Cours : Le confort acoustique BO STI2D Première : Habitat - Gestion de l’énergie dans l’habitat Notions et contenus Capacités exigibles Ondes sonores et ultra-sonores ; propagation Définir et mesurer quelques grandeurs physiques associées à une onde sonore et ultrasonore : pression acoustique, amplitude, période, fréquence, célérité, longueur d’onde. Énoncer qu’un milieu matériel est nécessaire à la propagation d’une onde sonore. Donner l’ordre de grandeur de la célérité du son dans quelques milieux : air, liquide, solide. Citer les deux grandeurs influençant la perception sensorielle : l’intensité et la fréquence du son. Citer les seuils de perception de l’oreille humaine. Définir et mesurer le niveau sonore. Citer l’unité correspondante : le décibel (dB). Mettre en évidence expérimentalement les phénomènes de réflexion, de transmission ou d’absorption d’un son ou d’un ultrason pour différents matériaux. Puissance et intensité sonore ; niveau ; transmission, absorption, réflexion Lutte contre les bruits : isolation phonique / acoustique d’un bâtiment comprendre les mécanismes de la perception sonore de l’oreille humaine (son agréable ou désagréable) 1 Production d’un son Le son est une onde acoustique. Il est caractérisé par la propagation d’une variation de pression. Cela signifie qu’il est produit par des phénomène capable de générer ces variations de pression : • Coup de marteau • Corde en vibration • Cordes vocales • Diapason • Explosion • etc. 2 Propagation Cette variation locale de la pression va se propager de proche en proche dans le milieu de propagation. Une onde sonore a besoin d’un milieu matériel pour se propager : elle ne se propage pas dans le vide. cours : le confort acoustique 3 Caractéristiques 3.1 La pression acoustique Lorsqu’il n’y a pas de son, la pression est égale à la pression atmosphérique p0 = 105 Pa ( Pascal). Au passage d’une onde sonore cette pression peut augmenter (surpression) ou diminuer (dépression). La variation de pression ∆p = p − p0 s’appelle la pression acoustique. La pression acoustique est en général une fonction périodique du temps. (Contre exemple : onde de choc) Un son produit par un instrument de musique est un signal périodique, dont la forme diffère selon le timbre de l’instrument. Quelles caractéristiques peut-on exploiter ? Expérience avec GBF alimentant un haut parleur 3.2 La période temporelle Il s’agit de la plus petite durée au bout de laquelle la pression acoustique se répète identique à elle même. On lui associe une fréquence. 3.3 Fréquence 1 Rappel : f = T Lorsqu’on modifie la fréquence d’un son, on modifie sa "hauteur". Plus un son est grave, plus la fréquence de l’onde est faible. Les sons audibles pour l’homme se situent dans le domaine 20 Hz (son grave) < f < 20.000 Hz (son aigu). Remarque : Deux notes sont à l’octave si leurs fréquences sont doubles l’une de l’autre. • f = 440 Hz "la" du diapason • f = 880 Hz "la" une octave plus haut. 2 cours : le confort acoustique 3.4 L’amplitude Lorsqu’on modifie l’amplitude d’un son, on modifie la différence de pression ∆p = p − p0 , et donc le niveau sonore du son. Plus l’amplitude de la pression acoustique est grande, plus le son est fort. 3.5 Vitesse de propagation La vitesse de propagation ou célérité de l’onde acoustique ne dépend ni de sa fréquence, ni de son amplitude mais du milieu dans lequel elle se propage et de la température. Matériau Air Eau Béton Bois Acier Verre Polymères durs Célérité (m s−1 ) à 20◦ C 340 1500 3100 1000 à 4000 5500 5300 2400 3.6 La longueur d’onde Il s’agit de la longueur parcourue par l’onde pendant sa période T. Sa valeur dépend du milieu de propagation : λ = c·T = 4 4.1 c f Caractéristique liées à l’amplitude d’un son Puissance sonore : P Une onde sonore transporte de l’énergie. Cette énergie dépend de l’amplitude de la pression acoustique. La puissance sonore, c’est l’énergie sonore propagée en 1 seconde. P = E ∆t L’intensité sonore : I Lorsqu’on se trouve à proximité d’une source sonore, le son est toujours plus fort que lorsqu’on s’en éloigne. Ce phénomène est dû à la répartition de l’énergie sonore dans l’espace. Pour traduire ce phénomène, on définit une grandeur appelée "Intensité sonore" I. C’est la puissance sonore reçue par unité de surface. C’est l’intensité sonore qui traduit la force d’un son. I= P S 3 cours : le confort acoustique Remarque : Les limites de l’audition humaine : • I < 1 · 10−12 W/m2 , le son est trop faible pour être audible, il s’agit du seuil d’audition (ou seuil d’audibilité) théorique. • I > 1 W/m2 , le son provoque une douleur dans l’oreille. 4.2 Le niveau sonore Il est très difficile de travailler avec les intensités sonores pour comparer la force de deux sons car on arrive toujours à des écarts très grands. En effet, l’oreille humaine est capable de percevoir des sons dans une plage d’intensité sonore très étendue allant de 1 · 10−12 W/m2 à quelquesW/m2 . Exemple : le seuil de douleur est mille milliards de fois plus grand que le seuil d’audibilité ! Pour éviter ce problème, on définit une nouvelle grandeur : le niveau sonore L qui s’exprime en décibel (dB). L = 10 log ( I ) I0 où I0 = 1 · 10−12 W/m2 Remarque : La fonction logarithme permet d’éliminer les trop grandes différences entre les intensités sonores : Soit I = 1 W/m2 le seuil de douleur pour l’oreilleI/Io = 1012 mais L = 10 log(I/Io) = 10 · 12 = 120dB. Le seuil de douleur correspond a un niveau d’intensité sonore égal à 120 dB Le seuil d’audition théorique correspond à un niveau d’intensité sonore égal à 0 dB. 4 cours : le confort acoustique 5 Sensibilité de l’oreille humaine L’oreille humaine est un récepteur acoustique très sensible. Sa perception d’un son dépend de la fréquence de l’onde acoustique et de son intensité sonore. L’oreille humaine n’a pas la même sensation d’intensité sonore en fonction de la fréquence d’un son : pour la même valeur de pression acoustique (en Pascal), un son grave (en dessous de 250 Hz) ou très aigüe (au dessus de 8000 Hz) apparait moins fort qu’un son medium (1000 Hz). Ce phénomène provient du fait que l’oreille humaine est plus sensible aux fréquences de la parole (500, 1000 et 2000 Hz). On appelle la sonie (ou "loudness" en anglais) la sensation d’intensité sonore. Le graphique ci-contre montre des courbes d’isosonie, c’est-à-dire des courbes qui donnent la même sensation de force sonore en fonction des fréquences. Les courbes les plus basses correspondent aux niveaux les moins forts, avec la première qui défini le seuil d’audibilité. Inversement pour les courbes les plus hautes, avec le seuil de douleur. 6 Réflexion, transmission et absorption Les effets indésirables du bruit sont nombreux ; ils se traduisent sur l’organisme par une fatigue auditive (au-delà de 80 dB après une exposition de quelques heures), une douleur à l’oreille à partir de 120 dB, des effets cardiovasculaires. L’isolation acoustique est un moyen d’y remédier. Lorsqu’une onde acoustique rencontre une paroi (changement de milieu de propagation), une partie de l’énergie est réfléchie, une autre est absorbée par le matériau qui constitue la paroi et une dernière partie est transmise. On définit les coefficients suivant : Iréf léchie • Coefficient de réflexion : r = Iincidente I • Coefficient d’absorption : a = absorbée Iincidente Itransmis • Coefficient de transmission : t = Iincidente La conservation de l’énergie permet d’écrire : r+a+t = 1 Certains matériaux (mousse, moquette, polystyrène) absorbent les sons (a proche de 0,8) et diminuent les effets de la réflexion et de la transmission des ondes sonores. Ces coefficients dépendent en général de la fréquence acoustique et du matériau. 6.1 Amortissement du à la distance Amortissement de l’onde sonore : chaque fois que la distance à la source sonore est multipliée par 2, le niveau sonore diminue de 6 dB 5
