement Calcul du temps de réverbération nominal (T nom ) Exemple de calcul 03 Atrium d un immeuble d habitation haut de gamme: X=10 m, Y=10 m et Z=10 m. Plancher recouvert de carrelage, murs enduits, plafond en verre 125 Hz 250 Hz 500 Hz 1 khz 2 khz 4 khz A 500 A 1000 Carrelage, 100 m² Enduit, 400 m² Plafond abs., 100 m² A 500 Hz 117 m ² T 500 Hz 0,16 V A 500 Hz 0.37 m ² NBN S :2008 (atria) A 1000 Hz 122 m ² T 1000 Hz 0,16 V A 1000 Hz 0.31 m ² T nom T 500 Hz T Hz 0.34 s T nom = 0.34 s < 1.5 s (V=1000m³) l exigence NBN est respectée 54

55 Principes de dimensionnement Calcul du temps de réverbération nominal (T nom ) NBN S (2008) immeubles d habitation Si le hall d entrée se présente sous la forme d un atrium, le temps de réverbération T du hall doit être inférieur à la plus grande de ces deux valeurs : T nom < 1.5 (s) T nom < log(v/50) (s) Dans les halls d entrées sous forme d atrium ainsi que les cages d escaliers ouvertes le respect des critères de la norme est rarement possible sans l ajout de surfaces absorbantes. En général le traitement d une seule paroi est suffisant. On choisira des matériaux dont les coefficients Alpha sont élevés surtout autour de 500 Hz et 1000 Hz comme par exemple des plafonds absorbants (tendus, (micro-)perforés, revêtus de voiles de verre, etc ) 55

56 Référence & plus d informations: Guide Bâtiment durable, Fiche: G_WEL01 assurer le confort acoustique NBN S : Critères acoustiques pour les immeubles d habitation, NBN, 2008 NBN S : Critères acoustiques pour les immeubles scolaires, NBN, 2012 NBN EN ISO 345 : Acoustics - Measurement of sound absorption in a reverberation room, NBN, 2003 NBN EN : Acoustics - Sound absorbers for use in buildings - Rating of sound absorption, NBN 1997 NBN EN : Building acoustics - Estimation of acoustic performance of building from the performance of elements - Part 6: Sound absorption in enclosed spaces, NBN, 2004 Bouwakoestiek, Hogere Cursus Akoestiek, KVIV, G. Vermeir, 2003 Zaalakoestiek, Hogere Cursus Akoestiek, KVIV, D. De Vries, 2003 Noise and vibration control, L.L. Beranek, (presentations, modules de calcul, bases de données, ) 56

57 Ce qu il faut retenir de l exposé Il est possible d éviter des niveaux sonores élevés et une réverbération excessive (=bruit) dans les grandes volumes vides, par applications des matériaux de finition absorbants sur une surface suffisamment grande. Il est possible d estimer le temps de réverbération dans un local avec la formule de Sabine, basée sur les coefficients d absorption acoustique des matériaux de finition ainsi que sur les caractéristiques géométriques du local. Les caractéristiques d absorption par bandes de fréquence sont indispensables pour calculer le temps de réverbération pour une certaine bande de fréquence (p.ex. à 500 Hz et 1000 Hz pour le T nom ). Les critères de la norme relatifs au temps de réverbération (nominal) sont contrôlés par mesure dans le local fini, nonmeublé. 57

58 Contact Debby WUYTS, ir. arch. Chef du Laboratoire Acoustique, CSTC Coordonnées : : debby.wuyts@bbri.be 58