3. Acoustique environnementale

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1 3. Acoustique environnementale
3.1. L’énergie acoustique 3.2. Propagation du bruit 3.3. Mélanges de niveaux sonores 3.4. Acoustique des bâtiments

2 Définitions 3.1. L’énergie acoustique
Acoustique : science qui étudie les phénomènes liés à la propagation du son; - fournit les bases physiques pour l’isolation des lieux et la correction acoustique; - permet de formaliser et quantifier les nuisances sonores; - permet d’évaluer les effets physiologiques du son; Son : vibration d’un corps solide; - onde mécanique; Bruit : mélange confus de sons; - vibration de l’air qui se propage. Acoustique environnementale : comment maîtriser le bruit ? Comment éviter les nuisances sonores ? Quelles sont les principales sources de bruit ? Comment mesurer le bruit ?

3 3.1. L’énergie acoustique Échelle des décibels dB

4 Les nuisances 3.1. L’énergie acoustique
Les différentes sources de bruit peuvent se classer en terme de nuisances : Nuisances domestiques (causées par le voisinage proche); Nuisances d’environnement (causées par le voisinage éloigné); Nuisances de site (installation industrielle, aéroport, autoroute); Nuisances dans les locaux industriels et commerciaux (machines de production); La surdité est la 4ième maladie professionnelle (affections péri-articulaires 68,4%, amiante 13,8%, affections du rachis lombaire 5,5%, bruit 2,9%).

5 Les bruits 3.1. L’énergie acoustique
On peut aussi classer les bruits par type auxquels sont associés des mesures : Bruit aérien extérieur (trafic routier, aérien…); Mesures d’isolement de façade; Bruit aérien intérieur (TV, chaîne Hi-Fi…); Mesures d’isolement entre locaux; Bruit de choc (déplacement de personnes, chutes d’objets…); Mesures du niveau de bruit de choc reçu; Bruit d’équipement (ascenseurs, WC…); Mesures du niveau de bruit d’équipement; Réverbération (effet de résonance d’un local); Mesures de la durée de réverbération; Bruit de voisinage (bruit extérieur créé par les activités); Mesures d’émergence.

6 Les effets du bruit 3.1. L’énergie acoustique Physiologiques
- Lésions auditives; - Impacts sur le système cardio-vasculaire; - Perturbation du sommeil; Psychologiques - Gêne («  sentiment de déplaisir associé à un agent ou à une condition dont un individu ou un groupe sait ou croit qu’ils ont effet nocif», OMS); - Santé mentale; - Diminution des performances scolaires.

7 Caractérisation physique des sons (1/2)
3.1. L’énergie acoustique Caractérisation physique des sons (1/2) Le son est une onde de pression qui se propage dans un milieu matériel. Si le milieu est infini : pression locale pression atmosphérique amplitude pulsation temps pression acoustique nombre d’onde espace surpression/dépression Pulsation : Période : Longueur d’onde : Vecteur d’onde : Célérité : Thermodynamique : avec ρ0 : la masse volumique [kg m-3] et χ0 le coefficient de compressibilité adiabatique [m2/N]. Pour l’air : Air : 340 m/s

8 Caractérisation physique des sons (2/2)
3.1. L’énergie acoustique Caractérisation physique des sons (2/2) Onde de pression = molécules du milieu qui bougent au passage de l’onde. => La pression acoustique et le champ de vitesse u(x,t) sont forcément liés : => L’impédance acoustique du milieu est donnée par : soit

9 Puissance et intensité
3.1. L’énergie acoustique Puissance et intensité Les ondes sonores transportent de l’énergie. L’origine de l’énergie transportée se trouve dans le travail à fournir pour maintenir la vibration. La puissance acoustique est le flux d’énergie [W=J/s] => Caractéristique de la source, indépendante de la distance à la source ! L’intensité acoustique [W m-2] : soit S une surface traversée par une onde acoustique transportant une certaine énergie, l’intensité acoustique en cette surface est le rapport de la puissance en cette surface sur la surface considérée :

10 Domaines des ondes sonores
3.1. L’énergie acoustique Domaines des ondes sonores Plage de fréquences très large => Utilisation du décibel x = grandeur mesurée x0 = valeur de référence

11 Niveaux acoustiques 3.1. L’énergie acoustique
* Niveau de pression acoustique [dB] : avec pref = Pa la pression acoustique minimale d’audition à 1000 Hz. * Niveau d’intensité acoustique [dB] : avec Iref = W/m2 l’intensité de référence. * Niveau de puissance acoustique [dB] : avec la puissance de référence.

12 Sensibilité de l’oreille humaine
3.1. L’énergie acoustique Sensibilité de l’oreille humaine Les puissances acoustiques des sources sonores typiques sont relativement faibles par rapport aux puissances électriques. Chaque courbe isosonique correspond à l’intensité pour laquelle toutes les fréquences de la gamme audible provoque une sensation de niveau égale à celle du niveau du son de référence de 1000 Hz.

13 Courbe de pondération A
3.1. L’énergie acoustique Courbe de pondération A D’un point de vue physiologique, l’oreille n’éprouve pas, à niveau sonore physique identique, la même sensation auditive à différentes fréquences; On introduit donc une courbe de pondération physiologique A; Les décibels physiques (dB) deviennent des décibels physiologiques (dBA); Les dB(A) sont utilisés pour apprécier la gêne ressentie par les personnes. Deux sons de fréquence différente donnent la même impression auditive s’ils ont la même valeur en dB(A). A(f)

14 3.1. L’énergie acoustique Pondérations A, B et C (différentes pondérations selon l’intensité acoustique) Ces pondérations sont créées pour compenser les différences de niveau perçues selon la fréquence. dB(A) : proche de la réponse auditive dans le cas de son de faible intensité (< 55 dB) dB(B) : proche de la réponse auditive dans le cas de son de moyenne intensité (55-85 dB) dB(C) : proche de la réponse auditive dans le cas de son de forte intensité (> 85 dB)

15 3. Acoustique environnementale
3.1. L’énergie acoustique 3.2. Propagation du bruit 3.3. Mélanges de niveaux sonores 3.4. Acoustique des bâtiments

16 Facteurs géométriques et météorologiques
3.2. Propagation du bruit Facteurs géométriques et météorologiques De nombreux facteurs affectent la propagation du bruit : le type de source; l’éloignement par rapport à la source; l’absorption atmosphérique; la vitesse et la direction du vent; la température et les gradients de température; la présence d’écrans acoustiques ou de bâtiments; la nature et l’état du sol; l’humidité relative; les précipitations.

17 Type de source 3.2. Propagation du bruit Source ponctuelle :
propagation omnidirectionnelle; niveau de pression acoustique est le même en tout point à une distance donnée; Lp diminue de 6dB par doublement de distance; Source linéaire : propagation cylindrique; niveau de pression acoustique et le même en tout point équidistants de la ligne; Lp diminue de 3dB par doublement de distance;

18 Barrières acoustiques
3.2. Propagation du bruit Barrières acoustiques L’efficacité d’un écran anti-bruit est sensible à deux facteurs : la différence entre le chemin direct de transmission (c) et celui passant au dessus de l’obstacle (a+b); le contenu fréquentiel du bruit. a+b-c

19 Atténuation 3.2. Propagation du bruit
On définit l’atténuation A(f,δ) : qui doit être mesuré pour différentes fréquences. => Utilisation de la modélisation.

20 Effet de la hauteur du mur
3.2. Propagation du bruit Effet de la hauteur du mur Une meilleure efficacité est obtenue lorsque la source et le récepteur sont proches !

21 Les matériaux 3.2. Propagation du bruit Béton Bois Diffracteurs
Ecrans mixtes

22 Jour Nuit Absorption atmosphérique 3.2. Propagation du bruit
L’atténuation du bruit dans l’air dépend de : éloignement de la source; contenu fréquentiel du bruit; température ambiante; Le jour: T diminue avec l’altitude => le bruit monte; La nuit : T augmente avec l’altitude => le bruit est rabattu vers le sol; humidité relative (l’atténuation diminue si l’humidité augmente); pression atmosphérique => L’absorption atmosphérique a peu d’effet sur les bruits basse fréquence. Jour Nuit

23 Effet du vent 3.2. Propagation du bruit
Sur des distances < 50 m, le vent influe peu sur les mesures de niveau de bruit. Il est préférable de mesurer le bruit par vent portant pour limiter les écarts.

24 Effet de sol 3.2. Propagation du bruit
Le son réfléchi par le sol interfère avec le son propagé directement de la source au récepteur. Cet effet varie avec le type de surface : - réfléchissante (eau, béton); - absorbante (herbe, arbres, végétation); - mixte. Influence de la nature du sol pour une distance de 100 m entre source et récepteur, eux-mêmes à 2 m du sol.

25 Réflexions 3.2. Propagation du bruit
Lorsque le son rencontre une surface, une partie de l’énergie incidente est réfléchie, une autre traverse la surface, une troisième est absorbée. Si la transmission et l’absorption sont faibles (façades de bâtiments), la plus grande partie de l’énergie est réfléchie. Le niveau de pression acoustique au voisinage de la surface résulte du rayonnement direct de la source et du son réfléchi (en général à 2 m du mur le niveau est de 3 dB supérieur au niveau en l’absence de mur) :

26 Décroissance du niveau sonore
3.2. Propagation du bruit Décroissance du niveau sonore Deux causes majeures à la décroissance du niveau sonore : - atténuation géométrique (surface d’onde grandit avec la distance); - dissipation (conversion en chaleur par frottement). Energie reçue en un point distant r d’une source omnidirective : Indice de directivité : Si une source est directive, on utilise le facteur de directivité : avec Iaxe l’intensité dans l’axe à la distance r et Imoy l’intensité moyenne à la distance r Energie reçue en un point distant r d’une source directive : Note : Q ne dépend pas de r, mais il est fonction de la fréquence. On parle aussi d’indice de réflectivité : ID = 10 log(Q)

27 Directivité d’encastrement
3.2. Propagation du bruit Directivité d’encastrement Pour une source omnidirective, si l’espace est ouvert alors : avec Q=1. Si la source est placée contre une paroi : S est une hémisphère (Q=2) => On gagne +3 dB; Si la source est placée à l’intersection de deux parois : Q = 4 et +6 dB; Si la source est placée à l’intersection de trois parois : Q = 8 et +9 dB.

28 Relation entre LI et LW 3.2. Propagation du bruit
Le niveau d’intensité acoustique peut se réécrire sous la forme : Faisant apparaître une relation entre LI et LW : Note : de façon pratique, LW est déterminé en mesurant LI à 1 mètre de distance de la source sonore (LW = LI ID)

29 3. Acoustique environnementale
3.1. L’énergie acoustique 3.2. Propagation du bruit 3.3. Mélanges de niveaux sonores 3.4. Acoustique des bâtiments

30 Sources monochromatiques
3.3. Mélanges de niveaux sonores Sources monochromatiques Que se passe-t-il lorsque plusieurs sources émettent un son au même instant ? Il ne faut surtout pas ajouter les niveaux sonores car la quantité qui se propage est l’énergie acoustique. Il faut donc ajouter les intensités acoustiques. Soient différentes sources i émettant un son de niveau LIi = Ni dB à la même fréquence : Si m sources identiques de niveau LI=N dB, alors : Si m=2, +3 dB; Si m=4, +6 dB; Si m=10, +10 dB.

31 Sources polychromatiques
3.3. Mélanges de niveaux sonores Sources polychromatiques Les sons sont rarement purs, mais sont le résultat de plusieurs vibrations de différentes fréquences et d’amplitude plus ou moins grande. Pour analyser un bruit, on le découpe en tranches de fréquences pour en faire l’analyse spectrale. Le spectre F(f) : La bande de fréquence est w = f2-f1 Dans une bande de fréquence : La mesure en dB de F est le spectre de niveau d’intensité : Si ISL est constant sur la largeur w, alors :

32 Cas particuliers : le bruit blanc et le bruit rose
3.3. Mélanges de niveaux sonores Cas particuliers : le bruit blanc et le bruit rose Bruit blanc : toutes les fréquences ont le même niveau sonore; Bruit rose : toutes les bandes de fréquence ont le même niveau d’intensité.

33 Le cas d’un sonomètre à analyse de fréquence
3.3. Mélanges de niveaux sonores Le cas d’un sonomètre à analyse de fréquence En pratique, pour réaliser l’analyse de niveau sonore il faut disposer d’un sonomètre muni d’un filtre d’octave. Celui-ci va alors additionner les intensités acoustiques de chaque octave pour trouver le signal global. Le niveau total [dB] est donné par : ou encore :

34 Autres niveaux acoustiques
3.3. Mélanges de niveaux sonores Autres niveaux acoustiques Un niveau couramment utilisé est le niveau de pression acoustique continu équivalent pondéré A, LAeq,T : Il s’agit d’une moyenne de niveau entre deux instants t1 et t2. On additionne l’ensemble des intensités, même si elles n’ont pas été émises en même temps dans l’intervalle de temps considéré. Un autre niveau utilisé est le niveau d’exposition sonore quotidienne, LESQ : Avec T0 la durée quotidienne de travail moyenne (8h) et T la durée d’exposition à un bruit de niveau > 85 dB(A). En France, le LESQ doit être < 85 dB(A).

35 3. Acoustique environnementale
3.1. L’énergie acoustique 3.2. Propagation du bruit 3.3. Mélanges de niveaux sonores 3.4. Acoustique des bâtiments

36 Notion d’émergence 3.4. Acoustique des bâtiments
L’émergence est une modification temporelle du niveau ambiant induite par l’apparition ou la disparition d’un bruit particulier. Celle-ci est définie réglementairement comme la différence entre les niveaux de pression continus équivalents pondérés A du bruit ambiant (établissement en activité) et du bruit résiduel (sans activité) : Une majorité de pays a fait le choix d’apprécier le bruit de manière absolue. En France, comme ailleurs dans le monde, on s’appuie sur la notion d’émergence. Cette réglementation originale est aussi pertinente car la perturbation due au bruit n’est pas uniquement liée au niveau sonore du bruit, mais également à l’environnement sonore (bruit résiduel) dans lequel il apparaît.

37 Normes d’émission sonore (depuis le 1er juillet 1997)
3.4. Acoustique des bâtiments Normes d’émission sonore (depuis le 1er juillet 1997) Valeurs admissibles d’émergence : Niveaux admissibles en limite de propriété : Ils ne peuvent excéder 70 dB(A) le jour et 60 dB(A) la nuit, sauf si le bruit résiduel pour la période considérée est supérieur à cette limite.

38 Installations situées dans ou à proximité d’un immeuble d’habitation
3.4. Acoustique des bâtiments Installations situées dans ou à proximité d’un immeuble d’habitation Niveaux admissibles (dans les locaux voisins) : Niveaux admissibles à proximité : Ils ne peuvent excéder 45 dB(A) à laquelle on ajoute des corrections pour tenir compte du type de zone (hôpital, résidentielle, urbaine…) et de la période horaire.

39 Intensité réverbérée 3.4. Acoustique des bâtiments
On caractérise les parois par leur facteur d’absorption : α = 1 : matériau parfaitement absorbant α = 0 : matériau parfaitement réfléchissant α est fonction de la fréquence ! Dans une salle composée de plusieurs surfaces de matériaux différents, on définit une aire d’absorption équivalente : A = 1 : salle anéchoïque (chambre sourde); A = 0 : salle réverbérante; Si une salle à un A=100 m2, cela veut dire qu’elle absorbe autant que 100 m2 de matériaux parfaitement absorbants. Facteur d’absorption moyen d’une salle hétérogène :

40 Champ direct / champ réverbéré
3.4. Acoustique des bâtiments Champ direct / champ réverbéré La source émet un bruit impulsif très court (coup de pistolet). L’auditeur perçoit deux types de sons : le son direct (aucune réflexion sur les parois); un ensemble de sons ayant subit des réflexions sur les parois; le son réverbéré (nombreuses réflexions sur les parois). Le champ réverbéré ne dépend pas de la distance à la source et est uniforme dans toute la pièce. Il dépend uniquement de l’absorption moyenne de la pièce.

41 Champ d’un bruit continu
3.4. Acoustique des bâtiments Champ d’un bruit continu Soit une source sonore dans une salle et un auditeur placé à une distance r de la source. La source émet un bruit continu. L’auditeur perçoit alors deux types de sons : le son direct : le champ réverbéré (ou champ diffus) : La relation entre pression et intensité dans le cas du champ diffus est : Enfin, comme le champ direct et le champ réverbéré n’ont pas de relation de phase, la pression acoustique totale est la somme des pressions acoustiques :

42 Temps de réverbération
3.4. Acoustique des bâtiments Temps de réverbération Il s’agit du temps nécessaire pour que le niveau de pression acoustique soit réduit de 60 dB par rapport à sa valeur initiale. La loi de Sabine donne la relation entre le temps de réverbération et les caractéristiques de la salle : avec V le volume de la salle et A l’aire d’absorption équivalente. On choisit généralement des TR courts dans les locaux industriels et des TR longs en salle de concert symphonique.

43 Détermination du coefficient d’absorption
3.4. Acoustique des bâtiments Détermination du coefficient d’absorption L’une des méthodes consiste à introduire une certaine surface Sm du matériau étudié dans une chambre réverbérante de surface réfléchissante S. L’introduction du matériau modifie le temps de réverbération du local qui passe de T0 à T1 : L’élimination de α permet d’obtenir αm du matériau. Le TR est souvent donné en bande d’octave : Autre expression du temps de réverbération : formule d’Eyring Si la salle a un grand α, la formule de Sabine donne de mauvais résultats et il est préférable d’utiliser la relation empirique d’Eyring :

44 Isolation acoustique 3.4. Acoustique des bâtiments
En acoustique des bâtiments on définit deux types de transmissions des sons entre deux pièces : - la transmission directe; - la transmission indirecte; Globalement, le champ réverbéré est dominant. Source = bruit rose.

45 Indices d’isolement 3.4. Acoustique des bâtiments
L’indice d’isolement acoustique brut Db caractérise l’atténuation du son due aux parois : avec LP1 le champ réverbéré dans la pièce 1 et LP2 le champ réverbéré dans la pièce 2. Il prend en compte l’ensemble des transmissions par les parois (directe + indirecte). L’indice d’isolement normalisé Dn est un indice Db normalisé : En France, la normalisation impose TRref = 0,5 s.

46 Indice d’affaiblissement acoustique, R
3.4. Acoustique des bâtiments Indice d’affaiblissement acoustique, R Cet indice caractérise la qualité acoustique d’un élément de construction : Avec τ le facteur de transmission de la paroi : Cet indice ne prend en compte que les transmissions directes. Si la paroi est composée de matériaux hétérogènes de surfaces Si et d’indice d’affaiblissement acoustique Ri, alors l’indice d’affaiblissement global vaut :

47 Relation entre les indices
3.4. Acoustique des bâtiments Relation entre les indices Les indices d’isolement Db et d’affaiblissement acoustique R sont liés par la relation : Avec A la surface équivalente du local de réception (2), et S la surface de couplage entre les deux locaux.

48 Énergie et environnement
L3 – Génie de l’environnement