caractéristiques physiques des sons et des bruits – notions de bases!

Environnement sonore L5C Caractéristiques physiques des sons et des bruits – Notions de bases!

Nicolas REMY 2012-2013 [email protected]

Environnement sonore L5C – Organisation des enseignements en acoustique!Lundi : 9h-12h : Cours magistraux . Cours 1/4 : Bases physiques de l’acoustique . Cours 2/4 : Acoustique des salles . Cours 3/4 : Isolement acoustique / Confort . Cours 4/4 : Bruit et formes urbaines OCTOBRE - Travaux dirigés Lundi am 14h-16h : groupe A Lundi am 16-18h : groupe B Mercredi am 14h-16h : groupe C Mercredi am 16h-18h : groupe D NOVEMBRE - Suiivi de dossier Lundi am 13h-16h : groupe D Lundi am 16-19h : groupe C Mercredi am 13h-16h : groupe B Mercredi am 16h-19h : groupe A

Nicolas REMY - ENSAG !

Rappels de physique

. Son : 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). Ondes sphériques et Ondes planes dans eau Laurie Anderson 1997 Exemples -  ceau = 1460 m/s cacier = 5100 m/s cbéton = 4000 m/s cverre = 5000 m/s -  foudre et tonnerre -  besoin d’un milieu de propagation (déserts et espace) -  son de sa voix -  propagation aérienne et solidienne

Nicolas REMY - L5C - école d’architecture de Grenoble


Ondes sphériques Ondes plances

Paramètres physiques des sons Notions ondulatoires

Les ondes acoustiques Wavelenght Longueur d’onde ! !λ, m Frequence fréquence ! ! !f, Hz ! Periode Période ! ! !T, s Speed of propagation Vitesse de propagation !c, m/s"

λ= c xT λ= c/f f= 1/T



What is the wavelenght of a 50Hz and 8000 Hz sound ? Quelle est la longueur d’onde d’une onde de fréquence 50Hz et de fréquence 8000Hz ;!

λ= c. T λ= c/f f = 50Hz, λ = c/f = 340 / 50 = 6,8m f = 8000 Hz λ = c / f = 340 / 8000 = 0,0425m

λ = 6,8m

f = 50Hz

λ = 0,0425m = 4,25 cm

f = 10 000 Hz



λ = 6,8m λ = 0,0425m


Speed of propagation!Vitesse de propagation(m/s)!!!!!!!où!θ, la température de l’aire en °C ! Θ, température en K(Kelvin)

!!!!C = 344m/s dans l’air à 20°C!C = 1481 m/s dans l’eau à 20°C!!!« vitesse de propagation» est aussi appellé celerité!



La foudre et le tonnerre sont deux phénomènes météorologiques qui ont lieu en même temps lorsqu’il y a un orage et pourtant les messages visuels et sonores ne se propagent pas à la même vitesse…. Il est donc possible de savoir à quelle distance on est d’un orange …!



Sonorisation de grands espaces …!



Le son ne se propage pas dans le vide … !

Sonic spaceship explosion do not exist !!!We use air or neutral gaz to improve insulation!Χρησιμοποιούμε το ουδέτερο αέριο η το αέρα για να βελτιώσουμε τη μόνωση!



Souvenez-vous de ce qu’il y avait écrit comme sous titre sur l’affiche de ce film ?!

Physical parameters of sound φυσικές παράμετροι του ήχου


Paramètres physiques des sons Notions ondulatoires!

Les sons/bruits se propagent dans les solides !

Lorsqu’on claque une porte, au moment de l’essorage d’une machine à laver le linge, une partie de l’énergie acoustique se propage dans l’air (propagation aérienne) et une autre partie est transmise par les vibrations dans la structure de la construction. (propagation solidienne)!


Laurie Anderson 1997

Paramètres physiques des sons Notions ondulatoires!

Propagation solidienne…!

Exemple de l’écoute de notre voix enregistrée par un microphone … il manque quelque chose … la transmission solidienne a travers les os du visage.!


Rappels de physique

. Son : 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.

Physiologie de l’oreille.


Rappels de physique

. Son : 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.

Physiologie de l’oreille.

Oreille externe Oreille moyenne Oreille interne


Rappels de physique

. Son : 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.

Antonio Fischetti Initiation à l’acoustique


Rappels de physique

Ondes sphérique Ondes planes dans eau Exemples -  ceau = 1460 m/s - cacier = 5100 m/s - cbéton = 4000 m/s - cverre = 5000 m/s -  foudre et tonnerre -  besoin d’un milieu de propagation (déserts et espace) -  son de sa voix -  propagation aérienne et solidienne

Laurie Anderson 1997

Antonio Fischetti Initiation à l’acoustique

C = 20 VT exemples

T= 0°C ⇒ c= 330m/s

T= 20°C ⇒ c= 342m/s

température en °Kelvin


The ear is sensitive to 3 different parameters of sound : L’oreille est sensible au 3 paramètres suivants du son:

•  Sound level Le niveau de pression acoustique ou niveau sonore •  Frequencies Les fréquences •  Timbre Le timbre!

3 paramètres du son Niveau - fréquence - Timbre


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

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

Pression acoustique



. On définit le niveau sonore, comme le rapport de 2 pressions acoustiques : . P, pression acoustique de la source . P0, 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)

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

Niveau sonore



Niveau sonore


Evolution du Lp



L’oreille humaine est sensible à des variations de fréquences. L’oreille est sensible à des variations de fréquences entre 20Hz à 20 000 Hz (oreille jeune et en bonne santé) Ce grand domaine de sensibilité est divisé en paquets de fréquences qui sont ordonnés de façon régulière pour l’oreille. Ce sont par exemple, les octaves. Quand on passe d’une octave à une autre, on a la sensation auditive que l’on a doublé la hauteur du son. Exemples Sonagrammes 01dB - dBEnv32 fonction equaliser d’un lecteur audio sur PC

Fréquences



Fréquences

Ecoute de sons purs

110 Hz 220 Hz 440 Hz 880 Hz 1760 Hz

Téléphone

dans bruit de fond

camion saxophone

Lp

Hz


44 63 88

89 125 176

177 250 353

353 500 707

708 1k 1414

1415 2K 2828

2829 4K 5656

5657 8K 11313

11314 16K 20 000

Découpage en octaves (Hz)

Exemples - transformateur : 100-120hz - LA du téléphone 440 Hz - Voix humaine 300-4000 Hz - Clavecin 63-18 000 Hz

Typologie - sons graves : 20-300 Hz - sons médiums 300-1000 HZ - sons aigus 1000-16000 Hz

Octaves

Les octaves sont définies par une fréquence centrale et regroupent l’ensemble de fréquences suivant fc / √2 < fc < fc. √2

Fmini Octave Fmax

Octaves



Παραδείγµατα - electric generator 100-120hz - LA from the phone 440 Hz - human voice 300-4000 Hz - Clavecin (το κλαβεσέν) 63-18 000 Hz

Frequencies Συχνότητες!


Ταξινόµηση των ήχων - bass sounds - μπάσους ήχους - χαµηλές συχνότητες 20-353 Hz -  medium sounds -µεσαιες συχνότητες 353-1414 Hz - trebble sound - οξείς ήχους - υψηλες συχνότητες 1414-16000Hz

Frequencies Συχνότητες!


Fletcher et Munson, 1933



dB(A)

Pondération A Octave (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 sonore exprimé en dB(A)



Echelle dB(A)

Activités dB(A) Effets

Avion décollage 120 Choc, surdité à court terme

Limite légale pour le travail 85 8H d’exposition*

À 30m d’une autoroute (4000 veh/h) 80 Troubles végétatifs, troubles nerveux

Rue très circulée, 70 Compréhension difficile d’une conversation

Circulation urbaine moyenne, salle bruyante, aspirateur ménager

60 Troubles de l’endormissement, insomnies

Quartier résidentiel,restaurant calme, bureau calme

50

Salle de classe très silencieuse, appartement calme

35 Zone du sommeil Temps de récupération pour l’oreille

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

30

Pièce vraiment tr!s isolé 20 Sentiment d’oppression

Calme absolu, seuil jamais atteint in situ 10 Chambre sourde

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



timbre Les 3 paramètres du son sont : -  le niveau sonore -  la fréquence -  le timbre

Le Timbre est la qualité qui permet de distinguer deux sons émis par deux instruments différents. 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. Le timbre d’un tel son dépend des intensités relatives des différents sons simples harmoniques qui le composent.



bruit ou son ? Le bruit (définition normalisée) 1- vibration acoustique erratique, intermittente ou statistiquement aléatoire 2- Toute sensation auditive désagréable ou gênante sons, bruit,… comment faire la différence ? Quels outils pour décrire ces phénomènes physiques et ces perceptions ?



Acoustique urbaine 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-clés Propagation en champ libre Effets météorologiques Décroissance du bruit Revêtements Murs anti-bruits Isolation des façades

Revêtements acoustiques - www.boscoitalia.it



Acoustique du bâtiment

Acoustique du bâtiment : problèmes à l’intérieur d’un même bâtiment, problèmes liés au voisinage d’activités bruyantes (industries, domestiques) Mots-clés : Isolation phonique Transmissions directes, latérales Bruits aériens Bruits de choc Sols flottants Ponts phoniques Isolement brut, normalisé et standardisé Bruit des équipements Facteur de transmission Indice affaiblissement Sous couche Velaphone, isolation bruit de chocs

Isolant acoustique, laine minérale



Acoustique des salles

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 réfectoires Mots-clés : Champ direct et champ diffus Réverbération d’un local Décroissance sonore d’une source Intelligibilité de la parole Formule de Sabine Coefficient d’absorption alpha Sabine Aire équivalente d’absorption

Gymnase à Grenoble, Nicolas Michelin www.cyberarchi.com

la s

alle

des

Princ

es,

Mon

aco

- Sy

stèm

e Car

men

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



Outils techniques 1 Indices acoustiques . Leq 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 »

leq =10 log 1T10

Lp10

T∫ dt

"

# $ %

& '


Lp σε dB(A)

T σε s

Leq


Outils techniques 2 . Indices statistiques ou indices fractiles L5 : 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 . Histogramme

% du temps de la mesure

Classes de niveaux sonores en 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 %


Leq, Max, Min, Indices fractices (L5, L90…)…


Addition de niveaux sonores

€

Lptotal =10 × log( 10Lpi10

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


Addition - Lp!

Méthode graphique


Méthode Graphique 30dB(A) ⊕ 60dB(A) ⊕ 70dB(A) ⊕ 70dB(A)

ΔdB(A) = 30 ⊕ ΔdB(A) = 0 ⇒ + 0 ⇒ + 3

60 dB(A) ⊕ 73 dB(A)

ΔdB(A) = 13 ⇒ +0,2

73,2 dB(A)

Addition - Lp!


Lden

Day (6h-18h) Evening (18h-22h) Night (22h-6h)

€

Lden =10log124

12 ×10Lday10 + 4 ×10

Levening+510 + 8 ×10

Lnight+1010

#

$ %

&

' ( σε dB(A)

Lden = c’est le critère choisi par la CE pour mesurer la gêne [directive 2002/49-EU]


Ordres de grandeurs L’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 distance . Une source linéique, en champ libre, décroît de -3dB(A) par doublement de distance



Bibliographie 1/3

Ouvrages généraux : !- CIATTONI J.P. : Le bruit - Toulouse - Privat - 1997 - 159p!- BOUYSSY A.,DAVIER M.,GATTY B.: Physique pour les sciences de la vie (T3 : Les ondes). Paris. Belin. 1990. 292p!- BRUNEAU M : Introduction aux théories de l'acoustique Université du Maine 1983-650p!- TOMATIS A.: L'oreille et la vie- Paris, Laffont 1977- 314p!- BURGEAT M-GRALL Y-LOTH D : Physique et biophysique en PCEM Paris-Masson 1973 -300p!- JOSSE 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. 620p!- PUJOLLE J : Lexique guide d'acoustique architecturale. Paris. Eyrolles- 1971!- FLEURY P -MATHIEU JP : Vibrations mécaniques et acoustique Paris Eyrolles 1968. 350p!- MERCIER J : Acoustique Paris PUF 1962. 1000!

Techniques d'isolation dans les bâtiments :!- HAMAYON L. : Réussir l'acoustique d'un bâtiment - Paris - Le Moniteur - 1996 - 271p!- MEISSER : 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 p!- PINCON G. -Amélioration acoustique des logements . Paris. Cated -1988. 170p!- ANAH. L'isolation acoustique des logements anciens. Paris. Eyrolles. 1986!- HAMAYON, L.: Guide acoustique pour la conception des bâtiments d'habitation, Paris Le Moniteur, 1982,180 p!- Collectif : 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. 100p!- MEISSER : La pratique de l'acoustique dans le bâtiment Paris Cated-Eyrolles. 1971. 130p!-  SIMONIN-ADAM Christine, Acoustique et Réhabilitation, Ed. Eyrolles, PUCA, 2002, 381 p., !!



Bibliographie 2/3

Acoustique des salles :!- JOUHANEAU J. : Acoustique des salles et sonorisation - Paris - T1D - 1997 - 610p!- Collectif : Theaters and halls. Tokyo. Meisei. 1995. 224p!- BARRON M. : Auditorium acoustics and architectural design. Londres. E&FN SPON. 1993. 443p!_ Colllectif : Rencontres architecture et musique - Chateau de forges, Pesmes - 1992 78p!- EGAN David : Architectural acoustics. New York- Mac Graw Hill. 1992!- POUBEAU P, BARON C : Produits pour la correction acoustique. Paris. CATED. 1991. 72p!- FORSYTH M: Architecture et musique:l'architecte,le musicien et l'auditeur du17ème siècle à nos jours. Bruxelles-P.Mardaga. 1987,360p!- ADAM M. : Acoustique architecturale et acoustique des salles. Blauen (CH). Schweizer Baudokumentation. 1985. 68p!- LEIPP, E : Acoustique et musique. Paris. Masson. 1980 !- IZENOUR : Theater design. New York : Mac Graw hill Cie, 1977, 630 p!- LAMORAL R : Music et architecture. Paris : Masson, 1975, 180 p., !- RAES A.C. : Isolation sonore et acoustique architecturale - Paris - Chiron - 1964 - 383p!- BERANEK L : Music, acoustic and architecture . New York. J. WILEY,1962, 580 p!- KNUDSEN 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).Paris!- BAR P, LOYE B : Bruit et formes urbaines : propagation du bruit dans les tissus urbains,Paris. CETUR. 1981!- MIGNERON : Acoustique urbaine. Paris : Masson, 1980, 126 p., !



Bibliographie 3/3

Environnement sonore : !- AMPHOUX P. : L'identité sonore des villes européennes, Guide méthodologique. CRESSON-IREC. 1993. 2 tomes. 86p!- AMPHOUX et alii: Aux écoutes de la ville, enquète sur 3 villes suisses. Lausanne CRESSON/IREC 1991. 319p!- CHELKOFF et alii: Entendre les espaces publics. Grenoble. CRESSON 1988, 160p!- AUGOYARD, BALAY, CHELKOFF. Sonorité,sociabilité,urbanité. Grenoble. CRESSON, Plan construction 1982!- PLAN 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.

Revues - Technique et architecture!- Les cahiers techniques du moniteur!- Actualité de la scénographie!- Les cahiers du CSTB!- Acta Acustica (et les versions précédentes: : Revue d'acoustique /Journal d'acoustique)!- Le bulletin du CIDB!- Echo Bruit. Revue du CIDB!- Isolation -Information , la revue du CFI!


caractéristiques physiques des sons et des bruits – notions de bases!

Documents