Critères de qualité acoustique d une salle PARTIE A : ANALYSE ET SYNTHESE DE DOCUMENTS SCIENTIFIQUES

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1 Critères de qualité acoustique d une salle Mots-clefs : Auditorium ; salle sourde. Réverbération. Contexte du sujet : L'acoustique architecturale est le domaine scientifique et technologique qui vise à comprendre et à maîtriser la qualité sonore des bâtiments. L'application privilégiée de l'acoustique architecturale est la construction de salles qui nécessitent une bonne qualité acoustique. Quels paramètres doivent être pris en compte pour obtenir une bonne acoustique? PARTIE A : ANALYSE ET SYNTHESE DE DOCUMENTS SCIENTIFIQUES Document 1 : D après : La nouvelle salle philharmonique de Paris est actuellement en chantier sur le site de la Villette... Pour être une salle novatrice, aux performances Vue d artiste de la future salle de la philharmonie de Paris exceptionnelles, elle devra tirer parti des connaissances récemment acquises en matière d acoustique. Une salle de concert symphonique a besoin d un son riche avec un volume acoustique conséquent et une réverbération latérale décisive alors que pour d autres genres, comme des formations de jazz ou de musique du monde qui jouent avec des instruments amplifiés, une réverbération longue peut entraîner des effets gênants. Il faut donc faire de véritables choix acoustiques pour que ce type de salle soit dédié aussi bien à la musique symphonique qu aux concerts amplifiés. A ce titre, la philharmonie de Paris est un projet très différent des salles classiques en forme de «boîte à chaussures» puisque la scène sera entourée par le public à 360 degrés, selon une forme enveloppante. Le concept est de réaliser d abord un espace dédié à l utilisation «symphonique» de la salle, puis d intégrer ensuite les modifications nécessaires aux autres configurations pour lesquelles il faut absorber davantage le son, de manière temporaire, à l aide de rideaux par exemple : on parle alors d acoustique active. De plus, il existe des limites aux dimensions des grandes salles de concert. En effet, la puissance d un orchestre symphonique n est pas extensible et, d autre part, une salle trop vaste générerait un écho désagréable. Alors, comment conserver une bonne acoustique? Lorsqu on augmente la capacité de la salle, on écarte les murs et donc les réflexions sonores latérales diminuent. Le son manque de réflexion précoce, donc de présence et de puissance. De plus, comment installer une proximité et une communion entre les auditeurs et les musiciens? Si l éloignement n est pas un problème pour les salles de places, il en va autrement des salles de concert au-delà de places, dans lesquelles il a fallu disposer les spectateurs autrement : plus uniquement frontalement, mais également derrière et sur les côtés de la scène. Toutes les salles ne sont que des "tentatives" en termes de performance acoustique, avec une personnalité et un caractère propre qui demande une certaine accoutumance de la part des formations musicales et du public pour apprécier sa sonorité. Maquette au 1/10 è, vue intérieure de la grande salle. Critères de qualité acoustique d une salle 1 C.Grange-Reynas

2 Document 2 : Les murs du son (Extrait du manuel Hachette TS spécialité physique chimie) «Pour avoir une bonne acoustique, écrivait Charles Garnier après avoir achevé l Opéra, une salle doit être large ou étroite, haute ou basse, en bois ou en pierre, ronde ou carrée, et ainsi de suite [.]». «Dès qu il y a une symétrie, explique Manuel MELON, qui enseigne l acoustique au Cnam, en général ce n est pas très bon. Car certaines fréquences sont favorisées par rapport à d autres, le son paraît plus fort ici que là. Les salles parallélépipédiques rectangles, hexagonales, ovoïdes, ne sont pas favorables». Pourtant, les meilleures salles européennes, le Concertgebouw d Amsterdam ou le Musikverein de Vienne, sont de vraies boîtes à chaussures «Ce genre de salle parallélépipédique peut très bien marcher, répond Eckhard KAHLE, grand acousticien qui prépare l auditorium de Bordeaux. Mais une salle symétrique, nue, avec des murs en béton brut, non. La boîte à chaussures est une forme de départ idéale, même pour une grande salle : tout y est prévisible, calculable, c est du billard. Seulement, il faut y ajouter des balcons qui cassent les murs parallèles, et d autres éléments de ce genre, des panneaux légèrement inclinés». À Vienne, ce sont par exemple des moulures, des cariatides, des stucs qui assurent la diffusion du son * +. La question est que le son parvient à l auditeur directement, mais aussi après s être réfléchi plus ou moins au fond de la scène, au plafond, sur les murs latéraux, et même au fond de la salle. La superposition de ces sources, dans le cerveau, apporte l «effet de salle», la conscience du lieu. Mais il n est pas question d entendre deux fois le même son, comme à Pleyel ; ni de l entendre trop différemment selon la position de la salle ; ni d entendre mieux les aigus que les graves. La nature des matériaux, et leur coefficient d absorption, de réflexion, font varier cette diffusion. C est la première partie du casse tête : le nombre de paramètres. Deuxième partie : il faut savoir ce qu on va faire d une salle. * + La quadrature du cercle, c'est l'opéra. COMMINS explique : «C'est le cas le plus complexe. Il faut tenir compte de la musique de l'orchestre, et de la voix. Et des chanteurs, qui doivent aussi avoir une perception claire de l'orchestre! Il faut donc que le son soit prolongé pour l'orchestre, mais qu'il soit aussi très clair, pour que les chanteurs soient compréhensibles. Donc on renforce le son aussi tôt que possible pour que la clarté soit préservée.» Souvent l'on adopte des compromis (bon marché) ou des salles modulables (plus chères) où l'on peut couvrir et découvrir la fosse d orchestre, hausser son plancher, modifier la nature des murs en faisant tourner des panneaux articulés (comme à l Ircam), et même ajouter discrètement des haut-parleurs au fond, sans parler des abat-sons, des rideaux. * +» Extrait de J.Drillon, «L acoustique : science ou pifomètre? Les murs du son.» Le Nouvel Observateur, n 2165, mai 2006 Document 3 : Profil d un auditorium Critères de qualité acoustique d une salle 2 C.Grange-Reynas

3 Thème : Son et musique Chap. 3 Son et architecture Document 4 : Durée de réverbération (Extrait du manuel Hachette TS spécialité physique chimie) Dans une salle de spectacle, un auditeur perçoit le son direct, mais aussi celui des ondes sonores ayant subit une multitude de réflexion sur les parois et les obstacles qu elles rencontrent. Ce son est qualifié de son réverbéré. Il est caractérisé par sa durée de réverbération. La durée de réverbération, notée TR (car parfois appelée temps de réverbération), correspond à la durée au bout de laquelle le niveau d intensité sonore a diminué de 60 db après que la source sonore a cessé d émettre. La durée de réverbération est directement liée au volume acoustique V et à la surface d absorption équivalente, A de la salle. On définit la surface d absorption équivalente de la salle par la surface de la paroi d un matériau parfaitement absorbant (100 % d absorption) ayant la même absorption acoustique que le local considéré : A = i Si Où 𝛼i représente le coefficient d absorption du matériau de surface 𝑆i. Dans la plupart des situations, la durée de réverbération TR se calcule par la formule dite de Sabine : TR = 0,16 x 𝑉 𝐴 TR s exprime en seconde (s) ; la surface A est exprimée en m2 et le volume V en m3. Cette formule est valable si l énergie réverbérée est uniformément répartie dans la salle. Document 5 : Musique, parole et réverbération Une salle sourde est une salle qui conserve uniquement le son direct émis par la source : sa durée de réverbération est nulle. L absence de réverbération dans une salle de spectacle provoque un rendu sec et dur de la musique. C est la raison pour laquelle on recherche toujours une prolongation du son pour une bonne qualité musicale. Une bonne salle de musique présente une durée de réverbération de 1,0 à 2,5 secondes. Les orgues, présentes dans les églises, imposent de longues durées de réverbération afin d avoir une bonne qualité de son. La réverbération n est, en général, pas souhaitée par un orateur. Elle doit être courte pour une bonne compréhension du texte ; au maximum 0,8 seconde. Au-delà, les syllabes se chevauchent et l intelligibilité diminue. D après le site spectacle.org Document 6 : Type de salle et durée de réverbération Critères de qualité acoustique d une salle 3 C.Grange-Reynas

4 Document 7 (Extrait du manuel Hachette TS spécialité physique chimie) La suppression de la réverbération est obtenue en captant l onde sonore incidente puis en émettant une onde de même intensité, mais en opposition de phase, à l aide de systèmes électroacoustiques (microphones, amplificateurs, haut-parleurs) judicieusement placés. Localement, au niveau du mur, l intensité sonore est nulle. La réverbération peut donc être modifiée «à la carte» en adaptant l amplification au retard de l onde émise. Certains casques audio utilisent également cette absorption active : les sons «parasites» (bruits extérieurs) sont alors annulés et l auditeur profite uniquement de la musique qu il souhaite écouter. N.B. : la réverbération est l ensemble des réflexions du son sur toutes les parois d un espace clos ou semi-clos. Le son persiste après interruption de la source sonore Document 8 : Salle sourde (Extrait du manuel Hachette TS spécialité physique chimie) Une chambre anéchoïque est une salle d'expérimentation dont l'enveloppe (parois, plafond et sol) est totalement absorbante aux ondes sonores, donc ne provoque aucun écho venant perturber les mesures. Les chambres sourdes servent à certaines études d'acoustique. On utilise de telles chambres pour mesurer des ondes acoustiques dans les conditions du champ direct, c est-à-dire en l absence de composantes ayant subi une réverbération sur des parois. Remarques : On appelle : champ direct : faisceaux d ondes qui arrivent directement au récepteur ; champ réverbéré : faisceaux d ondes qui arrivent au récepteur après avoir subi des phénomènes de réflexion. Une chambre anéchoïque acoustique (appelée aussi salle sourde) a ses parois qui sont formées de matériaux absorbants, généralement en mousse de mélamine ou en laine de verre, et disposés en chicanes (dièdres). Le son incident sur un mur y est partiellement réfléchi (le reste est absorbé). L'onde réfléchie atteint une autre paroi ou, à nouveau, une partie d'elle est réfléchie et l'autre absorbée... etc... L'onde est ainsi renvoyée vers d'autres couches absorbantes et non pas vers l'intérieur de la chambre. La qualité de l absorption est fonction de la taille de ces dièdres et de la qualité du matériau utilisé. De telles chambres peuvent servir aux essais de directivité ou de sensibilité d un microphone et à la mesure de la bande passante d un haut-parleur. Elles servent également à positionner les sources de bruits les plus importantes d une machine, ou à la mesure de puissance acoustique en s affranchissant du bruit extérieur. Critères de qualité acoustique d une salle 4 C.Grange-Reynas

5 Document 9 : Echo et réverbération Extraire et exploiter des informations 1. À partir des documents, faire le bilan des phénomènes physiques qui interviennent au cours de la propagation du son dans une salle. Définir chacun de ces phénomènes. 2. Quels sont les phénomènes responsables de la décroissance de l'intensité sonore? 3. Quelle est la conséquence pour la perception d'un son par un auditeur? 4. Définir les termes en gras dans le document 2 5. Commenter, en argumentant, la phrase La boite à chaussures est une forme de départ idéale. 6. A partir du document 4, proposer une définition de la durée de réverbération TR. 7. Comment peut-on expliquer que le phénomène de réverbération nuise à l'intelligibilité de la parole? 8. De quelles grandeurs dépend la durée de réverbération? 9. Quelle durée de réverbération choisir pour une salle de spectacle? Pour une salle de conférence? 10. Bilan : A partir de l'ensemble des documents, faire une synthèse des paramètres à prendre en compte pour obtenir une bonne acoustique et expliquer la nécessite de disposer de salles de conceptions différentes selon l'utilisation. Critères de qualité acoustique d une salle 5 C.Grange-Reynas

6 PARTIE B : RESOLUTION DE PROBLEMES SCIENTIFIQUES (Extrait du manuel Hachette TS spécialité physique chimie) Critères de qualité acoustique d une salle 6 C.Grange-Reynas

7 Critères de qualité acoustique CORRECTION Mots-clefs : Auditorium ; salle sourde. Réverbération. Contexte du sujet : L'acoustique architecturale est le domaine scientifique et technologique qui vise à comprendre et à maîtriser la qualité sonore des bâtiments. L'application privilégiée de l'acoustique architecturale est la construction de salles qui nécessitent une bonne qualité acoustique. Quels paramètres doivent être pris en compte pour obtenir une bonne acoustique? PARTIE A : ANALYSE ET SYNTHESE DE DOCUMENTS SCIENTIFIQUES Extraire et exploiter des informations 1. À partir des documents, faire le bilan des phénomènes physiques qui interviennent au cours de la propagation du son dans une salle. Définir chacun de ces phénomènes. Les phénomènes physiques intervenant dans la propagation d un son dans une salle sont la diffusion, la réflexion, la réfraction, la diffraction et l absorption. Un auditeur reçoit alors la superposition de plusieurs contributions (le son direct, le son réfléchi sur les différentes structures de la salle, etc.) avec un décalage dans le temps. La diffusion est la modification de la direction de propagation du son dans tout l espace, sans direction privilégiée. L onde incidente est réfléchie dans toutes les directions. La réflexion est la modification de la direction de propagation du son dans une direction privilégiée. L onde incidente est réfléchie dans une direction privilégiée. La réfraction est la modification de la direction de propagation du son par modification du milieu de propagation. L onde peut aussi changer de direction en changeant de milieu de propagation. La diffraction est la modification de la direction de propagation du son lorsqu il rencontre un obstacle ou un interstice de l ordre de grandeur de sa longueur d onde. Cette modification est sélective : la fréquence diffractée dépend de la taille des éléments. L onde sonore se propage dans toutes les directions à partir d un obstacle ou d une ouverture de dimension de même ordre de grandeur que la longueur d onde. L absorption est la diminution de l intensité sonore lors de la propagation dans un milieu. Cet effet affecte différemment les différentes fréquences selon la nature des matériaux. L onde incidente est absorbée par le matériau qu elle rencontre. 2. Quels sont les phénomènes responsables de la décroissance de l'intensité sonore? La diffusion et l absorption par les différents matériaux dans lesquels le son se propage sont responsables de la décroissance de l intensité sonore. 3. Quelle est la conséquence pour la perception d'un son par un auditeur? Le son est de plus en plus difficilement perçu par l auditeur lorsque l intensité sonore diminue. 4. Définir les termes en gras dans le document 2 Un ovoïde est une figure de forme ovale. Les moulures sont des éléments d ornement. Les cariatides sont des statues de femmes jouant le rôle de colonnes, par exemple, dans les théâtres. Les stucs sont des enduits teintés recouvrant plafonds, murs, etc. L expression «La quadrature du cercle» fait référence à un problème insoluble. L abat-son désigne l ensemble des lames inclinées de haut en bas et de dedans en dehors et fixées dans un châssis en charpente (source : Wikipédia), que l on voit aussi dans les clochers. Critères de qualité acoustique d une salle 7 C.Grange-Reynas

8 5. Commenter, en argumentant, la phrase La boite à chaussures est une forme de départ idéale. Il est expliqué dans le document 2 que tous les éléments de symétrie de la salle nuisent à son acoustique à cause du phénomène de réflexion. Dans ce contexte, la phrase «La boîte à chaussures est une forme de départ idéale» peut sembler contradictoire. En effet, une boîte à chaussures, parallélépipédique, comporte un grand nombre d éléments de symétrie ; c est donc une forme peu propice initialement à une bonne acoustique. L expression «de départ» nuance cette première impression de contradiction : pour améliorer l acoustique d une salle, il convient de rajouter des éléments d architecture permettant de rompre les symétries (balcons, panneaux inclinés, etc.). La géométrie très simple de la boîte à chaussures facilite la prévision des effets lors de l ajout de ces différents éléments. C est donc la forme de départ idéale pour l anticipation et les calculs d acoustique lors de l aménagement. Ou «La boîte à chaussures est une forme de départ idéale» : La géométrie très simple d'une boîte à chaussures facilite la prévision des réflexions et des effets lors de l ajout de différents éléments (obstacles, rideaux, balcons, surfaces absorbantes...) C est donc la forme de départ, la plus simple pour la l étude des phénomènes acoustique, simplifiant les calculs d acoustique pour l aménagement d'une salle 6. A partir du document 4, proposer une définition de la durée de réverbération TR. La durée de réverbération TR est la durée au bout de laquelle le niveau sonore diminue de 60 db après que la source ait cessé d émettre. 7. Comment peut-on expliquer que le phénomène de réverbération nuise à l'intelligibilité de la parole? La réverbération du son est liée à sa réflexion sur les différents éléments d architecture de la salle. Elle a pour conséquence le prolongement dans le temps du son émis par une source. Dans le cas d un orateur, si la réverbération de la 1ère syllabe se superpose à l émission de la 2ème, et ainsi de suite, le texte prononcé peut devenir incompréhensible, et ce d autant plus que le temps de réverbération sera plus long. Ou Les réverbérations successives se superposent les unes avec les autres et avec la parole du conférencier rendant son discours difficile à comprendre. 8. De quelles grandeurs dépend la durée de réverbération? La durée de réverbération dépend du volume et de la surface d absorption équivalente de la salle. 9. Quelle durée de réverbération choisir pour une salle de spectacle? Pour une salle de conférence? Le temps de réverbération dépend de l usage prévu pour la salle : il sera plus grand pour les salles de spectacles que pour les salles de conférences. 10. Bilan : A partir de l'ensemble des documents, faire une synthèse des paramètres à prendre en compte pour obtenir une bonne acoustique et expliquer la nécessite de disposer de salles de conceptions différentes selon l'utilisation. Pour la bonne acoustique d une salle, il faut tenir compte de : Son usage, Sa forme, Son volume, De la nature des matériaux qui la constituent et qui recouvrent les parois. Selon l usage de la salle, le temps de réverbération optimal n a pas la même valeur : il est plus grand pour des salles de spectacles ou de concert que pour des salles de conférences. Il est indispensable d en tenir compte pour une bonne acoustique (une réverbération plus longue est souhaitable pour la musique mais peut nuire à la compréhension de la parole). La réverbération qui prolonge la durée d un son est particulièrement attendue pour de la musique, mais peut nuire à la compréhension de la parole. Selon l usage, il convient donc de disposer de salles de différentes conceptions. Ces problèmes peuvent être contournés dans des salles «polyvalentes» par l intermédiaire de dispositifs qui pouvant modifier les caractéristiques physiques de la salle comme par exemple des panneaux et des volumes amovibles. Critères de qualité acoustique d une salle 8 C.Grange-Reynas

9 Ce qu il faut retenir : Pour mettre en valeur une musique de qualité, une salle de concert est optimisée pour que chaque spectateur entende dans les meilleures conditions possibles. L étude acoustique de la salle permet de prendre en compte sa géométrie, les matériaux de construction, la position de l orchestre, etc. Les auditoriums sont des espaces fermés permettant d obtenir la meilleure qualité acoustique possible. Leur architecture est conçue de manière à réfléchir les ondes sonores à puissance sonore suffisamment élevée, tout en restituant un son naturel, dépourvu de réverbération excessive, d échos de certaines fréquences et d effets d interférences (ou de distorsion). L acoustique est le domaine scientifique d étude de propagation du son dans l air et les milieux matériels. Les ondes sonores obéissent à la loi de la réflexion : i = r, avec i, angle d incidence entre la normale à la surface réfléchissante et le rayon incident, et r, angle de réflexion entre la normale à la surface de réflexion et le rayon réfléchi. Une onde sonore ne se propage pas seulement directement de la source à l auditeur, mais de manière diffuse. Ceci implique que certaines ondes sonores qui n étaient pas initialement dirigées vers l auditeur lui parviendront quand même, après avoir été réfléchies sur les parois du bâtiment. Les trajets suivis par les ondes sonores n ont pas tous la même longueur : le même son est reçu plusieurs fois par l auditeur, mais pas simultanément. Chaque chemin provoque ainsi un décalage temporel différent. La réception du son s étend donc sur une période plus longue que la durée du son proprement dit. La réverbération est définie comme la persistance du son lorsque la source émettrice n émet plus. Le temps de réverbération est la durée nécessaire à un son pour être réduit au millionième de son intensité initiale (atténuation de 60 db). Cette durée doit être importante dans un bon auditorium afin que les auditeurs les plus éloignés entendent. Le temps de réverbération dans un auditorium s explique par les multiples réflexions des rayons sonores sur les parois de la salle. L écho est dû à la concavité des murs et du plafond. Il est associé à une concentration spatiale du son en un point de l auditorium. Il doit être le plus faible possible car il est perçu comme un son distinct du son le générant. L acoustique active permet d atténuer des bruits non désirés en créant des «contre-bruits» adaptés par des moyens techniques ou électroniques. Critères de qualité acoustique d une salle 9 C.Grange-Reynas

10 PARTIE B : RESOLUTION DE PROBLEMES SCIENTIFIQUES (Extrait du manuel Hachette TS spécialité physique chimie) Critères de qualité acoustique d une salle 10 C.Grange-Reynas