Le rapport entre les sons et l'architecture est un problème très ancien. Comment, à l'époque de l'Empire grec, pouvait-on jouer des pièces dans des auditoriums sans aucun microphone, ni système d'amplification ? Le bâtiment était conçu de façon à ce que les sons soient naturellement transmis et amplifiés dans tout l'auditorium sans gêne pour l'auditeur.
Pour comprendre comment donner une acoustique particulière à une salle, il faut comprendre comment les ondes sonores se comportent dans une pièce fermée. Il est alors possible de développer des moyens technologiques pour contrôler l'acoustique d'une pièce en fonction des besoins.
La réverbération du son dans une salle
Le comportement d'une onde sur une paroi
Une onde sonore arrivant au contact d'une paroi subit des phénomènes de réflexion et d'absorption.
L'intensité acoustique de l'onde diminue à chaque réflexion car une partie de l'énergie sonore est absorbée par la paroi.
La capacité d'une paroi à absorber une onde sonore est définie par son coefficient d'absorption alpha Sabine.
Coefficient d'absorption alpha Sabine
Le coefficient d'absorption alpha Sabine d'une surface, noté \alpha, est le rapport entre la somme des intensités sonores de l'onde réfléchie et de l'onde transmise et l'intensité sonore de l'onde incidente pour une fréquence donnée.
Le coefficient d'absorption alpha Sabine est compris entre 0 et 1. Cette valeur dépend des matériaux composant la paroi et de son épaisseur.
- Pour une fréquence donnée, une paroi qui n'absorbe aucunement l'énergie qu'elle reçoit aura un coefficient d'absorption de 0.
- Pour une fréquence donnée, une paroi qui absorbe la totalité de l'énergie qu'elle reçoit aura un coefficient d'absorption de 1.
Le coefficient d'absorption alpha Sabine d'un mur de brique pour une fréquence de 4000 Hz est d'environ 0,07. Cette paroi absorbe peu les sons aigus.
Le coefficient d'absorption alpha Sabine d'une paroi en laine de verre à 4000 Hz est supérieur à 0,5. Pour une fréquence de 125 Hz, la valeur du coefficient est inférieure à 0,4.
Le phénomène de réverbération
Réverbération
La réverbération est la superposition de toutes les réflexions d'une onde sonore dans une salle fermée ou semi-fermée une fois la source de l'onde éteinte.
Le phénomène d'écho ressenti dans un appartement vide est un exemple de phénomène de réverbération.
Les différentes ondes réfléchies sont captées par l'oreille avec un certain décalage temporel d'où la sensation d'écho.
La réverbération dure tant que les ondes ne sont pas absorbées totalement.
Le temps de réverbération
Temps de réverbération
Le temps de réverbération est le temps nécessaire à l'amortissement de 60 dB du niveau sonore d'un son une fois sa source éteinte.
Dans une salle home-cinema, le temps de réverbération est environ de 0,5 seconde. Si ce temps est trop long, les paroles et les effets sonores vont se superposer et rendre l'écoute impossible.
Temps de réverbération
Le temps de réverbération est donné par la formule suivante :
T_{r60}=\dfrac{0{,}16\times V}{A}
Avec :
- T_{r60} le temps de réverbération en s
- V le volume de la salle en m3
- A l'aire d'absorption équivalente en m2
Pour une pièce non meublée de 75 m3, l'aire d'absorption équivalente étant égale à 30 m2, le temps de réverbération sera de :
T_{r60}=\dfrac{0{,}16\times V}{A}=\dfrac{0{,}16\times 75}{30}=0{,}4 s
Aire équivalente d'absorption
L'aire équivalente d'absorption est donnée par la formule :
A=\sum_{i}S_{i}\times \ \alpha_{i}
Avec :
- A l'aire d'absorption équivalente en m2
- S_i la surface composée d'un type matériau en m2
- \alpha i le coefficient d'absorption alpha Sabine de la paroi de surface S_i
Une pièce comporte :
- Un sol en bois d'une surface S_1 de 25 m2 dont le coefficient d'absorption \alpha_{1} vaut 0,5 pour une fréquence de 1000 Hz.
- Quatre murs en brique, chacun ayant une surface S_2 de 15 m2 dont le coefficient d'absorption \alpha_{2} vaut 0,02 pour une fréquence de 1000 Hz.
- Un plafond en verre d'une surface S_3 égale à celle du sol dont le coefficient d'absorption \alpha_{3} vaut 0,02 à 1000 Hz.
L'aire équivalente d'absorption vaut alors :
A=S_{1}\times \alpha_{1}+4\times S_{2}\times\alpha_{2}+S_{3}\times \alpha_{3}
A=25\times0{,}5+4\times15\times0{,}02+25\times0{,}02
A=14{,}2 m2
Le contrôle du volume sonore
Le contrôle de la réverbération
En fonction de l'usage, le temps de réverbération dans une pièce doit être plus ou moins long. Il existe deux paramètres qui permettent de le modifier :
- Les matériaux utilisés
- La forme des parois de la pièce
Dans le cas d'un auditorium, il doit être suffisamment long pour permettre une écoute égale à tout l'auditoire. Les parois sont conçues pour réfléchir plus fortement les ondes :
Dans le cas des salles sourdes, il est impératif d'éliminer la réverbération. Des panneaux absorbants sont fixés sur les parois afin de "piéger" les ondes réfléchies :
L'isolation phonique
L'isolation phonique consiste à réduire le niveau sonore transmis entre deux pièces séparées par une paroi.
Cette isolation dépend principalement de :
- L'épaisseur de la paroi
- Les matériaux utilisés, caractérisés par l'indice d'affaiblissement R
Indice d'affaiblissement R
L'indice d'affaiblissement R (en dB) est donné par la formule :
R=L_{1}-L_{2}
Avec :
- L_1 le niveau sonore de l'onde incidente en dB
- L_2 le niveau sonore de l'onde transmise en dB
Un son dont le niveau sonore est de 70 dB traverse une paroi. Le son transmis a un niveau sonore de 60 dB. L'indice d'affaiblissement est de 10 dB :
R=L_{1}-L_{2}=70-60=10 dB
Le contrôle actif du bruit
Le contrôle actif du bruit, ou acoustique active, consiste à envoyer un bruit "opposé" au bruit d'une source sonore pour le neutraliser :
