Acoustique des salles

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1 Acoustique des salles 1. Caractéristiques d une salle 2. Champ réverbéré 3. Représentation du champ 4. Temps de réverbération 5. Répartion champ réverbéré / Champ direct Wallace C. Sabine

2 1-Caractéristiques d une salle Dans une salle, le son direct existe toujours mais la propagation dans l'espace donne naissance en plus à une multitude d'échos qui vont décroître au cours du temps et qui constituent le son réverbéré. Son direct : Production sonore issu directement de la source (comme si la salle n existait pas) Son réverbéré : Production sonore issu des multiples réflexions aux parois de la salle et qui vont décroître au cours du temps 2

3 1-Caractéristiques d une salle Niveau sonore db ENVELOPPE DU DECLIN Impulsion sonore initiale Son direct reçu par l auditeur Premières réflexions Champ diffus Réverbération temps Représentation de la réponse d une salle à un signal impulsionnel (très court) 3

4 1-Caractéristiques d une salle (exemple de salles) Chambre sourde ou anéchoïde Annulation du son réverbéré 4

5 1-Caractéristiques d une salle (exemple de salles) Chambre réverbérante Cette salle, dont les parois sont très réfléchissantes ( coefficient d'absorption proche de zéro). Elle permet la mesure du coefficient d'absorption en champ diffus de matériau acoustique. Il est également possible d'y réaliser des mesures de puissance acoustique d'équipements selon les normes en vigueur. 5

6 1-Caractéristiques d une salle (exemple de salles) Espace de projection de l IRCAM L'Espace de Projection est une salle dont l'acoustique est modulable. Salle de concert et de répétition, l'espace de Projection est également un outil de recherche pour les acousticiens et un studio d'enregistrement. 6

7 2-Champ réverbéré Son direct Premières réflexions Percussion «Dry» Réverbération diffuse Le son réverbéré dépend de caractéristiques multiples (dimensions de la salle, forme de la salle, nature des matériaux). En conséquence, la perception d un événement musical dans une salle diffère suivant la place occupée par l'auditeur de façon plus importante qu en champ libre. Percussion avec réverbération Percussion avec premières réflexions Réverbération diffuse 7

8 2-Champ réverbéré (exemples) Réverberation avec 4 variantes : (1) bright room ; (2) dark room; (3) large warm room; (4) gated. Clés, fermeture de portes dans le préau d une grande bibliothèque Hall de grand bâtiment lors d une réception 8

9 3-Représentation du champ (acoustique géométrique) Gustave Lyon (il a construit la salle Pleyel, Paris) a énoncé les principes généraux de l'acoustique géométrique, liés au choix de certaines formes de strutures de matériaux absorbants. Le son direct n'est perceptible qu'à courte distance de la source, son énergie décroit en effet suivant l'inverse du carré de la distance à la source. En conséquence, les sons réfléchis constituent, sauf au voisinage de la source, l'essentiel du son perçu. Il est donc souhaitable d'en favoriser la propagation. Cependant l'onde réfléchie met, pour arriver à l'oreille, un temps toujours supérieur à l'onde directe ce qui provoque deux sons distincts si le décalage est suffisamment long. C'est le phénomène d' écho (dit écho franc, quand la séparation des sonorités apparaît totale ). 9

10 3-Représentation du champ (acoustique géométrique) La règle de Gustave Lyon mentionne 17 mètres pour un son entretenu, et 12 mètres pour un son sec (percussion) pour percevoir un écho distinctement. Questions Quels sont les décalages temporels admissibles pour l oreille pour avoir la fusion entre son direct et son réfléchi? Un écho est-il perçu?? Quelles sont les conditions pour être perçu? 10

11 3-Représentation du champ (établissement de la réverbération) M S Auditeur Source Situation 11

12 3-Représentation du champ (établissement de la réverbération) M S Son direct 12

13 3-Représentation du champ (établissement de la réverbération) M S Premières réflexions 13

14 3-Représentation du champ (établissement de la réverbération) M S Secondes réflexions 14

15 3-Représentation du champ (établissement de la réverbération) M S ensemble 15

16 3-Représentation du champ (particularités) Diffusion Lorsque les ondes sonores frappent un obstacle dont la surface est irrégulière, elles sont diffusées dans tous les sens. Les ondes auront une ou plusieurs réflexions. C est la diffusion. focalisation Si la surface présente une courbure régulière, de forme elliptique par exemple, les ondes émises à l'un des foyers se concentrent à un deuxième foyer. C est le phénomène de focalisation. 16

17 3-Représentation du champ (absorption) Absorption En fait, aucune surface ne réfléchit des ondes sonores sans absorber partiellement de l'énergie. Ce qui revient à dire que des particules du corps réfléchissant seront mises en vibration et qu'une partie de l'énergie du phénomène sonore sera transformée en chaleur. C est l absorption. Tous les matériaux possèdent un coefficient d'absorption qui joue un rôle important dans l'insonorisation et l'acoustique des salles. En général, plus la fréquence du son est élevée, plus l'absorption est grande. 17

18 4- Principe de l acoustique géométrique S S-I = 2 m S-M = 3,4 m α i α r M Construction des rayons acoustiques à partir de la situation précédente. Pour des études géométriques, il est plus simple de travailler avec une représentation des rayons acoustiques. I J S M Loi de descartes: α i = α r Distances parcourues: Son direct SM Son réfléchie SJM 18

19 4- Principe de l acoustique géométrique 2 m S S-M = 3,4 m M 1 m 1) Construire la source image S 2) Tracer le rayon réfléchi S M 3) Identifier le point d intersection J 4) Compléter avec le rayon direct SJ. 5) Comment déterminer le délai entre son direct et son réfléchi? I J S Distances parcourues: Son direct SM 3,4 m Son réfléchie SJM = S M 4,42 m Délai: t = (S M-SM)/340 Ici t = 3 ms 19

20 5-Réverbération (Acoustique Statistique) Les travaux de W.Sabine ont permis une appréhension statistique (Acoustique statistique ) des phénomènes sonores à l'intérieur d'une salle moyenne Sabine a introduit la notion de temps de réverbération qui est : la durée nécessaire à l'extinction (réduction à 0 db) d'un son dont le niveau mesuré en un point était de 60 db avant l'arrêt des sources sonores. Tr 60 Ce temps de réverbération dépend : de la géométrie de la salle de la fréquence, du point de la salle où on le mesure, des sources sonores ( répartition, conditions d'extinction ). V, S r f 20

21 5-Réverbération (Acoustique Statistique) Les travaux de Sabine ont permis de constater : Que dans les salles dont les dimensions étaient moyennes, le temps de réverbération restait sensiblement le même quels que soient : le point de l'auditorium où se faisait la mesure, la façon dont étaient réparties les sources sonores, la distribution des revêtements sur les murs. la longueur moyenne d'un rayon sonore ( soumis aux lois de Descartes ) caculée entre deux parois qu'il atteint consécutivement est constante. <l> =4.V/S Ces salles sont dites homogènes. Libre parcours moyen 21

22 5-Réverbération Loi de Sabine : Tr 60 = 0,16 V α S Le Tr 60 dépend : du volume de la salle (V) de la surface d absorption équivalente de la salle A = (α.s) Le temps de réverbération est toujours plus long dans les basses fréquences 22

23 5-Réverbération Loi de Sabine : Tr 60 = 0,16. A V Formule de Sabine Tr 60 : Temps de réverbération en seconde 0.16 : Constante V : Volume du local en m 3 A : Aire d'absorption équivalente α1:coeff. de Sabine de l'objet 1 S1: Surface de l'objet 1 avec A =(α1 x S1) +(α2 x S2)+... L aire d absorption équivalente est égale à la somme de chaque surface (S1, S2...) multipliée par son coefficient alpha Sabine (α1, α2...) Le degré d absorption acoustique d un matériau pour une certaine bande de fréquence est caractérisé par le coefficient de Sabine αn, qui détermine la quantité d énergie absorbée. Ce coefficient αn permet de comparer les performances des différents produits. Si αn Sabine tend vers 1 cela signifie que la paroi a absorbée la totalité de l énergie et que rien n est réfléchie, le matériau est absorbant Si αn Sabine = 0 ou tend vers 0 cela signifie que la paroi a réfléchie la totalité de l énergie et que rien n est absorbé, le matériau est réverbérant 23

24 6-Répartition Champ direct / Champ réverbéré Écoute 2 Écoute 1 Source Le niveau du son direct diminue en fonction de la distance source auditeur. Écoute 3 Le niveau du son réverbéré évolue peu avec la distance L éloignement par rapport à la source diminue le délai des premières réflexions Source image 24

25 6-Répartition Champ direct / Champ réverbéré Intensité directe 1 I R = W/A I R > I d 1 Source Intensité directe 2 2 I R < I d I R = Établissement du son réverbéré EMISSION SONORE Régime permanent t W. 1 e τ A I R = I R = A W Extinction du son réverbéré I R = W.e A t τ t Distance Critique I R = I d W la puissance de la source (en Watt) A la surface d absorption équivalente (en m 2 ) τ la constante de temps (en s). 4.V A.C τ = V : Volume de la salle ; C célérité de l air 25

26 6-Répartition Champ direct / Champ réverbéré Expression de la pression directe : W 2 p D = ρ.c.. Q 2 4. π.r Expression de la pression réverbérée : p R 2 = 4.ρ.C.I R = 4.ρ.C. A W Expression de la pression totale : p 2 = p D 2 + p R 2 = Q ρ.c.w π.r + A 4 Expression du niveau de pression total : L p = L W + 10.log Q 4. π.r 2 + A 4 ρ.c : impédance de l air W : Puissance Acoustique r : distance source auditeur Q : Facteur de directivité A : Surface équivalente d absorption de salle 26

27 6-Répartition Champ direct / Champ réverbéré 0 NIVEAU (db) NIVEAU DU CHAMP DIRECT X 2.X Dc 4.X 8.X DISTANCE DE LA SOURCE NIVEAU DU CHAMP TOTAL NIVEAU DU CHAMP REVERBERE Dans un espace réverbérant: l indice principal est la proportion son direct/son réverbéré. La précision dépend moins de la connaissance de la source. Cet indice permet d évaluer la distance mais plus rarement la localisation. 27