Estimation expérimentale des propriétés acoustiques de surfaces végétalisées : influences de la variabilité spatiale et de la configuration de mesure

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1 CFA 14 Poitirs Avril 14, Poitirs Estimation xpérimntal ds propriétés acoustiqus d surfacs végétalisés : influncs d la variabilité spatial t d la configuration d msur G. Guillaum, B. Gauvrau t P. L Hrmit LUNAM Univrsité - Ifsttar, Rout d Bouay - CS4, Bougunais, Franc gwnal.guillaum@ifsttar.fr 223

2 22-25 Avril 14, Poitirs CFA 14 Poitirs La part du végétal n miliu urbain constitu un voi d réflxion à part ntièr puisqu ll put, a priori, répondr conjointmnt aux problématiqus sociétals t nvironnmntals associés aux conséquncs d l étalmnt urbain. L projt VgDUD (-14), supporté par l Agnc National d la Rchrch (ANR), port précisémnt sur l évaluation du rôl du végétal dans l dévloppmnt urbain durabl. C projt pluridisciplinair présnt un volt xpérimntal dans lqul ds tchniqus d msur adaptés à la compréhnsion ds phénomèns physiqus induits par la présnc du végétal sont miss n plac. Ainsi, ds msurs in-situ d impédanc acoustiqu ont ainsi été réalisés t ont prmis d stimr ls paramètrs nécssairs n ntré ds modèls d propagation acoustiqu. L étud proposé ici présnt ls influncs d la variabilité spatial t d la configuration du dispositif xpérimntal sur l stimation ds propriétés acoustiqus d tlls infrastructurs (résistanc spécifiqu au passag d l air, épaissur t impédanc) t, par suit, d lurs ffts sur ls nivaux sonors. 1 Introduction D nombruss méthods ont été dévloppés pour modélisr la propagation du son n miliu xtériur. Cs méthods sont d plus n plus préciss [1, 2, 3] t la validité ds donnés d ntré d cs modèls (.g. paramètrs d sol, conditions météorologiqus,...) constitu un nju majur. L travail xpérimntal présnté dans c papir a été réalisé dans l cadr du projt pluridisciplinair VgDUD (-14) portant sur l évaluation du rôl du végétal dans l dévloppmnt urbain durabl. L évaluation d l impact d surfacs végétals n façads t/ou n toiturs d bâtimnts rquirt d caractérisr ls propriétés acoustiqus d tls rvêtmnts. Ainsi, un méthod d msur in-situ d l impédanc acoustiqu, dévloppé à l Institut français ds scincs t tchnologis ds transports, d l aménagmnt t ds résaux (Ifsttar) pour caractérisr ds rvêtmnts d chaussé [4, 5], a été adapté pour détrminr l impédanc acoustiqu d un façad t d un toitur végétals. La présnt étud s focalis sur la variabilité spatial ds msurs (sans considérr lur variabilité tmporll,.g. saisonnièr) t lur influnc sur ls prévisions acoustiqus. Dans un prmir tmps, l princip du dispositif xpérimntal prmttant d stimr, in situ, l impédanc acoustiqu d surfacs artificills ou naturlls st décrit. Dans un scond tmps, ls valurs d la résistanc spécifiqu au passag d l air t d l épaissur équivalnt obtnus pour trois typs d surfacs (grn d trrain d golf, façad t toitur végétalisés) sont donnés t analysés. Dans un drnir tmps, ds simulations numériqus visant à quantifir l fft d la disprsion ds paramètrs d surfac sur ls nivaux sonors sont présntés à travrs un application n spac ouvrt t un configuration urbain. 2 Princip du dispositif xpérimntal L dispositif (figur 1) st constitué d un sourc sonor 1 S, proch d un surfac dont l impédanc acoustiqu st à caractérisr, t d dux microphons 2 R 1 t R 2 (sur un mêm normal à la surfac), l un sur la surfac (R 1 ), l autr à proximité d ctt surfac (R 2 ), tous dux à un distanc horizontal d SR = 4 m d la sourc. Ctt configuration d msur a été optimisé d manièr à obtnir un figur intrférntill marqué (ground dip) t prmttr ainsi la détrmination ds propriétés d la surfac. En fft, l choix d un distanc d SR ntr sourc t récpturs impos l angl d incidnc. Pour ls msurs n toiturs (figur 1a), la sourc t l microphon R 2 sont 1. haut-parlur d typ NAVSOUND HPF 1922 émttant un bruit blanc 2. microphons Bruël & Kjær 1/2 pouc d typ 419 L-1 placés à un hautur h S = h R2 =.6 m du sol. Dans l cas d la caractérisation d un façad (figur 1b), l nsmbl st placé à un hautur h S = h R1 = h R2 du sol suffisammnt grand pour pouvoir supprimr touts ls contributions du sol (réflxion acoustiqu) par un fnêtrag tmporl adapté lors du post-traitmnt ds msurs ; la sourc t l microphon R 2 sont situés à un distanc D R2 =.6 m d la façad. Cs dux géométris induisnt un angl d incidnc n réflxion spéculair d d SR R 1 R 2 (a) Toitur h R2 h S =h R2 R 1 R 2 D R2 d SR h S =h R1 =h R2 (b) Façad Figur 1 Configurations ds msurs d impédanc (a) d toiturs t (b) d façads. Globalmnt, la méthod st basé sur cll dévloppé par Bérngir t coll. [4] t Carpinllo t coll. [5], qui consist à msurr l rapport ds énrgis acoustiqus msurés n chacun ds microphons (i.. l rapport ds moduls ds spctrs au carré). Compt-tnu d la configuration géométriqu, l énrgi acoustiqu msuré au point R 1 st constitué uniqumnt du champ dirct, tandis qu l énrgi acoustiqu msuré au point R 2 corrspond à la somm du champ dirct t du champ réfléchi par la surfac, qui s traduit par ds figurs intrférntills. C rapport st nsuit comparé à la courb d atténuation théoriqu sur la bas du modèl d propagation d Ingard-Rudnick [6], n utilisant par xmpl l modèl d impédanc d Dlany- Bazly [7]. L «calag» du modèl d impédanc n jouant sur ls valurs d la résistanc au passag d l air t d l épaissur prmt d détrminr, au final, l absorption acoustiqu d la surfac activ (i.. la surfac compris dans l plan d réflxion) du matériau. L haut-parlur t ls dux microphons sont connctés à un systèm Puls Bruël & Kjær d typ LAN-XI 316- A-4/2 (figur 2) configuré pour la msur d réponss 224

3 CFA 14 Poitirs Avril 14, Poitirs Tablau 1 Valurs d la résistanc spécifiqu au passag d l air (n kn.s.m-4 ) t d l épaissur équivalnt (n m) stimés pour l grn d golf. Géométri ds R = 4. m hs = hr =.6 m ds R = 1.5 m hs = hr =.4 m ds R = 1.5 m hs = hr =.5 m ds R = 2. m hs = hr =.5 m Paramètr Ms Ms Ms Ms Ms Moynn Écart-typ 184 (21.%).8 (12.9%) 92 (19.%).4 (6.5%) 15 (5.%).5 (5.8%) 64 (9.%).4 (6.5%) impulsionnlls (RI), avc un moynnag d nviron 4 échantillons afin d réduir l impact ds bruits ambiants. Ls dux RI obtnus sont nsuit xportés dans un routin n langag d programmation Scilab (vrsion 4.1) pour la réalisation du fnêtrag tmporl. Un fnêtr tmporll (droit-cosinus) d ms st donc appliqué sur ls dux RI afin d n consrvr qu la parti «util» du signal (champ dirct t champ réfléchi). Ls spctrs H R1 t H R2 ds RI msurés n chacun ds microphons sont nsuit calculés n appliquant ds transformés d Fourir (pour un largur d band [ 64] Hz), afin d calculr la transmissibilité, à savoir l rapport ds énrgis H R2 2 / H R1 2. C rapport ds énrgis fonction d la fréqunc st nsuit xporté dans un fichir pour êtr utilisé dans la procédur d calag du modèl d impédanc sous HP Basic. Ctt procédur d calag st réalisé manullmnt par un opératur (ou automatiqumnt), n agissant sur ls valurs d la résistanc spécifiqu au passag d l air t d l épaissur. été motivé par l homogénéité a priori d c typ d surfac (voir discussion infra). La toitur végétal consist n un lit d pouzzolan planté d sédum, tandis qu la façad, très hétérogèn, st constitué d végétaux variés (brgnias, campanuls, géraniums vivacs, érigéron, coqulourds, lamirs, graminés, huchèrs,...) disposés n patchwork. (a) (b) (c) Toitur (d) Façad Sourc Sourc(HP) (HP) Microphon MicrophonRR11 Microphon MicrophonRR22 Puls B&K (acquisition) RI RI(R (R11)) RI RI(R (R22)) Scilab 4,1 (fnêtrag, spctr) xpérimntal xpérimntal Calag (,) HP Basic (propagation) théoriqu théoriqu Figur 2 Princip d la procédur d msurs d impédanc acoustiqu d un surfac : acquisition, traitmnt du signal, calag du modèl d impédanc. Figur 3 Sits xpérimntaux : (a)-(b) grn du trrain d golf, (c) toitur végétalisé t (d) façad végétal. 3 Sits xpérimntaux L protocol xpérimntal a été appliqué sur trois sits xpérimntaux : un grn d trrain d golf (figurs 3a-(b), un façad végétal (figur 3d) t un toitur végétalisé (figur 3c). L choix d un trrain tl qu un grn d golf a Pour chacun d cs surfacs (i.. sol, toit t façad), plusiurs msurs ont été réalisés n déplaçant l systèm xpérimntal (i.. la sourc t l mât microphoniqu), audssus ou l long d la surfac (rspctivmnt pour l grn 225

4 22-25 Avril 14, Poitirs d golf t la toitur ou pour la façad), afin d n caractérisr différnts zons t d stimr ainsi la variabilité spatial ds résultats. Dans l cadr ds séris d msurs sur l grn d golf, plusiurs géométri du systèm d msur ont été tstés, n prnant soin d consrvr un point d incidnc au sol n réflxion spéculair idntiqu pour chaqu géométri. 4 Résultats xpérimntaux 4.1 Miliu ouvrt Ls résultats du traitmnt ds msurs au-dssus du grn d golf sont présntés au tablau 1 pour quatr géométris d msur. Pour chaqu géométri, cinq msurs ont été ffctués. La lctur horizontal du tablau 1 prmt d considérr la disprsion ds résultats n fonction d la géométri d msur. Ls écarts obsrvés puvnt êtr attribués aux «mprints» d msur qui diffèrnt ntr chaqu géométri. Ils puvnt cpndant égalmnt êtr associés à ds hétérogénéités du sol. Ctt variabilité spatial ds résultats put êtr analysé par un lctur vrtical du tablau 1. Ls valurs moynns t ls écarts-typs (égalmnt présntés sous form d pourcntag par rapport à la valur moynn) illustrnt la fort disprsion spatial ds paramètrs d sol, mêm pour un sol d c typ, a priori parfaitmnt homogèn. La valur particulièrmnt élvé d crtains écarts-typs pour c trrain put êtr xpliqué par un hygrométri hétérogèn du au systèm d arrosag. 4.2 Miliu urbain L tablau 2 donn ls valurs d la résistanc spécifiqu au passag d l air t d l épaissur équivalnt stimés pour chacun ds surfacs végétals urbains. La disprsion spatial ds résultats, particulièrmnt visibl dans l cas d la façad végétal, traduit l caractèr très hétérogèn d cs surfacs. Tablau 2 Valurs d la résistanc spécifiqu au passag d l air (n kn.s.m -4 ) t d l épaissur équivalnt (n m) stimés pour la toitur t la façad végétalisés. Surfac Toitur Façad Paramètr Ms Ms Ms Ms Ms Ms Moynn Écart-typ 64 (15.9%).51 (29.1%) 23 (41.6%).2 (5.4%) 5 Résultats numériqus 5.1 Miliu ouvrt L champ d prssion acoustiqu pour un configuration tll qu cll décrit à la figur 1a put êtr détrminé analytiqumnt par la formul d Wayl-Van dr Pol [8]. La figur 4 illustr la disprsion ds spctrs d atténuation rlatifs à un microphon d référnc avc ls paramètrs d sol donnés au tablau 1. Cs résultats sont obtnus pour un sourc situé à un hautur d.5 m, à un microphon d msur distant d m d la sourc, à 2 m du sol. L microphon d référnc st placé à 1 m d la sourc t à 2 m du sol. Pour chaqu géométri du systèm xpérimntal, la valur moynn ( ) plus ou moins dux fois l écart-typ ( ) sont présntés (zons colorisés). Figur 4 Spctrs d atténuation rlatifs à un microphon d référnc pour un distanc d propagation d m avc ls paramètrs d sol du grn d golf stimés à partir ds quatr séris d msur : ( ) d S R = 4. m t h S = h R =.6 m, ( ) d S R = 1.5 m t h S = h R =.4 m, ( ) d S R = 1.5 m t h S = h R =.5 m, ( ) d S R = 2. m t h S = h R =.5 m. Cs résultats montrnt qu l incrtitud d msur ds paramètrs d impédanc put conduir, dès m, à ds écarts significatifs ds nivaux sonors (par xmpl d l ordr d 15- db à 6 Hz pour la géométri S-R considéré). 5.2 Miliu urbain CFA 14 Poitirs Ds simulations (2D) TLM [3, 9] ont été réalisés avc l domain d calcul illustré à la figur 5. Ctt configuration rprésnt un ax routir d typ 2 2 vois nclavé ntr dux écrans anti-bruit. Quatr sourcs, situés à un hautur d.5 m du sol, sont placés ntr dux écrans t émttnt ds impulsions gaussinns asynchroniqumnt. Quatr microphons nrgistrnt l champ d prssion tous ls 5 m au-dlà d un ds écrans. L sol st considéré parfaitmnt réfléchissant. La figur 6 présnt ls spctrs d atténuation rlatifs au champ libr obtnus aux microphons avc un écran rigid ou un écran végétalisé pour lqul la valur d la résistanc spécifiqu au passag d l air st égal aux dux valurs xtrêms stimés pour un façad végétalisé (tablau 2), i.. = kn.s.m -4 t = 8 kn.s.m -4. Cs 226

5 CFA 14 Poitirs prévisions numériqus prmttnt d quantifir ls écarts n trms d nivaux sonors n fonction du typ d matériau t d la distanc à la sourc. Ls écarts ntr ds surfacs absorbants (végétals) t ds surfacs réfléchissants (minérals) sont, comm attndu, faibls n bass fréqunc t augmntnt avc la fréqunc. Ils dvinnnt significatifs à partir d 4 Hz, y compris ntr ls dux typs d surfacs végétals. Cs résultats sont présntés jusqu à 7 Hz. Ds prévisions complémntairs sront présntés lors d la communication oral. SPL rl. fr fild (db) 3 4 rigid = kn.s.m 4 =8 kn.s.m Frquncy (Hz) (a) 5 m Avril 14, Poitirs Figur 5 Configuration ds simulations TLM avc doubl écran. 6 Conclusion SPL rl. fr fild (db) 3 4 rigid = kn.s.m 4 =8 kn.s.m Frquncy (Hz) (b) m C papir décrit un procédur d stimation ds paramètrs acoustiqus d surfacs (.g. sol, façad, toitur,...) à partir d un msur à dux microphons. Ctt procédur a été mployé pour évalur la résistanc spécifiqu au passag d l air t l épaissur équivalnt d un grn d trrain d golf, d un façad végétal ainsi qu d un toitur végétalisé. Ls résultats xpérimntaux montrnt l fft d la géométri du systèm xpérimntal t d la variabilité spatial ds paramètrs stimés. Par suit, ds prévisions d nivaux sonors n spacs ouvrt (méthod analytiqu) t urbain (méthod TLM) illustrnt la disprsion obtnu n fonction ds paramètrs ds matériaux à rlativmnt court distanc. Ctt étud montr l importanc d limitr l incrtitud ds donnés d ntré ds modèls numériqus mployés pour la prévision ds nivaux sonors. Rmrcimnts C travail a bénéficié d un support financir d l Agnc National d la Rchrch (ANR) sous la référnc ANR-9- VILL-7-2. Référncs [1] Carlos Spa, Jos Escolano, and Adan Garriga. Smimpirical boundary conditions for th linarizd acoustic Eulr quations using Psudo-Spctral Tim-Domain mthods. Applid Acoustics, 72 :226 23, 11. [2] D. Dragna, P. Blanc-Bnon, and F. Poisson. Impuls propagation ovr a complx sit : A comparison of xprimntal rsults and numrical prdictions. Journal SPL rl. fr fild (db) SPL rl. fr fild (db) 3 4 rigid = kn.s.m 4 =8 kn.s.m Frquncy (Hz) 3 4 rigid = kn.s.m 4 =8 kn.s.m 4 (c) 5 m Frquncy (Hz) (d) m Figur 6 Spctrs d atténuation rlatifs au champ libr à un distanc d (a) 5 m, (b) m, (c) 15 m t (d) m ( ) pour un écran rigid, ainsi qu pour ds écrans avc un résistanc spécifiqu au passag d l air ( ) = kn.s.m -4 ) t ( ) = 8 kn.s.m -4 ). 227

6 22-25 Avril 14, Poitirs CFA 14 Poitirs of th Acoustical Socity of Amrica, 135(3) :96 15, March 14. [3] G. Guillaum, J. Picaut, G. Dutillux, and B. Gauvrau. Tim-domain impdanc formulation for transmission lin matrix modlling of outdoor sound propagation. Journal of Sound and Vibration, 33(26) : , 11. [4] M. Bérngir and M. Garai. A stat-of-th-art of insitu masurmnt of th sound absorption cofficint of road pavmnts. In Intrnational Congrss of Acoustics, Rom, Italia, 1. [5] S. Carpinllo, P. L hrmit, M. Bérngir, and G. Licitra. A nw mthod to masur th acoustic surfac impdanc outdoors. Radiation Protction Dosimtry, 111(4) : , 4. [6] U. Ingard. On th rflction of a sphrical sound wav from an infinit plan. Th Journal of th Acoustical Socity of Amrica, 23(3) : , [7] M. E. Dlany and E. N. Bazly. Acoustical proprtis of fibrous absorbnt matrials. Applid Acoustics, 3(2) :5 116, 197. [8] K. Attnborough, K.M. Li, and K.l Horoshnkov. Prdicting Outdoor Sound. Taylor & Francis, ISBN , UK, 6. [9] G. Guillaum and N. Fortin. Optimizd transmission lin matrix modl implmntation for graphics procssing units computing in built-up nvironmnt. Journal of Building Prformanc Simulation, 7(6) : ,