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EPFL - DA Architecture 1re anne

Exercices de Physique du Btiment - 12 - page 1

A. Questions 1. Dans quelle situation la rsistance totale quivalente d'lments en srie n'est

pas simplement gale la somme des rsistances de ces lments ? Donnez deux exemples de configuration d'enveloppe de btiment o ce phnomne apparat.

2. Quels sont les deux moteurs de la ventilation naturelle ?

3. Quelles diffrences y a-t-il entre taux de renouvellement d'air et taux de brassage ?

4. Quelle est la grandeur physique du coefficient de transfert d'une couche limite ? Quelle est son unit ? Quels sont les trois termes que contient ce coefficient ? Explicitez ces termes dans le cas d'une lame d'air verticale d'paisseur d.

B. Problmes 1. Calculez la rsistance thermique du sandwich suivant :

- bton arm : 10 cm - crpi intrieur : 2 cm Supposant que la diffrence de temprature entre les faces intrieures et extrieures soit gale 15C, calculez le flux de chaleur qui passe travers ces deux couches dans une section de 10 m2.

2. La composition d'un mur est la suivante : - bton arm : 10 cm - panneau fibre minrale (200 kg/m3) : 6 cm - crpi intrieur : 2 cm Temprature de la face extrieure : 0C Temprature de la face intrieure : 20C

a) Sur quel lment la chute de temprature est-elle la plus grande ? b) Reprsentez la rpartition des tempratures de l'intrieur l'extrieur, en

fonction de l'paisseur, puis en fonction de la rsistance du mur.

3. Un local entirement entour de locaux, de tempratures gales celle du premier, possde une paroi en contact avec l'air extrieur. Cette paroi de 10 m2 de surface totale comporte une fentre de 3 m2. La rsistance thermique surfacique du mur maonn est de 2 m2 K/W alors que celle de la fentre est de



0,5 m2 K /W. Le volume du local est de 60 m3. Calculez les pertes thermiques travers la paroi extrieure ainsi que les pertes par renouvellement d'air (n = 0,7 h-1). Pour quel taux de renouvellement d'air ces pertes sont-elles de mme importance ? On fixe : temprature extrieure = 0 C, temprature intrieure = 20 C

4. Un mur multicouche est compos, de l'extrieur vers l'intrieur, des lments suivants : - brique isolante 18 cm d'paisseur - lame d'air (verticale) 2 cm " - laine minrale 4 cm " - lambris de pin 2 cm " Calculez Rtot, k, et les diffrentes tempratures (remplir pour cela la fiche de calcul ci-dessous). Quelle est la densit de flux de chaleur qui traverse ce mur ?

lment, matriau [W/mK] d

[m]

Rj[m2K/W

]

j[K]

[C]

Air extrieur 5

Couche limite ext. ext = W/m2K

Brique isolante

Lame d'air verticale

Laine minrale

Lambris de pin

Couche limite int. int = W/m2K

Air intrieur + 20

Totaux



5. Un appartement en duplex possde une vranda vitre oriente plein sud. En

raison du rayonnement solaire, l'air de la vranda est 4 C plus chaud que l'air de l'appartement (alors que les portes donnant sur la vranda sont ouvertes). Calculez la vitesse moyenne ainsi que le dbit de l'air mis en mouvement par convection naturelle. Calculez ensuite la puissance thermique transporte par le courant d'air. Hauteur d'tage : 2,70 m Porte : 2 m 0,8 m Temprature moyenne : 22 C Coefficient kf : 0,5


Exercices de Physique du Btiment - 13 - 23 fvrier 2009 page 1

A. Questions 1. Quesepasseraitilsi,pourunelongueurdondedonne,lescoefficients

dabsorptionetdmissionntaientpasgaux?

2. Quelleestlaloiphysiquerespecteparlgalitsuivante?

a+r+t=l

avec:a=coefficientdabsorption r=coefficientderflexion t=coefficientdetransmission

3. Dansquellegammedelongueursdondelesrayonssolairespeuventilschaufferuncorps?

4. DessineztroisspectresderayonnementcorrespondanttroistempraturesTl>T2>T3duncorpsnoir.Commentserpartissentlesmaxima?Lescourbespeuventellessecroiser?

B. Problmes 1. Lecoefficientderflexiondunverreestdenviron4%surlensembledu

spectre.Dessinerlacourbedabsorptionduverredontlacourbedetransmissionnergtiqueestdonnecidessous.


Exercices de Physique du Btiment - 13 - 23 fvrier 2009 page 2

2. Unvitrageisolantestconstitudedeuxglacesclairesdunepaisseurde6mm,distanteslunedelautrede12mm(hauteur:1,5m,tempraturemoyenne9C).Lecoefficientdetransfertthermiquesurfaciquedelespacecomprisentrelesdeuxglacessobtientensommantlestermesrelatifslaconduction,laconvectionetaurayonnement.Calculezcestroistermesainsiquelacontributionrelativedechacundeux.Pourlerayonnement,onutiliseralexpression:

11 1

hrayonnement=

1+

21

4T3

Decombienvarielaconductancea)sionfaitlevideentrelesdeuxglacesclaires?b)sionrevtlunedesglacesclairesdunecouchefaiblemissivitdanslinfrarouge(=0,1)?

3. Le rayonnement solaire la limite de l'atmosphre vaut 1'367 W/m2. L'albdo de la Terre (fraction rflchie par les nuages et la surface du Globe) est de 0,30. Dterminer la temprature d'quilibre du Globe en absence d'atmosphre; valuer l'effet de serre de cette mme atmosphre, sachant que la temprature moyenne de surface de la Terre est de +15 C.


Exercices de Physique du Btiment - 14 - 2 mars 2009 page 1

A. Questions 1. Quellessontleslongueursdondecaractristiquesdesondes

lectromagntiques?Quellessontcellesdesrayonnementsvisibles?

2. Quelleanalogiepeutonutiliserpourdfinirlesprincipalesunitsradiomtriques?

3. Quelleestlarelationliantlintensitetlclairementpourunesourceponctuelle?

B. Problmes 1. Une source de rayonnement infrarouge, considre comme ponctuelle et

isotrope, est place au sommet d'un mt de hauteur h=2.00 m. L'intensit nergtique de cette source, en direction d'un point M situ une distance l=2.85 m du pied du mt, est de 2'160 W/sr. Quel est l'clairement vertical d cette source au point M ? Quelfluxnergtiqueestabsorbparuneplaquepeinteennoirde1/2m2desurface,placecetendroit?


Exercices de Physique du Btiment - 15 - 9 mars 2009 page 1

A. Questions 1. Quellessontlespropritsdunesurfacelambertienne?

2. Quellessontlesunits,danslesystmeinternational,desquatregrandeurs

photomtriqueslumineusessuivantes:flux,clairement,intensitetluminance?

B. Problmes 1. Unradiomtredesurfacesensiblegale3cm2reoituninstantdonnun

flux nergtique de 300mW de lumire naturelle. Sachant que lefficacitlumineuse , rapport entre lclairement lumineux et lclairementnergtique,estde110Lm/W,quelestlclairementlumineuxcetinstant?

2. Le plateau dune table, parfaitement diffusant (surface lambertienne) pour toutes les longueurs d'onde, est caractris par une luminance nergtique normale Le0 de 27 W m2 sr1. Sa surface est de 1,5 m2. Comment varie l'intensit nergtique provenant de cette table ? Quelle est sa valeur pour une incidence de 0 ; 45 et 90 ? Quelleestlavaleurdelaluminancenergtiquepourcesmmesangles?

3. Quelle est la luminance dun rayonnement monochromatique de 450 nm (couleur bleue) d'une luminance nergtique de 12 W/m2 sr ? (On trouvera les donnes ncessaires ce calcul dans lannexe A 1.1 du cours complment de photomtrie et colorimtrie). Que devient cette luminance si on lui superpose, l'un aprs l'autre, deux rayonnements monochromatiques de mme luminance nergtique, le premier tant 670 nm (couleur rouge), le second 590 nm (couleur jaune) ?


Exercices de Physique du Btiment - 16 - Lundi 16 mars 2009 page 1

A. Questions 1. Comment peut-on interprter la courbe V() sur le plan physiologique (effet

visuel) ?

2. Quelle est la relation mathmatique liant les grandeurs photomtriques et radiomtriques ?

3. Pourquoi des sources lumineuses diffrentes peuvent-elles provoquer la sensation de lumire blanche ?

4. Quelle est l'efficacit lumineuse maximale et pour quelle longueur d'onde est-elle atteinte ?

B. Problmes 1. Une lampe dcharge vapeurs de mercure possde cinq raies d'mission

spectrales aux longueurs d'onde de 330, 405, 436, 546 et 578 nm. Leurs exitances nergtiques respectives sont de 15, 10, 8, 1 et 2 W/m2. Sachant que 30% de la puissance consomme par cette source est dissipe par les raies spectrales du domaine visible (380 780 nm), dterminer l'exitance lumineuse et l'efficacit lumineuse de cette dernire (ratio entre lexitance lumineuse et la densit de la puissance consomme).

2. Un globe sphrique de 1 m de rayon est constitu d'un matriau de verre parfaitement diffusant. Une source isotrope d'une intensit de 50 Cd est place en son centre. Sachant que lexitance lumineuse du globe est de 35 Lm/m2, dterminer le facteur de transmission du matriau. Remarque : Langle solide soutenu par une sphre est gal 4 [sr].

3. Deux sources monochromatiques distinctes S1 et S2 clairent une feuille de papier parfaitement diffusante et de couleur intrinsque blanche. Chacune des sources contribue sur la feuille un clairement respectif de 390 et 785 Lux. Quelle est la luminance rsultante de la feuille sachant que son facteur de rflexion vaut 0,8 ? (Utiliser le fait que la luminance (L) d'une surface parfaitement diffusante est lie son clairement (E) par la relation : L = ( E)/ ).



A. Questions 1. Dfinissez la notion de couleur intrinsque d'un objet par opposition aux

diffrentes couleurs apparentes qu'il peut revtir.

2. En quoi la sensation de lumire blanche est-elle lie la mmoire court terme de l'observateur ?

3. Pourquoi le pourpre se distingue-t-il des couleurs spectrales ?

4. Comment peut-on choisir 3 couleurs primaires ? Expliquez le mcanisme qui leur permet de reproduire la plupart des couleurs perues par l'il.

5. Citez une application typique du systme chromatique RGB.

B. Problmes 1. Deux sources monochromatiques distinctes S1 et S2 clairent une feuille de

papier parfaitement diffusante et de couleur intrinsque blanche. Chacune des sources contribue sur la feuille un clairement respectif de 390 et 785 Lux. Quelle est la luminance rsultante de la feuille sachant que son facteur de rflexion vaut 0,8 ? (Utiliser le fait que la luminance (L) d'une surface parfaitement diffusante est lie son clairement (E) par la relation : L = ( E)/ ).

2. Une surface possde la caractristique spectrale suivante en rflexion :

[nm] [ ] [nm] [ ] [nm] [ ] 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490

0.01 0.02 0.03 0.05 0.055 0.06 0.065 0.07 0.075 0.08 0.085 0.09

500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610

0.10 0.15 0.22 0.32 0.45 0.57 0.67 0.70 0.61 0.48 0.39 0.32

620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720 730

0.29 0.25 0.20 0.16 0.12 0.09 0.07 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01

Facteur de rflexion spectrale de la surface

Dterminez les proprits spectrales du flux lumineux rflchi par cette surface (densit spectrale d'nergie) en cas d'exposition une lampe au sodium Haute pression (puissance de 400 Watts) et une source normalise CIE Lumire du jour D65 . Quelles sont les couleurs perues dans chaque cas ? Laquelle d'entre elles est une couleur intrinsque ? Laquelle est une couleur apparente ?



Donnes complmentaires :

1. Sources normalises CIE

Diagramme chromatique (source C non reprsente, mais proche de D65).



[nm] A B C D55 D65 D75380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 760 770

98 121 147 177 210 247 287 331 378 429 482 539 599 661 725 791 859 929

1000 1072 1144 1217 1290 1363 1436 1508 1580 1650 1720 1788 1854 1919 1983 2044 2104 2161 2217 2270 2321 2370

218 304 402 507 615 711 786 831 859 895 926 939 916 882 871 897 943 982

1000 998 982 965 953 958 970 982 994

1011 1021 1020 1011 988 964 936 904 870 845 829 824 831

313 450 601 765 932

1067 1154 1178 1169 1176 1177 1146 1065 972 920 931 970 999

1000 972 929 885 852 840 837 836 834 838 835 820 798 762 725 688 649 612 584 562 552 553

326 381 610 686 716 679 856 980

1005 999

1027 981

1007 1007 1000 1042 1021 1030 1000 972 977 914 944 951 942 904 923 889 903 939 900 797 828 848 702 793 850 719 528 759

500 546 828 915 934 867

1049 1170 1178 1149 1159 1088 1094 1078 1048 1077 1044 1040 1000 963 958 887 900 896 877 833 837 800 802 823 783 697 716 743 616 699 751 636 464 668

667 700

1019 1119 1128 1031 1212 1330 1324 1273 1268 1178 1066 1137 1087 1104 1063 1049 1000 956 942 870 872 861 836 787 784 748 743 754 716 639 651 681 564 642 692 586 426 614

Densit spectrale d'mission [mW/10 nm]



Densit spectrale d'mission S [mW/10 nm]

[nm] [nm]

2. Lampe Sodium Haute Pression

S S [nm] S380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 400 610 8000 730 10

50 50 100 50 100 200 300 500 400 1000 300

500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600

4000 200 500 200 500 1000 1000 2000 14000 13000 17000

620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720

6000 3000 1500 1000 700 500 300 100 50 30 20



A. Questions 1. Quels sont les avantages et les inconvnients du systme XYZ par rapport au

systme RGB ?

2. Pourquoi des sources lumineuses diffrentes peuvent-elles provoquer une sensation de lumire blanche ?

B. Problmes 1. On dsire superposer deux couleurs pures en vue d'obtenir un blanc idal

comme rsultante. L'une d'entre elles possde une longueur d'onde de 480 nm et une puissance de 1 Watt. Quelle est la longueur d'onde de l'autre couleur pure ? Quelle est sa puissance ?

2. Les longueurs donde des deux sources S1 et S2 sont, respectivement, 500 et 570 nanomtres.

a) Quelles sont leurs couleurs respectives ? Dterminez leurs coordonnes chromatiques dans le systme xyz, ainsi que celles de la couleur apparente de la feuille, en supposant que les luminances respectives des deux sources sont L1 = 100 et L2 = 200 Cd/m2. (Utilisez pour cela le complment donn ci-dessous).

b) Quelle serait la couleur apparente d'une feuille de couleur intrinsque bleue, caractrise par des facteurs de rflexion diffrents pour ces deux mmes sources, respectivement 1= 0,9 et 2= 0,05, sachant que les clairements respectifs des deux sources sont E1 = 390 Lux et E2 = 785 Lux ? (Recalculer les luminances en utilisant le fait que la luminance (L) d'une surface parfaitement diffusante est lie son clairement (E) par la relation: L = ( E)/).

Complment d'nonc : Les coordonnes chromatiques (x, y, z) du flux lumineux, rsultant de la superposition de deux faisceaux de luminance L1, L2 et de coordonnes (x1, y1,z1) et (x2, y2, z2), sont donnes par :

x1 (L1/y1) + x2 (L2/y2) x = (L1/y1) + (L2/y2)

L1 + L2y = (L1/y1) + (L2/y2)



3. Dterminez les coordonnes chromatiques de la combinaison des deux couleurs suivantes : Vrifiez le rsultat l'aide du diagramme CIE.

x y Y [Cd/m2] 1 0,272 0,494 12,0 2 0,329 0,218 9,5

4. Une source possde les coordonnes chromatiques suivantes : x = 0,4 et y = 0,4. Quelle est sa couleur dominante ? Quel est son degr de puret colorimtrique ? Quel est le mlange de blanc idal et de couleur pure permettant de raliser cette teinte ?

5. Quelles sont les coordonnes chromatiques (x, y, z) des flux mis par un corps noir la temprature de 2000 K et de 6500 K ? Quelles sont les teintes de ce flux ?


Exercices de Physique du Btiment - 19 - Lundi 6 avril 2009 page 1

A. Questions 1. Le son peut-il se propager dans le vide ? Expliquez votre rponse.

2. Quelle est la clrit du son dans l'air ?

3. Le son est-il une onde longitudinale ou transversale ? Expliquez la diffrence

entre ces deux types d'onde.

4. Quelle fraction de la pression atmosphrique reprsente la pression acoustique au seuil d'audition (20106 Pa) ? Dans quelle proportion varie cette fraction lorsque le niveau sonore augmente jusqu'au seuil dolosif (20 Pa) ?

5. Montrer qu'en transformant correctement les units de p2/ c , on obtient des W/m2 .

B. Problmes 1. Calculer la vitesse du son dans l'hlium pression atmosphrique standard

(101'325 Pa) et une temprature de 24 C. (la masse molaire molculaire de l'hlium est de 4 g/mole.)

2. Calculer l'intensit sonore I qui correspond une pression acoustique de 4103 bar (microbar). Dterminer la pression acoustique correspondant une intensit de 1106, 2106, 4106 et 1105 W/m2.



A. Questions 1. Quel est le niveau de bruit la campagne, dans la circulation, au passage d'un

train en gare ?

2. quel rapport d'intensit correspond une variation de niveau sonore de 3 dB, de 6 dB, de 9 dB, de 10 dB ?

3. Qu'est-ce que l'effet de masque ?

4. Quel avantage y a-t-il ce que la sensation physiologique de bruit ne suive pas une loi linaire ? Quel est l'inconvnient pratique qui en dcoule ?

5. Peut-on obtenir une rduction du niveau sonore par superposition de deux ondes sonores ? Si oui, quelle est la condition remplir ?

B. Problmes 1. Dterminer le niveau sonore correspondantune intensitde1106,2106,

4106et1105W/m2.

2. Quelle est l'intensit I qui produit un niveau sonore de 70 dB ?

3. Calculer (en Bell puis en dB) l'augmentation du niveau sonore correspondant un doublement de l'intensit sonore. Idem pour un triplement.

4. La pression acoustique de la voix humaine varie ( 1 m) entre 2010-4 et 0,2 Pa. Quelle est sa dynamique (exprime en dB) ?

5. Un atelier comprend 6 machines qui, lorsqu'elles fonctionnent isolment, provoquent un bruit auquel correspondent les niveaux suivants :

machinen niveausonore[dB]1 822 803 774 725 656 54

Quelestleniveausonorersultantdufonctionnementsimultan:a)des3premiresmachines?b)detouteslesmachines?



A. Questions 1. Montrer que pour une source filiforme, chaque doublement de la distance

conduit une attnuation de 3 dB (ngliger la puissance acoustique s'chappant aux extrmits).

2. Pourquoi l'observateur plac en contrebas du talus d'une route entend-il moins la route que celui qui est plac sur un talus dominant la route ?

3. Un orateur est spar de ses auditeurs par une surface de terrain plat et fortement rflchissant (eau calme, sol plat pav). Quel est l'effet prvisible sur le niveau sonore peru par les auditeurs ?

B. Problmes 1. Par forte densit de circulation, une autoroute produit 25 m un bruit de 60

dB(A). Comment dcrot ce bruit avec la distance et que vaut-il 1 km ? Quel est, la mme distance, l'amortissement supplmentaire d l'absorption de l'air 500 Hz et 4000 Hz par jour clair ? Par brouillard ? Utiliser l'annexe A 6.5.

2. On lve en bordure d'autoroute une barrire antibruit de 6 m de haut place 7 m de l'axe du trafic et 20 m d'un immeuble de deux tages sur rez-de-chausse, distance de plancher plancher de 2,9 m, terrain plat, hauteur de la source de bruit : 50 cm. Calculer la frquence caractristique fc et tablir le tableau de protection acoustique pour un habitant log au rez-de-chausse. Idem pour une personne situe au deuxime tage. Rsoudre ce problme en utilisant l'annexe A 6.6.

3. Calculer les retards des sons rflchis (issus de A' et A") sur le son direct dans le cas du thtre grec (voir coupe ci-dessous).


Exercices de Physique du Btiment - 22 - Lundi 4 mai 2009 page 1

A. Questions 1. Quels sont les facteurs gomtriques qui nuisent sur l'intelligibilit de la

parole ou de la musique dans une salle ?

2. numrez quatre facteurs gomtriques qui contribuent la qualit acoustique de l'auditoire de physique (dans lequel vous suivez le cours de physique).

3. Quels sont les lments de construction qui absorbent les graves ? les mdiums? les aigus dans la salle que vous occupez ?

4. Quels sont les principaux effets qui peuvent affecter ngativement l'intelligibilit dans une salle ? Quels sont les remdes ?

B. Problmes 1. Un corridor mesure 2,65 m de hauteur entre plancher et plafond. Un haut-

parleur plac dans le fond met un son de frquence variable en direction du plancher. Calculer les frquences pour lesquelles on pourrait observer la formation d'ondes stationnaires entre le plancher et le plafond. Dessiner la disposition des nuds et des ventres de pression acoustiques (et de vitesse acoustique).



2. tude en coupe du plafond d'une salle de confrence. Discutez les solutions proposes ci-dessous et classez les ensuite par ordre, de la plus mauvaise la meilleure. a) b) c) d) e)



3. tude de la forme d'une salle de concert, en coupe horizontale uniquement. Les cinq premiers plans ci-dessous illustrent chacun un principe lmentaire mis en uvre dans le plan de synthse (sixime plan). Rajoutez les lgendes correspondantes 1)

2)

3)

4)

5)

6) L'ensemble de ces considrations conduit des plans semblables celui prsent ci-contre.



4. Quels sont, au sens de l'acoustique gomtrique, les dfauts probables du Royal Albert Hall (Londres) ?

Les longueurs donde des deux sources S1 et S2 sont, respectivement, 500 et 570 nanomtres.

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