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Enseignement de Spécialité

Son et

architecture

Son

et

mus

ique

Acoustique des salles

Chambres sourdes

PARTIE A : CRITERES DE QUALITE ACOUSTIQUE D’UNE SALLE (45 min)

L'acoustique architecturale est le domaine scientifique et technologique qui vise à comprendre et à maîtriser la qualité sonore des bâtiments. L'application privilégiée de l'acoustique architecturale est la construction de salles qui nécessitent une bonne qualité acoustique. Quels paramètres doivent être pris en compte pour obtenir une bonne acoustique ?

Document 1 : Les murs du son « Pour avoir une bonne acoustique, écrivait Charles Garnier après avoir achevé l’Opéra, une salle doit être large ou étroite, haute ou basse, en bois ou en pierre, ronde ou carrée, et ainsi de suite. […] » « Dès qu’il y a une symétrie, explique Manuel MELON, qui enseigne l’acoustique au Cnam, en général ce n’est pas très bon. Car certaines fréquences sont favorisées par rapport à d’autres, le son paraît plus fort ici que là. Les salles parallélépipédiques rectangles, hexagonales, ovoïdes, ne sont pas favorables». Pourtant, les meilleures salles européennes, le Concertgebouw d’Amsterdam ou le Musikverein de Vienne, sont de vraies boîtes à chaussures… « Ce genre de salle parallélépipédique peut très bien marcher, répond Eckhard KAHLE, grand acousticien qui prépare l’auditorium de Bordeaux. Mais une salle symétrique, nue, avec des murs en béton brut, non. La boîte à chaussures est une forme de départ idéale, même pour une grande salle : tout y est prévisible, calculable, c’est du billard. Seulement, il faut y ajouter des balcons qui cassent les murs parallèles, et d’autres éléments de ce genre, des panneaux légèrement inclinés… ». À Vienne, ce sont par exemple des moulures, des cariatides, des stucs qui assurent la diffusion du son […]. La question est que le son parvient à l’auditeur directement, mais aussi après s’être réfléchi plus ou moins au fond de la scène, au plafond, sur les murs latéraux, et même au fond de la salle. La superposition de ces sources, dans le cerveau, apporte l’ « effet de salle », la conscience du lieu. Mais il n’est pas question d’entendre deux fois le même son, comme à Pleyel ; ni de l’entendre trop différemment selon la position de la salle ; ni d’entendre mieux les aigus que les graves. La nature des matériaux, et leur coefficient d’absorption, de réflexion, font varier cette diffusion. C’est la première partie du casse-tête : le nombre de paramètres. Deuxième partie : il faut savoir ce qu’on va faire d’une salle […]..

Extrait de J.Drillon, « L’acoustique : science ou pifomètre ? Les murs du son. » Le Nouvel Observateur, n°2165, mai 2006.

Document 2 : Profil d’un auditorium Document 3 : Réponse spatiotemporelle des trois traitements acoustiques de base

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Document 4 : Durée de réverbération Dans une salle de spectacle, un auditeur perçoit le son direct, mais aussi celui des ondes sonores ayant subi une multitude de réflexions sur les parois et les obstacles qu’elles rencontrent. Ce son est qualifié de son réverbéré : il est caractérisé par sa durée de réverbération notée TR.

La durée de réverbération est directement liée au volume acoustique V et à la surface d’absorption équivalente A de la salle. On définit la surface équivalente d’absorption A de la salle par la relation :

i ii

A .S

où i représente le coefficient d’absorption du matériau de surface Si. Dans la plupart des situations, la durée de réverbération se calcule par

la formule de Sabine : TR = 0,16 x

. TR s’exprime en seconde (s) ; la

surface A est exprimée en m² et le volume V en m3. Cette formule est valable si l’énergie réverbérée est uniformément répartie dans la salle.

Document 5 : Type de salle et réverbération. Une salle sourde est une salle qui conserve uniquement le son direct émis par la source : sa durée de réverbération est nulle. L’absence de réverbération dans une salle de spectacle provoque un rendu sec et dur de la musique. C’est la raison pour laquelle on recherche toujours une prolongation du son pour une bonne qualité musicale. Une bonne salle de musique présente une durée de réverbération de 1,0 à 2,5 secondes. Les orgues, présentes dans les églises, imposent de longues durées de réverbération afin d’avoir une bonne qualité de son. La réverbération n’est, en général, pas souhaitée par un orateur. Elle doit être courte pour une bonne compréhension du texte ; au maximum 0,8 seconde. Au-delà, les syllabes se chevauchent et l’intelligibilité diminue.

D’après le site www.sonorisation-spectacle.org

Analyse et synthèse :

1. À partir des documents 2 et 3, identifier les quatre phénomènes physiques qui interviennent au cours de la propagation d’un son dans une salle. Définir chacun des phénomènes.

2. Quels sont les deux phénomènes responsables de la décroissance de l’intensité sonore ? Quelle en est la conséquence pour la perception d’un son par un auditeur ?

3. À partir du graphique du document 4, proposer une définition de la durée de réverbération TR.

4. Quelle durée de réverbération recherche-t-on pour une salle de spectacle ? Pour une salle de conférence ? Expliquer.

5. De quelles grandeurs dépend la durée de réverbération ?

6. À partir de l’ensemble des documents, faire une synthèse des paramètres à prendre en compte pour obtenir une bonne acoustique et expliquer la nécessité de disposer de salles de conceptions différentes selon l’utilisation.

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PARTIE . : LES CHAMBRES SOURDES (DUREE CONSEILLEE : 40 min) 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 ? Quelles sont 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.s1) 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.

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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 cœur, 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 perceptifs qui vous permettent l’équilibre et la manœuvre. 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 général 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.

http://www.gurumed.org/2012/04/07/dans-cette-chambre-acoustique-vous-devenez-le-son-avant-de-devenir-fou/

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 mélaminé 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 sur la distance d émetteur – surface réfléchissante doit être réalisée pour percevoir un

écho avec la parole ? Calculer la distance minimale pour que cette condition soit satisfaite. 3. Quelle différence existe-t-il entre écho et réverbération ? 4. Une surface peut-elle réfléchir complètement et parfaitement un son ? Expliquer. 5. Comment procède-t-on pour réduire la durée des échos dans une chambre sourde ? 6. Représenter sur un schéma représentant les parois d’un dièdre. Puis expliquer les deux dernières phrases

du doc.4. 7. Quelle est la principale propriété d’une chambre sourde ? Expliquer le choix du mot « anéchoïque ».

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Partie C : RESOLUTIONS DE PROBLEMES SCIENTIFIQUES (45 min) 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 dmax 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 la durée de réverbération TR en fonction du volume V de la salle et

de la surface équivalente d’absorption A : V

TR 0,16.A

.

La surface équivalente A se calcule en considérant les surfaces Si des parois et leur coefficient d’absorption

acoustique i : A = i ii

S .

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 1 = 0,20. On

néglige l’absorption du sol par rapport aux absorptions des murs et du plafond.

Données : L = 15,0 m, l = 10,0 m et H = 3,2 m.

Problème :

Déterminer le coefficient d’absorption acoustique 2, du matériau avec lequel on doit recouvrir le plafond de la salle de cinéma pour amener son TR à une valeur de 1,5 s. 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 ?

A S

M