Correction et traitement acoustique.

Objectifs de la correction.

La correction acoustique acoustique a pour objectif d’assurer la qualité acoustique interne d’un local, qui peut être :

- un lieu où l’écoute doit être favorisée, c’est-à-dire où le niveau sonore en provenance de la source doit être renforcé (salle de spectacle, salle d’enseignement).

- un lieu où le niveau sonore doit être diminué (local industriel, atelier, bureau, préau d’école, circulation commune, ...)

- un lieu acoustique spécifique, c’est-à-dire un lieu où, le niveau sonore doit être diminué, et l’écoute à faible distance favorisée (salle de sport, piscine, restaurant)

L’obtention d’une bonne correction acoustique dépend :

- du volume et de la forme du local.

- de la qualité de ses parois, déterminée en particulier par les matériaux qui les recouvrent.

Transmission, réflexion, absorption

Quand une onde sonore rencontre la paroi d’un local :

- une partie de l’énergie incidente est transmise de l’autre côté de la paroi, c’est-à-dire vers l’extérieur ou vers un local voisin.

- une autre partie est absorbée.

- une dernière partie est réfléchie par la paroi.

Ce constat s’exprime par : 

EI = ET + EA + ER

Réverbération

Dans un local, un son parvient à l’auditeur :

- tout d’abord directement 

- puis après avoir été réfléchi une ou plusieurs fois sur les parois. 

Si le son parvenant à l’auditeur après réflexion est distinct du son lui parvenant directement, il y a écho. 

Si le son parvenant à l’auditeur après réflexion n’est pas distinct du son lui parvenant directement, il y a réverbération.

Le temps de réverbération Tr d’un local est le temps (en s) que met le son pour que son intensité diminue de 60 dB après interruption de la source sonore.

Absorption

La qualité acoustique d’un local dépend, pour une partie, de sa durée de réverbération. Il faut donc, selon la qualité désirée, augmenter ou diminuer la partie absorbée de l’énergie, en jouant sur les surfaces absorbantes.

Plus il y a d’absorbants dans une salle, plus la durée de réverbération est courte, donc :

- plus le message émis est clair (intelligible) car non perturbé par les réflexions.

- plus le message émis est faiblement entendu, car moins nourri par les réflexions.

Matériaux absorbants

Analogie : le rebond d’un ballon contre un mur est plus faible si l’on a placé préalablement un rideau devant ce mur. De la même manière, les matériaux absorbants réduisent l’énergie acoustique réfléchie.

On peut distinguer trois grands types de matériaux absorbants :

Matériaux poreux et fibreux

Résonateurs

Membranes

En acoustique, les matériaux absorbants (absorption des hautes fréquences) sont à porosité ouverte (leurs pores communiquent entre eux).

Dans ces matériaux, l’air est mis en mouvement par les ondes sonores. Elles perdent de l’énergie par suite des frottements des particules d’air sur le matériau, et l’énergie acoustique est transformée en chaleur.

Pour augmenter l’absorption de ce type de matériau aux fréquences basses, il suffit d’augmenter l’épaisseur du matériau.

Un résonateur à air est un récipient communiquant avec l’extérieur par un tube étroit. Chaque résonateur a une fréquence propre. Lorsque la pression acoustique agit sur l’entrée du résonateur (col), l’air contenu dans le col se déplace et comprime la masse d’air contenue dans le résonateur. Celle-ci se détend, ce qui crée une vibration. 

Quand la fréquence du son est la même que celle du résonateur, il y a résonance, et la vitesse du mouvement de l’air contenu dans le col augmente, s’accompagnant d’un dégagement de chaleur sur les parois du col, d’autant plus grand que la vitesse du mouvement d’air est importante.

La fréquence propre d'un résonateur dépend : de la longueur du col, du diamètre et de la section du col et du volume du corps

Les matériaux perforés devant un plénum, peuvent être considérés comme un réseau de petits résonateurs dont les cols constituent les perforations du panneau. Leur absorption est maximale dans les fréquences médiums. Exemples : éléments en bois ou béton comportant des fentes, briques perforées, plaques perforées en plâtre, bois, métal...

Les membranes, également appelées «diaphragmes» ou «panneaux fléchissants», se composent de panneaux montés sur un cadre, placés à quelques centimètres d’une paroi et emprisonnant une lame d’air entre eux-mêmes et la paroi.

Lorsque les ondes acoustiques arrivent sur le panneau, celui-ci se déforme et comprime la lame d’air qui, agissant comme un ressort, renvoie le panneau. Il se crée donc une vibration. Quand la fréquence des ondes acoustiques est la même que la fréquence de vibration du panneau, il y a résonance. Encore une fois, il y a mouvement d’air, et l’énergie acoustique est transformée en chaleur. De plus, une partie de l’énergie acoustique, en mettant la plaque en mouvement, est transformée en énergie mécanique, elle-même transformée en chaleur par les frottements de déformation.

Coefficient d’absorption α

L’absorption d’une paroi, et notamment de son matériau de surface, est caractérisée par le coefficient d’absorption α. Il s’agit du rapport de l’énergie acoustique absorbée à l’énergie acoustique incidente, soit :

α=EA/EI

où EA est l’énergie acoustique absorbée

et EI est l’énergie acoustique incidente.

Par exemple, si sur une certaine bande de fréquence, le matériau absorbe 60% de l’énergie incidente, le coefficient d’absorption α à cette bande de fréquence est de 0,6.

Le coefficient d’absorption α est théoriquement compris entre 0 (toute l’énergie incidente est réfléchie) et 1 (toute l’énergie incidente est absorbée).

Aire d’absorption équivalente A

Pour connaitre les qualités d’absorption d’une paroi, il faut la comparer à une paroi parfaitement absorbante. Par exemple, une paroi de 40 m2, composée d’un matériau dont le coefficient α est égal à 0,25 est équivalente à une paroi de 10 m2 composée d’un matériau parfaitement absorbant (α=1). Dans ce cas, 10 m2 correspond à «l’aire d’absorption équivalente» de la paroi de 40 m2 ayant un α de 0,25.

L’aire d’absorption équivalente est donc définie comme valeur de la surface fictive d’une surface parfaitement absorbante, soit : A = S.α

Dans un local, les parois peuvent être de différentes natures. Pour calculer l’aire d’absorption équivalente A à une fréquence, il faut faire la somme des produits des surfaces élémentaires par leur coefficient d’absorption α à cette fréquence.

Diffusion

La diffusion est la répartition plus ou moins homogène des ondes sonores, provoquée simultanément par des phénomènes de réflexion, de réfraction, et de diffraction. 

Soit un mur en accordéon présentant des soufflets de largeur l :

- si la longueur d’onde λ de l’onde incidente est plus grande que la largeur du soufflet, l’onde va se réfléchir par rapport au plan du mur.

- si la longueur d’onde λ de l’onde incidente est du même ordre de grandir, l’onde va se réfléchir de manière diffuse.

- si la longueur d’onde λ de l’onde incidente est plus petite que la largeur du soufflet, l’onde va se réfléchir par rapport à la partie inclinée de ce dernier.

Plus les tailles des irrégularités que présente la paroi sont variées, plus le nombre de fréquences diffusées est élevé. Dans une salle de musique (où peuvent être diffusées toutes sortes de fréquences), les diffuseurs devraient idéalement offrir autant de forme qu’il y a de fréquences à diffuser.

Les formes empiriques des statues, des moulures, et des luminaires ont souvent favorisé une bonne diffusion du son, comme à l’Opéra de Paris. Des recherches récentes ont cependant permis d’adopter une approche plus rationnelle. Afin d’augmenter l’homogénéité du son dans un local, Manfred R. Schroeder a conçu le «diffuseur à résidu quadratique», encore appelé «diffuseur de Schroeder». Basé sur la théorie des nombres aléatoires, il renvoie la même quantité d’énergie dans toutes les directions.

Traitement des locaux

Le volume d’un local et la qualité de ses parois (en termes de réflexion, d’absorption, et de diffusion du son) doivent être adaptés à son usage.

Calcul du temps de réverbération (théorique).

 

La formule de Sabine permet d’évaluer le temps de réverbération théorique d’un local, à partir de l’absorption et du volume :

Tr=0,16.V/A

où Tr est la durée de réverbération (en s), V est le volume du local (en m3), A est l’aire d’absorption équivalente, en m2

 

Le temps de réverbération d’un local est lié au volume  du local, et à sa capacité d’absorption :

- plus l’absorption est importante, plus le temps de réverbération sera court.

- plus le volume du local est important, plus le temps de réverbération sera long.

Champ direct et champ réverbéré

Dans les locaux de taille moyenne, la diminution du niveau d’intensité avec la distance est compensée par l’énergie réfléchie par les parois du local. Le champ direct occupe l’espace situé à une faible distance de la source sonore, tandis que le champ réverbéré occupe la zone du local dans laquelle le niveau sonore est quasiment constant.

En introduisant dans le local beaucoup d’absorbants, le champ direct est augmenté puisqu’il y a peu d’énergie réfléchie. C’est le cas des salles sourdes ou anéchoïques.

Quand il y a peu d’absorbants, l’influence du champ direct est diminuée puisqu’il y a beaucoup d’énergie réfléchie. C’est le cas des salles réverbérantes.

Décroissance du son (espace clos)

La décroissance du son en espace clos, appelée «décroissance spatiale», est la décroissance du niveau sonore par doublement de distance, notée DL et exprimée en dB ou dB(A).

Elle permet de caractériser la propagation du son dans un local. Elle est utilisée notamment pour la correction acoustique des bâtiments industriels.

L’indicateur DL est obtenu en mesurant, en des points situés à distance croissante d’une source sonore, la différence entre le niveau d’intensité, et le niveau de puissance acoustique émis par la source. Ces différences sont portées sur une courbe appelée «courbe de décroissance spatiale du son».

Défauts.

Ondes stationnaires : les ondes sonores se réfléchissant sur deux parois parallèles donnent naissance à des ondes stationnaires quand la distance entre les deux parois est égale à la demi-longueur d’onde du son incident, ou à un de ses multiples.

Ainsi, d=n.λ/2, soit λ=2d/n. En remplaçant λ  par son expression, on peut donc en déduire les fréquences de résonance : fr = 170n/d.

Echo : l’écho est l’effet d’une onde acoustique qui parvient à un point donné, après réflexion, avec une intensité et un retard suffisants pour être perçus comme étant distincte de l’onde directe. Quand le retard est de 1/10 s, l’auditeur perçoit un écho. Les sensibilités variant selon les individus, le décalage entre le son direct et le son réfléchi a été fixé à 35 ms, ce qui correspond à une différence de parcours de 12m.

Echo flottant : c’est une succession très rapide et régulière de sons provenant de la même source placée entre deux parois très réfléchissantes parallèles, peu éloignées l’une de l’autre. Lorsque les autres murs sont absorbants, ce défaut est particulièrement reconnaissable.

Focalisation : Les surfaces de forme concave peuvent réfléchir les ondes en un point appelé «foyer», phénomène indésirable qui implique le traitement de ces surfaces.

Eléments complémentaires.

Effet de masque : c’est la réduction de l’intensité perçue d’un bruit en présence d’un autre bruit. Il peut être nuisible (masquage de la voix au passage d’un avion) ou utile (confidentialité de cabinets médicaux par diffusion d’une musique d’ambiance).

Effet «cocktail party» : lors d’une réunion, le niveau sonore est faible quand la salle est peu occupée. Au fur et à mesure que la salle se remplit, les occupants s’expriment et font augmenter le niveau sonore, masquant le message des groupes voisins. Le niveau sonore s’élève d’autant plus, et l’ambiance devient inconfortable. Pour garder une intelligibilité suffisante, il est nécessaire de maitriser la durée de réverbération, ou de limiter le taux d’occupation.

Bruits émis par les équipements : des valeurs maximales sont préconisées pour les équipements afin qu’ils ne perturbent pas l’acoustique interne des locaux.

Traitement des locaux:applications.

temps de réverbération en fonction du local

Salles d’enseignement et salles de spectacle.

Observations générales :

- dans les salles de parole, il convient d’assurer une bonne compréhension du message verbal, soit une bonne intelligibilité, en veillant à ce que les mots ne soient pas brouillés par ceux prononcés précédemment.

- dans les salles de concert, il faut assurer une bonne musicalité. Celle-ci demande un temps de réverbération plus long que celui de la parole.

Une salle doit :

- avoir un temps de réverbération adapté à son usage, ce qui peut donner, suivant les cas, une impression de vie, de chaleur, d’intimité, de brillance, de clarté, de présence.

- favoriser le niveau sonore du message parvenant à l’auditeur, c’est-à-dire favoriser le niveau du son direct et celui des premières réflexions.

-assurer une bonne répartition du son dans la salle par une bonne diffusion.

- éviter les perturbations à l’intérieur en maitrisant les échos, échos flottants (flutter) et les focalisations du son, et veiller au niveaux sonores des équipements.

- éviter les perturbations extérieures (isolations aérienne et solidienne suffisantes).

Durées de réverbération préconisées.

Il n’existe pas de TR optimal. Par contre, on peut le préconiser en fonction de la destination des locaux et de leur volume.

Petites salles, salles de cours. 

Dans ce type de salle, un traitement est impératif pour éviter une réverbération trop longue, et des échos, entrainant une (très) mauvaise intelligibilité. On traitera en général le plafond (fond de la salle) ainsi que le mur du fond, et un mur latéral.

Garder une zone réfléchissante dans la zone de l’orateur (avec éventuellement des parois inclinées si possible) permettra de favoriser les premières réflexions, et donner plus de «puissance» à son message.

Le traitement des murs implique la pose de matériaux absorbants, souvent fragiles. Ils sont donc en général placés sur la partie haute des murs (bien que ce ne soit pas, acoustiquement, l’emplacement idéal).

Amphithéâtres, salles de conférence. 

Le volume et la forme de la salle, ainsi que l’étude des premières réflexions du son, se révèlent prépondérants.

La disposition des auditeurs en gradins favorise l’absorption, ce qui permet de limiter les zones traitées au mur du fond, et éventuellement, à la zone de plafond la plus éloignée de l’orateur. Le plafond situé au-dessus de lui est disposé de manière à ce que les ondes sonores, en s’y réfléchissant, soient distribuées au milieu et au fond de la salle.

Grandes salles : salles de concert, théâtres.

Volume : le volume optimal d’une salle dépend de l’usage qui en est fait. Pour une salle de concert, le volume par auditeur doit être d'environ 10 m3, sans toutefois descendre sous 7 m3. Pour une salle de théâtre, par contre, on compte de 5 à 6 m3.

Forme : il faut absolument éviter : 

- les formes concaves, que ce soit en fond de salle ou en plafond, car il y a des risques de focalisation.

- les grandes surfaces réfléchissantes parallèles (elles doivent être absorbantes ou diffusantes).

- les grandes surfaces plates réfléchissantes éloignées, qui peuvent donner naissance à des échos indésirables.

- les zones d’ombre acoustique, sous les balcons, en veillant à ce que la longueur du balcon soit inférieure ou au plus égale à une fois et demie la distance séparant le sol de la sous-face du balcon.

Par ailleurs, il importe de :

- faire en sorte que les sons directs ne soient pas absorbés par le public. Aucun auditeur ne doit masquer la tête de l’auditeur placé derrière lui, le même principe permettant d’assurer une bonne visibilité.

- mettre en place des réflecteurs proches de l’orchestre.

- rechercher la diffusion par un relief de parois très accentué.

Durée de réverbération : les TR ne sont pas les mêmes aux fréquences aigües / médiums / graves. Dans une salle de concert, il est préférable que le TR soit sensiblement le même avec/sans public afin de permettre à un orchestre de répéter. Les sièges doivent donc être très absorbants. Ils constituent l’élément essentiel permettant de rendre l’acoustique de la salle peu dépendante du taux d’occupation.

Il existe d’autres paramètres acoustiques qui permettent de caractériser un projet : l’EDT (Early Decay Time), la force sonore, l’efficacité latérale, la clarté C80, l’intelligibilité, etc...