Isolation Acoustique des fenêtres
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Isolation Acoustique des fenêtres
m ISOLATION ACOUSTIQUE DES FENÊTRES a S T C e C g a z i n APPLICATION DE LA NORME EN ISO 717-1:1996 1ère PARTIE PERFORMANCES ACOUSTIQUES DU VITRAGE Le confort acoustique des habitations revêt chaque jour Bart Ingelaere, ir., chef de projet, division Physique du bâtiment & Climat intérieur, CSTC plus d’importance. Dans cette optique, il est essentiel de veiller à une bonne insonorisation des façades et, en particulier, des baies de fenêtres, qui constituent parfois le maillon faible de l’isolation acoustique. Le présent article étudie les différentes facettes de l’isolation des vitrages aux bruits aériens; il vient ainsi compléter une précédente série d’articles traitant des caractéristiques physiques du vitrage [4, 5]. 1 PHASES DE L’ETUDE Notre étude, publiée en plusieurs livraisons, abordera l’isolation acoustique de manière méthodique, en prenant d’abord comme point de départ le vitrage non posé tel qu’il est fourni dans le commerce (objet du présent article), puis la fenêtre dans son ensemble (vitrage et châssis, à paraître dans le prochain numéro). Les performances acoustiques de ces deux éléments sont décrites dans la documentation technique sur la base de données de mesures obtenues en laboratoire. tion réel des éléments in situ. Dans bien des cas, cette réduction n’équivaut pas à l’isolation acoustique du produit (puisque les données du fabricant reflètent des performances obtenues en laboratoire), mais elle peut néanmoins être calculée en partant des données du fabricant. Une prénorme EN ISO fournit à cet effet une méthode de calcul. Le confort acoustique à l’intérieur du bâtiment ne dépend évidemment pas du seul choix du vitrage et du châssis : les grilles de ventilation, les murs, etc. sont également des facteurs d’influence importants. ❒ La première démarche consiste à comprendre l’information contenue dans la documentation technique des produits, basée sur les mesures effectuées en laboratoire. Les propriétés d’isolation acoustique y sont le plus souvent exprimées sous forme d’indicateurs à valeur unique. Une norme EN ISO, parue en décembre 1996, a introduit une nouvelle méthode, harmonisée au niveau européen, visant à caractériser les performances acoustiques des produits de construction. Nous y reviendrons brièvement dans la suite du texte. Le tableau 6 (p. 32), qui reprend les propriétés acoustiques d’un certain nombre de vitrages, fait apparaître de nettes différences de performances, qui seront explicitées dans une prochaine édition. ❒ Etude en site réel : dans une dernière étape, nous examinerons les problèmes spécifiques d’isolation aux bruits aériens rencontrés dans la pratique avec des fenêtres posées dans le bâtiment. Nous nous pencherons également sur le bruit de contact produit par la pluie sur les fenêtres inclinées. ❒ Le choix du vitrage sera défini au stade de la conception du bâtiment (voir le prochain numéro du magazine). Ce choix s’appuie sur les informations du fabricant et doit satisfaire à des critères préalablement établis. Pour définir ces derniers, on peut se référer à la norme belge NBN S 01-400. Cette norme de plus de 20 ans est toutefois en cours de révision (à la suite, notamment, de la publication des normes EN ISO) et devrait donc être remplacée prochainement. On peut également adopter des critères plus stricts et s’intéresser au niveau de réduc- 2 LE BRUIT EXTERIEUR Le niveau et la tonalité des bruits parasites, de même que le niveau du bruit de fond non identifiable sont des facteurs dont il faut tenir compte au stade de la conception si l’on veut insonoriser correctement une façade. Le bruit extérieur peut non seulement avoir un niveau sonore très différent selon la source, mais il peut aussi avoir une autre tonalité : un trafic à circulation rapide n’a pas la même tonalité que le bruit grave d’un moteur d’autobus ou du trafic urbain plus lent; le bruit d’un avion ou d’un train a, lui aussi, une autre tonalité. Ce paramètre a d’autant plus d’importance pour la conception d’une façade qu’il est beaucoup plus difficile, dans la pratique, de réaliser une isolation aux sons graves. PRINTEMPS 1998 m L’information spectrale ( ) illustre bien le caractère tonal d’un son. La figure 1 représente le spectre de deux types de sources sonores qu’un vitrage doit atténuer dans une certaine mesure pour garantir le confort acoustique à l’intérieur du bâtiment. Le trafic urbain est plutôt caractérisé par une dominante de basses fréquences. C’est surtout la forme du spectre qui est importante; les niveaux de pression acoustique sont évidemment fonction de la distance. 80 75 70 [dB] 65 19 6 19 1,5 16 3 48 42 trafic autoroutier trafic urbain 150 5 3 La caractérisation acoustique d’un produit de construction s’effectue suivant une procédure de mesurage entièrement normalisée [6, 7]. Ainsi, le fabricant du vitrage fournit l’élément à tester (selon des dimensions imposées) à un laboratoire 4 1 62 4 62 2 25 Les niveaux sonores assurant le confort acoustique intérieur dépendent du type d’environnement dans lequel le bâtiment est placé. Le bruit traversant le vitrage sera perçu comme plus irritant dans un environnement très calme qu’en plein centre urbain. Plus grande est la différence entre le bruit d’une source spécifique reconnaissable pénétrant à l’intérieur (passage d’un vélomoteur, p.ex.) et le bruit de fond non reconnaissable (beaucoup plus élevé en centre-ville), plus ce bruit est perçu comme gênant. Le concepteur doit tenir compte de ces données. C’est aussi ce que fait la norme belge dans ses recommandations pour le choix du vitrage (voir prochain numéro du magazine). 260 B 156 5000 8000 2000 3150 800 1250 315 500 125 200 50 80 20 31,5 A Fig. 2 Montage d’essai standardisé (coupe verticale, cotes en cm). 1. dalle en béton armé 2. laine minérale et joint néoprène 3. mur creux constitué de blocs pleins en béton lourd 4. enduit (10 mm) 5. élément à tester posé dans la fenêtre d’essai A : local de réception B : local d’émission 40 Fréquence [Hz] g a z i n 1 55 50 a Dans la première, dite local d’émission, une source produit un bruit intense dont l’énergie porte surtout sur le domaine de fréquences significatif pour l’acoustique du bâtiment. L’intensité de ce bruit est mesurée par bande de fréquences, afin d’obtenir un spectre d’émission. A noter que, dans des conditions de laboratoire, le champ acoustique est diffus, c’est-àdire que le bruit attaque l’élément d’essai avec la même intensité quel que soit l’angle d’incidence, alors que, dans le cas d’une fenêtre posée in situ, le bruit atteint bien souvent le vitrage suivant un angle d’incidence déterminé. 1,5 CARACTÉRISATION DES PRODUITS EN LABORATOIRE C d’acoustique, où le produit est fixé dans une fenêtre d’essai standardisée placée entre deux cellules de mesure. 60 45 T RATIQUE 1 Fig. 1 Spectres sonores du trafic urbain (mesuré à Rixensart à 16h15, à 10 m du rond-point de la Chaussée de Bruxelles) et du trafic autoroutier (mesuré à 16h45, à 10 m de l’E411 à Overijse). S e P C Le bruit généré pénètre dans le second local, appelé local de réception. La construction des cellules de mesure est telle que le bruit mesurable à l’intérieur du local de réception peut uniquement provenir de la transmission sonore à travers l’élément testé. Le bruit ainsi mesuré permet alors d’établir le spectre de réception. En admettant que le bruit qui ne traverse pas l’élément testé (niveau de réduction) serve de base pour définir l’isolation acoustique, il suffirait de calculer, par bande de fréquences, la différence entre les niveaux de pression acoustique régnant dans les locaux d’émission et de réception (isolation acoustique brute). (1) Le spectromètre permet d’analyser les sons, en donnant, sous forme de spectre, le niveau de pression acoustique pour chaque bande de fréquence. La fréquence d’un bruit audible caractérise la tonalité du son. Le domaine de fréquence considérable des bruits audibles est réparti en intervalles de fréquences, appelés bandes de fréquences (il en existe plusieurs types : bande d’un tiers d’octave, bande d’octave, etc.). PRINTEMPS 1998 m 65 60 55 50 Va 45 40 Vb 35 Vc 30 Vd 25 Par bande d’un tiers d’octave, on obtient alors : R = Lpz – Lpo + 10 log (S/A) où R = indice d’affaiblissement acoustique Lpz = niveau de pression acoustique moyen par tiers d’octave dans le local d’émission Lpo = niveau de pression acoustique moyen par tiers d’octave dans le local de réception. En règle générale, l’indice d’affaiblissement acoustique R est défini par tiers d’octave entre 100 et 3150 Hz, ce qui fournit le spectre des indices d’affaiblissement acoustique. Celui-ci est généralement représenté par une courbe d’isolation acoustique. Les fréquences moyennes des bandes d’un tiers d’octave sont placées en abscisse à intervalles réguliers (le plus souvent à partir de 100 Hz, puis à 125, 160, 200, 250, 500 Hz, etc. jusqu’à 5000 Hz); l’échelle des abscisses n’est donc pas linéaire. En ordonnée, on indique l’indice d’affaiblissement acoustique R [dB]. On obtient la courbe d’isolation acoustique en reliant les points du spectre positionnés dans le diagramme (voir exemples aux figures 4 et 5, en p. 28 et 30). 4 L’INDICATEUR À VALEUR UNIQUE La documentation technique des fabricants, les cahiers des charges, les règlements et les normes expriment l’isolation acoustique par un indicateur à valeur unique plutôt que par une information spectrale complète. L’avantage de cet indicateur est qu’il permet de classer aisément les performances acoustiques des éléments de construction. En Belgique, l’usage des indicateurs à valeur unique a été instauré en 1977 par la norme NBN S 01-400, qui définit en fait des classes d’isolation, appelées catégories. Pour les élé- T C g a z i n ments de façade, elle prévoit quatre catégories : Va (la plus élevée), Vb, Vc et Vd (la plus basse). A chacune d’elle correspond une courbe de référence (figure 3). La position du spectre d’affaiblissement acoustique par rapport à ces courbes permet de déterminer la catégorie. R [dB] Toutefois, cette façon de caractériser le produit de construction ne permettrait pas d’obtenir des résultats reproductibles dans d’autres laboratoires, ni dans le même laboratoire si les circonstances sont différentes. La grandeur de la surface (S) de l’élément testé et la réverbération ou non (amplification) du local de réception (caractérisé par la surface d’absorption équivalente A) influencent en effet le niveau de pression acoustique mesuré dans ce dernier et donc aussi l’isolation acoustique brute. On peut remédier à ce problème en appliquant à chaque bande de fréquences un facteur de correction qui réduit la surface de l’élément d’essai et la surface d’absorption équivalente à une surface de référence de 10 m2. a S e C 20 15 10 5 0 Fréquence [Hz] D’autres pays possèdent leur propre méthode pour rassembler les informations spectrales sous un indicateur à valeur unique, ce qui ne facilite pas la comparaison entre les produits étrangers et les produits locaux. Pour mettre un terme à cette situation, deux normes EN ISO [8, 9] ont été publiées en décembre 1996, imposant à tous les Etats de l’UE un indicateur à valeur unique et sa méthode de calcul. Ces documents auront forcément d’importantes conséquences pour les normes nationales en matière d’acoustique du bâtiment et pour la spécification des produits dans la documentation technique des fabricants, puisqu’il faudra adapter toutes les exigences et recommandations aux nouveaux indicateurs. Nous nous trouvons donc aujourd’hui dans une phase de transition où les formules anciennes coexistent avec la méthode actuelle, ce qui risque de semer davantage de confusion auprès du public non averti. En Belgique, les nouveaux indicateurs conduisent nécessairement au remplacement de la norme NBN S 01-400 (des normes EN se substitueront d’ailleurs à l’ensemble des normes relatives aux méthodes de mesures acoustiques). En principe, les exigences exprimées sous forme de catégories devraient pouvoir se traduire immédiatement en indicateurs à valeur unique. Des aspects, tels que le souci de confort acoustique, le niveau des exigences que cela engendre dans les pays voisins, etc., rePRINTEMPS 1998 Fig. 3 Détermination de l’indicateur à valeur unique à l’aide des courbes à paliers de référence selon la norme NBN S 01-400 (le spectre représenté ici est de catégorie Va). T C RATIQUE m quièrent cependant une étude plus poussée, actuellement menée au sein d’une commission de normalisation dont le CSTC fait partie. Il faudra s’attendre aussi à rencontrer bientôt les nouveaux indicateurs à valeur unique dans la documentation des fabricants pour la spécification technique de leurs produits. Outre leur intérêt sur le plan de l’harmonisation européenne, ces indicateurs offrent une série d’avantages en matière d’acoustique, notamment en apportant des informations supplémentaires quant aux performances des éléments en fonction des différentes sources de bruit. Comme précisé au chapitre précédent, cela n’est pas sans importance : le plus souvent, en effet, un élément constructif donné n’offrira pas une aussi bonne isolation pour les bruits graves que pour les bruits à dominante aiguë. L’INDICATEUR À VALEUR UNIQUE SELON LA NORME EN ISO 717-1:1996 Le concept d’indicateur à valeur unique tel que défini dans la nouvelle norme doit être considéré avec prudence, car on y trouve en réalité trois valeurs; ainsi, on a par exemple : Rw (C; Ctr) = 41 (0; -5) dB avec : Rw = indicateur à valeur unique et indice pondéré d’affaiblissement acoustique C = facteur d’adaptation du spectre 1 (bruit rose pondéré A) Ctr = facteur d’adaptation du spectre 2 (bruit du trafic, pondéré A) pour les bruits à fortes composantes de basses fréquences. Les performances acoustiques peuvent être sensiblement plus faibles pour un bruit de tonalité très basse que pour un bruit constitué principalement de sons de moyennes et de hautes fréquence. La norme EN ISO 717-1 tient compte de cet aspect en introduisant deux facteurs d’adaptation (C; Ctr) (2). Pour classer des performances ou fixer des exigences, on additionne donc la valeur de l’indicateur unique et et le facteur d’adaptation approprié, lequel est choisi selon la source de bruit (tableau 1). a e P S C g a z i n Tableau 1 Choix du facteur d’adaptation pour déterminer l’indicateur à valeur unique selon la norme EN ISO 717-1. SOURCE DE BRUIT Rw + C Jeux d’enfants x Activités domestiques (conversations, musique, radio, télévision) x Musique de discothèque Trafic routier rapide (> 80 km/h) x x Trafic routier lent (par exemple, trafic urbain) Trafic ferroviaire de vitesse moyenne à rapide x x Trafic ferroviaire lent Trafic aérien (avions à réaction) de courte distance Rw + Ctr x x Trafic aérien (avions à réaction) de longue distance x Avions à hélices x Entreprises produisant un bruit de moyennes et hautes fréquences Entreprises produisant un bruit de moyennes et basses fréquences Précisons que l’isolation aux bruits aériens spécifiée par la grandeur Rw + C ou Rw + Ctr n’est généralement pas égale au niveau de réduction obtenu in situ pour la même source de bruit. Autrement dit, si un vitrage donne, en laboratoire, une valeur de Rw + Ctr = 33 dB pour un niveau de pression acoustique extérieur de 73 dB(A), cela ne signifie pas forcément que, dans un bâtiment, le niveau de pression acoustique sera égal à 40 dB(A) sous l’influence du bruit extérieur. En pratique, le niveau d’affaiblissement acoustique sera vraisemblablement légèrement inférieur, et le niveau de pression acoustique résultant à l’intérieur légèrement plus élevé. Dans un prochain article, nous expliquerons comment évaluer le niveau d’affaiblissement acoustique réel in situ. Les indicateurs à valeur unique permettent cependant de classer les performances des vitrages en fonction de la source de bruit. En d’autres termes, si un vitrage spécifique présente un meilleur indicateur qu’un autre type de vitrage, il offrira également de meilleures performances in situ en présence de la même source de bruit. (2) Signification des facteurs d’adaptation du spectre : 1. Rw + C : soit une mesure réalisée en laboratoire à l’aide d’un bruit rose produit dans le local d’émission. Si l’on effectue, dans les locaux d’émission et de réception, une mesure pondérée A, le terme Rw + C représente la différence corrigée entre les deux mesures, la correction correspondant au facteur courant (10 log S/A). En général, C est plus ou moins égal à -1. Toutefois, si la courbe d’isolation acoustique fléchit dans une bande d’un tiers d’octave, C sera inférieur à -1 2. Rw +Ctr : considérons à présent une mesure de laboratoire à l’aide d’un bruit de trafic standard produit dans le local d’émission. Si l’on effectue, dans les locaux d’émission et de réception, une mesure pondérée A, le terme Rw + Ctr représentera la différence corrigée entre les deux mesures, la correction correspondant au facteur courant (10 log S/A). PRINTEMPS 1998 x x m PERFORMANCES ACOUSTIQUES DES VITRAGES Le tableau 6 (p. 32) reprend l’indicateur à valeur unique d’un grand nombre de vitrages disponibles ou non sur le marché. Ces données peuvent légèrement différer des chiffres fournis par les fabricants (± 1 dB) et ce, en raison d’écarts minimes susceptibles de se produire dans des mesures effectuées par différents laboratoires et/ou au sein du produit même. 40 30 R autour de la fréquence critique du verre simple 8 mm 25 20 verre 4 mm Rw(C;Ctr)= 32 dB (-1;-2) verre 8 mm Rw(C;Ctr)= 35 dB (-1;-3) a T g a z i n R autour de la fréquence critique du verre simple 4 mm LE VITRAGE SIMPLE 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 15 5.1 Fréquence [Hz] Les performances obtenues en laboratoire avec le vitrage simple augmentent généralement avec l’épaisseur de verre : ◆ pour des sources de bruit caractérisées par Rw + Ctr (par exemple, trafic urbain lent), l’isolation aux bruits aériens oscille entre 30 dB, pour un vitrage de 4 mm, et 37 dB, pour un vitrage de 19 mm ◆ pour des sources de bruit de moins basses fréquences, caractérisées par Rw + C (par exemple, trafic routier rapide), l’isolation acoustique dépasse de 1 à 2 dB les valeurs Rw + Ctr, atteignant 31 dB pour le vitrage de 4 mm et 39 dB pour le vitrage de 19 mm. Les résultats donnés par l’indicateur à valeur unique sont évidemment sous-tendus par les spectres d’isolation acoustique mesurés en laboratoire. Les courbes d’isolation acoustique qui y correspondent suivent un tracé caractéristique, comme le montre la figure 4 pour des vitrages simples de 4 mm et de 8 mm. La courbe d’isolation acoustique propre au vitrage simple est caractérisée par trois zones : ❒ dans la première zone, l’isolation aux bruits aériens subit une légère croissance. La loi de masse est approximativement respectée : – théoriquement, pour des parois minces de dimensions infinies, l’isolation aux bruits aériens devrait croître de 6 dB par doublement de la fréquence moyenne – si on double la masse de la paroi (ou l’épaisseur du vitrage), l’isolation aux bruits aériens devrait en théorie augmenter de 6 dB à fréquence moyenne égale. En réalité, les parois ont des dimensions finies et produisent un certain amortissement, de sorte que ce gain d’isolation n’est généralement pas atteint. Ainsi, il s’élève tout au plus à 4 ou 5 dB pour du vitrage simple de 8 mm, lorsqu’on double la fréquence moyenne et ce, jusqu’à 800 Hz environ ❒ dans la deuxième zone, l’isolation acoustique marque un repli dû à la zone de coïncidence autour de la fréquence critique de la paroi de verre (3). L’emplacement de cette zone est fonction de l’élasticité du matériau : plus celui-ci est rigide, plus le domaine de fréquences est bas. Le puits de coïncidence d’une paroi en verre se situe généralement dans un vaste domaine de fréquences. L’augmentation de l’épaisseur de verre d’un vitrage simple entraîne le déplacement de la fréquence critique vers un domaine de fréquences plus basses. De ce fait, les performances acoustiques du vitrage sont de plus en plus influencées par la coïncidence. Dans le cas d’une feuille de verre de 8 mm, la fréquence critique se situe aux environs de 1600 Hz et le puits de coïncidence se concentre autour de cette fréquence, bien qu’il apparaisse déjà à partir de 800 Hz ❒ dans la troisième zone, l’isolation acoustique est caractérisée par une croissance rapide (de 9 dB en théorie pour un doublement de la fréquence, généralement moins en pratique) après la fréquence critique. EPAISSEUR DU VERRE FRÉQUENCE CRITIQUE 4 mm 5 mm 6 mm 7 mm 8 mm 9 mm 10 mm 11 mm 12 mm 3200 2560 2133 1828 1600 1422 1280 1164 1067 Hz Hz Hz Hz Hz Hz Hz Hz Hz (3) La fréquence critique fcr d’une paroi de verre peu épaisse est la fréquence pour laquelle il y a égalité entre la vitesse des ondes de flexion libres sur la paroi et la vitesse de l’air. A température ambiante, elle correspond approximativement à fcr = 12800/d, d étant l’épaisseur de la feuille de verre exprimée en mm. Pour ce qui concerne le phénomène de coïncidence, le lecteur se référera utilement aux ouvrages repris dans la bibliographie [1, 11]. PRINTEMPS 1998 C Fig. 4 Courbes d’isolation acoustique d’un vitrage simple de 4 mm et de 8 mm. 35 R [dB] 5 45 S e C Tableau 2 Fréquence critique des vitrages selon leur épaisseur. C P LE DOUBLE VITRAGE THERMIQUE STANDARD Les performances en laboratoire sont le plus souvent inférieures à celles du vitrage simple d’une épaisseur totale de verre équivalente (tableau 3), les écarts pouvant même atteindre 6 dB. Remplacer le vitrage simple (en cas de rénovation, par exemple) peut donc conduire à une détérioration de l’isolation acoustique. Tableau 3 Performances acoustiques du double vitrage thermique standard par rapport au vitrage simple d’une épaisseur totale de verre approximativement équivalente (résultats repris du tableau 6, p. 32). DOUBLE VITRAGE THERMIQUE VITRAGE SIMPLE Epaisseur Epaisseur tot. verre de verre COMPOSITION Rw + C [dB] Rw + Ctr [dB] Rw + C [dB] Rw + Ctr [dB] 4-12-4 29 26 8 mm 6-12-6 31 30 12 mm 8 mm 34 32 12 mm 37 35 6-16-6 33 29 12 mm 12 mm 37 35 6-15-4 33 31 8 mm 8 mm 34 32 8-12-5 35 32 13 mm 12 mm 37 35 8-20-5 35 32 13 mm 12 mm 37 35 10-12-6 36 34 16 mm 15 mm 36 34 10-12-8 36 34 18 mm 19 mm 39 37 10-15-6 37 34 16 mm 15 mm 36 34 Les performances globales en laboratoire sont les suivantes : ◆ pour des sources de bruit caractérisées par Rw + Ctr (par exemple, trafic urbain lent), l’isolation aux bruits aériens varie entre 26 dB (double vitrage 4-12-4) et 34 dB (double vitrage 10-15-6) ◆ pour des sources de bruit comprenant moins de basses fréquences, caractérisées par Rw + C (trafic routier rapide), l’isolation acoustique est de 1 à 3 dB supérieure aux valeurs Rw + Ctr, atteignant 31 dB (vitrage 4-12-4) à 37 dB (vitrage 10-15-6). Ici aussi, les spectres d’isolation acoustique mesurés en laboratoire sont révélateurs et les courbes correspondantes suivent également un tracé caractéristique. Les doubles vitrages thermiques se comportent comme des systèmes acoustiques de type masse / ressort (amortisseur) / masse. Après une baisse brutale autour de la résonance masse-ressort-masse (en abrégé “m-r-m”), l’isolation acoustique de ces systèmes croît en flèche (le gain peut en théorie atteindre 18 dB pour un doublement de fréquence, mais en pratique, il se révèle nettement moindre, quoiqu’il soit toujours supérieur à ce qu’on peut obtenir avec une paroi simple). Pour que ces doubles parois apportent une isolation acoustique élevée dans le domaine de fréquences significatif pour l’acoustique du bâtiment (dans des limites très étroites, de 100 à 3150 Hz), la résonance m-r-m devra rester autant que possible sous 100 Hz. Cette condition n’est guère remplie avec le vitrage thermique. Dans le double vitrage, le ressort est constitué par une lame d’air d’une épaisseur généralement trop faible pour créer un ressort suffisamment souple (4). L’isolation acoustique dans les basses et moyennes fréquences restera donc le plus souvent médiocre. Des déperditions supplémentaires peuvent survenir au niveau du puits de coïncidence des feuilles de verre assemblées, voire même dans le domaine des moyennes fréquences. On préférera donc des vitrages constitués de deux épaisseurs de verre différentes. Bien que les puits de coïncidence se présentent alors dans un domaine de fréquence plus large, les déperditions seront toutefois atténuées par l’effet compensatoire des deux feuilles de verre. La figure 5A (p. 30) montre les courbes d’isolation acoustique d’un vitrage simple de 8 mm et d’un vitrage thermique constitué de deux feuilles de verre de 4 mm d’épaisseur (8 mm d’épaisseur totale), séparées par une lame d’air de 12 mm (4-12-4). La résonance m-r-m apparaît dans la bande tierce de 250 Hz (c’est-àdire l’intervalle calculé au tableau 4, p. 30) (4). Le puits de coïncidence se situe autour de la fréquence critique (3200 Hz pour le vitrage de 4 mm), mais s’ébauche dès 1600 Hz. Il est donc très marqué dans le cas de feuilles de verre d’égale épaisseur (symétriques). (4) Lors de mesures effectuées en laboratoire sur des vitrages posés dans une ouverture standardisée, la résonance masseressort-masse se situe à peu près entre fr,perp (bruit perpendiculaire) et fr,omni (bruit omnidirectionnel). La liaison élastique en cas d’incidence oblique est légèrement plus rigide et conduit à une fréquence de résonance m-r-m supérieure : fr ,perp = 60 T C 1 1 1 1 1 " + " et fr ,omni = 90 " + " d m1 m 2 d m1 m 2 1 d étant l’épaisseur de la lame [m], m1” et m2” la masse surfacique [kg/m2] de chaque feuille de verre. La densité du verre est d’environ 2500 kg/m3. En général, la fréquence de résonance réelle approche de fr,perp. PRINTEMPS 1998 a e RATIQUE m 5.2 S g a z i n m Tableau 4 Fréquences de résonance masse-ressort-masse calculées en fonction de l’incidence sonore. TYPE DE VITRAGE RÉSONANCE MASSE-RESSORT-MASSE Bruit perpendiculaire fr,perp Bruit omnidirectionnel fr,omni 4-12-4 245 Hz 367 Hz 6-12-6 200 Hz 300 Hz 6-16-6 173 Hz 260 Hz 6-15-4 200 Hz 300 Hz 8-12-4 212 Hz 318 Hz 8-12-5 197 Hz 296 Hz 8-20-5 153 Hz 230 Hz 10-12-6 179 Hz 268 Hz 10-12-8 164 Hz 246 Hz 10-15-6 160 Hz 294 Hz 45 verre 4-12-4 Rw(C;Ctr) = 30 dB (-1;-4) verre 8 mm Rw(C;Ctr) = 35 dB (-1;-3) 40 35 R [dB] Fig. 5A Comparaison entre un double vitrage thermique 4-12-4 (épaisseur totale de verre de 8 mm) et un vitrage simple de 8 mm. 30 25 de 8 mm) et autour de 3200 Hz (fcr de la feuille de verre de 4 mm, bande tierce de 3150 Hz) illustre le phénomène de compensation. 5.3 COMPARAISON VITRAGE SIMPLE / VITRAGE DOUBLE Le tableau 3 (p. 29) montre que les performances en laboratoire du double vitrage thermique, calculées sur la base de Rw + Ctr ou Rw +C, sont le plus souvent inférieures (jusqu’à 6 dB) à celles d’un vitrage simple d’une épaisseur de verre totale équivalente. On peut en comprendre la raison en comparant les courbes d’isolation acoustique représentées à la figure 5A pour le vitrage thermique 4-12-4 et le vitrage simple de 8 mm d’un poids identique au m2. Du fait de la résonance m-r-m, l’isolation aux bruits aériens du vitrage thermique dans les basses fréquences est inférieure à celle d’un vitrage simple de poids équivalent. Malgré la croissance rapide de la courbe d’isolation après la résonance m-r-m, l’isolation aux bruits aériens reste en général en deçà des performances du vitrage simple, même dans le domaine des fréquences moyennes à basses (5). 20 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 15 Fréquence [Hz] 55 50 verre 4-12-4 Rw(C;Ctr) = 30 dB (-1;-4) verre 8-12-4 Rw(C;Ctr) = 36 dB (-2;-5) 45 40 R [dB] 35 30 25 5.4 20 LE DOUBLE VITRAGE AVEC GAZ SPECIAL 15 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 Fig. 5B Comparaison entre les doubles vitrages thermiques 4-12-4 et 8-12-4 (étalement de la zone de coïncidence dû à l’emploi de deux épaisseurs de verre différentes). Ce n’est que dans les fréquences moyennes à élevées qu’on constate une amélioration de l’isolation aux bruits aériens du double vitrage par rapport au vitrage simple de poids équivalent. La croissance plus rapide après la résonance m-r-m rattrape la pente de la loi de masse du vitrage simple. Les panneaux de verre étant moins épais, la coïncidence se situe plus haut pour le vitrage thermique. Comme indiqué précédemment, on peut obtenir un gain supplémentaire en optant pour un vitrage aux épaisseurs de verre nettement différentes. Fréquence [Hz] La figure 5B concerne un vitrage 4-12-8 (4 mm de verre, 12 mm de lame d’air, 8 mm de verre). L’effet de coïncidence est nettement plus faible. Le fléchissement pratiquement imperceptible autour de 1600 Hz (fcr de la feuille de verre L’usage de gaz spécial dans le double vitrage pour en améliorer l’isolation acoustique constitue essentiellement une réponse de l’industrie aux exigences des normes acoustiques allemandes, fondées sur l’indicateur à valeur unique Rw. En substituant un gaz spécial à l’air sec, on peut enregistrer des gains appréciables dans (5) Cette constatation ne s’applique pas si on compare un vitrage simple lourd et un double vitrage de poids équivalent. D’une part, la zone de coïncidence du vitrage simple se déplace davantage vers les moyennes fréquences; d’autre part, la résonance m-r-m du double vitrage diminue, de sorte que la courbe amorce plus rapidement son ascension en flèche. PRINTEMPS 1998 a S T C e C g a z i n m 50 45 R [dB] 40 30 25 4-6G-4 Rw(C;Ctr)= 32 dB(-3;-5) 4-6-4 Rw(C;Ctr)= 31dB (0;-2) 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 15 Fréquence [Hz] Les gaz utilisés peuvent être plus lourds (N2, SF6, CO2, ...) ou plus légers (Ne, He, ...) que l’air. Toutefois, l’emploi de gaz légers s’avère peu défendable en raison d’un risque de fuites au niveau des joints d’étanchéité, de sorte que les gains s’étiolent progressivement. La technique des gaz spéciaux peut également répondre à des impératifs d’ordre thermique. Dans ce cas, l’argon, un gaz rare, est le plus répandu, mais on utilise aussi le krypton (Kr) ou le xénon (Xe). Pour améliorer les performances acoustiques dans le domaine des moyennes et hautes fréquences, un remplissage à l’aide d’un mélange de gaz (par exemple, 35 % de SF6 et 65 % d’argon) constitue un compromis entre les préoccupations thermiques et acoustiques. Dans bien des cas, cependant (recours au paramètre Rw + Ctr), il est préférable de renoncer à ce compromis et de se concentrer exclusivement sur la fonction thermique du gaz de remplissage, le mélange à base de SF6 ne permettant pas d’améliorer les résultats et pouvant même les détériorer pour la grandeur Rw + Ctr, donc pour le bruit du trafic urbain (voir tableau 5). 5.5 C LE VITRAGE FEUILLETÉ La technique du feuilletage, qui peut aussi bien s’appliquer au vitrage simple qu’au double vitrage thermique, consiste à assembler des feuilles de verre au moyen d’un film élastique transparent en PVB ou en résine coulée. a g a z i n Tableau 5 Lame intercalaire remplie à l’argon en vue d’une amélioration du comportement thermique; effet de l’adjonction de SF6 sur l’isolation acoustique [3]. TYPE DE VITRAGE 100 % ARGON 70 % ARGON & 30 % SF6 Rw Ctr Rw+Ctr Rw Ctr Rw+Ctr 6/16/4 36 -5 31 38 -8 30 8/16/4 37 -5 32 38 -7 31 8/20/4 37 -6 31 40 -8 32 10/16/4 38 -5 33 40 -8 32 9RC/16/6 41 -6 35 43 -8 35 35 20 T RATIQUE les fréquences moyennes et hautes (figure 6). Toutefois, comme le montre le tableau 5, ces gains ne sont utiles que pour Rw (à la limite pour R w + C). Vis-à-vis du trafic urbain (Rw + Ctr), par exemple, la technique n’apporte aucun bénéfice supplémentaire et se révèle même défavorable dans les basses fréquences. Fig. 6 Performances acoustiques d’un double vitrage avec lame d’air sec et d’un double vitrage avec lame d’argon. S e P C Le PVB ou butyral de polyvinyle est un matériau plastique d’une épaisseur de 0,38 mm à des multiples de celle-ci. L’épaisseur optimale pour l’acoustique s’élève à 0,76 mm, les couches plus épaisses n’offrant pas d’amélioration sensible. En pratique, un vitrage “44.2” se compose de deux feuilles de verre soudées par une double couche de PVB (“2”). Les applications dépassent le seul cadre de l’acoustique pour rejoindre celui des vitrages de sécurité et de la protection contre les effractions. Le verre feuilleté à base de résine coulée est, quant à lui, obtenu par polymérisation de résine coulée entre deux feuilles de verre. En épaisseur de 1,5 à 2 mm, ce type de résine, plus élastique, permet d’obtenir des amortissements plus élevés qu’avec du PVB. Les vitrages feuilletés avec résine coulée ne se prêtent pas à la protection anti-effraction, mais ils peuvent être utilisés dans les toitures inclinées, car, en cas de bris de vitre, les fragments de verre restent soudés les uns aux autres. Un PVB de type amélioré, comparable sur le plan acoustique à la résine coulée, a récemment été mis sur le marché, rassemblant en un seul matériau les avantages de l’un et l’autre (propriété anti-effraction et performances acoustiques). Pour un simple vitrage feuilleté, l’isolation acoustique est surtout accrue dans la zone de coïncidence et donc autour de la fréquence critique (figure 7A, p. 33). Le fléchissement de l’isolation aux bruits aériens est plus limité grâce à l’amortissement des vibrations par la couche élastique intercalaire. Cet effet est plus sensible pour les résines coulées que pour le PVB. La fréquence critique s’avère également plus élevée dans le cas des résines coulées. A la figure 7A, le puits de coïncidence correspondant est passé de 1600 Hz pour le PVB à 2500 Hz, ce qui est un avantage certain. L’effet global est perceptible essentiellement pour PRINTEMPS 1998 m Tableau 6 Performances acoustiques de vitrages commercialisés ou non, exprimées à l’aide de l’indicateur à valeur unique. DESCRIPTION Rw C Ctr Rw + C Rw + Ctr [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] Vitrage simple 4 mm 5 mm 6 mm 8 mm 10 mm 12 mm 19 mm a S T C e C g a z i n NBN S 01-400 (1977) catégorie RAPPORT D’ESSAIS 32 31 34 35 37 37 39 -1 -2 -1 -1 -1 0 0 -2 -2 -2 -3 -2 -2 -2 31 29 33 34 36 37 39 30 29 32 32 35 35 37 Vc Vc Vc Vc Vc Vc Vb Rapport de recherches CSTC 1989 Rapport de recherches CSTC 1989 Rapport de recherches CSTC 1989 Rapport de recherches CSTC 1989 Rapport de recherches CSTC 1989 Rapport de recherches CSTC 1989 Rapport de recherches CSTC 1996 38 0 -2 38 36 Vb Rapport de recherches CSTC 1989 34 36 35 37 37 39 39 0 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -3 -4 -3 -2 -2 -4 -2 34 35 34 36 36 38 38 31 32 32 35 35 35 37 Vc Vb Vc Vb Vb Vb Vb CDI d’Aubervilliers 1978 CDI d’Aubervilliers 1979 CSTC 1996 - AC 2834 Rapport de recherches CSTC 1989 CDI d’Aubervilliers 1978 CDI d’Aubervilliers 1978 Rapport de recherches CSTC 1989 30 35 32 35 36 37 37 39 37 -1 -2 -1 -2 -1 -2 -1 -2 -1 -4 -4 -2 -6 -4 -5 -3 -5 -2 29 33 31 33 35 35 36 37 36 26 31 30 29 32 32 34 34 35 Vd Vc Vc Vc Vb Vb Vb Vb Vc Rapport de recherches CSTC 1989 CSTC 1991 - AC 2321 Rapport de recherches CSTC 1988 Rapport de recherches CSTC 1989 CSTC 1991 - AC 2320 CSTC 1993 - AC 2548 CSTC 1993 - AC 2548 CSTC 1989 - 341/4/2107 CDI 1993 - 623 950 38 38 43 41 40 44 41 43 -2 -2 -3 -5 -2 -2 -2 -4 -7 -6 -9 -10 -5 -6 -6 -9 36 36 40 36 38 42 39 39 31 32 34 31 35 38 35 34 Vb Vb Vb Vc Vb Va Vb Vb Vegla 1995 FIB GS 168/82 Vegla 1995 FIB GS 169/82 FIB GS 170/82 CDI 1993 - 623.956 CSTC 1993 CSTC 1993 37 38 38 41 40 41 41 40 38 42 -1 -2 -1 -3 -1 -1 -2 -1 -2 -1 -4 -6 -3 -7 -4 -4 -4 -3 -6 -6 36 36 37 38 39 40 39 39 36 41 33 32 35 34 36 37 37 37 32 36 Vb Vb Vb Vb Vb Vb Va Vb Vb Va CSTC 1991 - AC 2322 CSTC 1989 - 341/4/2106 CSTC 1992 - AC 2458 CSTC 1989 - 341/4/2108 TNO 1985 Rapport de recherches CSTC 1989 CSTC 1991 - AC 2334 CSTC 1993 - AC 2548 Rapport de recherches CSTC 1989 TNO 1994 - 94-CBO-R1283 36 40 42 44 -1 -2 -2 -1 -5 -5 -6 -4 35 38 40 43 31 35 36 40 Vc Vb Va Va TNO 1997 - 7.29.6.3265 CSTC 1997 - AC 2464 TNO 1997 - 7.29.6.3265 TNO 1997 - 7.29.6.3265 51 -4 -10 47 41 Va TNO 1997 - 7.29.6.3265 41 41 44 49 47 -3 -1 -2 -2 -1 -7 -4 -6 -7 -5 38 40 42 47 46 34 37 38 42 42 Vb Va Va Va Va CSTC 1992 CDI d’Aubervilliers 1993 CDI d’Aubervilliers 1986 CDI d’Aubervilliers 1993 TNO 1985 Vitrage feuilleté Avec résine coulée 9RC 4 mm - résine - 4 mm Avec PVB ordinaire 33.1 PVB 33.2 PVB 44.2 PVB 44.4 PVB 55.2 PVB 66.2 PVB 66.8 PVB 3 3 4 4 5 6 6 mm mm mm mm mm mm mm - 1 couche 2 couches 2 couches 4 couches 2 couches 2 couches 8 couches Vitrage thermique à lame d’air 4-12-4 4 mm - lame 6-15-4 6 mm - lame 6-12-6 6 mm - lame 6-16-6 6 mm - lame 8-12-5 8 mm - lame 8-20-5 8 mm - lame 10-12-8 10 mm - lame 10-15-6 10 mm - lame 12-12-10 12 mm - lame d’air d’air d’air d’air d’air d’air d’air d’air d’air PVB PVB PVB PVB PVB PVB PVB 12 15 12 16 12 20 12 15 12 0,38 0,38 0,38 0,38 0,38 0,38 0,38 mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm - 4 - 4 - 6 - 6 - 5 - 5 - 8 - 6 - 10 - 3 3 4 4 5 5 6 mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm Vitrage thermique avec gaz spécial 6-12G-4 6 mm - gaz 12 mm - 4 mm 8-12G-5 8 mm - gaz 12 mm - 5 mm 8-24G-4 8 mm - gaz 24 mm - 4 mm 10-12G-4 10 mm - gaz 12 mm - 4 mm 10-12G-6 10 mm - gaz 12 mm - 6 mm 10-20G-9RC 10 mm - gaz 20 mm - 9 mm résine coulée 11-12G-6 11 mm - gaz 12 mm - 6 mm 11-15G-8 11 mm - gaz 15 mm - 8 mm Vitrage thermique feuilleté Avec PVB ordinaire 6-12-44.2PVB 6-15-44.2 6-12-55.1PVB 6-15-55.2PVB 6-12-66.2PVB 8-12-44.2PVB 10-12-44.2PVB 10-12-66.1PVB 44.2PVB-15-44.2PVB 55.2PVB-24-33.2PVB 6 mm - lame d’air 12 mm - 4 mm/2 couches PVB 0,38 mm/ 4 mm 6 mm - lame d’air 15 mm - 4 mm/2 couches PVB 0,38 mm/ 4 mm 6 mm - lame d’air 12 mm - 5 mm/ 1 couche PVB 0,38 mm/ 5 mm 6 mm - lame d’air 15 mm - 5 mm/2 couches PVB 0,38 mm/ 5 mm 6 mm - lame d’air 12 mm - 6 mm/2 couches PVB 0,38 mm/ 6 mm 8 mm - lame d’air 12 mm - 4 mm/2 couches PVB 0,38 mm/ 4 mm 10 mm - lame d’air 12 mm - 4 mm/2 couches PVB 0,38 mm/ 4 mm 10 mm - lame d’air 12 mm - 6 mm/ 1 couche PVB 0,38 mm/ 6 mm 4 mm/2 couches PVB/4 mm-lame d’air 15 mm-4 mm/2 couches PVB/4 mm 5 mm/2 couches PVB/5 mm-lame d’air 24 mm-3 mm/2 couches PVB/3 mm Avec PVB amélioré 4-12-33.2 4 mm - lame d’air 12 mm - 3 mm/2 couches PVB amélioré 0,38 mm/3 6-12-44.2 6 mm - lame d’air 12 mm - 4 mm/2 couches PVB amélioré 0,38 mm/4 10-12-44.2 10 mm - lame d’air 12 mm - 4 mm/2 couches PVB amélioré 0,38 mm/4 12-20-44.2 12 mm - lame d’air 20 mm - 4 mm/2 couches PVB amélioré 0,38 mm/4 44.2-20-64.2 4 mm/2 couches PVB amélioré 0,38 mm/4 mm - lame d’air 20 mm 6 mm/2 couches PVB amélioré 0,38 mm/4 mm mm mm mm mm Avec résine coulée (RC) 6-12-55/1.5RC 6 mm - lame d’air 12 mm - 5 mm/1 couche RC 1,5 mm/5 mm 6-15G-9RC 6 mm gaz 15 mm - 4 mm/ 1 à 1,5 mm RC/4 mm 10/12/FA 11 10 mm - lame d’air 12 mm - 5 mm/ 1 à 1,5 mm RC/5 mm PH9/20g/PH11 4 mm/1 à 1,5 mm RC/4 mm -gaz 20 mm - 5 mm / 1 à 1,5 mm RC / 5 mm 12-20G-PH11 12 mm - gaz 12 mm - 5 mm / 1 à 1,5 mm RC / 5 mm les valeurs Rw + C; il l’est moins pour l’isolation au bruit du trafic urbain (Rw + Ctr). ces acoustiques du premier approchent celles des résines coulées, et l’on conserve en outre l’avantage de la résistance à l’effraction. Dans le cas d’un double vitrage thermique, on peut remplacer une seule ou deux des feuilles de verre par un panneau feuilleté. L’effet produit est illustré par les courbes d’isolation acoustique de la figure 7B. 5.6 La figure 7C montre l’effet du PVB amélioré par rapport au PVB ordinaire. Les performan- LE VITRAGE “ACOUSTIQUE” La combinaison de plusieurs techniques d’amélioration de l’isolation aux bruits aériens engendre des performances pouvant atteindre quelque 42 dB pour la grandeur Rw + Ctr (trafic PRINTEMPS 1998 T C RATIQUE m 50 60 a g a z i n 55 45 50 40 45 35 R [dB] R [dB] 30 40 35 30 25 20 25 8 mm verre simple Rw(C;Ctr) = 35 dB (-1;-3) 44.2PVB Rw(C;Ctr) = 35 dB (0;-2) 4/1.6RC/4 Rw(C;Ctr) = 38 dB (0;-2) 20 15 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 15 10-12-4/1.6RC/4 Rw(C;Ctr) = 44 dB (-2;-6) 10-12-44.2PVB Rw(C;Ctr) = 41 dB (-2;-4) 10-12-8 Rw(C;Ctr) = 37 dB (-1;-3) 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 Fréquence [Hz] Fréquence [Hz] 60 urbain, p.ex.), voire plus de 47 dB pour la grandeur Rw + C, ce qui correspond, dans le cas du vitrage simple de 4 mm, à une amélioration possible d’environ 12 dB vis-à-vis du bruit du trafic urbain et de 16 dB dans les situations où l’on doit adopter la grandeur Rw + C. Une réduction de la puissance sonore de 10 dB représente une réduction de moitié du bruit perçu. 55 6-12-44.2 PVB Rw(C;Ctr) = 37 dB (-1;-4) 6-12-44.2 PVB amélioré Rw(C;Ctr) = 40 dB (-2;-5) 50 45 R [dB] 40 35 30 25 Lorsque ces vitrages sont intégrés dans un châssis de fenêtre, on peut obtenir une isolation acoustique encore accrue (performances de laboratoire) grâce à des châssis de conception spéciale (châssis de doublage). ■ 20 15 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 Fig. 7A Performances acoustiques comparées d’un vitrage simple de 8 mm, d’un vitrage feuilleté au PVB (4 mm/ 2 couches PVB de 0,38 mm/ 4 mm) et d’un vitrage feuilleté avec résine coulée (4 mm/ 1,6 mm résine/ 4 mm). S e P C Fréquence [Hz] BIBLIOGRAPHIE Organisation internationale de normalisation L.L. 1 Beranek 7 EN ISO 140-3:1995 Acoustics. 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Fig. 7C Performances acoustiques comparées des doubles vitrages feuilletés au PVB ordinaire et au PVB amélioré (propriétés acoustiques analogues à celles de la résine coulée).