Le son, l’ouïe, et l’acoustique des églises

Pourquoi étudier l’acoustique des églises? Presque tout le son qui arrive à nos oreilles a été filtré par l’acoustique de la pièce. La mauvaise acoustique coût très cher à corriger – souvent c’est impossible. Peindre des briques ou un plafond, changer les rideaux, ajouter ou enlever un tapis, déplacer les enceintes acoustiques peut changer dramatiquement le son. L’acoustique des églises est différente des salles de concert et d’autres salles de réunion

Une chambre anéchoique Utile pour prendre des mesures des enceintes acoustiques et microphones L’absence d’acoustique de la pièce rend l’auditeur mal à l’aise

Le son direct et les réflexions Sound Source

Une nouvelle manière de regarder une chambre Plus de 99% du son qui nous vient aux oreilles nous vient de la pièce après au moins une réflexion. Nous pouvons considérer une chambre comme ayant des milliers de petites sources sonores ayant chacune un niveau différent et étant alimentée par un délai différent.

Les quatre plus grands obstacles à un bon son dans les églises Les personnes ayant une formation insuffisante. Les chambres ayant une mauvaise acoustique Les mauvais microphones ou mauvaise technique de prise de son. Le mauvais choix des enceintes acoustiques, leur mauvais placement ou mauvaise utilisation.

Le son Une variation dans la pression du gaz ou une onde dans les solides et liquides qui peut être perçu. On peut décrire le son par sa fréquence et son amplitude.

La fréquence du son Mesuré en cycles par seconde, ou Hertz (Hz). Une jeune oreille humaine peut entendre de 20 Hz à 20,000 Hz par seconde.

Fréquence approximative des tons fondamentaux (Hz) Voix ou instrument Fréquence inférieure Fréquence Supérieure Clarinette basse 73 699 Tuba 44 349 Contrebasse 41 247 Violoncelle 65 659 Clarinette 165 1568 Flûte 262 2093 Harpe 31 3322 Oboie 117 1397 Piano 28 4186 Piccolo 523 4699 Trombone ténor 82 466 Trompette 932 Violon 196 2637 Voix – alto 698 Voix – baryton 87 392 Voix – basse 330 Voix - soprano 1175 Voix – ténor 131 494

Changement de ton avec l’intensité Les tons de basse fréquence semblent baisser en ton lorsque l’intensité augmente. Les tons de haute fréquence semblent monter en ton lorsque l’intensité augmente.

Les fréquences fondamentales et les harmoniques Chaque ton produit un ton de base – le ton fondamental Chaque fondamental est accompagné de plusieurs harmoniques à un multiple intégral du fondamental. Le ratio des niveaux des harmoniques aide à distinguer entre les sources de son.

2 exemples de comment les harmoniques de différents niveaux changent la nature du son. Les 2 sons ont la même fondamentale

La propagation du son Le son est propagé comme une onde en 3 dimensions, comme un sphère. L’intensité du son diminue avec le carré de la distance de la source à l’air libre, mais moins dans une chambre fermée. L’oreille peut discerner une variation de pression de 5,000,000,000 fois moins intense que la pression atmosphérique. Il faut la protéger des dommages.

La longueur des ondes sonores Longueur d’onde (pieds) = 1130/Fréquence (Hz) au niveau de la mer Le son voyage environ 1 pied par seconde dans l’air

L’oreille et le cerveau déterminent le caractère du son L’oreille filtre le son dans ses fréquences distinctes et envoie l’information vers le cerveau. Le cerveau analyse les fréquences, les intensités relatives, les décalages de temps entre les deux oreilles et discerne: La source du son Son emplacement dans la pièce

Les transitoires sont déterminées par les hautes fréquences Les attaques au début des notes sont le résultat des hautes fréquences. Les enceintes acoustiques doivent reproduire fidèlement les hautes fréquences à au moins 2x la plus haute harmonique.

La même onde sonore avec un décalage de phase de 90 degrés. La phase La même onde sonore avec un décalage de phase de 90 degrés. Une onde sonore L’oreille est relativement insensible aux changements de phase, mais une mise en phase aide la perception que le son est réel

Les octaves – doubler les fréquences Les sons à 55 Hz, 110 Hz, 220 Hz, 440 Hz, 880 Hz, etc. sont tous des « LA », mais séparés d’un octave chacun. Deux notes adjacents sont donc séparées d’un ratio de 21/12 , ou 1.059463.

Le décibel Abrévié dB, le décibel est utilisé pour mesurer l’intensité du son. Un décibel est équivalent à 20 µPa (microPascals). C’est un niveau sonore extrêmement faible. Par exemple, la pression à 3 pieds d’une bouche de trompette est environ 97 dB. La puissance nécessaire pour calculer le niveau sonore peut être calculé par: dB = 10 x log (P1/P2) Si une enceinte produit 90dB 1W/1m, elle produira 120 dB avec 1000W.

Description du son Équivalent musical Pression sonore en dBA Seuil de l’audibilité, bonnes oreilles, « midrange », chambre anéchoique Sons à peine perceptible dans un champs éloigné. 10 Feuilles bougeant à peine dans une brise légère 20 Bruit de fond, studio d’enregistrement 30 Maison paisible sans occupants, salle de cinéma sans occupants ppp 40 Bureau privé 50 Conversation, grand magasin paisible p 60 Niveau de son « normal » pendant message à l’église mp 70 Bureau bruyant, trafic ordinaire f 80 Salle d’équipement dans une tour à bureaux ff 90 Gros camion qui passe sur l’autoroute fff 100 Marteau pneumatique 120 Seuil de douleur dans le « midrange » 130 Avion à hélice à 20 pieds 140 Avion à réaction militaire à 10 pieds au décollage 160 Fusée Saturne au décollage à 100 pieds 200

La variation de décibels avec voltage, courant, puissance, et distance dB = 20 x log (E1/E2) dB = 20 x log (A1/A2) dB = 20 x log (D1/D2) dB = 10 x log (P1/P2) Pour augmenter le niveau sonore de 20dB, il faut donc soit: Augmenter la puissance de 100 fois Augmenter le voltage de 10 fois Augmenter l’ampérage de 10 fois Diminuer la distance (à l’air libre) entre l’enceinte acoustique et le micro de 10 fois.

Les échelles de mesure de la pression sonore Nous mesurons avec des sonomètres. dB des sources multiples = 10 log (10dB son A/10 + 10dB son B/10 + 10dB son C/10….) si les sources sont cohérentes

Les échelles A,B,C Les contours différents sont utilisés pour filtrer les mesures d’intensité afin qu’elles soient semblables à la réponse de l’oreille à différentes intensités.

Les dBA Le contour « A » enlève plus de basses fréquences que les autres, et reflète la sensibilité de l’oreille autour d’un niveau de 40 phons Les phons reflètent la sensibilité de l’oreille en rapport avec sa sensibilité à 1000 Hz. Lorsque l’échelle n’est pas spécifié, on parle généralement de dBA

L’échelle « B » Le contour « B » est rarement utilisé – il ressemble à la sensibilité de l’oreille à des sons moyennement forts.

L’échelle « C » L’échelle « C » est utilisé pour des endroits très bruyants, comme les usines et les autoroutes. Il ressemble à la réponse de l’oreille à des bruits très forts.

La directivité La directivité est la mesure de la distribution du son émanant de la source avant qu’il ne reflète sur les surfaces. Quand la longueur d’onde est très longue en relation avec la grosseur de la source, le son est omnidirectionnel. Lorsque la longueur d’onde est petite en relation avec la source, le son émane dans un faisceau étroit. Ainsi: Les petits haut-parleurs à dôme ont une meilleure réponse hors axe que les gros woofers. Les subwoofers sont omnidirectionnels. Les consonnes (haute fréquences), sont mieux compris devant une personne que derrière sa tête. L’équilibre sonore d’une source n’est jamais juste hors de l’axe, à moins que la source sonore soit omnidirectionnelle.

L’anatomie de l’oreille humaine

La réponse de l’oreille humaine aux sons L’oreille humaine peut répondre à des variations de pression minimes dans l’air entre 20 Hz et 20 kHz. Ces variations sont de l’ordre de 1 x 10-9 d’un atmosphère, ou la vibration de l’air de l’ordre de 1/10 du diamètre d’un atome.

L’oreille externe L’oreille externe ou pinna , concentre le son vers l’entrée du canal auditif. Il augmente également le niveau entre 2kHz et 3kHz d’environ 5dB. Le canal auditif agit comme résonateur, augmentant le niveau des sons entre 2 et 5 kHz d’environ 13dB. La localisation des sons se fait à plus que 1kHz par la différence d’intensité, et à moins que 1kHz par la différence du temps d’arrivée.

Le tympan Le tympan reçoit les vibrations dans le canal auditif et les transfère à travers les osselets jusqu’à la fenêtre ovale de l’oreille interne. L’oreille interne est 15x plus petit que le tympan, donc la pression du son est amplifié environ 15 fois. Le tympan est couvert de cire pour le protéger et pour amortir les vibrations.

Les osselets Les 3 os les plus petits du corps forment une série de leviers qui transforment le grand mouvement du tympan dans un mouvement beaucoup plus petit, mais plus intense sur la fenêtre ovale de l’oreille interne. Cette amplification est de l’ordre de 3x. Lorsque soumis à un bruit intense pendant assez longtemps, les muscles de l’oreille se raidissent, freinant le mouvement et protégeant l’oreille interne. Ce mécanisme fonctionne moins bien chez les personnes plus âgées, de sorte qu’elles tolèrent moins bien le bruit. Le système de protection ne fonctionne pas lorsque l’oreille est soumise à des explosions et des transitoires, comme le bruit des « snares ».

La structure de l’oreille interne L’oreille interne ressemble en forme à un escargot. Elle est divisée en 3 parties. 2 servent à la transmission de la pression pour maintenir l’équilibre, et la 3ême est l’organe de Corti, le microphone du corps.

L’organe de Corti Contient 4 rangées de cellules avec des poils qui sont reliés au système nerveux. Il y en a 16,000 à 20,000 de ces cellules. Ces poils sont agités par le mouvement du fluide dans l’oreille interne. À cause de sa forme légèrement conique, les fréquences individuelles sont perçus à des endroits spécifiques. Le cerveau décortique toutes les impulsions et les traduit dans une perception du son.

La théorie de place Les sons de haute fréquence font vibrer l’oreille interne près de la fenêtre ovale. Les sons de basse fréquence voyagent plus loin avant de faire vibrer le membrane. Ce comportement est plus facile à visualiser en déroulant l’oreille interne. Cette théorie n’explique pas encore comment l’oreille discerne si bien entre les tons différents – certains croient qu’il y a un mécanisme de filtre digital qui agit.

Le nerf auditif

Les périlymphe et l’endolymphe Les changements de pression causées par le son voyagent dans les canaux de l’oreille interne qui sont remplis par un liquide appelé périlymphe. Ce liquide ressemble beaucoup au liquide dans la colonne vertébrale, et est très différent de l’endolymphe, le liquide entourant l’organe de Corti. Des bruits très forts peuvent rompre les membranes entre les 3 canaux, ce qui mélange les deux liquides et rend partiellement sourd

Les mécanismes de protection de l’oreille En réponse à un niveau sonore élevé qui dure quelques secondes, les muscles de l’oreille moyenne se contractent, réduisant la transmission du son vers l’oreille interne. Ceci protège l’oreille interne en partie contre les niveaux sonore élevé, mais ne protège pas contre les transitoires (snare, fusil, etc.) La fatigue auditive résulte du travail de ces muscles. La surdité résulte des bruits forts abruptes ou prolongés

Quelques exemples de perte d’ouïe Condition Musique Parole Ouïe normale Perte moyenne des aigues Perte prononcée des aigues

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La gamme dynamique de l’oreille humaine Seuil de l’audibilité – environ 4 dB à 1000 Hz. Seuil de douleur – environ 130 dB Gamme totale – 126 dB, ce qui requiert 24 bits d’information (144dB) digitale, ou 4 x 1012 de fois plus de puissance que le seuil de l’audibilité.

Le seuil de l’audibilité Le seuil de l’audibilité dépend de la fréquence du son. Ainsi, un son de -4dB peut être perçu à 3.5 kHz, mais pour le percevoir à 20 Hz, le son devra mesurer 72 dB. Cette différence de sensibilité est due à la résonance du canal auditif. C’est la raison du contrôle « loudness » sur les stéréos maison.

Dans un bâtiment d’église – la silence vaut l’or

L’effet du bruit ambiant Le bruit ambiant tend à masquer le son en augmentant son seuil d’audibilité. Les sons de basse fréquence masquent plus les sons de haute fréquence que vice versa. L’élément acoustique le plus important dans une salle est le silence. C’est le bruit ambiant, et non le seuil de l’audibilité, qui détermine la gamme dynamique du son et son intélligibilité. Une salle bruyante n’est jamais utile comme église, même si elle a une forme parfaite et possède un très bon système de sonorisation.

La sensibilité de l’oreille humaine d’après Fletcher-Munson

Quel est le bon niveau sonore pour une église? Bruit de fond 35dBA maximum. Avec ce niveau: 75-90dBA pour la musique. 65dBA pour le niveau moyen du sermon (58-70 dBA). Commencer vers 70dBA et baisser graduellement 5 minutes plus tard. Ajuster le niveau pour les bonnes oreilles, et non les malentendants. Pas trop fort pour préserver la gamme dynamique!

Comment faire ressortir les voix des instruments La voix humaine (incluant fondamentales, harmoniques, et consonnes) agit principalement entre 160Hz et 4kHz. C’est aussi la zone où l’oreille est la plus sensible. En accentuant le niveau du son vers 800 Hz, nous pouvons faire ressortir la voix humaine des instruments, sans augmenter le niveau de son global.

La perception du ton L’oreille perçoit le ton d’un son par sa fréquence. Une oreille bien exercée peut différencier entre un son de 1000 Hz et un son de 1003 Hz, soit une différence de 0.3%. Il y a quelques fois où l’oreille ne discerne pas bien le ton: Un son pur aigu de plus que 2kHz qui augmente en intensité semblera augmenter en ton. Un son pur de moins de 2Kz qui augmente en intensité semblera baisser le ton. Les sons des instruments de musique semble monter s’il y a beaucoup d’harmoniques de plus que 2kHz, baisser s’il y a moins. La perception des tons de courte durée est différente de la perception des tons soutenus.

Le vibrato et trémolo Le vibrato est une modulation de fréquence produit par un instrument ou une voix. S’il n’est pas exagéré, il est perçu comme agréable, car il réduit la formation des ondes stationnaires dans la pièce. Le trémolo est une modulation de l’amplitude du son. Il est plus perceptible avec la voix qu’avec un instrument, et augmente avec l’essoufflement ou le vieillissement. Le trémolo est moins apprécié que le vibrato.

Les transitoires L’attaque et le déclin du son sont importants à sa clarté. Une salle trop absorbante des hautes fréquences enlèvera la clarté. Les tons très courts ressemblent à des “clicks”, au lieu des tons, et semblent moins forts qu’ils le sont réellement. Les consonnes, qui sont importantes à l’intelligibilité de la parole, durent de 5 à 15 msec, et nous paraissent de 13-19dB moins puissants que les voyelles. Le bruit de fond, comme celui de la ventilation ou d’un ampli bruyant, est très nocif à l’intelligibilité.

La parole Composée de voyelles longues et fortes de basse fréquence (moins que 1000 Hz), séparés avec des consonnes moins fortes à plus haute fréquence (de 1kHz à 3.5kHz), et très courts. L’intelligibilité de la parole dépend surtout de la bonne perception des consonnes.

La directivité de la voix La directivité de la voix n’est pas constante. Les voyelles contournent bien la tête, étant seulement 5dB moins fortes en arrière qu’en avant. Les consonnes sont plus directionnels, étant réduites d’environ 12dB derrière la tête. Les micros cravates doivent compenser pour la perte des hautes fréquences.

Le niveau normal de la voix L’homme moyenne parle à un niveau de 64dB à un mètre lors d’une conversation, et de 57dBA quand il parle dans un lieu tranquille. Pour éviter la fatigue auditive, il faut donc régler le niveau moyen du pasteur vers 65 dBA. Les femmes et les enfants sont plus sensibles aux voix fortes que les hommes. Le pasteur doit moduler le niveau de la voix pour garder l’attention. Le pasteur doit ralentir sa cadence si la salle est très réverbérante

La gamme dynamique de la parole L’homme moyen parle avec un niveau de 10 à 91 microwatts , avec une moyenne de 34 microwatts. La femme moyenne parle avec un niveau de 8 a 55 microwatts, avec une moyenne de 34 microwatts, soit 2.8dB de moins qu’un homme. La puissance maximale de la voix parlée des hommes est de 3600 microwatts; celle des femmes de 1800 microwatts. Ceci est environ 20dB plus fort que la parole normale. En criant, les hommes peuvent élever leurs voix jusqu’à 42dB!

La gamme dynamique dans la musique La gamme dynamique de l’oreille est d’environ 126dB dans le « midrange », moins dans les basses et aigus. Il y a jusqu’à 75dB de différence entre les sons les plus bas et les plus forts dans la musique symphonique dans une salle ayant un niveau de bruit minimum de 35dB. Ces écarts de niveau rendent la musique « vivante »

Comment maximiser la gamme dynamique Dans le « 1812 overture » de Tchaikovsky, on utilise un canon pour augmenter la gamme dynamique de la basse. (L’attaque de l’explosion peut endommager les oreilles ou les tweeters) Pour maximimiser la gamme dynamique, il faut avoir une bâtiment silencieux. Augmenter le niveau ne fonctionne pas, parce que l’oreille se protège contre les hauts niveaux.

Comment reproduire la gamme dynamique L’équipement analogique ne peut pas reproduire la gamme dynamique entière d’un orchestre symphonique, mais est suffisant pour la voix ou les instruments dans les églises. Les CD, DAT, et caméras DV ont 16 bits et 96dB de gamme dynamique, mais limitent la capacité d’enregistrer les transitoires fortes. Elles sont adéquats pour la plupart de la musique, sauf pour les grands orchestres. Les nouvelles systèmes 24 bits ont 144 dB de gamme dynamique.

Puissance relative des instruments de musique Orchestre Tambour basse Orgue à tuyaux Snare Cymbales Trombone Trompette Tuba Piccolo Flute Clarinet, Cors français, triangle Puissance maximale (w) 70 25 13 12 10 6 0.4 0.3 0.08 0.06 0.05

La règle de 400,000 Pour qu’un système de son nous semble équilibré, il faut que le son le plus bas x le son le plus haut = 400,000. Ainsi, un système 20Hz à 20,000 Hz est excellent. Un système 50Hz à 8000 Hz est aussi acceptable, quoique moins naturel. Le téléphone opère entre 100 Hz et 4000 Hz, pour un son acceptable aussi. Un système 150 Hz à 20000 Hz semblera manquer de basses. Un système 20 Hz à 8000 Hz semblera manquer de hautes.

La projection du son Un bon auditorium sert à concentrer le sont progressivement vers l’arrière afin que le niveau sonore soit plus ou moins égal partout, au lieu d’obéir à la loi du carré inversé, comme à l’air libre. Cette projection du son se fait par réfléchissement des murs, le plafond, et le sol

La réflection Une surface lisse produit une réflexion spéculaire (comme un miroir) Reflection Surface lisse

Loi de réflexion Un rayon de lumière réfléchit sur une surface avec le même angle que l’angle du rayon incident. Toutes les couleurs sont absorbées par la surface, sauf celle qui détermine la « couleur » de la surface. Le son se comporte de la même manière: il réfléchit de la surface, mais modifié quelque peu en équilibre tonal par l’absorption de la surface.

Son direct vs. son réfléchi Amphitéatre grec Epidauros, Grèce Diffusion arrière Son réfléchi Son direct

Son direct vs. son réfléchi - auditorium Winspear Concert Centre Edmonton, Canada Son réfléchi Son direct

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La diffraction Qu’est-ce qui arrive quand une onde est Partiellement obstruée? Diffraction

La diffraction du son Permet aux sons de contourner des petits obstacles ou remplir une pièce à l’autre côté d’une ouverture qui est petite par rapport à la longueur de l’onde. Les basses fréquences ont plus de diffraction – c’est une des raisons que la basse se propage si bien entre les appartements. Dans l’insonorisation, il est beaucoup plus important de sceller des ouvertures que d’isoler des cloisons.

La réfraction Refraction La réfraction à lieu lorsqu’une onde pénètre dans un matériel qui a une vélocité différente Refraction V1 < V2

Les surfaces concaves et convexes Il faut toujours éviter les surfaces concaves, car elles créent des concentrations de son à certains endroits et un manque de niveau à d’autres. Les surfaces convexes sont de loin préférables, car elles augmentent la diffusion. De même, l’architecture ornementale, les colonnes rectangulaires, etc., tendent à augmenter la diffusion, ce qui est bon. Finalement, des grandes surfaces planes sont à éviter, car elles peuvent contribuer à des échos, surtout si elles sont parallèles.

La réverbération Winspear Concert Hall Université de North Texas La réverbération égalise l’intensité du son

La définition du temps de réverbération Le son est réfléchi dans un auditorium par chaque surface, étant absorbé un peu à chaque surface, et graduellement diminuant par l’absorption et la distance parcourue. La « réverbération » est un terme qui quantifie cette diminution de niveau avec les temps. Étant donné qu’une différence de niveau de 60dB est égale à la gamme dynamique d’un orchestre (100dB crescendo-40dB salle), on a choisi de définir le temps de réverbération comme le temps requis pour que le son diminue de 60dB.

Le but de la réverbération La réverbération donne une “présence” au son Source Son de la pièce Bruit de fond Intensité Temps

Réverbération vs. clarté Trop de réverbération réduit la clarté du son Source Son “sec” Son “réverbérant” Intensité Temps

La croissance de l’intensité du son avec le temps L’intensité du son croit avec le temps si la pièce est réverbérante: Plus de réverbération Moins de réverbération Intensité Source Temps

Exemples de différents temps de réverbération Parole, sans réverbération Parole, réverbération 0.6 sec Parole, réverbération 0.8 sec Parole, réverbération 1.3 sec Musique rapide, sans réverbération Musique rapide, 0.6 sec Musique rapide, 1.0 sec Musique rapide, 2.0 sec Musique rapide, 2.5 sec

Le temps de réverbération Sabine nous a donné l’équation à droite, qui détermine la réverbération d’une pièce de manière statistique, dépendant de son absorption. Cette équation est valide seulement si la pièce est assez régulière, avec une absorption bien distribuée. Elle n’est valable que par-dessus la fréquence de Schroeder, là où il y a tellement de réflexions qu’on ne peut plus discerner les modes individuelles.

Certains problèmes avec le formule de Sabine Le formule tend à surestimer le temps de réverbération pour des pièces avec beaucoup d’absorption, ou avec l’absorption mal distribué. Il néglige aussi l’absorption de l’air, qui tend à réduire la réverbération des hautes fréquences, et qui dépend de l’humidité dans l’air.

Temps RT60 suggéré

Le champs de son réverbérant Les premières réflexions de son apparaissent à un temps prédéterminé, dépendant des dimensions de la pièce. Après quelques fractions de seconde, il y a tant de réflexions que le son semble diminuer plus également.

La réverbération artificielle vs. naturelle La réverbération artificielle produit un son spacieux, mais il agit seulement sur le son capté par les microphones. Les unités de réverbération (mis à part des systèmes très sophistiqués comme Lexicon « LARES » et RPT « SIAP »), ajoutent un délai au son sans égard aux premières réflexions distinctes, les directions des réflexions, etc. LARES et SIAP exigent des salles très absorbantes, plusieurs H.P. LARES imite les bonnes salles du monde SIAP permet de créer une espace artificielle

RT60 et EDT RT60 = temps pour que le son baisse de 60dB de niveau EDT (Early Decay Time) = RT10 x 6. C’est la mesure du temps de déclin des premiers 10 dB. Les chambres avec un EDT plus court que les RT60 sont plus appropriés pour la parole et la musique avec staccato. Le temps de réverbération varie avec la fréquence. Il est souvent mesuré à 250, 500, 1000, 2000, et 4000 Hz.

Choses pouvant varier le temps de réverbération calculé Les occupants Le niveau d’humidité dans une grande salle Les habits d’hiver versus les habits d’été. La peinture sur les plafonds acoustiques et les briques, ou le vernis sur le bois. Les balcons avec ouverture moins hauts que la profondeur Les espaces accouplées, comme les estrades avec poutre en avant Les portes ouvertes reliant l’auditorium avec les passages avoisinantes Des proportions bizarres Des surfaces concaves Des surfaces avec absorption très variée, et concentrée dans quelques endroits.

Ajuster la réverbération d’une salle Mettre les panneaux verticaux sur les murs et le plafond qui sont absorbants sur un côté et réfléchissants sur l’autre, et les tourner au besoin pour modifier le son. Utiliser des piliers triangulaires sur les murs, avec un côté été un diffuseur polycylindrique, un autre un absorbeur des moyennes et hautes fréquences, et le 3ème un absorbeur membranaire. Utiliser un plafond amovible suspendu avec des treuils. En montant et descendant, le volume de la pièce change, ainsi que la location de l’absorption. Utiliser des espaces réverbérantes adjacentes à l’auditorium, avec des portes étanches qui peuvent être ouvertes et fermées. Ceci permet un auditorium absorbent pour un court EDT, suivi d’un long temps de réverbération pour soutenir la musique.

Les sons transitoires et soutenus Un son avec des transitoires rapides produit un déclin qui commence avec des réflexions individuelles. Un son soutenu n’a pas de réflexions individuelles. Les premières réflexions sont importantes à la compréhension des mots. Il faut que ces réflexions aient lieu entre 30 et 50 ms après le son original.

Les temps d’arrivée et les échos Les sons arrivant à l’oreille à moins de 1msec d’intervalle sont utilisés pour discerner la direction, car la distance entre les oreilles (environ 8 pouces), correspond à moins que 1msec. Les sons arrivant entre 5 et 30msec de séparation sont aperçus comme étant un évènement unique, avec une petite augmentation du sens de volume, mais aucun écho. Entre 30 et 60 msec, l’oreille perçoit une transition graduelle entre une pièce volumineuse et un écho. Au-delà de 60msec, l’oreille perçoit un écho, qui est très agaçant au-delà de 100 msec, s’il n’est pas au moins 30dB plus bas en niveau que le son original. C’est la raison qu’il ne faut pas que deux haut-parleurs séparés de plus que 50 pieds soient perçus par le même auditeur sans l’ajout d’une ligne de délai électronique.

Les échos distincts Quand un son réfléchi ressort de l’ambiance réverbérante, on l’appelle un écho. Il peut être causé par des murs parallèles ou des surfaces concaves. Les grandes surfaces parallèles sont souvent la cause des échos. Au lieu d’essayer d’absorber le son sur ces surfaces (ce qui est difficile à faire à travers toutes les fréquences), il est souvent préférable d’ajouter de la diffusion. Exemple – musique avec « slap echoes », RT60 0.15 Exemple – voix avec « slap echoes », RT60 0.15

Perception subjective des réflexions Niveau, dB Son difficile à localiser Energie utile, son spacieux Coloration du ton Pas de réflexions audibles Temps, msec Distance, m

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La perte des basses fréquences avec la distance

Équilibre entre les hautes et basses fréquences Si le temps de réverbération est court, l’auditorium aura un déséquilibre entre les hautes et les basses fréquences à l’arrière de l’auditorium Pour corriger, augmenter le temps de réverbération dans les basses fréquences.

L’intelligibilité de la parole Pour comprendre la parole, il faut distinguer environ 10 évènements par seconde. Il faut donc que les premières réflexions arrivent à l’oreille en dedans des 50 msec pour ajouter de niveau, qu’il n’y ait pas de réflexions fortes entre 50 msec et 250 msec, puis qu’il y ait la réverbération pour ajouter la richesse au son. Ceci exige: Des premières surfaces réfléchissantes bien placées sur les plafonds, les murs arrières, les cotés. Les réflexions latérales sont les meilleures Des absorbeurs (à plus que 90%) des sons arrivant sur les murs arrières ou préférablement, des diffuseurs. La plupart de la musique est beaucoup plus continu que la parole, profite plus de la réverbération que des premières réflexions. Le staccato et les transitoires profitent des premières réflexions.

L’absorption Les médium et hautes fréquences sont absorbées par des matériaux fibreux. Les tapis et les rideaux absorbent les moyennes et hautes fréquences, « étouffant » la clarté, et enlevant l’articulation dans la basse. Les tuiles acoustiques au plafond sont bons pour les centres d’achats, pas pour les églises. Elles absorbent les hautes et moyennes fréquences sans affecter les bas médiums et les basses fréquences. Les basses fréquences sont mieux absorbés par des diaphragmes ou des résonateurs L’absorption distribuée est plus efficace que lorsque concentrée en une place, et contribue à la diffusion du son.

Où placer l’absorption? Pour les studios d’enregistrement et les salles d’écoute – absorption près des sources de son, pas d’absorption à l’endroit d’écoute. Pour les salles de concert – pas d’absorption autour de l’estrade, salle plus absorbante. Les églises – problème unique. Absorption distribuée de manière à permettre les chants de l’assemblée et les performances sur l’estrade.

L’absorbeur quart d’onde Profondeur « l » (en pouces) = 13500/F Facteur d’absorption = 1 Aire = 1.5 x aire calculé par formule Sabine

Résonateur Hemholtz Très efficace pour une bande précise (environ 0.5% de la fréquence si vide, jusqu’à 5% si bourré de fibre de verre) Calculer avec chiffrier Excel Mettre dans un coin

Les absorbeurs/diffuseurs polycylindriques Ajoute absorption et diffusion + un élément visuel intéressant Devraient varier en dimensions Polys sur les murs, axe vertical; sur plafond, perpendiculaires au murs Cloisons internes espacés de manière aléatoire pour rendre les polys rigide Utiliser chiffrier Excel pour calculer l’effet

Absorbeurs membranaires L’absorption des basses fréquences est améliorée par une isolation en fibre de verre avec surface de papier vers la pièce. Utiliser chiffrier Excel pour calculer

Absorbeurs diaphragmatiques Efficaces pour absorber les basses fréquences. Utiliser sur murs ou dans les coins Utiliser chiffrier Excel pour calculer Les fenêtres simples et les murs de gypse et préfini agissent comme absorbeurs membranaires.

Les absorbeurs à fentes et trous Comme les résonateurs Hemholtz, ces absorbeurs fonctionnent par résonance. Utiliser chiffrier Excel pour calculer.

Les 4 comportements de réflexion Très basse fréquence – pressurisation de la pièce Basses fréquence – réflexions distinctes, comportement modal Fréquences intermédiaires – comportement mixte entre les modes et les rayons Hautes fréquences – comportement en rayons

La pressurisation En bas de 565/L, ou L est la plus grande dimension en pieds. Pour une chambre de 56.5 pieds de long, l’effet a lieu en-dessous de 10 Hz. La réponse dans la basse est augmentée à environ 6dB/octave Peu d’effet dans les auditoriums, mais très évident dans les autos.

Le comportement modal Modes axiales (très fortes), tangentielles (-3dB), obliques (-6dB) Fréquences déterminées par les dimensions de la pièce. Peut causer des variations jusqu’à +/-30dB en réponse dans les basses fréquences.

Comment déterminer les fréquences modales Facile à prédire sur un ordinateur pour des chambres rectangulaires – très difficile à prédire pour d’autres formes. Les modes terminent tous dans les coins. Utiliser chiffrier Excel pour déterminer le comportement modal d’une pièce rectangulaire. Utiliser un programme comme ETF pour mesurer ce comportement. Agit jusqu’à la fréquence de Schroeder: f = 11250*(T/v) 0.5 f = fréquence T = RT60, seconds V = volume en pi. cu.

Les proportions qui minimisent les irrégularités modales Le chiffrier Excel sur votre donne des proportions qui minimisent les aberrations dues à l’activité modale. Il faut surtout éviter d’avoir des cubes, des sphères, ou des rectangles avec des côtés qui sont des multiples exactes des autres côtés.

Le comportement mixte Jusqu’à 4 x la fréquence de Schroeder, les modes deviennent de plus en plus rapprochées, de sorte qu’on ne peut plus les distinguer. À ces fréquences (d’habitude entre 100Hz et 300 Hz), le son se comporte de plus en plus comme des rayons de lumière, tout en ayant un comportement modal.

Le comportement en rayons À haute fréquence, le son être vu comme des rayons de lumière, réfléchissant sur les surfaces et étant progressivement absorbé. On peut donc dessiner une pièce et modéliser les réflexions.

Diffusion Le son est plus agréable s’il est bien diffus, sans échos apparents, sans endroits où le son est faible ou fort. Pour atteindre ce but, il faut: Éviter les surfaces concaves. Éviter des grandes surfaces planes. Parfois ajouter la diffusion dans la forme de: L’absorption distribuée Les ornements architecturaux Les surfaces convexes Les diffuseurs de Schroeder

Les diffuseurs intégrés à l’architecture Utiliser des murs non parallèles évite les échos, mais n’augmente pas la diffusion. Utiliser des formes autre que rectangulaires aide un peu la diffusion à haute fréquence, mais pas à basses fréquences. Ajouter des projections rectangulaires sur les murs peut augmenter la diffusion, en autant que la profondeur de la projection est au moins 1/7 de la longueur d’onde à être diffusé.

Les diffuseurs polycylindriques Les diffuserus polycylindriques reflètent le son sur environ 120 degrés, contre environ 20 degrés pour la plupart des murs. Les polys diffusent les sons avec une longueur d’onde d’au plus la dimension du poly.

Diffusion (suite) Les pyramides réfléchissantes, les cartons d’œufs, etc., n’ajoutent presque rien à la diffusion. La diffusion ajoutée au mur arrière est utile pour permettre une bonne intelligibilité de la parole. Les diffuseurs permettent de réfléchir le son dans plusieurs directions sans l’absorber beaucoup, minimisant les échos tout en rendant la musique plus agréable. La diffusion est préférable à l’absorption sur les murs arrières.

La diffusion autour de l’estrade Sur l’estrade, s’il n’y a pas de murs arrières ou de plafond près des musiciens, ils devront dépendre sur les moniteurs pour s’entendre, ce qui est loin de l’idéal. Si le mur arrière ou le plafond sont proches, ils peuvent causer des réflexions prématurés qui nuisent à l’intelligibilité. Cependant, si ces surfaces ont une bonne diffusion, les musiciens s’entendent, mais l’auditoire ne perd pas d’intelligibilité.

Les diffuseurs de Schroeder Une méthode unique, excellente pour obtenir la diffusion Très dispendieux si acheté, très lourd Pas trop dispendieux à fabriquer, intéressant du point de vue visuel. Fonctionnent bien jusqu’à 1 po. de large, 16 po. de profond, soit de 423 Hz à 6770 Hz. Les fréquences plus basses peuvent être traités avec l’absorption bien répartie, tandis que les hautes fréquences sont diffuses par nature. Calculer avec chiffrier Excel.

Les filtres en peigne Deux sources sonores ayant le même signal cause des interférences qui résultent dans une réponse de fréquence ressemblant à un peigne. C’est très évident lorsque le même son est capté par plus qu’un microphone, ou lorsque des haut-parleurs mono sont espacés et envoient un son vers l’auditeur. Le résultat est un son confus, souvent de caractère nasal ou strident. Solutions: règle 3:1 pour micros, haut-parleurs centraux ou distribués pour projection mono.

Les caractéristiques les plus important des auditoriums selon Beranek Critère Explication Points Intimité acoustique Les premières réflexions <30 msec, un minimum entre 50 msec et 250 msec 40 Clarté RT60 convenable à 1000 Hz et plus, 15 Chaleur RT60 convenable à moins de 1000 Hz Volume du son direct Pas trop loin de l’estrade, murs réfléchissants en arrière 10 Volume du son réverbérant Assez de volume, absorption adéquate 6 Équilibre entre les instruments Absorption bien répartie dans l’avant de la salle Diffusion Les réflexions bien réparties dans la pièce. De nos jours, la plupart des acousticiens y attacherait plus d’importance. 4 Ensemble L’estrade conçu pour que les musiciens s’entendent bien entre eux Echos Pas d’échos distincts -5 à -40 Bruit Pas de bruit qui réduit la gamme dynamique Distorsion audible Pas de distorsion de ton -5 à -20 Niveau de son variable Pas de variation majeure de niveau entre les différentes sièges -5 à -15

Pause… Retour à…..

Réflexions acoustiques de la pièce Son direct Première réflexion Source Réflexions premières individuelles Son réverbérant diffus Bruit de fond Temps Temps d’arrivée du son direct Temps d’arrivée du premier son réfléchi, td

L’intimité musicale Si l’espace entre le son direct et la première réflexion du son est moins que 30 msec, l’auditeur perçoit la salle comme étant « intime », et sent qu’il fait partie de la performance. Lorsque le temps est plus que 50 msec, l’auditeur se sent isolé. L’idéal est de 12-25 msec, ce qui nécessite un mur de fond diffus ou moins que 12 pieds derrière les musiciens, et une bonne réflexion à un maximum de 25 pieds.

Le premier son réfléchi Si le plafond est haut, des réflecteurs au plafond peuvent ajouter de l’intimité. S’il est trop bas, il faut penser à utiliser un système de son distribué avec décalage dans le temps.

Son direct, premières réflexions, réflexions tardives Premières réflexions, <50 msec - maximiser Réflexions tardives, entre 50 et 250 msec - minimiser

Pour avoir des fortes premières réflexions dans une chambre avec des murs latéraux éloignés Utiliser des « nuages » dans les chambres ayant un haut plafond. Les nuages doivent être convexes, environ 3x plus long que la longueur de la plus haute fréquence à être réfléchie. Les nuages doivent couvrir environ ½ de la surface du plafond. Ce système n’a pas besoin de système de sonorisation Utiliser des haut-parleurs distribués au plafond pour les plafonds bas. Couverture symmétrique de 150Hz à 20kHz (Jordan, KEF, Tannoy) ou NXT Niveau 5dB moins que le système de son principal Délai entre 20msec et 50 msec Ne fonctionne pas sans système de sonorisation

Les réflexions latérales – à rechercher Contribue au sens de l’espace et de l’enveloppement beaucoup plus que les réflexions dans le plan médian (avant/au-dessus/arrière). Les meilleures places ne sont pas en avant au centre, mais décentré légèrement et un peu plus loin dans la salle. Exemple – devant de salle Exemple – milieu de salle Exemple – balcon arrière L’oreille détermine la nature de l’environnement par la différence du son réfléchi dans les deux oreilles. Pour le même niveau de son, les sons latéraux nous semblent plus forts, permettant une meilleure compréhension et jouissance sans ajouter de fatigue auditive.

Quelques implications des réflexions latérales On ne peut pas avoir trop de réflexions latérales. Les meilleures réflexions viennent de 55 degrés de l’avant, pour un angle total de 110 degrés. Les sons qui viennent de plus large que 80 degrés sont considérés latéraux.

Des alternatives à la forme d’éventail Les boîtes à chaussure. Les éventails inversés avec diffusion sur les murs latéraux. Les auditoriums de style « vignoble », avec les personnes assises dans des terrasses irrégulières ayant des murs latéraux fournissant des premières réflexions en moins de 50 msec.

Le sens de l’espace ASW (Auditory Source Width) Une mesure des réflexions latérales arrivant dans les premières 80 msec. Tend à augmenter la largeur apparente de la salle. Les sons entre 40 msec et 80 msec sont les plus bénéfiques Les sons entre 10 msec et 40 msec causent une légère distorsion de timbre LE (Listener envelopment) Une mesure des réflexions latérales arrivant après les premières 80 msec. Un plus grand LE résulte dans le sens d’être baigné dans la musique, mais réduit l’intelligibilité. Les meilleures réflexions tardives ont lieu entre 40 et 100 msec après le sont directe.

Chaleur vs. clarté La fréquence du temps de réverbération change la nature du son RT60 Son clair Son chaud fréquence

Clarté Les réflexions arrivant dans les premières 50-80 msec contribuent à la clarté de la présentation, en augmentant l’articulation entre les syllabes. Ces réflexions doivent avoir un niveau assez élevé. La clarté est mesurée par le Clarity Index, C80, défini comme: C80dB = 10 log (son arrivant dans les premiers 80 msec/ son arrivant après les premiers 80 msec) La valeur de C80 dépend de la fréquence. C80(3) est la moyenne des C80 dans les octaves centrés sur 500 Hz, 1 kHz, et 2kHz. Les valeurs acceptables varient de +1dB/-4dB Pour augmenter a clarté, enlever l’absorption près de la source et l’ajouter loin de la source.

La chaleur du son Bass Ratio, BR, mesure la chaleur. En le définit comme: RT60 (125 Hz) +RT660 (250 Hz))/(RT 60(500 Hz) + RT60 (1kHz)) La valeur optimale est entre 1.1 et 1.25 pour des salles avec un RT60 de plus que 1.8 secondes et entre 1.1 et 1.45 pour les RT60 plus élevés. Pour augmenter la chaleur, réduire l’absorption dans la basse et/ou augmenter l’absorption à haute fréquence afin de changer le ratio.

Définition D50 = énergie du son dans les premiers 50 msec/énergie totale Mieux pour définir l’articulation que la réverbération. La définition horizontale est nécessaire à la compréhension des sons successifs. La définition verticale est nécessaire à la compréhension des sons simultanés. D50 doit être plus que 65% pour une bonne compréhension des paroles. Similaire à la clarté, mais la mesure est coupée à 50msec au lieu de 80msec.

La réverbérance La réverbérance n’est pas le même que la réverbération. La réverbérance décrit le son arrivant entre 150 msec et 500 msec. Il est nuisible si pas réduit d’au moins 20 dB par rapport au son direct. L’augmentation de la réverbérance donne un sens d’espace, mais réduit beaucoup la clarté. Ex. – voix parlée, RT60 0.6 sec Ex. – voix parlée, RT60 0.8 sec Ex. – voix parlée, RT60 1.0 sec Ex. – RT60 0.6 sec réverbérance entre 150 et 500 msec

Les réflexions tardives Les sons tardifs arrivent après 500 msec et comprennent la plupart de la réverbération dans la pièce. Ils sont apparents à la fin des phrases et des pauses dans la musique. La réverbération augmente la « richesse » du son.

Le niveau du son La salle doit réfléchir à un niveau suffisant pour que la sonorisation soit minimiser. Une bonne acoustique naturelle permet que 10 musiciens produisent des sons différents venant de 10 endroits différents. Si le son est amplifié, il viendra de 2 haut-parleurs ou plus produisant exactement le même son. Ceci produira du filtrage en peigne, et déformera le son. L’effet est pire s’il y a des moniteurs en plus. Le volume de la salle = le niveau de son dans la salle à 10 m/niveau du son dans un champs libre à 10 m. Il est d’habitude mesuré comme la moyenne de SPL dans les octaves centrés sur 500 Hz et 1kHz. Une bonne valeur est entre 4 et 5.5 dB Pour augmenter le volume: Augmenter le temps de réverbération ou baisser le volume de la pièce. Réduire l’absorption. Éviter un volume excessif entre 1000 Hz et 4000 Hz, afin d’éviter de rendre la musique agaçante.

Les estrades d’église On se limitera aux estrades à l’air libre. Les estrades style « théatre » avec proscéniums, rideaux, etc. doivent être calculées individuellement. Dans une église évangélique, l’estrade est utilisée pour: La prédication Les chants des chorales, petits ensembles, et solistes Des performances théatrales Des baptêmes, mariages et autres cérémonies. L’utilisation le plus difficile à gérer est un mélange d’instruments et de voix. Les moniteurs ne sont pas un substitut pour une mauvaise acoustique sur l’estrade. Chaque personne doit pouvoir s’entendre et entendre les autres. Les musiciens rempliront l’espace qu’on leur accorde – il faut limiter leur espace avec des barrières physiques. (Ex. – limite de l’estrade, marques sur le plancher) Si les musiciens sont séparés de plus que 25 pieds, ils auront de la difficulté à jouer ensemble sans un chef d’orchestre.

Les réflexions sur l’estrade Les réflecteurs sont souvent nécessaires si le plafond est haut afin de fournir des premières réflexions aux auditeurs. Placés 20-25 pieds par-dessus l’estrade, couvrant ½ de la surface, 16 pieds carrés environ, légèrement convexes. Le mur derrière l’estrade doit être très réfléchissant et avoir une bonne diffusion. L’idéal est un diffuseur de Schroeder. Des polys sont bons également, ou bien un mur irrégulier. Ne jamais mettre des rideaux derrière l’estrade. Les rideaux avant (comme les théatres) doivent être ouverts complètement. Les rideaux latéraux sont à proscrire sans étude approfondie de la salle. Une estrade encastrée doit avoir une ouverture sur la salle au moins aussi haute que la profondeur de l’estrade. Mettre peu de tapis, ou pas du tout, sauf sous les tambours et les cuivres. Éviter des chaises très coussinées sur l’estrade.

Les estrades (suite) Éviter de placer des personnes devant les tambours ou les cuivres afin d’éviter de masquer les autres sons Le technicien de son contrôle les niveaux – pas les gens sur l’estrade. Utiliser pianos et tambours électroniques si nécessaire, éviter que le bassiste domine. Les gobos acryliques autour des tambours ne coupent pas le son – ils agissent seulement pour augmenter le niveau pour le « drummer », l’incitant à jouer moins fort. Un peu de discipline fait autant pour moins cher. Éviter que les musiciens s’éloignent trop du mur arrière – ils perdront les réflexions nécessaires pour s’entendre entre eux. Éviter que les musiciens s’approchent trop du devant de l’estrade – ils perdront les réflexions bénéfiques à l’auditoire.

Les dimensions des estrades Des bonnes proportions pour une estrade sont 11 unités de profondeur par 17 unités de large. Il faut utiliser des marches s’il y a plus que 2 rangées de musiciens ou de choristes. Ces marches doivent être au moins 4 pouces de haut par rangée de musiciens, 6 pouces par rangée de choristes Le directeur de l’orchestre ou de la chorale doit pouvoir voir chaque pair d’yeux. L’auditoire doit pouvoir voir toutes les bouches dans la chorale. Il faut au moins la profondeur suivante pour les instruments: Violons, instruments à voix, cuivres, violoncelles 48 pouces Bassiste 60 pouces Choriste debout 28 pouces Choriste assis 36 pouces Percussion et tympanni 96 pouces

Hauteur suggérée pour les estrades H=15+L/48 H = hauteur de l’estrade en pouces L = distance de l’avant de l’estrade à l’arrière de l’auditorium en pouces.

Traitements acoustiques commerciales

Traitements acoustiques (suite)

Réflecteurs/diffuseurs pour estrades

Dans vos notes et sur le CD Articles de « Acoustic Sciences Corporation » Comment mesurer la réverbération et les réflexions d’une pièce Comment faire des tests d’intelligibilité Comment effectuer l’équilibre sonore d’une pièce Des chiffriers Excel pour effectuer des calculs acoustiques Un démo fonctionnel de Pro Tools Le PowerPoint d’aujourd’hui Un programme de RTA Un programme de générateur d’ondes Démonstrations audio Etc…

Ressources sur l’internet Acoustic Sciences Corporation – www.tubetrap.com RPG Diffusor Systems – www.rpginc.com

Le 7 juin, 2003 La prise de son – comment choisir, utiliser, entretenir les microphones. Types de micros Directivité Prise de son pour sonorisation enregistrement vidéo Micros sans fil Direct box et autres accessoires

Pour ceux qui peuvent rester plus tard Comment utiliser les chiffriers Excel inclus sur le CD – exemples de calcul des modes et temps de réverbération Comment équilibrer la basse et les aigus malgré la directivité Quelques CD de démonstration et leur utilisation pour déceler des problèmes dans l’acoustique de l’église