Mesure in-situ de la diffusion acoustique par les surfaces dans le cadre de l acoustique des salles. Philippe Camus ULg / ISIL.

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1 Mesure in-situ de la diffusion acoustique par les surfaces dans le cadre de l acoustique des salles. Philippe Camus ULg / ISIL. La diffusion et sa mesure. La méthode de Rindel. Sensibilité de la mesure aux conditions expérimentales (simulation). Effet d un diffuseur sinusoïdal (simulation). Sensibilité de la mesure aux conditions expérimentales (mesures). Effet d un diffuseur sinusoïdal (mesures). Bilan sur la méthode de Rindel. Perspectives. pcamus@skynet.be ABAV 23 février 211 p 1

2 La diffusion et sa mesure. Le recours aux matériaux diffusants est une technique de plus en plus utilisée lorsque l on souhaite obtenir une salle de concert de qualité. Ces matériaux permettent de conserver l énergie sonore tout en atténuant la réflexion spéculaire, génératrice potentielle d échos perceptibles et donc gênants. Exemple de diffuseur (Gateway mastering & DVD Portland USA). Deux grandeurs sont utilisées pour quantifier la diffusion : le coefficient de dispersion (scattering coefficient) s (parfois δ ) qui est le rapport entre l énergie sonore qui est réfléchie de manière non spéculaire et l énergie totale. le coefficient de diffusion d qui mesure l uniformité spatiale de l énergie qui est réfléchie par le diffuseur. pcamus@skynet.be ABAV 23 février 211 p 2

3 Plusieurs méthodes de mesure en laboratoire ont été développées afin d évaluer les propriétés diffusantes des surfaces (ISO et 2), par contre peu de propositions ont été faites concernant la mesure in situ. Mesures en laboratoire. Coefficient de dispersion (scattering) : s Mesure en chambre réverbérante. ISO Mesure en champ libre.[vorlander - 2] Coefficient de diffusion : d Mesure polaire 2D ou 3D, puis calcul d un coefficient de diffusion. ISO Mesures in situ. Méthode du flutter echo entre deux surfaces parallèles. [Rindel - 23] Méthode globale pour une salle [Jeon - 29] Méthode de la mesure en champ libre avec une antenne acoustique [Ducourneau - 21] But du travail : développer une méthode de mesure afin de pouvoir évaluer sur site les propriétés diffusantes des surfaces (essentiellement le coefficient de dispersion s) et leur impact sur la qualité acoustique de la salle. Cela devrait permettre, par la suite, d améliorer les modèles de prédiction, de concevoir de nouveaux types de diffuseurs et de faire progresser la connaissance sur la diffusion acoustique. pcamus@skynet.be ABAV 23 février 211 p 3

4 Méthode de Rindel. Elle est basée sur la mesure du temps de réverbération entre une surface réfléchissante parallèle au diffuseur et le diffuseur (flutter écho). La mesure se fait en deux étapes : avec une surface plane réfléchissante (appelée la plaque) à la place du diffuseur, puis avec le diffuseur. Le calcul du coefficient de dispersion se fait par la formule : s 1 α l 1 = 1 exp 1 α2, c T1 T 1 2 α : coefficient d absorption sans diffuseur. α 2, : coefficient d absorption du diffuseur. T 1 : temps de réverbération sans diffuseur T 2 : temps de réverbération avec diffuseur. pcamus@skynet.be ABAV 23 février 211 p 4

5 Sensibilité de la mesure aux conditions expérimentales (simulation). Description de la simulation : plaque réfléchissante d une largeur d 1 m à 1,3 m de hauteur par rapport à une surface réfléchissante infinie. Source omnidirectionnelle à 1 m de haut, récepteur à 65 cm. Simulation en 2D avec le logiciel MICADO du CSTB de Grenoble Matériau réfléchissant Sources Recepteurs plaque1-1 z(m) 1.5 S1 R x(m) Paramètres à faire varier : Largeur de la plaque. Inclinaison de la plaque. Décentrage de la source et du récepteur. Hauteur de la source et du récepteur. Absorption de la surface réfléchissante. Comparaison des courbes de décroissance (diagramme de Schroeder) E(t) = t h 2 (τ)dτ pcamus@skynet.be ABAV 23 février 211 p 5

6 7 6 courbe de Schroeder yplaque1-1.t yplaque2-1.t yplaque4-1.t yplaque8-1.t yplaque5-1.t yplaque2-1.t Influence de la largeur de la plaque. Schroeder amplitude (db) Pentes assez parallèles pour 1, 2, 4, 8 m (mêmes TR) Temps (s) 6 courbe de Schroeder yplaque1-1.t yplaque1incli2-1.t yplaque1incli5-1.t yplaque1incli1-1.t 5 Influence de l inclinaison de la plaque. Schroeder amplitude (db) Variations de pente importantes TR diminue rapidement. Perte importante d énergie quand la plaque est inclinée Temps (s) pcamus@skynet.be ABAV 23 février 211 p 6

7 6 5 courbe de Schroeder yplaque1-1.t yplaque1oc-src1-1.t yplaque1oc-src2-1.t yplaque1oc-src4-1.t Influence du décentrage de la source et du récepteur. Schroeder amplitude (db) 4 3 Pentes (TR) semblables sauf quand on s écarte trop de l axe de la plaque Temps (s) 6 5 courbe de Schroeder yplaque1-1.t yplaque1-rec43.t yplaque1-rec5.t yplaque1-src115.t Variation de hauteur de la source et du récepteur. Schroeder amplitude (db) 4 3 Peu d effet Temps (s) pcamus@skynet.be ABAV 23 février 211 p 7

8 6 5 courbe de Schroeder yplaque1-1.t yplaque1att5-1.t yplaque1att1-1.t Influence de l absorption de la plaque. Schroeder amplitude (db) 4 3 Augmentation de la pente (diminution de TR) si α. Perte d énergie plus rapide quand α Temps (s) pcamus@skynet.be ABAV 23 février 211 p 8

9 Effet d un diffuseur sinusoïdal (simulation) Matériau réfléchissant Sources Recepteurs sinus11-pl1 Hauteur 51 mm, Période 177 mm z(m) 1.5 S1 R x(m) 6 5 courbe de Schroeder yplaque1-1.t ysinus11-pl1.t ysinus11abs5-pl1.t ysinus22-pl1.t ysinus11-pl1-centmax.t Augmentation de la pente (diminution de TR) avec diffuseur. Perte d énergie plus rapide avec le diffuseur. Schroeder amplitude (db) Temps (s) pcamus@skynet.be ABAV 23 février 211 p 9

10 Cartographie de la pression à 5 Hz et 2 khz et mise en évidence de la diffusion. pcamus@skynet.be ABAV 23 février 211 p 1

11 Calcul du coefficient de dispersion à partir de la simulation. s 1 α = 1 1 α 2, l 1 exp c T1 T 1 2 α : coefficient d absorption sans diffuseur. α 2, : coefficient d absorption du diffuseur. T 1 : temps de réverbération sans diffuseur T 2 : temps de réverbération avec diffuseur.,8,7,6,5,4,3,2,1 -,1 -,2 -,3 s Coefficient de dispersion simulé - source omni directionnelle. alpha= alpha réel Hz Extrait de la thèse de L. DE GEETERE pcamus@skynet.be ABAV 23 février 211 p 11

12 Sensibilité de la mesure aux conditions expérimentales (mesures). Courbe de décroissance (Bande :1Hz (1/3 Oct)) (Pas de débruitage effectué) 1-1 Décroissance Temps (ms) Courbe de décroissance (Bande :4Hz (1/3 Oct)) (Pas de débruitage effectué) 1 Dispositif de mesure et répétitivité. Décroissance Temps (ms) pcamus@skynet.be ABAV 23 février 211 p 12

13 Effets du décentrage et de la hauteur de la source, ainsi que de l inclinaison de la plaque. Décroissance Courbe de décroissance (Bande :1Hz (1/3 Oct)) (Pas de débruitage effectué) 1 plam43s115-a-extr.wav plam5s115-a-extr.wav plam65s115-a-extr.wav plam65s115incl28-a-extr.wav -1 plam65s115incl28pl-a-extr.wav plam65s115decent2-a-extr.wav Temps (ms) Décroissance Courbe de décroissance (Bande :4Hz (1/3 Oct)) (Pas de débruitage effectué) 1 plam43s115-a-extr.wav plam5s115-a-extr.wav plam65s115-a-extr.wav -1 plam65s115incl28-a-extr.wav plam65s115incl28pl-a-extr.wav -2 plam65s115decent2-a-extr.wav Temps (ms) Configuration TR 1kHz TR 4 khz micro 65 source s.2 s micro65 source s.16 s micro 43 source s.13 s pcamus@skynet.be ABAV 23 février 211 p 13

14 Effet d un diffuseur sinusoïdal (mesures). Configuration TR 1kHz TR 4 khz pas de diffuseur.16 s.21 s diffuseur sinusoïdal.14 s.17 s Courbe de décroissance (Bande :1Hz (1/3 Oct)) (Pas de débruitage effectué) 1 plam65s115-a-extr.wav ondm65s115-a-extr.wav ond9m65s115-a-extr.wav -1 Courbe de décroissance (Bande :4Hz (1/3 Oct)) (Pas de débruitage effectué) 1 plam65s115-a-extr.wav ondm65s115-a-extr.wav ond9m65s115-a-extr.wav -1 Décroissance Décroissance Temps (ms) Temps (ms) pcamus@skynet.be ABAV 23 février 211 p 14

15 Calcul du coefficient de dispersion. s 1 α l 1 = 1 exp 1 α2, c T1 T 1 2 α : coefficient d absorption sans diffuseur. α 2, : coefficient d absorption du diffuseur. T 1 : temps de réverbération sans diffuseur T 2 : temps de réverbération avec diffuseur.,3,25,2,15,1,5 s -,5 -,1 -,15 -,2 Coefficient de dispersion mesuré. alpha= alpha réel Hz Extrait de la thèse de L. DE GEETERE pcamus@skynet.be ABAV 23 février 211 p 15

16 Bilan sur la méthode de Rindel. Les simulations et les mesures effectuées selon la méthode de Rindel ont bien indiqué une perte d énergie plus rapide lorsque le diffuseur est présent, mais ne permettent pas d obtenir une valeur précise du coefficient de dispersion en incidence aléatoire. Les simulations effectuées avec le logiciel de calcul acoustique Micado du CSTB (approche BEM) montrent, de plus, la grande sensibilité du coefficient de dispersion s à certains paramètres expérimentaux (par exemple aux défauts de parallélisme de la plaque). Un calcul d erreur indique également que les erreurs de mesure sont amplifiées de manière très importante lors du calcul du coefficient de dispersion s. Un autre problème est lié à la connaissance du coefficient d absorption de la paroi qui doit être mesuré par une autre méthode. Tout ceci rend délicate, voire impossible, l obtention in situ de la valeur du coefficient de dispersion d une paroi. pcamus@skynet.be ABAV 23 février 211 p 16

17 Perspectives. La suite de ce travail va s inspirer de la méthode proposée par Joël Ducourneau [Ducourneau - 21] consistant en la mesure avec un réseau de microphones formant une antenne acoustique directive et une source impulsionnelle. La méthode est basée sur la mesure en champ libre de Vorländer et Mommertz. La directivité obtenue grâce à l antenne acoustique devrait permettre de filtrer spatialement les échos parasites, qui ne manqueront pas d'apparaître dans une salle réelle. Ce filtrage spatial sera complété d'un filtrage temporel, dans le but d'isoler la réflexion spéculaire. L idée est de voir s il est possible d extraire la partie spéculaire de la réponse impulsionnelle d une surface en effectuant une convolution de cette réponse avec celle d une surface réfléchissante de référence. pcamus@skynet.be ABAV 23 février 211 p 17

18 Bibliographie. Calculation of the Random-Incidence Scattering Coefficient of a Sine-Shaped Surface. Jean-Jacques Embrechts, Lieven de Geetere, Gerrit Vermeir, Michael Vorländer, Tetsuya Sakuma. Acta Acoustica united with Acustica, vol 92 (26) Analysis and improvement of the experimental techniques to assess the acoustical reflection properties of boundary surfaces. Lieven DE GEETERE Juin 24. [Ducourneau - 21] Nouvelle méthode de mesure du coefficient de diffusion acoustique des parois à relief dans les locaux industriels, J. Ducourneau, A. Faiz, J. Chatillon, 1 ème Congrès Français d Acoustique. [Jeon - 29] Investigation of sound diffusion characteristics using scale models in concert halls. J. Y. Jeon Y.H. Kim [Rindel - 23] The new field method for measurement of the scattering coefficient. J. H. Rindel J. Y. Jeon. [Vorlander - 2] Definition and measurement of random-incidence scattering coefficients. Michael Vorländer, Eckard Mommertz. Applied Acoustics vol 6 (2) pcamus@skynet.be ABAV 23 février 211 p 18