Quelques aspects physiques du signal sonore

1. Quelques aspects physiques du signal sonore Jean Pierre COL Contrôle Acoustique Environnement cae.acoustique@free.fr

2. Introduction • L’acoustique est un vaste domaine • Mon intervention est limitée à la présentation de mon métier : • L’acoustique environnementale Humain . • L’acoustique du bâtiment • Présentation en 2 parties • Rappels d’acoustique (cours) • Positionnement professionnel exemples. cae.acoustique@free.fr

3. Principe 1 - acoustique Env.  Source Signal Milieu Récepteur Analyse Emission Propagation Réception Traitement Exemple : Je parle ; Ma bouche; Air + la salle; vos oreilles; Analyse cae.acoustique@free.fr

4. 1- Emission: Les 2 Principaux paramètres • Acoustique Environnementale • Puissance Lw = 10 log (W /W0) en dB avec W0 = 10-12 Watt • Spectre Signal simple fréquence Signal complexe Spectre • Il y en a d’autres • Attaque • Durée • Stabilité / variations • Directivité cae.acoustique@free.fr

5. Puissance / Intensité • Puissance (Watt) : énergie libérée par unité de temps LwdB= 10.log(W / W0) • Energie libérée par une source se propage sous forme d’ondes. Intensité acoustique la densité d’énergie par unité de surface : LpdB = 10.log(I / I0) W/m² 110 dB Tronçonneuse Orchestre 80 dB Int. de train S de classe 50 dB Rue résidentielle Int habitation 20 dB Seuil de perception cae.acoustique@free.fr

6. Echelle de fréquences La fréquence est représentée sur une échelle logarithmique 10 18 50 100 1000 5000 10 000 18 000 Zone d’intérêt en Ac. Env. Infra Sons Ultra Sons Spectre audible cae.acoustique@free.fr

7. La propagation • C’est le gros morceau ! Pas de vide : la propagation dépend du milieu a) vitesse de propagation C = 340 m/s (air) 1 500 m/s l’eau; 3 500 m/s le béton; 5 500 m/s l’acier b) La longueur d’onde : distance parcourue par l’onde pendant un cycle  = d2 – d1 = C / F A 100 Hz  = 3,4 m A 2000 Hz  = 17 cm Règles sur les écrans et les difficultés à contenir les basses fréquences d2 d1 cae.acoustique@free.fr

8. Le niveau sonore en un point • Intuitivement on sens que cela va dépendre • Puissance à laquelle on émet • Distance entre la source et le récepteur • Des obstacles qui vont réduire ou accroître le signal • Le niveau sonore en 1 point correspond aux variations de pression en ce point dont l’unité traditionnelle est le Pascal. On note : Lp = 10.log (P²/P0²) = 20.log (P/P0). • Relations importantes I (W/m²) = P² /  C avec  densité du milieu (dans l’air  =1,2 kg/m3 ) et C célérité (dans l’air 340 m/s) Calculer P0 … cae.acoustique@free.fr

9. Niveau / Puissance • Propagation dépend du champ acoustique. Ici approche concerne = les milieux aériens. • Champ libre Lp = Lw – 10.log(4r²) où Lp est le niveau de la source en un point; Lw la puissance libérée; r la distance source / réc. • Exemples de calculs de décroissance… cae.acoustique@free.fr

10. Limite du champ libre • Le champ libre : • N’existe quasiment jamais… Méthode de rayons utilisée pour modéliser les salles • C’est une approximation acceptable en champ proche où le niveau du signal direct est très supérieur à celui du signal réverbéré. • Le champ acoustique diffus. S. Direct   cae.acoustique@free.fr

11. Les obstacles qui modifient la propagation • Schéma de principe Propagation Source Surface plane Er  Et  Ei Ea cae.acoustique@free.fr

12. Bilan énergétique • Principe énergétique : Ei = Er + Ea + Et • Groupe : tout élément est régulier 1 = (Er/Ei) + (Ea/Ei) + (Et/Ei) • Ce que l’on note en acoustique : 1 = r +  +  Coef d’absorption facteur de transmission Faible corrélation alors que  et r sont étroitement liés cae.acoustique@free.fr

13. Isolation et correction On s’intéresse à  la partie transmise du signal ISOLATION On s’intéresse à , la partie absorbée du signal CORRECTION cae.acoustique@free.fr

14. Autres applications • La directivité Q = 10 log (nb de surfaces réverbérantes). • Les théâtres antiques • Les machines aérauliques • Les écrans acoustiques • Exemples et calculs cae.acoustique@free.fr

15. A2 L2 L3 SD Leq1 Leq2 L1 A1 Cas d’un espace clos • Leq1 = LSD +  Li (Li réflexions ;  Li réverbération). • Modélisation est assez complexe (Interférences, diffraction, etc.) mais des pgm font des approches • Leq2 = Leq1 – R +  L’i + Ai (transmission lat.) cae.acoustique@free.fr

16. Correction acoustique • On appelle durée de réverbération (Tr) le laps de temps que met l’énergie acoustique d’un signal à décroître de 60 dB après l’arrêt de la source. N1 Tr = T2 – T1 N1- 60 T1 T2 cae.acoustique@free.fr

17. On symbolise la décroissance du niveau sonore par une droite. C’est plutôt une droite de régression. N1 EDT = T’1 – T1 Traînage T’2 – T2 N1 - 5 N1 - 60 T1 T’1 T2 T’2 cae.acoustique@free.fr

18. Réverbération et qualité • La durée de réverbération est un des facteurs de la qualité sonore d’une salle. • Selon Sabine Tr = 0,16 V /A où V volume de l’espace A aire équivalente d’absorption. • Il existe d’autre modèle ( Eyring, Mullington) • En fonction de l’utilisation de la salle et de son volume, la littérature recommande des durées de réverbération. • La diffusion est le premier critère. cae.acoustique@free.fr

19. Aire Eq. d’absorption • L’aire équivalente d’absorption est le produit de la surface par le coefficient d’absorption. A = s S • Rappel : s = Ea / Ei (pages 15 et 16) • C’est un coefficient propre à chaque matériau • Exemples laines minérales s = 0,9 moquette s = 0,3 plâtre s = 0,01 • Méthodes de calcul prévisionnel… cae.acoustique@free.fr

20. A2 L2 L3 SD Leq1 Leq2 L1 A1 L’isolation acoustique • C’est la partie transmise du signal. Elle dépend : • De l’indice d’affaiblissement de la paroi : R =10 log  • Des transmissions latérales Ai (variables) • Des réflexions dans le local de réception. On note D = Leq1 – Leq2 (isolement brut) Dn = D + 10 log (T/0,5) (isolement stand.) cae.acoustique@free.fr

21. Sommation des niveaux sonores • Dans l’environnement il est rare qu’une source sonore soit unique. • Pour ajouter les niveaux sonores de 2 sources différentes il faut ajouter les pressions quadratiques • Exemple S1 de niveau L1 = 60 dB = 10 log (P1²/ P0²) S2 de niveau L2 = 60 dB = 10 log (P2²/ P0²) Niveau résultant L1+2 = 10 log ((P1² + P2²) / P0²) = 10 log (2*P1² / P0²) = 10 log (P1² / P0²) + 10 log 2 = 60 + 3 = 63 Autre exemple cae.acoustique@free.fr

22. Lois de l’isolation • La théorie donne 2 lois permettant de calculer une isolation : • La loi des masses et de fréquences; Loi des masses à 500 Hz Loi des fréq pour 100 kg/m² - - 25 kg/m² 32 dB 125 Hz 32 dB 50 kg/m² 36 dB 250 Hz 36 dB 4 4 100 kg/m² 40 dB 500 Hz 40 dB dB dB 1000 Hz 44 dB 200 kg/m² 44 dB 2000 Hz 48 dB 400 kg/m² 48 dB + + cae.acoustique@free.fr

23. R en dB R en dB F en Hz F en Hz La fréquence critique • En raison de l’élasticité des matériaux les parois se déforment sous l’action d’une onde de longueur . • Lorsque cette longueur d’onde coïncide avec celle d’un mode de flexion de la paroi il se produit un phénomène de résonance qui favorise la transmission du signal. fc fc cae.acoustique@free.fr

24. Parois doubles • Le principe est comparé à un système masse (m1) ressort masse (m2) . • Les performances acoustiques sont généralement supérieures à celles d’une paroi simple de masse m = m1 + m2. • Ce type de paroi présente plusieurs fréquences de résonance dues à chacune des parois et à la lame d’air (ou de matériau absorbant) entre les parois. • Il trouve des applications dans : • Les doubles vitrages • Les doublages des parois • Les cloisons en plaques de plâtre cae.acoustique@free.fr

25. Les récepteurs • L’oreille récepteur • Qualitatif • En comprendre le fonctionnement permet un certain nombre de règles • Intègre des critères physiques / subjectifs • Le sonomètre • L’outil de mesure objectif de l’acousticien cae.acoustique@free.fr

26. Le récepteur humain : L’oreille cae.acoustique@free.fr

27. Le système d’analyse cae.acoustique@free.fr

28. Les courbes isosoniques cae.acoustique@free.fr

29. Perception spectrale du signal Seuil d’audition • Infra Basses fréq Médium Aigu Ultra son son Fct de transfert de l’oreille cae.acoustique@free.fr

30. Modèles de filtre • En réception • Pondérations (Lin, A – 1/ fct de transfert - , B, C) • Bandes d’octave (fréq. centrales normalisées 31,5 ; 63 ; 125 ; 250 ; 500 ; 1k ; 2 k ; 4 k ; 8 k Hz) cae.acoustique@free.fr

31. Bandes d’octave / bandes critiques • Bandes de tiers d’octave / Bandes critiques • Perception des fréquences par la cochlée • A l’émission • Bruit blanc (L constant sur tout le spectre) • Bruit rose (L constant par bande d’octave) • Bruit routier (L pondérés par bandes d’octave) cae.acoustique@free.fr

32. Intégration • L’oreille fonctionne comme un intégrateur. S1 S1’ T0T0 + 50 msT0 + 200 ms Coloration Séparation Perception Concept d’intégration est à la base des niveaux sonores équivalents (mesures) Leq = (1/T) t L dt cae.acoustique@free.fr