Acoustique architecturale

En appliquant la théorie de la propagation des ondes aux vibrations sonores, on touche à un domaine déjà fort bien maîtrisé depuis l'Antiquité, celui de l'acoustique des salles. Pour amplifier un son, les Grecs se servaient des propriétés physiques des matériaux, de la connaissance qu'ils avaient acquise sur les phénomènes de résorption et de réfraction des sons, et construisaient des théâtres et amphithéâtres en leur donnant une forme particulière. Ainsi, les constructions où devaient se produire des orateurs ou des musiciens avaient une acoustique très étudiée. Le théâtre d'Épidaure est ainsi un témoin de l'avancement des connaissances des Grecs en acoustique dès le IV^e siècle av. J.-C..

Les connaissances en acoustique des salles au temps de la Grèce antique étaient cependant avant tout empiriques. Ce domaine de connaissance restera très longtemps presque entièrement basé sur l'expérience, se développant par suite d'essais aboutissant parfois à des échecs, parfois à de grandes réussites pouvant ensuite servir de modèle pour les salles suivantes. Le physicien américain Wallace Clement Sabine est généralement considéré comme le père de l'acoustique des salles en tant que domaine scientifique. En 1900, il publie l'article Reverberation qui pose les bases de cette science toute jeune.

Lorsqu’un son est émis dans une salle, les ondes sonores se réfléchissent sur ses parois pour parvenir à l’auditeur avec un retard, par rapport à l'onde directe, proportionnel à la distance parcourue. Il résulte de ces multiples réflexions un son continu dont l’amplitude décroît plus ou moins rapidement. La mesure de cette réponse est généralement appelée échogramme ou réponse impulsionnelle. La durée de réverbération ou temps de réverbération TR est généralement définie comme la durée nécessaire pour que la puissance sonore atteigne un millionième de sa valeur initiale (ce qui correspond à une décroissance de 60 dB).

Wallace Clement Sabine étudia la propagation des ondes sonores dans une enceinte fermée. Il montra que le temps de réverbération acoustique est proportionnel au volume v divisé par le produit de l'aire totale de ses parois (murs, planchers et plafonds) par un coefficient d'absorption α compris entre 0 (paroi totalement réfléchissante) et 1 (paroi totalement absorbante, de laquelle aucune onde sonore ne se réfléchit, dite aussi fenêtre ouverte). On calcule le dénominateur s.α en ajoutant les produits partiels obtenus pour chacun des éléments des parois[1]

Formule de Sabine: ${\displaystyle TR={\frac {0,163v}{s\alpha }}}$

TR: secondes, v: m³, S: m², α: [0, 1][2].

Cette formule rend prévisible l'influence des matériaux utilisés dans la construction d'un lieu sur son acoustique, à condition d'en avoir déterminé au préalable l'indice d'absorption, ce que l'on fait en les introduisant dans une pièce conçue à cet effet (chambre réverbérante) et en mesurant les changements qu'ils y apportent.

Sabine s'était intéressé principalement aux grandes salles de concert, qui doivent posséder des parois suffisamment réfléchissantes pour transmettre le son à tous les auditeurs. Sa formule convient quand les coefficients d'absorption sont suffisamment petits. Quand ceux-ci sont grands, elle est manifestement fausse: si α = 1, c'est-à-dire que les parois absorbent entièrement le son, il ne devrait y avoir aucune réverbération (TR = 0); mais la formule de Sabine donne une valeur non nulle. Pour remédier à cela, Eyring a proposé de redéfinir α comme le logarithme naturel du coefficient de transmission (1 - absorption).

Formule d'Eyring ${\displaystyle TR=-{\frac {0,161v}{s\ln {(1-\alpha )}}}}$

Les deux formules donnent des résultats équivalents quand α est petit; il s'agit d'une évaluation à deux signes significatifs au plus, et non pas d'une mesure physique rigoureuse. Sabine était déjà conscient que la durée de réverbération ne suffit pas pour décrire la qualité acoustique d’une salle. Dans son article 'Reverberation', il propose trois facteurs définissant les conditions d’une bonne écoute. Ces trois facteurs sont :

• Loudness (puissance, énergie totale de la réponse impulsionnelle).
• Distortion of complex sounds (c'est-à-dire la balance, spectrale comme spatiale, résultat des phénomènes d’interférences et de résonance).
• Confusion (perte de clarté due à une prolongation des sons résultant des phénomènes de réverbération et d’écho).

Mais pour ces trois facteurs perceptifs, Sabine ne propose qu’un critère objectif (le TR), ne permettant de caractériser que le phénomène de réverbération.

Leo L. Beranek proposa le premier, bien plus tard, une approche de définition générale de la qualité acoustique d'une salle de spectacle. Son étude des aspects perceptifs se proposait de faire comparer entre elles différentes salles de concert par des experts (chefs d’orchestre, interprètes et critiques musicaux). À partir d’entretiens avec ces experts et de ses écoutes personnelles, Beranek proposa une liste de 18 facteurs perceptifs qu'il résumera plus tard en 7 :

• « Reverberance » : réverbérance, évaluation subjective du phénomène de réverbération ;
• « Loudness » : puissance sonore ;
• « Spaciousness » : sensation d'espace et d'enveloppement sonore ;
• « Clarity » : clarté ou transparence ;
• « Intimacy » : intimité, sensation de proximité sonore ;
• « Warmth » : chaleur apportée par la coloration des timbres par la salle ;
• « Hearing on stage » : aptitude pour les musiciens, les comédiens ou les conférenciers (donc dans le contexte d'une salle de spectacle uniquement) à s'entendre correctement.

Pour presque tous ces facteurs perceptifs, Beranek propose des critères objectifs mesurables : le TR pour 'Reverberance', la force sonore G pour 'Loudness', la proportion de réflexions précoces parvenant latéralement à l'auditeur pour 'Spaciousness' (découverte de Michael Barron), le rapport de l'énergie sonore précoce sur l'énergie sonore tardive pour 'Clarity' (critère C80 défini par Abdel Alim), le délai temporel de la première réflexion parvenant à l'auditeur pour 'Intimacy', le rapport du TR en basses fréquences sur le TR dans les médiums pour 'Warmth'. Seul 'Hearing on stage' n'est pas associé à un critère objectif.

La question de l’isolation est un aspect fondamental de l’acoustique du bâtiment. Il s’agit de s’assurer qu’une habitation ou un lieu d’activité ne sera pas perturbé par le bruit extérieur ou celui provenant des autres pièces du même bâtiment. L’isolation est généralement quantifiée par une grandeur appelée isolement acoustique normalisé DnT, exprimé en dB(A) par rapport à un bruit rose à l’émission. L'uniformisation européenne des normes en acoustique du bâtiment a amené une nouvelle définition de cet isolement acoustique cette fois désigné par DnTw et exprimé en dB. Cet isolement ne dépend pas que de la performance de la paroi séparative (son indice d'affaiblissement acoustique) : en effet, d’autres phénomènes que la transmission directe interviennent dans le passage du niveau d’émission au niveau de réception :

• les transmissions latérales, par propagation des vibrations dans les parois liées à la paroi séparative puis rayonnement de ces parois ;
• les transmissions parasites dues aux défauts d’exécution et au passage de gaine et de canalisations dans la paroi ;
• la réverbération dans le local de réception, liée à son volume et à son aire d’absorption équivalente.

Il existe donc principalement trois façons d'améliorer une isolation acoustique :

• limiter les transmissions directes, soit en réduisant la surface séparative, soit en améliorant l'indice d'affaiblissement acoustique de la paroi séparative en utilisant des matériaux de construction plus lourds (loi de masse) ou en utilisant des complexes multicouches (principe Masse/Ressort/Masse) ;
• limiter les transmissions latérales : les parois latérales les plus exposées à cette forme de transmission sont les parois légères et rigides telles que les carreaux de plâtre, les blocs de béton creux ou les briques creuses. Si ce type de paroi ne peut être évité, on pourra les traiter en collant des doublages en matériaux poreux et souples de type laine minérale par exemple. Une autre possibilité est d’introduire des ruptures d’impédance bloquant la propagation des vibrations. Ces coupures peuvent par exemple être réalisées à l’aide de joints de dilatation ;
• limiter les transmissions parasites, en surveillant les défauts d'exécution, en rebouchant les fissures, joints, passages de câbles ou de tuyauteries. Une très grande attention est nécessaire : par exemple, une paroi dont la constitution permet théoriquement un affaiblissement acoustique de 60 dB, si elle comporte 1 % de trous, ne permet plus que d'atteindre une performance de 20 dB !