Ricardo Atienza 2008-2009

Suzel Balez / Nicolas REMYCRESSON

École Nationale Supérieure d’Architecture de Grenoble

L5C

Voie 1 Leq 200ms A Source :Résidu dBJEU 16/12/04 23h06m01s200 JEU 16/12/04 23h07m28s000Voie 1 Leq 200ms A Source :bar dBJEU 16/12/04 23h06m01s200 63,9 JEU 16/12/04 23h07m28s000

bar Résiduel

60

65

70

75

80

85

90

22h50 22h55 23h00 23h05 23h10 23h15

Introduction à l’acoustique

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PlanPourquoi le « son » et l’acoustique?Rappels de physiqueLe son

Pression acoustiqueNiveau sonore

Décibel & logarithmesÉvolution du niveau de pression acoustique

Fréquence & OctaveFletcher et Munson & dB(A)Spectre fréquentielTimbreBruit ou son ?Outils techniquesBibliographie

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Pourquoi le « son » et l’acoustique?

Conception = Conception visuelle?

L’expérience d’un lieu n’est que « optique » ?

Du visuel à une conception exclusivement graphique du projet,

c’est-à-dire, de l’espace visuel.

Systèmes et langages de représentation abstraits « graphiques » :

Géométrie descriptive, …

Et les autres sens ?

Et le paramètre temps ?

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Pourquoi le « son » et l’acoustique?

i / Le son expression sensible du lieu : le sens de l’ouïe,

L’espace sonore.

Systèmes et langages de représentation abstraits « sonores ».

ii / Le son comme expression temporelle du lieu,

L’espace temporel.

Le son, outil du projet temporel.

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Rappels de physiqueSon : sensation auditive causée par les perturbations d'un milieu physique matériel élastique (air, eau...) et engendrée par la stimulation des éléments sensoriels de l'oreille interne (cellules ciliés), le plus souvent par les ondes acoustiques.Le son est associé au mouvement oscillatoire d’un système vibrant (source sonore). Ce phénomène crée une onde acoustique.Elle se propage dans toutes les « directions » (directivité) à une vitesse de 340 m/s (célérité du son dans l’air).Exemples

eau = 1460 m/s ; acier = 5100 m/s ; béton = 4000 m/s ; verre = 5000 m/sfoudre et tonnerrebesoin d’un milieu de propagation (déserts et espace)son de sa voixpropagation aérienne et solidienne

Laurie Anderson 1997

Ondes sphériques et ondes planes dans eau

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Le son

3 paramètres de description "simple" d’un son :niveau sonore (amplitude (A))fréquence (hauteur du son) > F=1/Tspectre fréquentiel

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Le son, un phénomène temporel.

Cou

leur

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Niveau sonore /Pression acoustique

L’oreille est sensible à des variations de pression acoustique (en Pa ou Pascals). Elle est très sensible puisque le rapport des pressions acoustiques entre le « premier son » audible et un son douloureux est de 1 million (106).

On définit ainsi le :

seuil d’audibilité PO = 20μPa ou 2.10-5 Pa

seuil de douleur P = 20Pa

On a donc été amené à utiliser un artifice pour gérer cette échelle de sensibilité : l’échelle logarithmique qui entre un son juste audible et un son douloureux permet un découpage en 120 unités appelées décibels.

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Niveau sonore

On définit le niveau sonore, comme le rapport de 2 pressions acoustiques :

P, pression acoustique de la sourceP0, pression acoustique correspondant au plus petit son audible par l’oreille humaine.

On choisit d’exprimer ce rapport sous une forme logarithmique pour le ramener dans des proportions raisonnables.

Niveau de pression acoustique (Lp) est ainsi définit :

Lp = 10log P2/PO2 en dB ou en dB(A)

P2= puissance acoustique de la sourceP02 = puissance de référence (10-12 W)

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Décibel

Le décibel est l’expression de la mesure sonore. Il s’agit d’une unité sans dimension permettant d’exprimer le rapport des valeurs de deux puissances, ou de deux pressions ou de deux intensités.

! le dB n’est pas une unité en soiattention les Niveaux sonores ne s’additionnent pas arithmétiquement : 60 dB + 60 dB ≠ 120 dB (cf. infra)

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LogarithmesLogarithme népérien, logarithme décimal

Un logarithme se calcule part rapport à une base. (En décimal on utilise "10" comme base.) Les logarithmes népériens ont pour base la valeur e = 2.71828. Le logarithme népérien de e est égal à 1.En abrégé ou dans les démonstrations mathématiques, on écrit ln(x) pour parler du logarithme népérien de x et log(x) pour préciser qu'il s'agit du logarithme décimal.Le log décimal est calculé à partir du log népérien à l'aide de la formule :

log (x) = ln(x)/ln(10)où ln(10) = 2,30259

Variation de la fonction Log

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Évolution du niveau de pression acoustique (Lp)

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L'enveloppe d'intensité : structure horizontale (temporelle) du son.

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Fréquence = Hauteur du son

L’oreille humaine est sensible à des variations de fréquences entre 20Hz et 20000 Hz (ouïe jeune et en bonne santé).

La perception de la variation de fréquence n'est pas linéaire, mais logarithmique.

Cette variation de la fréquence n'est pas un altération neutre ou indifférente: elle présente des rapports physiques repérables à l'écoute: c'est le cas de l'octave (= doublement de la fréquence), ou des autres intervalles musicaux.

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20 00016K11314

113138K5657

56564K2829

28282K1415

14141k708

707500353

353250177

17612589

886344

Découpage en octaves (Hz)

Fmini Octave Fmax

Octaves de référence(acoustique physique).

Exemplestransformateur : 100-120hzLA du téléphone : 440 HzVoix humaine: 300-4000 HzClavecin 63-18 000 Hz

Typologiesons graves : 20-300 Hzsons médiums : 300-1000 HZsons aigus :1000-16000 Hz

En acoustique, les octaves de référence sont définies par une fréquence centrale et regroupent l’ensemble de fréquences suivant: fc / √2 < fc < fc. √2

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Fletcher et Munson, 1933

Diagramme de Fletcher et Munson

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Courbes de pression sonore équivalente (perception).

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Seuils d'audition et de douleur.

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Le diagramme musical fréquence/intensité(Raymond Murray Schefer).

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Pondération du niveau de pression sonore : dB(A)

Pondération AOctave (Hz) 125Hz 250Hz 500Hz 1kHz 2kHz 4kHz 8kHz

Pondération A (dB) -15,5 -8,5 -3 0 +1 +1 -1

Un niveau sonore exprimé en décibel (dB) n’est pas vraiment représentatif de la sensation auditive humaine car l'oreille est peu sensible aux fréquences très basses ou très élevées (raison physiologique).

Le niveau sonore doit donc être pondéré par un coefficient dépendant de la fréquence du son émis, afin de « pénaliser » les graves et les aigus par rapport aux médiums.

On obtient ainsi un niveau sonoreexprimé en dB(A).

Courbes psophométriques

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Échelle dB(A)

Chambre sourde10Calme absolu, seuil jamais atteint in situSentiment d’oppression20Pièce vraiment tr!s isolé

30Appartement très calme, zone rurale loin de toute source bruyante et sans vent

Zone du sommeilTemps de récupération pour l’oreille

35Salle de classe très silencieuse, appartement calme

50Quartier résidentiel,restaurant calme, bureau calme

Troubles de l’endormissement, insomnies60Circulation urbaine moyenne, salle bruyante, aspirateur ménager

Compréhension difficile d’une conversation70Rue très circulée, Troubles végétatifs, troubles nerveux80À 30m d’une autoroute (4000 veh/h)8H d’exposition*85Limite légale pour le travailChoc, surdité à court terme120Avion décollageEffetsdB(A)Activités

* Temps d’exposition divisée par 2 si +3dB(A)

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Le spectre fréquentiel, ou la couleur du son.Le "fondamental" et les "harmoniques"

Le spectre fréquentiel est la structure verticale su son; rapport (d'intensité) des différentes fréquences composant un son.

Si le son est "musical" au sens acoustique du terme, c’est-à-dire crée par un mouvement vibratoire périodique, on montre que le son peut être considéré comme la superposition de sons simples harmoniques, dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence d’un son de base, appelé le fondamental.

La couleur d’un tel son dépend des intensités relatives des différents sons simples harmoniques qui le composent.

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Timbre = enveloppe d'intensité +spectre fréquentiel.

Le Timbre est la qualité qui permet de distinguer deux sons émis par deux instruments différents.

C'est une qualité hybride composée du croisement de la structurehorizontale (intensité) et verticale (fréquence) du son.

Quand cette structure est ordonnée, on parle généralement de "sons timbrés" ou musicaux (ou "sons" tout court). Quand elle ne l'est pas, on parle de sons "indéterminés", et parfois de bruit.

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Bruit ou son ?

Le bruit (définition normalisée) 1- vibration acoustique erratique, intermittente ou statistiquement aléatoire2- Toute sensation auditive désagréable ou gênantesons, bruit,… comment faire la différence ?

Quels outils pour décrire ces phénomènes physiques et ces perceptions ?

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Indices acoustiquesLeq ou Niveau de bruit équivalent en dB(A)

L’énergie d’un son est proportionnelle à son niveau et à sa durée. Le Leq tient compte de la durée d’exposition. C’est une moyenne « intelligente »

Outils techniques 1

leq=10log1T

10Lp10

T∫ dt

⎡

⎣ ⎢ ⎤

⎦⎥

Lp en dB(A)

t en s

Leq

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. Histogramme

% du temps de la mesure

Classes deniveaux sonoresen dB(A)45 50 55 60 65 70 75 80 85

% du temps de la mesure

45 50 55 60 65 70 75 80 85

50 %

Outils techniques 2

Indices statistiques ou indices fractilesL5 : Niveau sonore obtenu pendant 5% du temps de la mesure (crêtes)L95 : Niveau sonore obtenu pendant 95% du temps de la mesure (bruit de fond) Lmax et Lmin : Niveau sonore maximum et minimum

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Lptotal =10 × log( 10Lpi

10

i=1

n

∑ )

Soit n niveaux sonores Lpi, la somme est donnée par la formule :

exprimée en dB(A)

Exemples : additionnez 30 ⊕ 60 ⊕ 70 ⊕ 70

Lptotal =10 × log(103010 +10

6010 +10

7010 +10

7010 )

...

Addition de niveaux sonores

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Ordres de grandeursL’usage des logarithmes n’est pas sans conséquence sur la compréhension des calculs, des mesures issues des études. Ce dont il faut se souvenir :

le dB(A) est la plus petite unité perçue par l’oreille humaine… en théorie, en labo.couramment, on se rend compte d’un changement de niveau sonore si la variation est de l’ordre de 3dB(A)quand on double la source, on augmente le niveau sonore de 3dB(A) : 60 dB(A) + 60 dB(A) = 63 dB(A)Inversement, diminuer par 2 la puissance de la source, c’est diminuer son niveau sonore de 3dB(A).pour avoir la sensation qu’on a diminué ou augmenté la puissance de la source par 2, il faut une variation physique de 10 dB(A).Une source ponctuelle, en champ libre décroît de -6dB(A) par doublement de distanceUne source linéique, en champ libre, décroît de -3dB(A) par doublement de distance

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Acoustique du bâtiment : problèmes àl’intérieur d’un même bâtiment, problèmes liés au voisinage d’activités bruyantes (industries, domestiques)Mots-clés :

Isolation phoniqueTransmissions directes, latéralesBruits aériensBruits de chocSols flottantsPonts phoniquesIsolement brut, normalisé etstandardiséBruit des équipementsFacteur de transmissionIndice affaiblissement

Acoustique du bâtiment

Sous couche Velaphone, isolation bruit de chocs

Isolant acoustique, laine minérale

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L’acoustique des salles vise à offrir la meilleure qualité possible d’écoute à différents lieux dédiés au spectacle ou non : salle de concert, théâtre, opéra, mais aussi des lieux publics comme des hall d’entrée, des gymnases, des piscines, des réfectoiresMots-clés :

Champ direct et champ diffusRéverbération d’un localDécroissance sonore d’une sourceIntelligibilité de la paroleFormule de SabineCoefficient d’absorption alpha SabineAire équivalente d’absorption

Acoustique des salles

la sa

lle de

s Prin

ces,

Mona

co

-Sys

tème C

arme

n

Hall de la Gare du Nord,SNCF- AREP - image N. Rémy

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Acoustique urbaine

Revêtements acoustiques - www.boscoitalia.it

Acoustique urbaine ou des bruit des transports (train, voitures, avions) vis-à-vis des riverains : cela renvoie à la question de la protection des riverains du bruit de ces infrastructures

Mots-clésPropagation en champ libreEffets météorologiquesDécroissance du bruitRevêtementsMurs anti-bruitsIsolation des façades

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Bibliographie 1/3Ouvrages généraux :

CIATTONI J.P. : Le bruit - Toulouse - Privat - 1997 - 159pBOUYSSY A.,DAVIER M.,GATTY B.: Physique pour les sciences de la vie (T3 : Les ondes). Paris. Belin. 1990. 292pBRUNEAU M : Introduction aux théories de l'acoustique Université du Maine 1983-650pTOMATIS A.: L'oreille et la vie- Paris, Laffont 1977- 314pBURGEAT M-GRALL Y-LOTH D : Physique et biophysique en PCEM Paris-Masson 1973 -300pJOSSE R: Notions d'acoustique à l'usage des ingénieurs architectes et urbanistes .Paris. Eyrolles, 1972,288 p, CRAWFORD F S: Ondes , cours de physique de Berkeley.vol 3.Paris. Armand Colin. 1972. 620pPUJOLLE J : Lexique guide d'acoustique architecturale. Paris. Eyrolles- 1971FLEURY P -MATHIEU JP : Vibrations mécaniques et acoustique Paris Eyrolles 1968. 350pMERCIER J : Acoustique Paris PUF 1962. 1000

Techniques d'isolation dans les bâtiments :HAMAYON L. : Réussir l'acoustique d'un bâtiment - Paris - Le Moniteur - 1996 - 271pMEISSER : L'Acoustique des bâtiments par l'exemple -Paris: Le Moniteur, 2° édition 1994, 392 p.MERCIER D et alii.- Le livre des techniques du son . Paris. Eyrolles. 1988/94 (3 tomes).1000 pPINCON G. -Amélioration acoustique des logements . Paris. Cated -1988. 170pANAH. L'isolation acoustique des logements anciens. Paris. Eyrolles. 1986HAMAYON, L.: Guide acoustique pour la conception des bâtiments d'habitation, Paris Le Moniteur, 1982,180 pCollectif : CSTB. REEF 1982, 300 p.C.A.T.E.D. : L'isolation acoustique. Paris : Le Moniteur, 1980, 339 p., PUJOLLE : La Pratique de l'isol acoustiques des bâtiments . Paris Le Moniteur, 1978, 573 p.,DELEBECQUE R -ROMAGNOLI J : Confort de l'habitat, isolation acoustique. Paris Delagrave. 1975. 100pMEISSER : La pratique de l'acoustique dans le bâtiment Paris Cated-Eyrolles. 1971. 130pSIMONIN-ADAM Christine, Acoustique et Réhabilitation, Ed. Eyrolles, PUCA, 2002, 381 p.,

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Bibliographie 2/3Acoustique des salles :

JOUHANEAU J. : Acoustique des salles et sonorisation - Paris - T1D - 1997 - 610pCollectif : Theaters and halls. Tokyo. Meisei. 1995. 224pBARRON M. : Auditorium acoustics and architectural design. Londres. E&FN SPON. 1993. 443pColllectif : Rencontres architecture et musique - Chateau de forges, Pesmes - 1992 78pEGAN David : Architectural acoustics. New York- Mac Graw Hill. 1992POUBEAU P, BARON C : Produits pour la correction acoustique. Paris. CATED. 1991. 72pFORSYTH M: Architecture et musique:l'architecte,le musicien et l'auditeur du17ème siècle à nos jours. Bruxelles-P.Mardaga. 1987,360pADAM M. : Acoustique architecturale et acoustique des salles. Blauen (CH). Schweizer Baudokumentation. 1985. 68pLEIPP, E : Acoustique et musique. Paris. Masson. 1980 IZENOUR : Theater design. New York : Mac Graw hill Cie, 1977, 630 pLAMORAL R : Music et architecture. Paris : Masson, 1975, 180 p., RAES A.C. : Isolation sonore et acoustique architecturale - Paris - Chiron - 1964 - 383pBERANEK L : Music, acoustic and architecture . New York. J. WILEY,1962, 580 pKNUDSEN V.O. ET HARRIS C.M. : Le projet acoustique en architecture - Paris - Dunod - 1957

Acoustique urbaine :C.E.T.U.R. : Guide du bruit des transports terrestres (plusieurs tomes spécialisés).ParisBAR P, LOYE B : Bruit et formes urbaines : propagation du bruit dans les tissus urbains,Paris. CETUR. 1981MIGNERON : Acoustique urbaine. Paris : Masson, 1980, 126 p.,

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Bibliographie 3/3Environnement sonore :

AMPHOUX P. : L'identité sonore des villes européennes, Guide méthodologique. CRESSON-IREC. 1993. 2 tomes. 86pAMPHOUX et alii: Aux écoutes de la ville, enquète sur 3 villes suisses. Lausanne CRESSON/IREC 1991. 319pCHELKOFF et alii: Entendre les espaces publics. Grenoble. CRESSON 1988, 160pAUGOYARD, BALAY, CHELKOFF. Sonorité,sociabilité,urbanité. Grenoble. CRESSON, Plan construction 1982PLAN CONSTRUCTION : Paysage sonore urbain. Paris : MECV, 1980, 139 p., (N 4335).MURRAY-SCHAEFFER R : Le Paysage sonore. Paris : Lattès, 1979, 387 p., (N 395).AUGOYARD J.F et TORGUE H., Répertoire des effets sonores,- ED. Parenthèse, Marseille.THIBAUD Jean-Paul, l’espace Urbain en méthode - editions Parenthèse, Marseille.

RevuesTechnique et architectureLes cahiers techniques du moniteurActualité de la scénographieLes cahiers du CSTBActa Acustica (et les versions précédentes: : Revue d'acoustique /Journal d'acoustique)Le bulletin du CIDBEcho Bruit. Revue du CIDBIsolation -Information , la revue du CFI