ASDS- PE- RPS TS- SPE THÈME SONS ET MUSIQUE CHAMBRE SOURDE/ CONTRÔLE ACTIF DU BRUIT NOM :... PRÉNOM :... CLASSE :... DATE :... PARTIE A : ASDS : LES CHAMBRES SOURDES Les chambres sourdes sont des salles dont les parois, le sol et le plafond sont totalement absorbants aux ondes sonores. Elles sont conçues spécialement pour supprimer les sons parasites et les échos dus aux réflexions. Comment sont- elles constituées? Quellessont leurs utilisations? Document n 1 : écho ou réverbération? L écho est le phénomène acoustique qui consiste en une ou plusieurs répétitions distinctes d'un son. Il y a écho «simple» si le son n'est répété qu'une seule fois, et écho «multiple» s'il est répété deux fois ou davantage. Le phénomène d'écho est dû à un décalage temporel entre la perception directe d'un son et la perception du même son après que celui- ci ait subi une ou plusieurs réflexions sur une surface (mur dans une salle, flanc de montagne dans la nature). Ce décalage provient de ce que la vitesse du son dans l'air (340 m/s) est peu élevée, contrairement à celle de la lumière : une distance de 34 m entraîne un retard de 100 millisecondes entre le moment de la perception et le moment de l'émission d'un son. Si ce décalage temporel est peu important, il n'y a pas répétition, mais simple prolongement du son émis : on parle alors de réverbération plus ou moins longue. Pour qu'il y ait écho, il faut que le son réfléchi ne parvienne à l'auditeur qu'après un certain temps qui permette de le différencier nettement du son émis. Ce temps est de l'ordre de 100 millisecondes pour la musique, et seulement de 40 millisecondes pour la parole. Au- delà, l'écho se manifeste, et en se superposant à la suite des sons émis dans un morceau musical ou un texte parlé, il en brouille l'intelligibilité. Ce phénomène constitue donc un défaut acoustique extrêmement nuisible dans les salles et l on y remédie en rendant certaines parois absorbantes, ou en brisant le parallélisme de certains murs. D après http://www.larousse.fr/encyclopedie/musdico/%c3%a9cho/167404 Document n 2 : Réflexion, absorption et transmission du son Lorsqu une onde sonore rencontre un matériau, une partie de son intensité est réfléchie, une autre partie est transmise à travers le matériau, et une dernière partie est absorbée. Dans le cas où l'obstacle est massif et beaucoup plus grand que la longueur d'onde, comme c'est le cas dans un canyon ou à la montagne, le son est réfléchi en direction de l'émetteur. Généralement, l'angle de réflexion est le même que l'angle d'incidence par rapport au plan de l'obstacle, mais les irrégularités de la surface peuvent conduire au phénomène de diffusion, qui renvoie alors les ondes dans toutes les directions avec atténuation de leur amplitude. Dans la plupart des cas, un objet ne peut pas réfléchir complètement et parfaitement le son : une partie incomplète ou déformée du son est renvoyée par l objet, le reste étant absorbé par la surface rencontrée. Document n 3 : Chambre «sourde» Document vidéo : «J ai testé pour vous une chambre sourde» (les 2 premières minutes ) C est bon le silence, pour méditer par exemple mais il peut parfois devenir insupportable et c est le cas d une salle aux États- Unis, qui détient le record de la salle la plus silencieuse du monde. Une personne à réussi à y rester enfermé, dans l obscurité, pendant 45 minutes et c est le maximum avant d être envahi par les hallucinations. Cette pièce est une chambre anéchoïque ou chambre sourde et elle se trouve aux Laboratoires de Orfield dans le sud de Minneapolis. Elle absorbe 99,9 % du son grâce à un mur acoustique fait de cônes en fibre de verre d un mètre d épaisseur, d une double paroi d acier et de 30 cm de béton. Le propriétaire des lieux, Steven Orfield (sur l image ci- après), met au défi quiconque voudrait s assoir dans la chambre, dans le noir. Un journaliste a réussi a y resté pendant 45 minutes et Orfield n y tient que 30 minutes, très gêné par le bruit de sa valve cardiaque artificielle. Les oreilles s adaptent au silence et plus silencieuse est la salle, plus de choses vous entendez. Vous entendrez les battements de votre coeur, parfois, vous pouvez entendre vos poumons, votre estomac grondant. Bref, dans la chambre anéchoïque, vous devenez le son. Et c est une expérience très dépaysante, selon M. Orfield et c est tellement déconcertant que de s y tenir est un privilège : «Vous vous orientez à l aide des sons que vous entendez lorsque vous marchez. Dans la chambre anéchoïque, vous n avez pas ces indices. Vous vous soustrayez des indices 1
perceptifs qui vous permettent l équilibre et la manoeuvre. Si vous y êtes pour une demi- heure, vous devrez vous assoir sur une chaise.» La chambre est utilisée pour mesurer les ondes acoustiques ou électromagnétiques, vérifier la qualité sonore en générale et notamment par les fabricants qui testent le niveau sonore de leurs produits comme des valves cardiaques, le son d un écran de téléphone portable, machines à laver, motos La Nasa possède une chambre similaire, dans laquelle est, en plus, placée une cuve remplie d eau. Les astronautes y sont enfermés pour voir combien de temps il faut avant que les hallucinations ne surviennent et comment faire avec. L espace est comme une chambre anéchoïque géante, il est donc essentiel que les astronautes soient en mesure de rester concentrés. Document n 4 : Structure des parois des chambres sourdes Les chambres sourdes servent à certaines études d acoustique. Leurs parois sont formées de dièdres absorbants (éléments en forme de pyramide), disposés en chicanes et généralement constitués en mousse de mélamine ou en laine de verre. L onde sonore incidente qui arrive sur un dièdre et qui n est pas absorbée après Une première réflexion, est réfléchie vers l intérieur du dièdre et non vers l intérieur de la chambre sourde. L onde incidente est absorbée au fur et à mesure des multiples réflexions jusqu à absorption totale. Analyse et synthèse : 1. Quel phénomène physique est à l origine de l écho? 2. Quelle condition doit être réalisée pour percevoir un écho? 3. Quelle différence existe- t- il entre écho et réverbération? 4. Une surface peut- elle réfléchir complètement et parfaitement un son? Expliquer. 2
5. Comment procède- t- on pour réduire la durée des échos dans une chambre sourde? 6. À l aide d un schéma représentant les parois d un dièdre, expliquer les deux dernières phrases du doc.4. 7. Quelle est la principale propriété d une chambre sourde? Expliquer le choix du mot «anéchoïque»? 8. Quelles utilisations peut- on envisager pour une chambre sourde? 3
PARTIE B : EXPERIMENTATION : CONTROLE ACTIF DU BRUIT L isolation phonique a pour but d éviter la propagation des ondes sonores venant de l extérieur ou de l intérieur en les absorbant grâce à des matériaux qualifiés d isolants acoustiques. Il s agit d une méthode de contrôle passif du bruit basée sur l absorption acoustique. On peut également détruire le bruit par le bruit : on parle alors de contrôle actif du bruit (CAB). I - Principe de fonctionnement du contrôle actif du bruit Le contrôle actif du bruit repose sur la production d un bruit «opposé» à celui que l on souhaite atténuer. Le son de la source de bruit est analysé en temps réel par des contrôleurs dédiés au traitement du signal. Un contre- bruit est alors généré et envoyé vers un haut- parleur de sorte que le bruit et le contre- bruit soient en opposition de phase. Le temps de calcul nécessaire pour créer le contre- bruit et pour le transférer au haut- parleur posent certaines limites qui réduisent considérablement le bruit initial (de 25 à 30 db environ) sans le supprimer totalement. 1. Sur quel principe est basé le contrôle passif du bruit? 2. Quel type d interférences doit- il se produire entre le bruit et le contre bruit? 3. Sur quel principe est basé le contrôle actif du bruit? II - Expériences À l aide du logiciel Audacity, on génère un bruit constitué d une onde sonore sinusoïdale de fréquence f. On cherche à atténuer ce bruit par contrôle actif du bruit. 4. Quelle est la période T du signal représenté ci- contre? En déduire sa fréquence f. 5. Quelles doivent être les caractéristiques du contre bruit pour atténuer le bruit initial? - À l aide du logiciel Audacity, générer un son initial : Générer è Son : Sinusoïde, 880 Hz, Amplitude 0,8. L associer dans la «Piste audio» au «Canal gauche». - Créer une «nouvelle piste audio mono» : Piste Ajouter Piste mono. - Générer un second son identique au précédent dans la même fenêtre. L associer dans la «Piste audio» au «Canal droit». - Dans le menu «Effet» ajouter l effet «Inverser» au second son : ce second son est le contre- son. - Placer votre oreille comme l indique le schéma ci- contre et la déplacer selon l axe D lorsque le son et le contre- son sont émis en même temps. 6. Conclure - Brancher un micro à l entrée EA0 de la carte d acquisition et visualiser le son perçu sur une fenêtre de latispro rechercher la position du micro pour laquelle le son reçu par le micro a une amplitude minimale 4
ASDS- PE- RPS TS- SPE THÈME SONS ET MUSIQUE CHAMBRE SOURDE/ CONTRÔLE ACTIF DU BRUIT NOM :... PRÉNOM :... CLASSE :... DATE :... PARTIE C : RESOLUTIONS DE PROBLEMES SCIENTIFIQUES Problème 1 : Écho créé par un mur de scène Problème 1 : Écho créé par un mur de scène (sans machine) Dans une salle de théâtre, les ondes réfléchies par le mur du fond de la scène ne pouvant pas être totalement évitées, l essentiel est que tous ces échos n arrivent pas avec un trop grand retard par rapport au son direct afin de ne pas nuire à l intelligibilité de la parole. Deux sons sont perçus distinctement lorsqu ils arrivent aux oreilles d un auditeur avec un décalage temporel supérieur à 40 ms. On considère un orateur placé en un point A distant de d (en mètres) du mur formant le fond de la scène. Donnée : célérité des sons dans l air, v = 340 m.s- 1 Problème : Déterminer la profondeur maximale de la scène permettant à un spectateur S, situé à 6,0 m de la scène, de comprendre nettement la parole de l orateur. Problème 2 : coefficient d absorption acoustique On s intéresse à deux salles de forme parallélépipédique de même dimensions, de longueur L, de largeur l et de hauteur H. L une des salles est utilisée comme salle de réunion et l autre comme salle de cinéma. Dans un espace clos, telle que la salle de cinéma, les parois et les objets présents se comportent comme des sources secondaires. Au son direct, se superposent des sons réfléchis, diffusés et diffractés, on parle de phénomène de réverbération. Celui- ci se caractérise par la mesure de la durée de réverbération notée TR (Temps de Réverbération). La formule de Sabine permet de calculer TR en fonction du volume V de la salle et de la surface équivalente d absorption A : TR = 0,16. V A La surface équivalente A se calcule en considérant les surfaces Si des parois et leur coefficient d absorption acoustique : T A = α!. Sans revêtement particulier de ces salles et sans immobilier, leur durée de réverbération est TR = 2,2 s. Dans la salle de cinéma, les murs sont recouverts d un matériau de coefficient d absorption α! = 0,20. On néglige l absorption par le sol par rapport aux absorptions par les murs et le plafond. Données : L = 15,0 m, l = 10,0 m et H = 3,2 m.! S! 5
Problème : a) Déterminer le coefficient d absorption acoustique α! ; du matériau avec lequel recouvrir le plafond de la salle de cinéma pour amener son TR à une valeur de 1,5 s. b) Les murs de la salle de réunion étant recouverts du même matériau, son plafond doit- il être plus ou moins absorbant que celui de la salle de cinéma 6