ACOUSTIQUE ARCHITECTURALE

ACOUSTIQUE ARCHITECTURALE

L’acoustique architecturale s’intéresse aux problèmes acoustiques posés par l’art du bâtiment.

Elle traite en particulier des problèmes concernant la protection des locaux contre les bruits et les vibrations, et des conditions optimales d’émission et de réception des ondes sonores dans un local.

1. Propagation des bruits extérieurs

On peut distinguer trois sortes de bruits extérieurs, et d’abord la transmission par les ouvertures.

La propagation dépend des dimensions des ouvertures. Pour les grandes ouvertures, portes, fenêtres, gaines de ventilation, etc., l’énergie transmise est proportionnelle à la surface de l’ouverture. Au point de vue physique, le niveau sonore en décibels (dB) augmente comme le logarithme de la surface de l’ouverture. Au point de vue subjectif, comme la décroissance du niveau de sensation est d’autant plus rapide que le niveau physiologique est plus faible, on obtient une meilleure protection contre les bruits de niveaux moyens que contre les bruits de niveaux élevés.

Pour les petites ouvertures, il se produit un phénomène de diffraction dont les conséquences sont les suivantes: les sons graves (de grande longueur d’onde) sont beaucoup plus mal transmis que les sons aigus (de petite longueur d’onde). La transmission est plus faible pour un grand nombre de petites ouvertures que pour une grande ouverture de surface équivalente. Il est ainsi préférable de ménager cent ouvertures de 1 mm² qu’une seule ouverture de 1 cm².

Aux fréquences moyennes, le niveau de sensation diminue lentement avec la surface de l’ouverture. Aux fréquences basses et aux fréquences élevées, le niveau de sensation décroît très vite avec la surface de l’ouverture.

Il existe également une transmission par effet de paroi. La paroi (cloison, mur, etc.) constitue un système oscillant dont la masse est prépondérante. Soumise à une force extérieure F sin 諸t (supposée sinusoïdale, par simplification), l’équation du mouvement:

permet de calculer l’amplitude a , prise par la paroi, soit:

L’amplitude décroît avec la masse et comme le carré de la fréquence. Le mouvement de la paroi devient insignifiant quand la fréquence est élevée, les sons graves sont mieux transmis que les sons aigus.

Pratiquement, l’affaiblissement de transmission est proportionnel au logarithme de la masse m , il faut donc une masse importante pour obtenir un bon affaiblissement; on peut réduire le niveau de bruit initial par une première paroi et diminuer la transmission par une seconde paroi. Comme les affaiblissements s’ajoutent, l’intérêt de la double paroi est évident. Une double paroi est constituée par deux cloisons séparées par une lame d’air qui assure le couplage entre les deux systèmes oscillants. Pour que le couplage reste lâche, il faut une lame d’air suffisamment épaisse afin d’assurer un déphasage net entre les deux parois; en pratique, il convient de respecter une distance représentant l’épaisseur de la lame d’air telle que d 閭/4. Enfin il est préférable d’utiliser des parois de structures et d’épaisseurs différentes, de façon à éviter les phénomènes de résonance.

Il existe enfin une transmission par conduction. Il s’agit d’un mode de transmission des bruits par des ébranlements mécaniques causés aux parois ou aux liens solides en contact avec le local où se trouve la source et les autres locaux. Ces ébranlements sont généralement des chocs ou des bruits d’impact.

En particulier, certains milieux canalisent l’énergie; tel est le cas des tuyauteries qui constituent des guides d’ondes transportant et conservant l’énergie reçue. L’énergie ainsi transportée est rayonnée dans le local de réception. Le rayonnement dépend de la surface rayonnante, il est important pour les radiateurs de chauffage. De même les éléments d’ossature en béton armé constituent des guides des bruits de chocs ou d’impact.

Les solutions utilisées pour éviter ces transmissions de bruit sont diverses:

– mettre les canalisations hors de portée des chocs extérieurs;

– pratiquer des coupures telles que manchon en plomb dans une canalisation d’eau en cuivre, coupures de plomb dans une ossature en béton, etc.

2. Acoustique interne

Généralités

Les salles d’écoute, les studios d’enregistrement, les locaux d’habitation doivent posséder un certain nombre de caractéristiques acoustiques.

L’acoustique interne définit les qualités souhaitables et propose les corrections parfois nécessaires. Wallace Clement Sabine a étudié ces problèmes et a reconnu qu’une des caractéristiques essentielles des salles était le temps de réverbération. Il a appelé temps de réverbération, le temps T qui s’écoule entre le moment où la source cesse d’émettre et le moment où l’intensité acoustique moyenne du son dans la salle a décru jusqu’au millionième de sa valeur initiale, ce qui représente un affaiblissement de 60 dB.

Première loi de Sabine : «La courbe d’établissement d’un son et sa courbe d’affaiblissement ont une allure approximativement exponentielle.»

La décroissance du niveau sonore est exponentielle si la salle est de forme régulière et si l’absorption est uniforme.

Seconde loi de Sabine : «Le temps de réverbération ^R est quasiment indépendant de la position de la source et de la position d’écoute.» La réverbération est utile puisqu’elle contribue à renforcer l’intensité acoustique dans les salles. Elle est nuisible parce qu’elle produit un «effet de masque» des sons successifs.

Il y a donc à trouver un compromis et un temps de réverbération optimal. Le temps de réverbération doit être adapté aux conditions d’utilisation de la salle. Pratiquement, il peut être calculé en fonction du volume (en m³) par la relation:

^R = KV^1/3, V étant le volume de la salle, K un coefficient qui varie de 0,075 pour une salle de conférence à 0,09 pour une salle de concert, et atteint 0,1 pour un édifice religieux. L’écho se manifeste quand l’oreille perçoit deux ou plusieurs sons distincts à partir de l’émission d’un son. Ce phénomène est dû à la réflexion des ondes acoustiques sur les parois de la salle. Entre deux parois lisses et parallèles, les ondes sonores se réfléchissent un grand nombre de fois sans affaiblissement notable.

Les ondes acoustiques interfèrent selon leur déphasage, et, pour certaines fréquences, il en résulte une annulation ou une atténuation considérable. D’autres fréquences arrivent en phase, ce qui conduit à un renforcement.

Lorsque le son émis est bref, ces variations donnent l’impression d’une série d’échos très rapprochés, c’est le flutter echo . Tout phénomène d’écho doit être proscrit. Pour cela il faut éviter les grandes surfaces lisses et parallèles. Le traitement absorbant d’au moins une des surfaces permet de résoudre le problème.

Matériaux absorbants

La détermination du temps de réverbération d’une salle exige la connaissance du coefficient a d’absorption des matériaux de revêtement intérieur des parois. On définit ainsi le rapport de l’énergie absorbée à l’énergie incidente.

Une des méthodes classiques, utilisée pour la mesure du coefficient a , consiste à introduire une certaine surface S¹ du matériau absorbant dans une chambre réverbérante de surface réfléchissante S et ayant, avant l’introduction du matériau, un temps de réverbération:

a ⁰ désignant le coefficient d’absorption des parois réfléchissantes. Après introduction du matériau, on relève un temps de réverbération:

d’où a en éliminant a ⁰ des deux équations.

On peut distinguer plusieurs types de matériaux absorbants. D’abord les matériaux poreux (étoffes, tapis, feutres, laine de verre, panneaux de fibres végétales ou minérales, plâtres acoustiques). Dans ces matériaux, l’énergie sonore est dissipée par viscosité. L’énergie absorbée étant d’autant plus grande que l’énergie réfléchie à la surface est faible, il faut que les impédances des milieux air et matériau soient adaptées. Dans ces matériaux, le taux d’absorption croît avec la fréquence: très faible pour les basses fréquences, il devient important pour les fréquences élevées.

Un autre type d’absorbant est constitué par les membranes vibrantes. On retrouve ici l’effet de paroi, les membranes sont des absorbants pour les fréquences basses.

Enfin, le dernier type d’absorbant est le résonateur. Un résonateur acoustique est équivalent à un système mécanique masse-ressort ^{[cf. ACOUSTIQUE]}. Le résonateur acoustique est un solide creux, muni d’un goulot. La masse d’air contenue dans le goulot est mise en mouvement, il se produit un amortissement, une fraction de l’énergie est dissipée par frottement sur les parois du goulot, et par viscosité dans un matériau poreux placé à l’intérieur du résonateur.

Une des formes les plus usuelles de résonateurs absorbants est celle des panneaux perforés. On peut également réaliser des panneaux à fentes indéfinies ou à fentes courtes.

Tous ces systèmes sont plus ou moins sélectifs. Pour obtenir une absorption égale en fonction de la fréquence, on utilise des résonateurs de caractéristiques différentes, montés en série ou en parallèle.

Acoustique des salles

L’acoustique des salles est un domaine d’activité où concourent la science, l’art, l’architecture et la psychologie. C’est le champ d’étude de prédilection de l’interaction entre l’homme et son environnement sonore.

Dès la plus lointaine antiquité, les esprits curieux ont porté leur attention sur les phénomènes de réflexion, simples ou multiples, et sur les phénomènes de réverbération. Des exemples datant de l’âge de pierre ou de lointaines civilisations sont arrivés jusqu’à nous. C’est ainsi que le concept classique de théâtre est apparu avec l’essor de la civilisation grecque. Les amphithéâtres, tel celui d’Épidaure, sont marqués par une géométrie à caractère circulaire ou elliptique. Cette disposition permet de regrouper au mieux les spectateurs autour de la scène et d’assurer une distribution sonore optimale. Les amphithéâtres romains procèdent au départ du même principe, bien que leur architecture soit beaucoup plus élaborée. L’adjonction de surfaces réfléchissantes à proximité des locuteurs, comme au théâtre d’Orange, permet un niveau d’écoute plus confortable et favorise un certain «effet d’espace». Également conçus suivant une géométrie à caractère semi-circulaire, mais de dimensions plus réduites, les odéons étaient spécialement destinés à l’art musical. Ils témoignent de la sensibilité des Anciens aux exigences de la musique, distinctes de celles de la parole.

Un millénaire est passé avant que de nouvelles conceptions n’apparaissent; la Renaissance italienne a marqué l’évolution des théâtres par la fermeture complète du lieu d’écoute, tout en conservant au début la forme de la scène et des gradins de l’Antiquité. Pour la première fois dans l’histoire des théâtres, le son subit de multiples réflexions qui donnent naissance à un processus régulier de réverbération. Ce processus qui prolonge les sons directs et les premières réflexions est très sensible à la présence des spectateurs et rend de ce fait variable la qualité acoustique du local. À cette époque, rien ne séparait les acteurs (chanteurs et danseurs) de l’orchestre accompagnateur. La création de l’art de l’opéra au XVII^e siècle s’accompagna de l’agrandissement de l’ensemble instrumental, qui atteignit progressivement les dimensions d’un orchestre. L’avènement du théâtre lyrique fit de la sorte retirer l’orchestre de la scène pour l’installer dans une fosse.

Au fil des ans, artistes, auditeurs et maîtres d’œuvre ont commencé à appréhender les multiples facteurs qui gouvernent la qualité acoustique d’un auditorium. De nombreuses salles construites dans le monde entier depuis trois siècles témoignent d’une recherche de l’esthétique sonore conjuguée aux soucis d’une harmonie architecturale. Sans qu’ils soient toujours exprimés clairement, les critères de qualité musicale s’affinent: l’équilibre sonore entre le chant issu de la scène et son accompagnement orchestral, l’optimalisation de la réverbération en fonction de la finalité du local, de la hauteur du son et des types de musique, la distribution spatiale de l’énergie, la diffusion et l’impression d’«espace sonore» et toutes sensations liées aux paramètres psychologiques, aux époques et aux civilisations sont autant de notions auxquelles les initiés sont sensibles.

Mais les ouvrages qui ont marqué leur époque et qui restent très appréciés sont entourés d’un flot de réalisations de qualités acoustiques médiocres. Ce n’est qu’à la veille du XX^e siècle que fut entreprise la première analyse scientifique des champs acoustiques dans les espaces clos. Le travail de systématisation rigoureux et méthodique engagé à cette époque a été poursuivi jusqu’à nos jours. On peut distinguer trois périodes dans l’évolution de l’acoustique architecturale depuis 1900, chacune d’elles s’étendant environ sur vingt-cinq ans.

Le premier quart du XX^e siècle débuta avec la quantification de la notion de réverbération. Wallace-Clément Sabine, tout en restant sensible aux multiples aspects de la qualité acoustique que nous connaissons aujourd’hui, fit porter ses efforts sur la notion essentielle de durée de réverbération, définie de façon qualitative au début comme le temps qui sépare l’extinction d’une source sonore de la disparition complète du son dans la salle, et la relia à la géométrie et à la nature des parois (cf. supra , Acoustique interne , Généralités). Cette quantité, liée à la qualité d’écoute, amena son auteur à proposer quelques idées relatives à la réverbération optimale en fonction du type d’activité qui doit prendre place dans la salle. Les quelques études statistiques simples (qui constituaient une approche de la compréhension des phénomènes) et les méthodes de tracés de rayons acoustiques (qui permettaient d’appréhender la distribution de l’énergie sonore dans les salles et ainsi d’éviter l’existence de zones de focalisation, d’ombres acoustiques ou d’échos multiples), ajoutées aux connaissances acquises sur la réverbération, laissaient l’impression dans les années 1925 d’une certaine simplicité des problèmes de l’acoustique des salles.

Par la suite, on a montré l’extrême complexité des problèmes, et les spécialistes semblaient un peu embarrassés. Publiée à l’aube de la Seconde Guerre mondiale, la théorie ondulatoire qui permet de calculer les caractéristiques physiques du champ sonore soit en régime stationnaire, soit en régime transitoire, dans des milieux à géométrie simple et à faible absorption, prévoit des séries de modes de résonances qui sont préjudiciables à l’uniformité du champ dans la salle, tant en fonction du point considéré qu’en fonction de la hauteur des sons qui y sont produits. Le comportement acoustique de la salle est d’autant moins favorable que les fréquences de résonances sont séparées les unes des autres. Dans le cas d’un volume parallélépipédique rectangle délimité par des parois parfaitement réfléchissantes, les fréquences propres sont données par la relation particulièrement simple suivante:

où C désigne la célérité du son, n ^x , n ^y et n ^z des nombres entiers positifs ou nuls, l ^x , l ^y et l ^z les dimensions du volume. Bien que quantitativement inutilisable dans les milieux à géométrie plus complexe ou à frontières dont les propriétés acoustiques ne sont pas simples, la théorie ondulatoire a permis d’appréhender nombre de phénomènes subtils, mais, corrélativement, n’a fait qu’accroître la perplexité des acousticiens responsables de la réalisation des salles. Parallèlement, les investigations profondes de la psychophysique des problèmes ont encore augmenté le malaise des spécialistes.

Or c’est à cette époque qu’apparurent de nouveaux besoins liés au développement de l’électroacoustique. Pour la première fois, les acousticiens furent confrontés à la réalisation de studios pour l’enregistrement et de salles polyvalentes (salles prévues pour la parole et la musique en tous genres) munis de systèmes d’amplification électro-acoustique. Le troisième quart de siècle a permis, d’une certaine manière, de débloquer la situation des années cinquante.

Depuis plusieurs décennies, les progrès de la technique ont permis de dépasser les études purement théoriques et analytiques. La métrologie acoustique s’est affinée et a autorisé des études prévisionnelles de salles sur maquettes, limitant considérablement les risques d’erreurs difficiles à résorber a posteriori. L’utilisation des ordinateurs a ouvert la voie à des techniques de simulations jusqu’alors totalement irréalisables et a permis le traitement numérique des problèmes théoriques restés en suspens; il a finalement fourni dans la pratique une assistance à tous points de vue efficace.

La sophistication des techniques, la puissance des ordinateurs, le raffinement des théories et des modèles ouvrent la porte à de nouveaux espoirs, dans le domaine de l’acoustique des salles comme dans beaucoup d’autres; l’absorption et la réverbération «actives», créées par des systèmes électroacoustiques complexes et non plus par des matériaux ou des systèmes acoustiques passifs en sont des exemples. Par ailleurs, la subtilité des liens qui se tissent entre l’acoustique architecturale et les disciplines voisines (génie architectural, musique, arts visuels, parole, psychologie...) en font un domaine d’étude dont l’étendue reste très vaste et qu’il est commode de répertorier en quatre grands chapitres: la théorie ondulatoire, les modèles statistiques, les méthodes géométriques et la psycho-acoustique.

● Acoustique architecturale ensemble de techniques mises en œuvre pour maîtriser le son dans les bâtiments. (Elle recherche les meilleures conditions d'audition par l'étude des formes et le choix des matériaux. L'isolation acoustique se développe parallèlement.)

Encyclopédie Universelle. 2012.