1. La nature du son

Le son est la perception auditive due à une onde acoustique. Physiquement, c’est une déformation mécanique qui se propage dans un milieu matériel (e.g. air, métaux, liquides). Cette variation est caractérisée par une amplitude et une fréquence (Figure 1). Plus l’amplitude, ou niveau de pression, du son est élevée, plus le son perçu est fort. Ce niveau est exprimé en décibel (dB). Plus la fréquence est élevée, plus le son perçu est aigüe. A contrario, plus le son perçu est grave. Cette fréquence s’exprime en hertz (Hz).

Figure 1. Représentation d’une onde sonore de fréquence 10 Hz et d’amplitude 1 Pa.

Le son se propage dans les milieux matériels (non vide) et avec une certaine vitesse (ou célérité). Cette célérité est facilement mis en évidence avec le tonnerre du un éclair lors d’un orage. La lumière de l’éclair nous est perçue en premier puis, en retard, le bruit. Ce retard vient du fait que la lumière se propage beaucoup plus vite que le son (i.e. 300 000 m/s pour la lumière versus 340 m/s pour le son dans l’air). La vitesse du son dépend de la densité du milieu et de la température :

• 340 m/s dans l’air à 20° C,
• 331 m/s dans l’air à 0° C,
• 1480 m/s dans une eau à 20° C,
• 6000 m/s dans l’acier.

2. Le décibel

2.1. Définition

2.2. Pondération

2.3. Quelques indicateurs

3. Moyens d’essais

3.1. Tube d’impédance

Le tube d’impédance, aussi appelé tube de Kundt, est un des moyens d’essais les plus utilisés dans le domaine de l’acoustique. Il sert à caractériser les matériaux absorbants en déterminant le coefficient d’absorption acoustique, le coefficient de réflexion et l’impédance de surface. La méthode de mesure associée à ce moyen d’essai est décrite dans la norme ASTM E 1050 [1] en Amérique du Nord et dans la norme ISO 10534-2 [2] pour l’Europe.

Le tube d’impédance est généralement de forme cylindrique. Il est composé (Figure 5) :

• d’un porte échantillon destiné à accueillir le matériau testé,
• d’une section de mesure où les micros sont fixés de manière à avoir la membrane affleurante au tube,
• un haut-parleur pour l’émission du bruit.

Figure 5. Tube d’impédance (ou de Kundt)

La méthode de mesure se base sur le principe que seules des ondes planes se propagent dans le tube. Ceci implique une limitation haute fréquence. En effet, à partir d’une certaine fréquence, appelée fréquence de coupure, d’autres types d’ondes apparaissent et il n’est plus possible de dissocier l’onde plane des autres. La fréquence de coupure dépend du diamètre d du tube ; plus le tube est petit, plus la fréquence de coupure est haute. La norme ASTM E1050 fixe la limite de mesure en haute fréquence f_max à :

Avec c la célérité des ondes acoustiques (en m/s) et d le diamètre interne du tube (en m).

La limite basse fréquence de mesure est par contre fixée par l’espacement microphonique S. Selon la norme de mesure ASTM E 1050, cette limites est fixée à :

Pour ces deux raisons, il existe différents tubes d’impédances adapté aux zones fréquentielles. Les tubes « basses fréquences » on un grand diamètre et un espacement microphonique important. Les tubes « hautes fréquences » ont des petits diamètres et des espacements microphoniques faibles.

Dans l’absolue, on pourrait se dire qu’il n’y a aucun intérêt à avoir un tube de grand diamètre car il limite la fréquence haute de mesure et n’apporte rien pour la limite basse fréquence. Du point de vue expérimental, ce n’est pas tout à fait vrai. En effet, un tube avec un grand diamètre est plus pratique pour deux principale raisons : La première c’est dans le cas de matériaux inhomogène sur la surface, il est plus représentatif du panneau de tester des surfaces plus grande. L’autre raison c’est que pour tester des matériaux dans le tube, il est nécessaire de les découper. Parfois, suivant le type de matériau, la découpe n’est pas très propre et il y a des espaces sur les bords. Une surface plus grande de matériau minimise l’effet de ces défauts de découpe.

Pour conclure, Cette méthode de mesure présente l’intérêt d’être simple, rapide et peu couteuse. En effet, pour réaliser une mesure, une faible quantité de matériau est nécessaire, ce qui n’est pas le cas de la mesure en chambre réverbérante (ASTM C423) pour laquelle une grande surface est nécessaire. La mise en œuvre de la mesure en tube demande moins de préparation et donc permet de mesurer et comparer un plus grand nombre de matériau dans un court laps de temps. La mesure en tube ne peut toutefois pas se substituer à une mesure en chambre réverbérante qui permet d’obtenir l’indice normatif SAA / NRC. C’est pour cela que dans une stratégies de développement d’un matériau absorbant, les mesures en tubes servent comparer les performances des différents prototypes à tester. La mesure en chambre réverbérante constitue l’étape final pour le ou les matériaux qui seront commercialisés.

3.2. Chambre réverbérante

Une chambre réverbérante (Figure 6) est une pièce où les ondes acoustiques sont (en théorie) parfaitement réfléchie par les parois qui la compose. Cette propriété permet d’obtenir à l’intérieur de la chambre un champ diffus, c’est-à-dire un niveau de pression acoustique homogène dans tout le volume de l’espace. Ceci revêt un intérêt particulier pour la mesure de l’absorption acoustique, la puissance acoustique et la perte par transmission.

Figure 6: Chambre réverbérante du GAUS

Alors, comment peut s’établir un champ diffus dans une chambre réverbérante? Et bien c’est très simple. Considérons une source sonore qui émet une onde acoustique seulement à 45°. En posant l’hypothèse que les réflexions sur les murs sont totales, quel que soit la position de la source et du point d’observation, l’onde émise finira par atteindre ce dernier. La seule différence sera le nombre de réflexion nécessaire à cela. La Figure 7 illustre cela dans 2 cas de positons arbitraire de la source et du récepteur.

      

Figure 7: exemples d’une onde acoustique atteignant un point de réception avec plus ou moins de réflexions

De plus, en un point de l’espace, le niveau sonore mesuré est le résultat de la somme de plusieurs ondes provenant de l’onde directe, puis des ondes issues des réflexions sur une paroi, puis deux, trois et ainsi de suite (Figure 8). Sachant que les niveaux de pression s’additionne de façon logarithmique et que le nombre de réflexions n’est pas infinie en réalité, le niveau sonore finit par atteindre un seuil et n’augmente plus.

       

Figure 8: Ondes sonores atteignant un point de mesure par chemin direct (gauche) et par réflexion sur une paroi (droite)

Tout ceci permet, même si la source sonore n’émet pas des ondes dans toutes les directions, d’obtenir un champ sonore homogène dans le volume de la chambre. En conditions de mesure, le champ sonore n’est jamais parfaitement homogène due au fait qu’une paroi n’est jamais parfaitement réfléchissante, à l’influence de l’atténuation de l’air ou encore à la présence de la source de bruit elle-même. Il est nécessaire d’effectuer une moyenne du niveau de pression à différents points du volume de la chambre. Les normes de mesures dans la chambre réverbérante décrivent parfaitement les méthodologies à employer (voir mesure coefficient d’absorption de Sabine, puissance acoustique).

Maintenant, comment est conçue une chambre réverbérante?

Pour que les parois soient réfléchissantes, elles doivent être très lourdes et imperméables. Usuellement, ce sont des murs de bétons très épais qui sont utilisés auxquels sont ajouté à l’intérieur une peinture imperméabilisante et un vernis durcissant.

L’autre caractéristique que doit respecter la chambre réverbérante, c’est de ne pas permettre aux ondes stationnaires de se créer à l’intérieur. Ce type d’onde apparaît entre deux parois parallèles et relativement réfléchissantes. Il s’y établie alors une succession de maximum et de minimum de pression acoustique. Les ondes stationnaires apparaissent à plusieurs fréquences précises et le nombre de maximum et de minimum s’accroit à mesure que celle-ci augmente. Comme on peut s’en douter, lorsqu’on souhaite avoir un niveau de pression homogène dans l’espace, Ce phénomène est assez gênant!

Il y a deux possibilités pour éviter cela; la première consiste à construire une chambre réverbérante avec aucune des parois parallèles entre-elles. Comme on peut s’en douter, ce n’est pas évident à bien réaliser et c’est relativement couteux. La seconde consiste à utiliser des déflecteurs dans la chambre à plusieurs endroits afin de casser la géométrie, en tout cas du point de vue des ondes acoustiques.

C’est le phénomène des ondes stationnaires qui limite le champ diffus dans la chambre en basse fréquence. En effet, plus la fréquence est basse, plus la longueur d’onde est grande. Et pour qu’une onde acoustique « voit » une dissymétrie dans une géométrie d’un local, il faut que celle-ci soit plus grande que la longueur d’onde. Pour donner un ordre d’idée, à 100Hz, la longueur d’onde est d’environ 3.4 m.

En ce qui concerne la limitation haute fréquence, la problématique provient plutôt de la difficulté à avoir assez d’énergie acoustique pour cumuler assez de réflexions et donc assurer un champ diffus. En effet, les ondes s’atténuent beaucoup plus vite en haute fréquence et du point de vue pratique, cela peut nécessiter une puissance d’émission importante.

3.3. Chambre sourde

Une chambre sourde, ou anéchoïque (pas d’écho), est une salle où les ondes sonores ne se réfléchissent pas sur les parois mais sont totalement absorbées, en théorie bien sûr (Figure 9). Elle reproduit la condition de champ libre, c’est-à-dire que les ondes acoustiques qui se propagent ne reviennent jamais, comme si elles évoluaient dans une espace infinie. On trouve également des chambres semi-anéchoïque, c’est-à-dire avec une seule surface parfaitement réfléchissante, usuellement le sol. Elles permettent le test de machines lourdes qui ont besoin de reposer sur le sol, telles que des autos, camions, machines-outils,… La plupart des normes de mesures acoustique en chambre d’essais sont d’ailleurs prévue pour des chambres semi-anéchoïque.

Figure 9: Chambre anéchoïque du GAUS

Une telle chambre permet de mesurer des grandeurs acoustiques telles que la puissance acoustique, ce qui est le cas aussi de la chambre réverbérante mais elle permet d’avoir accès à une information que cette dernière ne donne pas, la directivité. En effet, compte tenu que les ondes ne se réfléchissent pas, les micros mesurent uniquement les ondes directes provenant de la source sonore caractérisée. Il est même possible de réaliser une cartographie de l’énergie acoustique émise par la source à l’aide d’une sonde intensimétrique. On peut également y mesurer la réponse fréquentielle des microphones, la directivité des haut-parleurs et dépendamment des performances de la chambres, la puissance de source peu bruyantes. À noter que cela peut nécessiter que la chambre soit désolidarisée du sol pour éviter les perturbations très basses fréquences extérieures. Enfin, couplée à une chambre réverbérante, elle permet également de mesurer la perte par transmission d’un matériau, grandeur acoustique très utilisée notamment dans le domaine de la construction et l’aéronautique.

Alors, comment fonctionne une chambre source?

Ce qui fait l’absorption des parois de la chambre sourde, c’est les dièdres qui s’y trouvent. Ils sont faits de mousses absorbantes ou de laines de verres. Dans le cas de ce dernier matériau, les dièdres sont souvent recouvert d’un tissus afin d’éviter que des particules de verre sature l’air ambiant.

Alors pourquoi une forme de dièdre pour bien absorber les ondes sonores? Et bien c’est parce que les ondes acoustiques sont très sensible au changement du milieu dans lequel elles se propagent. Pour donner un exemple, si une ondes sonore se propage dans un tuyau et soudainement débouche dans un espace infinie, une partie de l’onde est réfléchie dans le tube. Pour éviter cela, il fait que le changement soit progressif. C’est d’ailleurs pour cela que la plupart des instruments à vent ont des pavillons à leur sortie. Il s’agit d’une adaptation progressive du milieu. En acoustique, on parle d’adaptation d’impédance.

C’est exactement la même chose dans la chambre sourde. Si d’un seul coup, l’onde passe de l’air ambiant à un matériau absorbant, une partie de l’onde serai réfléchie. Avec la forme d’un prisme, le front d’ondes acoustique passe progressivement dans un milieu où la surface d’absorbant s’élargie peu à peu et au même rythme où l’air diminue (Figure 10).

Figure 10: Principe d’absorption des dièdres; convergence progressive des ondes vers le milieu absorbant

Maintenant, parlons des limitations de la chambre sourde. Comme on peut s’y attendre, c’est en basse fréquence qu’elle se situe. En effet, pour absorber le plus possible en basse fréquence, il faut que la longueur du dièdre soit de l’ordre de grandeur du quart de la longueur d’onde à absorber.

4. Absorption et isolation

4.1. Définition

Il est essentiel de bien comprendre la différence entre ces deux notions afin de pouvoir cerner et résoudre correctement une problématique liée au bruit.

L’absorption du son implique la réduction du bruit par l’utilisation de matériaux dissipant l’énergie des ondes acoustiques. Pour les absorbants acoustiques conventionnels, tels que les laines et les mousses, l’absorption du son se fait en permettant aux ondes acoustiques de pénétrer dans leurs structures sinueuses et tortueuses. C’est par des phénomènes visqueux et thermiques que l’énergie se dissipe sous forme de chaleur à l’intérieur même des matériaux. Cependant, le fait que les ondes se propagent dans le matériau implique que l’énergie qui n’est pas absorbée ressorte de l’autre côté. Les ondes acoustiques alors atténuées peuvent poursuivre leurs routes.

À l’inverse, un matériau isolant (du point de vue acoustique) est un matériau imperméable, c’est-à-dire qui ne laisse pas passer les ondes acoustiques à travers sa structure. Le principe de fonctionnement de ce type de matériau est complètement différent de l’absorbant puisque son but est de réfléchir les ondes acoustiques. Pour y parvenir, il ne doit pas seulement être imperméable, mais aussi lourd pour ne pas entrer en vibration suite à l’impact des ondes acoustiques sur sa surface. En effet, si celui-ci se mettait à vibrer, il se comporterait comme un haut-parleur, et comme chacun sait, un haut-parleur rayonne du bruit.

Voici quelques cas de figures qui permettront d’illustrer l’utilisation de ces deux stratégies de réduction du bruit :

Soit un local dans lequel se trouve une machine bruyante et un autre local, voisin de ce premier, occupé par des personnes (Figure 2). Pour protéger les personnes du bruit produit par la machine, il est nécessaire de travailler à valoriser les performances d’isolation de la paroi séparant les deux locaux. La paroi réfléchie le son ne laissant alors passer qu’une faible partie de l’énergie acoustique de l’autre côté. Notez toutefois que le niveau sonore devient important dans le local où se trouve la source de bruit puisque l’énergie acoustique ne peut en sortir.

Figure 2. Principe de réduction du bruit d’un local par isolation acoustique du local bruyant.

Maintenant, si la source de bruit et les personnes cohabitent dans la même pièce (Figure 3), l’abaissement du niveau sonore dans le local se fait en utilisant cette fois-ci des absorbantes acoustiques sur les parois. L’onde acoustique perd son énergie au fur et à mesure de ses réflexions successives sur les parois.

Figure 3. Principe de réduction du bruit dans un local par l’utilisation d’absorbant acoustique.

Enfin, si les deux cas de figure précédents sont cumulés (Figure 4), les deux méthodes de réductions du bruit peuvent être utilisées pour obtenir un maximum d’efficacité.

Figure 4. Utilisation des principe d’absorption et isolation pour réduire le bruit dans des locaux

Notez que les méthodes de réduction du bruit par l’utilisation de matériaux s’appliquent lorsqu’il n’est pas possible d’agir directement sur la source de bruit elle-même, ce qui représente malheureusement la majorité des cas.

4.2. Grandeurs acoustiques

 

4.3. Indicateurs normalisés (SAA/NRC, STC)

5. Lexique

Notion	Définition
Bruit ambiant
Bruit blanc
Bruit résiduel
Bruit rose
Champ diffus
Champ libre
Coefficient d'absorption
Coefficient d'absorption Alpha Sabine
Contrôle actif / passif
Décibel
Émergence
Fréquence (Hz)
Fréquence Fondamentale
Intensité acoustique
Longueur d'onde
Niveau de bruit équivalent (LEQ)
NRC
Octave - tiers d'octave
Perte par transmission (TL)
Perte par insertion (IL)
Pondération (A, C, Z)
Pression acoustique
Puissance acoustique
Résonance
Résonateur
SAA
Salle anéchoïque, semi-anéchoïque
Salle réverbérante
Sone
Sonomètre
Temps de réverbération
Ton pur
Spectre de fréquences