Quelques aspects physiques du signal sonore
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Quelques aspects physiques du signal sonore. Jean Pierre COL Contrôle Acoustique Environnement cae.acoustique@free.fr. Introduction. L’acoustique est un vaste domaine Mon intervention est limitée à la présentation de mon métier : L’acoustique environnementale Humain .

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Presentation Transcript
Quelques aspects physiques du signal sonore

Quelques aspects physiques du signal sonore

Jean Pierre COL

Contrôle Acoustique Environnement

cae.acoustique@free.fr


Introduction
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.

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Principe 1 acoustique env
Principe 1 - acoustique Env.

Source

Signal

Milieu

Récepteur

Analyse

Emission

Propagation

Réception

Traitement

Exemple : Je parle ;

Ma bouche; Air + la salle; vos oreilles; Analyse

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1 emission les 2 principaux param tres
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

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Puissance intensit
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

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Echelle de fr quences
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

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La propagation
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

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Le niveau sonore en un point
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 …

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Niveau puissance
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…

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Limite du champ libre
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

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Les obstacles qui modifient la propagation
Les obstacles qui modifient la propagation

  • Schéma de principe

    Propagation

    Source Surface plane

Er

Et

Ei

Ea

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Bilan nerg tique
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

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Isolation et correction
Isolation et correction

On s’intéresse à  la partie transmise du signal

ISOLATION

On s’intéresse à , la partie absorbée du signal

CORRECTION

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Autres applications
Autres applications

  • La directivité Q = 10 log (nb de surfaces réverbérantes).

    • Les théâtres antiques

    • Les machines aérauliques

  • Les écrans acoustiques

  • Exemples et calculs

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Cas d un espace clos

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.)

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Correction acoustique
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

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Quelques aspects physiques du signal sonore

N1

EDT = T’1 – T1

Traînage T’2 – T2

N1 - 5

N1 - 60

T1

T’1

T2

T’2

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R verb ration et qualit
Réverbération et qualité droite. C’est plutôt une droite de régression.

  • 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.

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Aire eq d absorption
Aire Eq. d’absorption droite. C’est plutôt une droite de régression.

  • 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…

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L isolation acoustique

A2 droite. C’est plutôt une droite de régression.

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.)

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Sommation des niveaux sonores
Sommation des niveaux sonores droite. C’est plutôt une droite de régression.

  • 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

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Lois de l isolation
Lois de l’isolation droite. C’est plutôt une droite de régression.

  • 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

+

+

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La fr quence critique

R en dB droite. C’est plutôt une droite de régression.

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

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Parois doubles
Parois doubles droite. C’est plutôt une droite de régression.

  • 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

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Les r cepteurs
Les récepteurs droite. C’est plutôt une droite de régression.

  • 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

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Le r cepteur humain l oreille
Le récepteur humain : L’oreille droite. C’est plutôt une droite de régression.

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Le syst me d analyse
Le système d’analyse droite. C’est plutôt une droite de régression.

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Les courbes isosoniques
Les courbes isosoniques droite. C’est plutôt une droite de régression.

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Perception spectrale du signal
Perception spectrale du signal droite. C’est plutôt une droite de régression.

Seuil d’audition

  • Infra Basses fréq Médium Aigu Ultra

    son son

Fct de transfert de l’oreille

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Mod les de filtre
Modèles de filtre droite. C’est plutôt une droite de régression.

  • 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)

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Bandes d octave bandes critiques
Bandes d’octave / bandes critiques droite. C’est plutôt une droite de régression.

  • 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)

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    Int gration
    Intégration droite. C’est plutôt une droite de régression.

    • 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

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