asds ts-‐spe criteres de qualite acoustique d`une salle nom

ASDS THÈME SONS ET MUSIQUE PAGE 1 / 6 TS-­‐SPE CRITERES DE QUALITE ACOUSTIQUE D’UNE SALLE NOM : ............................... PRÉNOM : ........................... CLASSE : ..................... DATE : .......................................... Introduction L'acoustique architecturale est le domaine scientifique et technologique qui vise à comprendre et à maîtriser la qualité sonore des bâtiments. L'application privilégiée de l'acoustique architecturale est la construction de salles qui nécessitent une bonne qualité acoustique. Quels paramètres doivent être pris en compte pour obtenir une bonne acoustique ? Document 1 : Les murs du son « Pour avoir une bonne acoustique, écrivait Charles Garnier après avoir achevé l’Opéra, une salle doit être large ou étroite, haute ou basse, en bois ou en pierre, ronde ou carrée, et ainsi de [….] » « Dès qu’il y a une symétrie, explique Manuel MELON, qui enseigne l’acoustique au Cnam, en général ce n’est pas très bon. Car certaines fréquences sont favorisées par rapport à d’autres, le son paraît plus fort ici que là. Les salles parallélépipédiques rectangles, hexagonales, ovoïdes, ne sont pas favorables». Les salles parallélépipédiques rectangles, hexagonales, ovoïdes, ne sont pas favorables». Pourtant, les meilleures salles européennes, le Concertgebouw d’Amsterdam ou le Musikverein de Vienne, sont de vraies boîtes à chaussures… « Ce genre de salle parallélépipédique peut très bien marcher, répond Eckhard KAHLE, grand acousticien qui prépare l’auditorium de Bordeaux. Mais une salle symétrique, nue, avec des murs en béton brut, non. La boîte à chaussures est une forme de départ idéale, même pour une grande salle : tout y est prévisible, calculable, c’est du billard. Seulement, il faut y ajouter des balcons qui cassent les murs parallèles, et d’autres éléments de ce genre, des panneaux légèrement inclinés… ». À Vienne, ce sont par exemple des moulures, des cariatides, des stucs qui assurent la diffusion du son […]. La question est que le son parvient à l’auditeur directement, mais aussi après s’être réfléchi plus ou moins au fond de la scène, au plafond, sur les murs latéraux, et même au fond de la salle. La superposition de ces sources, dans le cerveau, apporte l’ « effet de salle », la conscience du lieu. Mais il n’est pas question d’entendre deux fois le même son, comme à Pleyel ; ni de l’entendre trop différemment selon la position de la salle ; ni d’entendre mieux les aigus que les graves. La nature des matériaux, et leur coefficient d’absorption, de réflexion, font varier cette diffusion. C’est la première partie du casse-­‐tête : le nombre de paramètres. Deuxième partie : il faut savoir ce qu’on va faire d’une salle […] La quadrature du cercle, c'est l'opéra. COMMINS explique : « C'est le cas le plus complexe. Il faut tenir compte de la musique de l'orchestre, et de la voix. Et des chanteurs, qui doivent aussi avoir une perception claire de l'orchestre ! Il faut donc que le son soit prolongé pour l'orchestre, mais qu'il soit aussi très clair, pour que les chanteurs soient compréhensibles. Donc on renforce le son aussi tôt que possible pour que la clarté soit préservée. » Souvent l'on adopte des compromis (bon marché) ou es salles modulables (plus chères) où l'on peut couvrir et découvrir la fosse d'orchestre, hausser son plancher, modifier la nature des murs, ajouter les abat-­‐sons... […] Extrait de J.Drillon, « L’acoustique : science ou pifomètre ? Les murs du son. » Le Nouvel Observateur, n°2165, mai 2006. Document 2 : Profil d’un Document3 : Réponse spatiotemporelle des trois auditorium traitements acoustiques de base 1 Document 3 : Musique parole et réverbération `Une salle sourde est une salle qui conserve uniquement le son direct émis par la source : sa durée de réverbération est nulle. L’absence de réverbération dans une salle de spectacle provoque un rendu sec et dur de la musique. C’est la raison pour laquelle on recherche toujours une prolongation du son pour une bonne qualité musicale. Une bonne salle de musique présente une durée de réverbération de 1,0 à 2,5 secondes. Les orgues, présentes dans les églises, imposent de longues durées de réverbération afin d’avoir une bonne qualité de son. La réverbération n’est, en général, pas souhaitée par un orateur. Elle doit être courte pour une bonne compréhension du texte ; au maximum 0,8 seconde. Au-­‐delà, les syllabes se chevauchent et l’intelligibilité diminue. D’après le site www.sonorisation-­‐spectacle.org Document 4 : Durée de réverbération Dans une salle de spectacle, un auditeur perçoit le son direct, mais aussi celui des ondes sonores ayant subit une multitude de réflexion sur les parois et les obstacles quelles rencontrent. Ce sont est qualifié de son réverbéré :Il est caractérisé par sa duré de réverbération. La durée de réverbération est directement liée au volume acoustique et à la surface d’absorption équivalente A. On définit la surface d’absorption A de la salle par la relation 𝛼! 𝑆! 𝐴=
!
où 𝛼! représente le coefficient d’absorption du matériau de surface 𝑆! . Dans la plupart des situations, la durée de réverbération TR se calcule par la formule dite de Sabine 𝑉
𝑇𝑅 = 0,16× 𝐴
Document 5 : Type de salle et durée de réverbération Question 1 2 À partir des documents 2, faire le bilan des phénomènes physiques qui interviennent au cours de la propagation du son dans une salle. Définir chacun des phénomènes Les phénomènes physiques intervenant dans la propagation du son dans une salle sont : • la réflexion : l'onde incidente est réfléchie dans une direction privilégiée ; • la diffraction : l'onde sonore se propage dans toutes les directions à partir d'un obstacle ou d'une ouverture de dimension de même ordre de grandeur que la longueur d'onde ; • la diffusion : l'onde incidente est réfléchie dans toutes les directions ; • l'absorption : l'onde incidente est absorbée par le matériau qu'elle rencontre ; • la réfraction : l'onde peut aussi changer de direction en changeant de milieu de propagation. Question 2 Quels sont les phénomènes responsables de la décroissance de l'intensité sonore ? Quelle est la conséquence
pour la perception d'un son par un auditeur ? La diffusion et l'absorption sont responsables de la décroissance de l'intensité sonore. La surface atteinte par l'onde augmente avec la distance, est aussi un facteur de décroissance de l'intensité sonore. Conséquence le son est moins bien perçu par un auditeur. Question 3 Définir les termes en caractère gras dans le document 1. Commenter et argumenter la phrase souligné dans le texte : « La boîte à chaussures est une forme de départ idéale ». Ovoïde : figure en forme d'ovale. Moulures : éléments d'ornement. Cariatides : statues de femmes qui servent de colonne. Stucs : enduits, plâtres teintés. Quadrature du cercle : expression que l'on utilise pour faire référence à un problème insoluble. Abat-­‐sons : lames inclinées de haut en bas, que l'on voit aussi dans les clochers. « La boîte à chaussures est une forme de départ idéale » : La géométrie très simple d'une boîte à chaussures facilite la prévision des réflexions et des effets lors de l’ajout de différents éléments (obstacles, rideaux, balcons, surfaces absorbantes...) C’est donc la forme de départ, la plus simple pour la l’étude des phénomènes acoustique, simplifiant les calculs d’acoustique pour l’aménagement d'une salle. Question 4 À partir du graphique du document 4, proposer une définition de la durée de réverbération TR. La durée de réverbération TR est la durée au bout de laquelle le niveau sonore diminue de 60 dB après que la source ait cessé d'émettre. Question 5 Comment peut-­‐on expliquer que le phénomène de réverbération nuise à l'intelligibilité de la parole ? Les réverbérations successives se superposent les unes avec les autres et avec la parole du conférencier rendant son discours difficile à comprendre Question 6 Quelle durée de réverbération choisir pour une salle de spectacle ? Pour une salle de conférence ?
Le temps de réverbération dépend de l'usage prévu pour la salle : il sera plus grand pour les salles de spectacles que pour les salles de conférences. Question 7 De quelles grandeurs la durée de réverbération dépend-­‐t-­‐elle ? Pour la bonne acoustique d'une salle, il faut tenir compte -­‐ de son usage, -­‐ de sa forme, -­‐ de son volume -­‐ de la nature des matériaux qui la constituent et qui recouvrent les parois. 3 Question 8 À partir de l'ensemble des documents faire une synthèse des paramètres à prendre en compte pour obtenir une bonne acoustique et expliquer la nécessité de disposer de salles de conceptions différentes selon l'utilisation Pour la bonne acoustique d'une salle, il faut tenir compte de son usage, de sa forme, de son volume de la nature des matériaux qui la constituent et qui recouvrent les parois. Selon l'usage prévu, le temps de réverbération n'est pas le même : il est indispensable d'en tenir compte pour une bonne acoustique (une réverbération plus longue est souhaitable pour la musique mais peut nuire à la compréhension de la parole). Ces problèmes peuvent être contournés dans des salles « polyvalentes » par l'intermédiaire de dispositifs qui pouvant modifier les caractéristiques physiques de la salle comme par exemple des panneaux et des volumes amovibles. Pratique expérimentale Les auditoriums et toutes salles de spectacle sont le siège de réverbérations acoustiques. Comment contrôler le phénomène de réverbération ? I. Modélisation avec une maquette Pour modéliser une salle de spectacle comme un auditorium, on utilise une boîte à parois planes, contenant un émetteur d’ultrasons E et un récepteur d’ultrasons R (voir ci-­‐contre). L’ordre de grandeur des dimensions d’un auditorium ou d’une salle de spectacle est d’une dizaine de mètre. Celui de la longueur d’onde des sons qui y sont produits est de l’ordre du mètre. Question 1 Que modélise chacun des éléments de la maquette ? Les parois de la boîte représentent les murs ; L’émetteur E représente une source sonore par exemple un chanteur ou un conférencier Le récepteur R représente une personne du public dans la salle ou le micro d’un preneur de son. Question 2 Représenter quelques trajectoires possibles de l’onde ultrasonore entre l’émetteur et le récepteur Question 3 Identifier le chemin qui assure une durée de propagation minimale et indiquer pourquoi les autres chemins entraînent un retard de réception. Le trajet direct représenté par un trait Bleu est le chemin assurant une durée de propagation minimale car c’est le plus court. Tous les autres étant plus longs, il y aura obligatoirement un retard à leur réception puisque la célérité du son est constante dans la boite Question 4 4 On appelle : -­‐ champ direct : faisceaux d’ondes ultrasonores qui arrivent directement au récepteur ; -­‐ champ réverbéré : faisceaux d’ondes ultrasonores qui arrivent au récepteur après avoir subi des phénomènes de réflexion Donner un ordre de grandeur des dimensions de la maquette réalisée. En déduire l’ordre de grandeur de la longueur d’onde des sons à utiliser à l’échelle de la maquette pour être en cohérence avec les conditions d’utilisation d’un auditorium réel. -­‐1
Ordre de grandeur des dimensions de la maquette : 10 cm = 10 m. La longueur d’onde 𝜆′ à utiliser pour la maquette et sa taille 𝐿′de la boîte utilisée pour la maquette doivent être dans les même proportion que la longueur d’one des ondes sonores et la taille de l’auditorium 𝐿′ 𝜆′
= 𝐿
𝜆
soit 𝐿′
𝜆! = ×𝜆 𝐿
Ordre de grandeurs de 𝐿 ≈ 10 𝑚 Ordre de grandeurs de 𝜆 ≈ 1𝑚 Ordre de grandeurs de 𝐿! ≈ 10 𝑐𝑚 ≈ 10!! 𝑚 10!!
𝜆! ≈
×1 10
!
!!
𝜆 ≈ 10 𝑚 -­‐2
Ordre de grandeur de la longueur d’onde à utiliser : 1 cm = 10 m ; Pour être en cohérence avec les conditions d’utilisation d’un auditorium réel, il faut utiliser des ondes sonores dont l’ordre de grandeur de la longueur d’onde est 10 fois plus petit que les dimensions de la maquette. Question 5 Quelle est la fréquence des sons à utiliser avec la maquette ? Justifier l’utilisation des ondes ultrasonores pour cette modélisation. Comme 𝑣 = 𝜆. 𝑓 donc 𝑓 = 𝑣 / 𝜆 340
𝑓 = !! 10
𝑓 = 3,4. 10! 𝐻𝑧 Ce sont des ultrasons puisque f > 20 kHz d’où l’utilisation des ondes ultrasonores pour cette modélisation II. Réverbération dans la maquette réalisée • Positionner l’émetteur et le récepteur d’ultrasons face à face sur la plaquette à votre disposition sans utiliser la boîte. • Alimenter l'émetteur avec une tension continue de +15V (respecter la polarité d branchement). • Régler l'émetteur sur « salves courtes ». • Ouvrir le logiciel LatisPro. • Relier le micro à la voie EA0 et le signal de l'émetteur sur la voie EA1. • Programmer la variable signal=EA1/100 Dans la fenêtre n°1 afficher les courbes EA0 et signal (NE PAS AFFICHER EA1). Question 6 Quels paramètres d'acquisition faut-­‐il choisir pour obtenir un affichage exploitable sur l'écran? Il faut estimer la durée totale d’acquisition. Le prolongement du son émis correspondant à la réverbération est du à la durée des trajets différents des ondes ultrasonores qui parviennent au micro. On peut dans un premier temps estimer l’au double du trajet direct. Soit pour la boite en bois cela correspond à un -­‐1
trajet supplémentaire de 1 m Sachant que la vitesse du son dans l’air est de v=340m.s 𝑑
𝑇!"!#$ = 𝑣
1
≈ 30 𝑚𝑠 𝑇!"!#$ = 340 la période d’échantillonnage c’est à dire la durée qui sépare deux mesures consécutive dépend du nombre de points (nombre de mesures) choisi. Si on prend 2000 points 30
≈ 20 𝑛𝑠 𝑇! = 2000 • Une fois les paramètres d’acquisition déterminé Lancer l'acquisition. Question 7 5 • Reproduire l’allure des signaux observés à l’écran. Quel est le champ enregistré par le récepteur ? à l’air libre il n’y a pas de phénomène de réflexion des ondes ultrasonores, on observe que le champ direct Question 8 • Positionner la maquette sur le dispositif précédent. Reproduire l’allure des signaux observés à l’écran en y indiquant la partie qui correspond au champ direct et la partie qui correspond au champ réverbéré. Les parois de la boite introduisent des réflexions, on observe un champ réverbéré en plus du champ direct. Question 9 Mesurer la durée de réverbération, qui correspond à peu près à la durée du signal réverbéré. (Utiliser la fonction «Curseurs » du logiciel). Durée du champ direct : 1,5 ms. Durée du champ réverbéré : 6,0 ms. Question 10 Comment peut-­‐on expliquer que l’amplitude du champ réverbéré diminue avec le temps ? Les ondes ultrasonores à l’origine du champ réverbéré résultent de réflexions et de diffusion sur les parois son en partie absorbées par celles-­‐ci. Question 11 Tapisser l'intérieur de la boîte avec de la mousse acoustique. Comparer le signal obtenu avec le précédent. Comment expliquer ce résultat ? Le champ réverbéré a disparu. La mousse acoustique a diffusé et absorbé les ondes ultrasonores. Dans l’expérience précédente, la paroi nue de la boite réfléchissait partiellement les ondes ultrasonores et générait un champ réverbéré. 6