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date de publication29.03.2017
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FICHE 1

PRÉSENTATION


Titre

Son et architecture

Type d'activité

Activité documentaire et expérimentale

Objectifs de l’activité

Extraire et exploiter des informations.

Mesurer des niveaux sonores.

Références par rapport au programme

Cette activité illustre le thème II : son et musique
et le sous thème Son et Architecture.
en classe de TERMINALE S Spécialité





Notions et contenus

Auditorium.

Isolation phonique ; acoustique active ; réverbération.

Compétences attendues

Extraire et exploiter des informations.

.


Conditions de mise en œuvre

Prérequis : Notion de terminale S sur les ondes sonores.

Durée 2 x 2 H

Contraintes matérielles : connexion internet.

Remarques




Auteurs


Equipe de Physique-Chimie du lycée Albert Thomas de Roanne.

Académie de LYON



FICHE 2
MATERIEL


Connexion à internet

Sonomètre

Maquette décrite dans l’activité

Divers échantillons de matériaux de construction de même épaisseur.

Etude préliminaire : La nouvelle Philharmonie de Paris.

Doc 1 : D’après : http://www.philharmoniedeparis.com

La nouvelle salle philharmonique de Paris est actuellement en chantier sur le site de la Villette... Pour être une salle novatrice, aux performances exceptionnelles, elle devra tirer parti des connaissances récemment acquises en matière d’acoustique.

Vue d’artiste de la future salle de la philharmonie de Paris.
Une salle de concert symphonique a besoin d’un son riche avec un volume acoustique conséquent et une réverbération latérale décisive alors que pour d’autres genres, comme des formations de jazz ou de musique du monde qui jouent avec des instruments amplifiés, une réverbération longue peut entraîner des effets gênants. Il faut donc faire de véritables choix acoustiques pour que ce type de salle soit dédié aussi bien à la musique symphonique qu’aux concerts amplifiés.

A ce titre, la philharmonie de Paris est un projet très différent des salles classiques en forme de «boîte à chaussures» puisque la scène sera entourée par le public à 360 degrés, selon une forme enveloppante.

Le concept est de réaliser d’abord un espace dédié à l’utilisation « symphonique » de la salle, puis d’intégrer ensuite les modifications nécessaires aux autres configurations pour lesquelles il faut absorber davantage le son, de manière temporaire, à l’aide de rideaux par exemple : on parle alors d’acoustique active.

De plus, il existe des limites aux dimensions des grandes salles de concert. En effet, la puissance d’un orchestre symphonique n’est pas extensible et, d’autre part, une salle trop vaste générerait un écho désagréable. Alors, comment conserver une bonne acoustique ? Lorsqu’on augmente la capacité de la salle, on écarte les murs et donc les réflexions sonores latérales diminuent. Le son manque de réflexion précoce, donc de présence et de puissance. De plus, comment installer une proximité et une communion entre les auditeurs et les musiciens ? Si l’éloignement n’est pas un problème pour les salles de 1 500 places, il en va autrement des salles de concert au-delà de 2 000 places, dans lesquelles il a fallu disposer les spectateurs autrement : plus uniquement frontalement, mais également derrière et sur les côtés de la scène.

Toutes les salles ne sont que des "tentatives" en termes de performance acoustique, avec une personnalité et un caractère propre qui demande une certaine accoutumance de la part des formations musicales et du public pour apprécier sa sonorité.
Maquette au 1/10è, vue intérieure de la grande salle.

Doc 2 : Les études acoustiques de la salle de concerts de la philharmonie de Paris.

Keiji Oguchi et Marc Quiquerez de Nagata Acoustics, conseillers en acoustique expliquent leur démarche sur l’acoustique de la salle.
Nous assistons les Ateliers Jean Nouvel sur la définition de la géométrie et des matériaux utilisés pour la structure et les parois internes de la salle. Pour cela nous avons réalisé une maquette de la salle aux dimensions 1/10e dans laquelle nous avons dû émettre des fréquences de son dix fois plus hautes pour y reproduire le son. Pour régler et capter ces sons, on utilise des micros et des ordinateurs à l’aide desquels on les convertit pour obtenir des données audibles comme dans la salle réelle.

Nous cherchons d’abord à repérer les effets d’écho, puis nous déterminons où se trouvent les surfaces qui les favorisent pour pouvoir les éliminer. En effet, la présence d’écho est toujours un problème car l’écoute est perturbée lorsque que l’on entend à deux reprises un son identique, une fois en provenance de la scène, et une seconde fois depuis une autre direction.

Ces problèmes réglés, nous étudions et confirmons les performances acoustiques de la salle en les comparant avec celles d’autres salles considérées comme acoustiquement excellentes.

Le type de son privilégié aujourd’hui allie clarté et longue réverbération. La réverbération définit la durée pendant laquelle on entend un son dans une salle une fois que la musique a cessé. On peut contrôler le temps de réverbération et l’enjeu est de l’ajuster.

Les chefs d’orchestre et les musiciens exigent d’avoir un bon retour du son, ce qui concerne l’acoustique de la scène elle-même. Nous parvenons à obtenir de bons résultats, comme ici, en installant des réflecteurs sonores, le canopy, à environ quinze mètres au-dessus de la scène.
Doc 3 : Réverbération RT60.

Pour une fréquence donnée, le RT60 correspond au temps pour lequel on a une décroissance de 60 dB de l’intensité acoustique après l’arrêt de la source.
Théoriquement, on peut évaluer le RT60 à l’aide de la relation de Sabine :
RT60 = (k x V)/A
où V est le volume de la salle en m3

k : le coefficient de proportionnalité dépend de la fréquence du son. Le k moyen vaut 0,16 (SI)

et A : la surface d’absorption en m2 calculée avec la relation : A =  Sii où les i sont les coefficients d’absorption sonore des matériaux utilisés pour chaque surface.

Le RT60 idéal d’une salle dépend de son utilisation. Cependant on cherche toujours à ce qu’il soit le plus homogène possible par rapport à la fréquence des sons émis.
Questions :

1- Explicitez à l’aide de vos connaissances sur le son et les docs à votre disposition, les termes en caractères gras des textes.

  • Riche : son chaud, avec beaucoup d’harmoniques.

  • Volume acoustique : en lien avec l’intensité sonore.

  • Réverbération : temps pendant lequel le son persiste alors que l’on a coupé la source.

  • Absorber : Atténuer le son en utilisant un matériau dans lequel les ondes sonores se propagent mal.

  • Echo : Phénomène qui met en jeu les réflexions sonores sur les différentes surfaces (murs, plafond) et qui génère un son identique au son direct mais suffisamment éloigné dans le temps de celui-ci pour que l’oreille l’entende deux fois. C’est un effet gênant sur l’écoute.

  • Réflexion : renvoi, par un obstacle, du son direct dans une direction déterminée.

  • Puissance : fait référence à l’énergie sonore.

  • Géométrie : mot utilisé dans le sens de forme ici.

  • Matériau : nature du milieu.


2- Relevez, dans les documents, trois problèmes relatifs à la conception d’une salle de grande taille puis complétez le tableau suivant en indiquant de façon simple mais précise la nature acoustique du problème puis en proposant les solutions qui ont été envisagées pour tenter de résoudre ces problèmes. 


Problèmes et nature du problème.

Solutions envisagées















Problèmes et nature du problème.

Solutions envisagées

Réverbération trop longue : les sons se mélangent alors trop les uns des autres.

Utilisation de matériaux absorbants et de géométrie particulière pour favoriser les réflexions précoces.

Eloignement des spectateurs : sons perçus moins puissants, manque de présence sonore.

Répartition des spectateurs à 360° autour de la scène.

Absence de retour du son vers la scène (pour les musiciens) : comment jouer ensemble si on ne s’entend pas ?

Mise en place du canopy pour assurer les réflexions du son par le plafond.


3- Pourquoi les sons utilisés pour l’étude de l’acoustique de la salle dans la maquette ont-ils besoin d’être traités par un système micro + ordinateur ?
L’oreille ne perçoit des sons qu’entre 20 et 20 000 Hz. Or la maquette étant au 1/10è les acousticiens ont dû émettre des sons de fréquences 10 fois élevées que normalement pour étudier le comportement acoustique de la salle. Les sons émis appartiennent au domaine des ultrasons et ne sont pas audibles directement.


Etude d’un cas concret : Aménagement d’une salle de spectacle.



Doc 1 : Présentation.

La ferme de la Hagoulle est un magnifique corps de ferme Belge de briques rouges datant du XVIème siècle.

Les propriétaires actuels ont souhaité aménager le plus grand des bâtiments d’un volume de 4 612 m3 pour une surface de 480 m2 en une salle polyvalente pouvant accueillir aussi bien des petits concerts que des manifestations de type mariage.

Pour cela ils ont fait appel à un bureau d’étude acoustique.







Doc 2 : Etat acoustique des lieux.

En fonction du cahier des charges établi par les propriétaires, le bureau d’étude estime qu’un RT60 optimal se situerait entre 1,5 et 1,2 s selon la fréquence des sons émis pour préserver l’intelligibilité des spectacles.

Avant de procéder à la modélisation puis aux mesures des RT60, le bureau évalue les qualités acoustiques de la salle avec des enregistrements réalisés en direct dans la salle vide.

On vous propose d’écouter les caractéristiques actuelles sur le lien suivant : http://www.room-s.be/ing/fr/rapports/hagoulle/rapport.html

Mesures et modélisation avant travaux :




Plan et métrage de la salle :

Murs de briques

Vitrage

4 x 4 m

Hauteur moyenne 5 m



Tableau des coefficients d’absorption sonore (alpha Sabine) de quelques matériaux :


Matériaux

Carrelage

Bois

Brique

Vitrage

Rockindus



0,01

0,09

0,5

0,12

1,0



Doc 3 : Après les travaux de recouvrement de la moitié du plafond de 670 m2 par un matériau absorbant (Rockindus) et la présence de public :



Des panneaux absorbants supplémentaires ont ensuite été directement collés et répartis sur la totalité du plafond.



Découvrez maintenant le même enregistrement que précédemment mais réalisé une fois les corrections apportées sur le lien http://www.room-s.be/ing/fr/rapports/hagoulle/rapport.html
Questions :

1- Ecoutez l’enregistrement sonore proposé dans le document 2. Les paroles de la chanson vous paraissent-elles intelligibles ? Quel premier bilan pouvez-vous tirer de la qualité acoustique de cette salle ?
Les paroles de la chanson sont incompréhensibles. La réverbération sonore est beaucoup trop grande, presque à la limite de l’écho. On a la sensation que les musiciens sont très loin devant nous.

Il va falloir mettre en place des éléments absorbants pour supprimer les réflexions sonores tardives.
2- Etude expérimentale. Utilisez la maquette décrite ci-dessous pour classer qualitativement en fonction de leur absorption les matériaux suivants : bois, carrelage, vitrage, mousse, brique, polystyrène, laine de verre. Vérifiez que vos mesures sont en accord avec les valeurs données pour les coefficients alpha Sabine.

Distance sonomètre-obstacle : 30 cm.

La maquette est en cours d’élaboration, par conséquent, le dispositif n’a pas encore été rigoureusement testé. Il n’est pas simple de se procurer des matériaux de même épaisseur !
3- D’après vous, comment évolue l’absorption d’un matériau si on augmente son épaisseur ?
4- Déterminez le RT60 moyen du bâtiment dans son état premier à l’aide de la loi de Sabine.

Pour simplifier on considèrera que la salle ne compte qu’un seul niveau de surface au plancher de 480 m2. D’après vous en quelle unité exprime-t-on les coefficients alpha Sabine ?
Détermination de l’aire d’absorption totale : A =  Sii où les coefficients alpha Sabine n’ont pas d’unité !






Plancher

Murs

Vitrages

Plafond

Total

Surface occupée m2

480

2 x (32 x 4) + 2 x (15 x 5) – 35,1 = 370,9

2 x (4 x 3,8 ) + (1 x 3,8) + 3 x ( 0,5 x 0,6) = 35,1

670

Coefficient alpha Sabine du matériau (SI)

0,01

0,5

0,12

0,09

Aire d’absorption m2

480 x 0,01 = 4,8

370,9 x 0,5 = 185,5

35,1 x 0,12 = 4,2

670 x 0,09 = 60,3

4,8 + 185,5 + 4,2 + 60,3 = 254,8


Utilisation de la loi de Sabine : RT60 = (k x V)/A

= 0,16 x 4 612 / 254,8 = 2,9.
Valeur tout à fait cohérente avec le graphe du document 3 et bien très supérieure au RT60 optimal souhaité.
5- Quelle est la solution proposée par le bureau d’étude pour remédier au problème soulevé ? Indiquez pourquoi il est important de réaliser aussi des mesures en présence du public.
Le bureau d’étude a envisagé de traiter une partie du plafond avec un matériau absorbant. Le RT60 obtenu est alors plus faible que le précédent sur la totalité du spectre de fréquences balayées, mais reste encore élevé par rapport au RT60 optimal.

La présence du public qui constitue un ensemble d’éléments absorbants modifie les mesures du RT60.

Sur le graphe, on constate que sa valeur a diminué sur l’ensemble du spectre par rapport aux mesures effectuées sans public. Il est donc indispensable d’avoir une idée quantifiée de cette diminution.
6- La pose de panneaux absorbants supplémentaires constitue-t-elle une solution satisfaisante ? Quelles différences cela amène-t-il au niveau de l’écoute ?
Presque : seules les basses fréquences et donc les sons graves ne sont pas traités complètement par ce type de panneaux absorbants, en effet la valeur du RT60 pour des fréquences autour de 200 Hz sont encore élevées. Le deuxième enregistrement est bien meilleur que le premier. Les sons sont plus nets, plus détachés. Les musiciens se sont « rapprochés ».

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