Compétences travaillées :

Savoir extraire, exploiter et organiser des informations Analyser un résultat expérimental Ecrire le résultat d’une mesure Questionner et argumenter en utilisant un vocabulaire scientifique adapté La qualité acoustique d’un lieu (salle de concert, avion, voiture, chambre) dépend avant tout de l’utilisation du lieu en question qui va imposer des choix de : Matériaux employés De géométrie de la pièce D’installation d’acoustique active

Document 1 : Les chambres sourdes

Elles sont spécialement conçues afin de supprimer tous les sons autres que ceux directement émis depuis la source. Une réflexion de l’onde sonore se produit lorsque celle-ci rencontre un obstacle. Une conséquence bien connue de ce genre de réflexion est l’écho. Il se produit lors de la rencontre de l’onde sonore longitudinale avec une surface solide. Celle ci limite le mouvement des molécules de l’air qui entrent en collision avec lui et repartent dans l’autre sens (réflexion). Lorsque la distance entre émetteur, mur et récepteur est grande, il est possible qu’il y ait un tel décalage temporel entre onde réfléchie et onde directement captée que l’on entend deux fois la même chose. Pour limiter le phénomène, on peut modifier la surface en la rendant déformable. De ce fait, une partie de l’énergie arrivant est absorbée et l’énergie Nymphe de la montagne, Echo aurait offensé Héra, en l'empêchant par ses bavardages de surveiller les infidélités de son mari : Zeus. Aussi, pour la châtier, Héra lui ôta la parole, ne lui laissant que la faculté de répéter les derniers mots de ses interlocuteurs. de l’onde réfléchie est alors moindre. Une chambre sourde ou chambre anéchoïque est une salle dans laquelle le son émis est totalement absorbé par les parois grâce à l’organisation et à la nature des différents matériaux qui recouvrent ses murs, son sol et son plafond. La forme des pièces absorbantes et leur disposition en chicane permet de maximiser les surface de réflexion de manière à ce qu’elles restent confinées à l’intérieur de ces structures scientifiques Structure pyramidale absorbante en mousse de mélamine Il s’agit de salles d’expérimentation utilisés par les pour absorbant de certains matériaux ou encore étudier les niveaux sonores produits par des engins (localisation des sources de bruit, mesure de puissance acoustique).

caractériser le pouvoir

Document 2 : L’isolation phonique

L’isolation phonique a pour objectif d’éviter la propagation du son et en particulier du bruit entre différents espaces. Il s’agit donc d’isoler partiellement le local pour limiter la propagation du bruit. Une bonne isolation phonique est réalisée par un assemblage de matériaux isolants et absorbants phoniquement. En général, plus un matériau est dense et plus son isolation phonique est grande aux basses fréquences. Pour caractériser la qualité d’une surface isolante, on utilise l’indice d’affaiblissement R (en dB) définit par la différence entre niveau sonore incident et transmis par la paroi :

R = L

incident

- L

transmis

Document 3 : L’acoustique active

L’acoustique active consiste à contrôler l’acoustique d’un lieu par usage intelligent de l’électroacoustique et de l’électronique. On peut ainsi arriver à modifier l’acoustique d’un lieu en fonction de son utilisation (lieu calme : chambre à coucher, voiture, bateaux ou salle de conférence, théâtre, concerts de musique de chambre, jazz, rock ou opéra…). Ces systèmes ont tendance à remplacer les sonorisations traditionnelles (dites « passives ») : amplification sonore par haut-parleurs pour le public et le groupe, parois et géométrie de salle permettant de limiter le temps de réverbération. Il s’agit ici de simuler les éventuelles réflexions sur les parois et le plafond de la salle. A cet effet, des microphones sont disposés au voisinage de la scène et un système électronique plus ou moins complexe alimente un réseau de haut –parleurs disposés stratégiquement dans la salle. Ces haut-parleurs créent le même effet que celui produit par la réflexion du son sur les parois ou le plafond. On peut ainsi contrôler le temps de réverbération en fonction de l’utilisation de la salle.

Un autre exemple très actuel de cette acoustique active est le contrôle actif du bruit (CAB en français et ANC en anglais). Ce contrôle repose sur la production d’un bruit artificiel à proximité de la source (appelé anti-bruit) qui va atténuer le bruit en certains endroits par apparition d’interférences destructives. Ce principe est utilisé dans les automobiles, les avions pour atténuer les bruits extérieurs ainsi que ceux du moteur (de basses fréquences responsables de forts désagrément : mal de mer, résonance du thorax), pour certains casques audio dits à réduction de bruit (mélomanes, skippeurs…)

Questions : Q1.

Quelles sont les conditions qui doivent être réunies pour percevoir un écho ?

Q2.

Comment décrire microscopiquement l’apparition d’un écho ?

Q3.

Un écho a-t-il nécessairement même amplitude que le son émis ? Pourquoi ?

Q4.

Q5.

Le phénomène d’écho est indésirable pour l’acoustique d’une salle. Peut-il être parfois utile dans d’autres applications ? En citer quelques-unes. Quelle grandeur caractérise la durée d’un écho ? Donner sa définition.

Q6.

Comment varient les propriétés acoustiques d’une salle en fonction de cette durée ?

Q7.

Calculer T R à 1000 Hz dans une pièce de 4m  4m  15 m pour : Brique au plafond et au murs puis parquet au sol Mousse de mélamine partout Dièdres pyramidaux de 100 cm 2 de base (1 m 2 de surface réelle) de mousse de mélamine partout

Fréquence (Hz)



(parquet)



(brique)



(mousse mélamine) 250

0,15 0,02 0,89 On rappelle la formule de Sabine : Avec : ∑

500

0,12 0,03 0,82

Q8. Q9.

Q10.

Dans une salle sourde, le phénomène d’écho est absent. Comment réalise-t on cet exploit ? Justifier le terme anéchoïque Quel est l’intérêt d’une telle salle ?

Q11.

Q12.

Q13.

Proposer un protocole permettant de mesurer l’indice d’affaiblissement d’une paroi (liste de matériel et principe des mesures à réaliser). On dit souvent que « plus un matériau est dense et plus il absorbe ». Mais on sait également que le son se propage plus vite dans les matériaux plus denses. Ces deux assertions sont-elles en opposition pour l’isolation phonique ? Lors de travaux de rénovation, un particulier souhaite partager son salon en deux en construisant une cloison. D’un côté, il prévoit un salon avec télévision et de l’autre une chambre à coucher. Il prévoit d’utiliser pour sa cloison des carreaux de plâtre de 75 mm d’épaisseur. Quelle est l’indice d’affaiblissement

1000

0,10 0,04 1,0

nécessaire pour cette cloison ? L’isolation phonique sera-t-elle assurée par ce choix de matériau ? Expliquer pourquoi les choses ne sont pas aussi simples.

Q14.

Pourquoi les sons graves se propagent-ils plus facilement au travers d’un mur ?

Q15.

Différencier acoustique passive et active. Donner des exemples

Q16.

Qu’appelle-t-on l’anti-bruit (ou contre-bruit) ?

Q17.

Q18.

Comment est-il capable de réduire le bruit ? Quel est le domaine de fréquence concerné ? Pourquoi ? On désire illustrer le principe de réduction active d’un son indésirable sinusoïdal de fréquence 400 Hz. Quelle doit être la fréquence de l’anti-bruit ? Quelle est sa particularité.

E19.

Dans la liste des effets du logiciel Audacity, quelle fonction permettrait de générer l’anti-bruit ?

E20.

A l’aide du logiciel,

générer

le son indésirable en voie mono. Ajouter une nouvelle

piste

mono et y

générer

l’anti-bruit.

E21.

E22.

Placer l’oreille à une vingtaine de cm des haut-parleurs et jouer chacune des pistes sur un haut parleur différent. Comparer la sensation sonore lorsqu’on écoute que le premier HP, que le second HP puis les deux ensemble. Utiliser la loupe pour observer les deux signaux en détail. Les reproduire sur la feuille. Que se passe-t il lorsqu’ils sont joués ensemble ?

Correction : Q1.

Pour percevoir un écho, il faut que l’émission sonore émise puisse être réfléchie par une large surface solide et ce à une distance significative de l’émission. Le récepteur peut alors recevoir deux ondes bien distinctes : l’onde directement transmise depuis la source et l’onde issue de la source, réfléchie sur la surface en direction du récepteur.

Q2. Q3. Q4.

Q5.

Q6. Q7.

L’écho est dû à l’apparition d’une onde réfléchie au niveau de la surface solide. En effet, le mur stoppe le mouvement des molécules de l’air à proximité. Celles-ci entre en collision avec la surface du mur et repartent en sens inverse. L’amplitude de l’écho dépend de la nature de la surface réfléchissante. En effet, au mieux, elle est totalement réfléchissante et l’onde réfléchie est de même amplitude que l’onde directe. La plupart du temps, cependant, une partie de l’énergie incidente est souvent absorbée par le matériau du mur. Il est donc fréquent que l’onde réfléchie ait une amplitude moindre que l’onde directe. L’échographie Doppler est utilisée en radiologie afin de visualiser l’intérieur de certains organes. Les chauffe-souris utilisent des slaves ultrasonores et leur écho pour se diriger. Le sonar des bateaux ou sous marins permet de cartographier le fond des océans en mesurant le temps entre émission d’une salve ultrasonore et réception de son écho. Le temps de réverbération du son permet de caractériser la durée de l’écho. Il est définie par le temps au bout duquel le est atténué de 60 dB après arrêt de la source sonore. Des durées de réverbération de l’ordre de 0,4 à 0,7 s sont privilégiées pour les salles de conférence et studio d’enregistrement. Cinéma et théâtre entre 0,9 et 1,2 s. Pour les opéras, salles de concert, on est plutôt autour de 1,4 à 1,6 s. Dans un premier temps, on calcule : ∑ ( ) ( ) La formule de Sabine donne alors : De même : on trouve : (négligeable pour l’oreille humaine) pour la mousse de mélamine et

Q8.

Q9.

On voit bien qu’avec le type de revêtement en mousse de mélamine et de forme pyramidale, le T absorption. Anéchoïque = « sans écho » ; anarchie = « sans hiérarchie »

Q10.

phoniquement.

Q11.

sonomètre contre la paroi en sortie :

Q12.

Q13.

R = L

incident

- L

en plus grande, son amplitude est de plus en plus faible.

transmis

R d’un son est quasiment égal à zéro. En effet, le matériau a de grandes propriétés absorbantes + sa forme permet de « piéger » l’onde dans le structure au sein de laquelle elle va subir de multiples réflexions avec La chambre sourde est surtout utilisée comme salle d’étude de matériaux ainsi que pour localiser les sources de bruit au sens de dispositifs mécaniques (voiture, avion…) afin de pouvoir mieux les isoler On peut utiliser un haut-parleur et un sonomètre placés d’un côté de l’échantillon de surface (de nature et épaisseur donnée). Un second sonomètre est placé de l’autre côté. On mesure le niveau sonore incident avec le premier sonomètre contre la paroi d’entrée et le niveau sonore transmis avec le second A l’arrivée de l’onde incidente sur le matériau, l’énergie de l’onde incidente absorbée est ensuite répartie dans toutes les directions du matériau (mur). Cette énergie se propage effectivement rapidement au sein du matériau. Mais, en raison de l’atténuation due à la répartition de l’onde sur une surface de plus Le niveau sonore d’une chambre à coucher est de 20 dB ; celui d’une conversation – télévision est de 60 dB. Il faudrait donc avoir un indice d’affaiblissement de 40 dB pour la paroi. D’après les données graphiques, on voit bien que les carreaux de plâtres 75 mm conviennent pour les hautes fréquences : 1500

– 6500 Hz. En revanche, en dessous de 1000 Hz, l’indice est insuffisant : les sons graves ne seront pas correctement absorbés par la paroi. Il faut bien sûr tenir compte de la fréquence.

Q14.

Q15.

Les sons de basse fréquence ont tendance à être mieux transmis que ceux de haute fréquence car ils peuvent exciter les modes propres du mur (qui malgré sa rigidité, reste un oscillateur analogue à la corde d’un instrument de musique). Les basses fréquences ont de grandes longueurs d’onde (de 1 à 10 cm) qui sont susceptibles de faire osciller légèrement les murs. La correction acoustique dite passive vise à modeler les caractéristiques acoustiques d’une salle à l’aide de structures spécifiques composées d’un mix de matériaux absorbant, réfléchissant ou diffractant de façon à créer des conditions optimales d’écoute (ajout de panneaux absorbants pour diminuer T R en prévision de l’utilisation de la salle pour une conférence). L’acoustique active permet de contrôler l’acoustique d’une salle grâce à l’électroacoustique et l’électronique. Elle permet de corriger certains défauts de la salle, et de lui conférer une variabilité. Ainsi, l’utilisateur adapte à la demande l’acoustique à chaque type de spectacle (dispositif Carmen plafond).

Q16.

afin d’atténuer certains composantes indésirables (bruit du moteur des habitacles de voiture par exemple).

Q17.

résonance du thorax, nausées)

Q18.

Q19.

Carmen : Contrôle Actif de la Réverbération par Mur virtuel à Effet Naturel. Le principe de Carmen repose sur la création de murs virtuels actifs constitués d’un ensemble de cellules à réaction quasi-locale, réparties autour de la salle, sur les murs et au L’anti-bruit est un son généré par le système de contrôle actif après enregistrement du son du lieu Le principe est de créer une onde qui va interférer avec la première de manière destructive. On choisit en général de sons de basse ou très basse fréquence particulièrement désagréable (mal de mer, L’anti-bruit doit avoir même fréquence mais une amplitude opposée. On dit que les deux signaux doivent être en opposition de phase. Leur addition annule le signal. Dans le logiciel Audacity, l’effet à utiliser est

inverser

.