Réverbération acoustique : auditorium, salle sourde - Maxicours

Réverbération acoustique : auditorium, salle sourde

Objectifs
Présenter le phénomène de réverbération acoustique.
Expliquer la relation de Sabine.
Donner des applications pratiques du phénomène dans l’acoustique architecturale : décrire le principe des auditoriums et des salles sourdes.
1. Comment fonctionne la réverbération acoustique ?
Exemple 1 : En montagne, un écho est entendu lorsque qu’une onde sonore rebondit sur une paroi rocheuse. Le signal arrive alors décalé dans le temps.

Ecoute la différence : extrait sonore  extrait sonore

Exemple 2 : Quand on parle dans une salle fermée et vide, les sons de la parole résonnent dans la pièce.

Ces exemples montrent que la réverbération acoustique résulte de réflexions multiples des ondes acoustiques sur les parois de la salle
. Plus une onde subira des réflexions, plus elle s’atténuera et parviendra décalée à l’oreille (par rapport au signal sonore initial). En comparant à l’écho en montagne, le son parcourt ici moins de distance avant de rencontrer un obstacle et effectue plus de réflexions. Ainsi, la réverbération acoustique dans un bâtiment se présente comme une « trainée » sonore quasi-continue, qui va progressivement s’atténuer, alors que la source sonore n’émet plus.

la : extrait sonore
la avec réverbération : extrait sonore

En acoustique, on appelle temps de réverbération T, le temps nécessaire pour que le niveau d’intensité acoustique de la réverbération soit atténué de 60 dB, donc un écart de -60dB par rapport au signal initial. Il est souvent noté TR60.
Un écart en décibel entre une intensité acoustique et une intensité acoustique   s’écrit :
• L’écart (en dB) est noté G, comme Gain.
• Le logarithme log est le logarithme décimal.
• I et I0 représentant les intensités acoustiques (s’expriment en ).
Une atténuation de 60 dB revient à diviser l’intensité acoustique par 1 million.
2. Détermination théorique et expérimentale du temps de réverbération
Wallace Clement Sabine (1868-1919), physicien américain, proposa en 1898 une formule estimant le temps de réverbération T (en seconde) dans une salle.
La formule de Sabine s’écrit :    avec V : volume de la salle (en m3)
A : l'aire équivalente d’absorption des parois et obstacles de la pièce (m2) et s’obtient par la relation : où Si désigne l’aire de la paroi/obstacle indicé i ;
représente le coefficient d’absorption Alpha Sabine de la paroi/obstacle i (relié à la nature du matériau et dépendant de la fréquence de l’onde sonore, ce nombre sans dimension est compris entre 0 et 1)

Valeurs de 125 Hz 250 Hz 500 Hz 1000 Hz 2000 Hz 4000 Hz
Marbre 0,01 0,01 0,02 0,02 0,03 0,03
Béton 0,02 0,02 0,02 0,03 0,04 0,04
Plâtre 0,02 0,02 0,04 0,05 0,03 0,03
Verre 0,08 0,04 0,03 0,03 0,02 0,02
Rideau épais 0,14 0,35 0,55 0,72 0,70 0,65
Moquette 0,04 0,10 0,31 0,70 0,93 0,74
Laine de verre 0,29 0,52 0,69 0,89 0,96 0,97
Mousse isolante 0,32 0,89 0,82 1,00 1,00 1,00

Pour estimer le temps de réverbération, on inventorie les parois/obstacles de la pièce, pour ensuite sommer toutes les contributions. Dans la pratique, le calcul de T est effectué à 500 Hz et à 1000 Hz, pour en faire ensuite la moyenne.

Le temps de réverbération acoustique est également mesurable de manière expérimentale. Pour cela, une onde acoustique très brève est émise, une impulsion. On enregistre alors la réverbération correspondante. Celle-ci est nommée réponse impulsionnelle.


Le graphique fait apparaître un temps de décalage entre l’impulsion initiale et le premier écho, correspondant au temps requis pour que l’onde fasse un premier rebond sur un obstacle. Ensuite, les rebonds multiples se superposent afin de former le continuum qui constitue la réverbération.

Ce genre de mesure est effectué dans des salles dont on souhaite contrôler les qualités acoustiques. En effet, selon les utilisations de la salle, on peut rechercher une réverbération suffisante, ou au contraire vouloir la diminuer.
3. Application de la réverbération : l'auditorium
Wallace Clement Sabine posa les bases de l’architecture acoustique. Autrement dit, l’objectif est d’étudier l’acoustique d’un bâtiment, afin de l’optimiser.

Habituellement, une onde acoustique se propage de proche en proche sous la forme de sphères concentriques. Pour une onde se propageant sans obstacle, l’intensité acoustique de la source est définie par : 
avec r : la distance de la source (m) ;
I : l'intensité acoustique (en W/m2) ;
W : la puissance acoustique de la source sonore (en Watt).

On parle de champ direct.

Si une salle est assez réverbérante, les rebonds multiples des ondes sonores entrainent une intensité acoustique quasi-constante dans toute la pièce, sauf quand on est tout près de la source sonore. On parle alors de champ diffus et plus de champ direct.


Le niveau d’intensité acoustique réverbérée (en dB) associée du champ diffus, est donné par la relation :
où A est l’aire équivalente d’absorption des parois et obstacles de la pièce (m2 Sabine).

et avec
où Lw est le niveau de puissance acoustique de la source sonore ; 
W est la puissance acoustique de la source, en Watt) ;
et 
.

Pour les auditoriums, le but est que le son émis soit agréable à l’oreille, et le plus uniforme possible pour tous les auditeurs. Cela conduit à avoir un temps de réverbération suffisant pour provoquer le champ diffus. Par contre, le temps de réverbération ne doit pas être trop fort, car dans ce cas l’acoustique de la salle est fatigante, car gêne la compréhension de la parole.

D’après la loi de Sabine, les deux paramètres à prendre en compte sont le volume de la pièce et les matériaux employés pour les parois et obstacles. D’ailleurs, de bons résultats sont obtenus dans le cas de matériaux qui diffusent les ondes sonores (d’où le terme de champ diffus), c'est-à-dire qui les réémettent dans toutes les directions, au lieu de simples réflexions géométriques.

Les temps de réverbération optimaux sont :
Théâtre, cinéma : environ 1s.
Opéra, salle de concert : 1,5 à 2 s.
Église : 2,5 à 3 s.
4. Diminuer la réverbération : salle audio et salle sourde
→ Si on souhaite installer chez soi une salle dédiée à la projection de films ou à l'écoute de musique, on aura tout intérêt à veiller à ce que l’acoustique de la pièce soit propice à cette activité. La réverbération idéale est dans ce cas d’une demie seconde. Au-delà, elle deviendra incommodante.

La loi de Sabine suggère de bien dimensionner la pièce, car le temps de réverbération est proportionnel au volume de la pièce. Ensuite, les matériaux durs (béton) absorbent peu et réfléchissent beaucoup les sons, donc augmentent la réverbération. Ainsi, une correction phonique efficace consiste à disposer des matériaux fortement absorbants sur les murs, plafond et plancher : moquette au sol, panneaux acoustiques sur les murs …

→ Dans la continuité de cette volonté de diminuer la réverbération, il existe même un cas extrême : la salle sourde qui permet de supprimer totalement le phénomène de réverbération. Une telle chambre est nommée chambre anéchoïque acoustique. Les murs, le plafond, et même parfois le sol sont recouverts de structures anéchoïques ( = ensemble de structures géométriques formées par des matériaux très absorbants du son tels que la mousse).

N’importe quel son, quelle que soit sa fréquence, ne présente pas d’écho sur ce type de parois.
Naturellement, ce type de salle est également isolé des bruits extérieurs.
L'essentiel
La réverbération acoustique dans un local fermé résulte des réflexions multiples des sons sur les parois/obstacles de la pièce. Elle se manifeste par une persistance du son, alors que sa source n’émet plus.

Le temps de réverbération acoustique T est le temps requis depuis l’arrêt de la source afin que le niveau d’intensité acoustique du son soit atténué de 60 dB.
La formule de Sabine donne une estimation de T :
  avec 
T, temps (en s)
V, volume de la pièce (en m3)
• A, l’aire équivalente d’absorption des parois/obstacles (en m2 Sabine)
• Si, l’aire de la paroi/obstacle i
, coefficient d’absorption Alpha Sabine, dépendant de la nature du matériau et de la fréquence du son.

La réverbération est utilisée dans les auditoriums et autres salles où le but est d’avoir une réverbération suffisante pour que l’intensité du son émis soit uniforme à l’ensemble de la salle (champ diffus).
A l’inverse, la réverbération est réduite dans les salles audio de type "home cinema", ou même totalement dans les chambres anéchoïques (salles sourdes).

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