TP9
Isolation phonique
(Mots-clés : Isolation phonique, salle sourde)
Fig. 1 : Niveaux acoustique dans notre environnement
L’isolation phonique a pour but d éviter la propagation des
ondes sonores venant de l’extérieur ou de l’intérieur en les
absorbant grâce à des matériaux qualifiés d’isolants acoustiques.
Elle ne sert pas uniquement à améliorer l’acoustique des salles
mais permet aussi de limiter les nuisances sonores.
Comment s’assurer qu’un matériau d’isolation phonique a bien les
qualités phoniques souhaitées ?
Documents mis à votre disposition :
DOC. 1 : Les principes de l’isolation phonique
La loi de masse
La loi « masse-ressort-masse »
La loi de l’étanchéité
« Plus c’est lourd et mieux ça isole »
À épaisseur égale, une cloison en béton isolera mieux qu’une
cloison en carreau
de plâtre, car à volume égal, le béton est plus lourd que le
plâtre.
Deux masses indépendantes sont séparées par de l’air ou un
matériau absorbant qui jouent le rôle de « ressort » et
amortit les vibrations.
« Là où l’air passe, le bruit passe »
Une bonne isolation acoustique suppose une bonne étanchéité à
l’air.
DOC. 2 : L’atténuation phonique
L’isolation phonique consiste à utiliser des matériaux qui
atténuent le niveau d’intensité sonore incident (noté Linc) qu’ils
reçoivent. Cette propriété est quantifiée à l’aide de l’indice
d’affaiblissement acoustique, généralement notée R et exprimée en
décibels (dB). Il a pour expression :
DOC. 3 : Indice d’affaiblissement acoustique et « la
loi de masse »
L’indice d’affaiblissement acoustique vérifie la relation
suivante, appelée « loi de masse » :
1. Atténuation d’un son (compte rendu pour cette partie)
Réflexion d’une onde sonore
((Bois))
Fig. 2 : dispositif d'étude de la réflexion des ondes
sonores
Les auditoriums comme toutes les salles de spectacle, salle de
cours ou réfectoires sont le siège de réverbérations acoustiques.
La forme de la salle et les matériaux utilisés sont autant de
facteurs qui peuvent avoir une influence sur ce phénomène.
Des réverbérations excessives du son peuvent être un
inconvénient, mais une salle « morte », c'est-à-dire sans
réverbération, est à éviter notamment pour les salles de spectacle.
Il existe des techniques pour maitriser l’acoustique des
salles.
Protocole expérimental :
Réalisez le montage expérimental schématisé ci-dessus.
Reliez l’émetteur et le récepteur à la console d’acquisition.
Lancer sur l’ordinateur le logiciel LatisPro®.
Voir avec le professeur pour les paramètres d’acquisition.
Placez l’émetteur en mode « continu » puis lancer une
acquisition.
Relevez l’amplitude du signal reçu par le récepteur en fonction
de l’angle de réflexion r, pour un angle d’incidence i fixé.
Consigner les résultats dans un tableau (ci-dessous).
Tableau des résultats (exemple) :
Bois
r (°)
Angle de réflexion
A (mV)
Amplitude du signal reçu
Influence du matériau
Protocole expérimental :
Reprendre le montage précédent.
Placer l’émetteur et le récepteur de telle sorte que r = i.
Placer l’émetteur en position « salves ».
Mesurer l’amplitude du signal reçu par le récepteur.
Recommencer la mesure en changeant la nature de l’obstacle
(matériau), en prenant soin de le positionner toujours au même
endroit par rapport à l’émetteur et au récepteur. Consigner les
résultats dans un tableau.
Tableau des résultats :
Matériau
Bois
Verre
Plexiglas
Polystyrène
Mousse acoustique
Liège
Plâtre
A (mV)
Amplitude du signal reçu
(Questions)
(Réflexion d’une onde sonoreQ1. Représentez la courbe de
l’amplitude du signal reçu en fonction de l’angle de réflexion.Q2.
Indiquez pour quel angle de réflexion r l’amplitude du signal
réfléchi est maximale.Q3. Quelle loi pouvez-vous en
déduire ?Influence du matériauQ4. Représentez l’histogramme de
l’amplitude du signal reçu en fonction du matériau étudié.Q5.
Comparez l’influence des matériaux en fonction de leur nature et de
leur surface.Q6. Les classer du plus réfléchissant au moins
réfléchissant.Q7. Expliquez l’effet de la mousse acoustique à
partir de sa forme et de sa texture.Q8. Quel phénomène explique
l’existence d’une durée de réverbération dans un
auditorium ?Q9. Comment rendre une salle plus ou moins
« sourde » ou plus ou moins « réverbérante »
suivant son utilisation ?Q10. @ Qu’est-ce qu’une salle
« sourde » ?)
2. Pouvoir isolant phonique de plusieurs matériaux (compte rendu
pour cette partie)
La recherche d’un minimum de nuisance sonore est une nécessité
pour améliorer le confort d’une habitation.
Lors de travaux de rénovation, un particulier souhaite partager
son salon en deux en construisant une cloison. Afin d’offrir un
confort suffisant, cette cloison devra garantir une isolation
phonique qui permette de regarder la télévision sans gêner les
occupants de l’autre pièce.
(PROBLÈME A RÉSOUDRE :)
(Vous devez élaborer et mettre en œuvre un protocole
expérimental permettant de déterminer, parmi les matériaux à votre
disposition, celui qui serait le mieux adapté pour la réalisation
de la cloison.)
Pour aller plus loin :
(Questions)
(Q11. Quelle épaisseur devrait avoir le matériau retenu pour
respecter la condition d’isolation phonique ?Q12. Cette valeur
est-elle acceptable ?Q13. Pourquoi de nombreuses cloisons
sont-elles en matériau composite constitué de deux plaques de
plâtre séparées par un matériau isolant ?Q14. Les matériaux
testés vérifient-ils la « loi de masse » ?)
3. Réduction active du bruit
En acoustique active, le contrôle actif de bruit (CAB) repose
sur la génération d’un bruit artificiel « opposé » à
celui que l’on souhaite atténuer et à proximité de la source. Le
phénomène d’interférences destructives appliqué au son est utilisé
afin d’annuler la plus grande partie du bruit.
Fig. 3 : Positions des haut-parleurs et de l’oreille
Fig. 4 : Schéma de principe du fonctionnement d'un CAB
Protocole expérimental :
Brancher une paire d’enceinte sur un ordinateur.
Ouvrir le logiciel Audacity®.
Générer un son à l’aide du logiciel (Menu Générer Son…).
Dans « Piste audio », l’associer au canal gauche.
Dans « Piste », créer une nouvelle piste mono puis
générer (dans cette nouvelle piste), le même son que précédemment
puis dans « Piste audio », l’associer au canal droit.
Placer l’oreille à une vingtaine de centimètres comme indiqué
sur la figure 3 ci-dessus.
Effectuer un va-et-vient d’un haut-parleur à l’autre.
Appliquer l’effet « Inverser » à cette dernière piste
audio (canal droit).
Placer l’oreille à une vingtaine de centimètres comme indiqué
sur la figure 3 ci-dessus et effectuer un va-et-vient d’un
haut-parleur à l’autre.
(Questions)
(Q15. Que constatez-vous lorsque vous passez d’un haut-parleur à
l’autre ?Q16. Utilisez la loupe du logiciel Audacity® pour
observez les deux signaux. Que constatez-vous ?Q17.
Comment évolue le niveau d’intensité sonore lorsque l’on recule
l’une des deux enceintes d’environ 30 cm ?)
Vous pouvez vérifier que le son de votre voix n’est pas perturbé
par ce dispositif anti-bruit actif.
4. Conclusion
Conclure sur la séance tout en répondant à la question posée en
début d’activité. Il sera judicieux d’inclure un schéma de synthèse
expliquant ce que devient l’intensité sonore d’une onde sonore
lorsqu’elle rencontre un matériau.
(Présentation : 1 pt)CORRECTION
1. Atténuation d’un son
· Réflexion d’une onde sonore
Q1. Étude de la réflexion d’une onde sonore sur plusieurs
matériaux.
Tableaux des résultats (exemple) : (0,5 pt) (angle
d’incidence i = 50°)
Verre
r (°)
Angle de réflexion
35
40
45
50
55
60
65
A (mV)
Amplitude du signal reçu
465
550
578
588
541
456
460
Plexiglas
r (°)
Angle de réflexion
35
40
45
50
55
60
65
A (mV)
Amplitude du signal reçu
475
503
541
551
522
475
399
Bois
r (°)
Angle de réflexion
35
40
45
50
55
60
65
A (mV)
Amplitude du signal reçu
494
550
578
597
560
475
428
Mousse acoustique
r (°)
Angle de réflexion
35
40
45
50
55
60
65
A (mV)
Amplitude du signal reçu
22
27
47
52
56
54
50
Polystyrène
r (°)
Angle de réflexion
35
40
45
50
55
60
65
A (mV)
Amplitude du signal reçu
382
386
388
400
297
250
238
Une courbe possible : (2 pts)
On constate que pour i = r, l’amplitude est maximale.
Q2. L’amplitude du signal est maximale pour r = i. (0,5 pt)
Q3. Les ondes sonores obéissent à la loi de la réflexion :
r = i, avec i, angle d’incidence entre la normale à la surface
réfléchissante et le rayon incident et r, angle de réflexion entre
la normale à la surface de réflexion et le rayon réfléchi. Certains
matériaux se comportent comme des miroirs acoustiques.
· Influence du matériau
Q4. Un histogramme possible :
Tableau des résultats : (0,5 pt) (i = r = 50°)
Matériau
Verre
Plexiglas
Bois
Mousse acoustique
Polystyrène
Liège
Plâtre
A (mV)
Amplitude du signal reçu
588
551
597
52
400
((1 pt))
Q5. Plus la surface est plane et le matériau lourd, plus le son
est réfléchi. La mousse acoustique est la surface qui permet la
plus grande atténuation sonore. (1 pt)
Q6. Plus l’amplitude de l’onde sonore reçue après réflexion sur
le matériau est grande par rapport à celle de l’onde émise, plus le
matériau est réfléchissant. (1 pt)
On obtient le classement suivant : Bois > Verre >
Plexiglas > Polystyrène > Mousse acoustique
Q7. La mousse acoustique assure le rôle de panneau diffusant et
absorbant (diffractant). Elle diffuse les ondes sonores qu’elle
reçoit, la réflexion dans une seule direction est faible. De plus,
de part sa texture, elle absorbe en grande partie l’énergie
véhiculée par l’onde sonore. Ainsi, c’est le matériau qui atténue
le plus l’onde sonore incidente. (1 pt)
Q8. La réverbération dans un auditorium provient des réflexions
des rayons (ondes) sonores sur les parois des murs, plafond,
mobilier, décors, etc. (1 pt)
Q9. Pour augmenter la réverbération dans une salle, il faut
utiliser des matériaux ayant des surfaces planes. Au contraire,
pour la rendre « sourde », il est possible d’utiliser des
panneaux absorbants et/ou diffusants comme la mousse acoustique. (1
pt)
Q10. Une salle sourde, aussi appelée salle anéchoïque, est une
salle d'expérimentation dont les parois absorbent les ondes
sonores : elles sont recouverte de dièdres (parfois de
polyèdres) constitués généralement d'un matériau poreux (mousse
polymère, fibres de verre) absorbant les ondes sonores. La qualité
de l'absorption est fonction de la taille de ces dièdres et des
propriétés du matériau utilisé. (1 pt)
Source : Wikipedia.org (Chambre anéchoïque)
2. Pouvoir isolant phonique de plusieurs matériaux
Proposition de protocole expérimental : (protocole : 1
pt ; schéma du montage : 1 pt)
Montage expérimental pour étudier les propriétés d’isolation
phonique d’un matériau.
Protocole expérimental :
Réaliser le montage expérimental ci-dessus.
Alimenter le haut-parleur avec un générateur basse fréquence
(GBF). Ne rien placer dans la fente du tube.
Régler l’amplitude du GBF pour obtenir un niveau d’intensité
sonore de 70 dB.
Insérer successivement dans la fente les échantillons de
matériaux à disposition.
Relever pour chaque matériau, le niveau d’intensité sonore
transmis (noté Ltra) pour 3 fréquences différentes (voir tableau
ci-dessous).
Noter les résultats dans le tableau ci-dessous.
Tableau des mesures : (mesures : 0,5 pt ; calcul de
R : 0,5 pt)
f = 150 Hz Linc = 70 dB
Verre
Bois
Aggloméré
Laine de
roche
Plexiglas
Polystyrène
noir
Polystyrène
blanc
Mousse
acoustique
Ltra (dB)
42
42
48
62
45
62
55
66
R (dB)
28
28
22
8
25
8
15
4
f = 500 Hz Linc = 71 dB
Ltra (dB)
35
40
38
64
40
58
54
69
R (dB)
36
31
33
7
26
13
17
2
f = 4000 Hz Linc = 70 dB
Ltra (dB)
38
35
35
35
38
63
58
70
R (dB)
33
36
36
35
33
7
12
0
· Le matériau retenu sera donc le bois (difficile de construire
une cloison en verre !)
((Questions que l’on peut se poser pour s’aider à résoudre le
problème)) (Questions possibles)
(Q1. Quelles sont les données à prendre en compte ?Q2.
Établir la liste du matériel nécessaire pour produire un son de
fréquence donnée et pour enregistrer le niveau d’intensité
sonore.Q3. Quelles sont les deux valeurs du niveau d’intensité
acoustique qu’il est pertinent de mesurer pour avoir accès à la
valeur de A ?Q4. Après avoir mis en œuvre le protocole
ci-dessus, en déduire la valeur de l’indice d’affaiblissement pour
chaque matériau étudié.Q5. Classer les matériaux testés du meilleur
au moins bon isolant acoustique.)
Réponses :
Q1. Il faut prendre en compte le niveau acoustique du
téléviseur, qui vaut 65 dB, et celui souhaitable pour une chambre à
coucher : 15 dB. Il faudra que la cloison « réduise » le
niveau acoustique de 50 dB. L’indice d’affaiblissement devra donc
être de : R = 65 - 15 = 50 dB.
Q2. Le matériel nécessaire à la production d’un son de fréquence
donnée est : un GBF, un haut-parleur, fils de connexion et d’un
sonomètre (+ fréquencemètre si le GBF n’en est pas pourvu).
Q3. Pour obtenir la valeur expérimentale de R, il est nécessaire
de mesurer le niveau acoustique avec, puis sans le matériau. La
distance sonomètre/haut-parleur doit être maintenue constante.
Q4. Il faut calculer R d’après la relation donnée dans le
document 2.
Q5. Plus l’amplitude de l’onde sonore reçue après traversée du
matériau est faible par rapport à celle de l’onde émise, plus le
matériau est absorbant.
Réponse aux questions de l’énoncé (Pour aller plus loin)
:
Q11. Il faut calculer e à partir de la relation donnée dans le
document 3. Cela suppose le calcul de la masse volumique du
matériau retenu (mesure de son volume et mesure de sa masse sur une
balance).
Exemple du bois : µcontreplaqué = 440 – 880 kg.m–3
(contreplaqué)
D’après la relation du document 3, on en déduit :
A.N. : f = 500 Hz, R = 50 dB et µcontreplaqué = 660 kg.m–3
e = 17 cm
Contreplaqué = superposition de plaques de bois déroulées.
L'épaisseur peut varier selon l'utilisation. Les plaques du
contreplaqué sont collées l'une à l'autre alternées et
perpendiculaires.
Bois aggloméré (ou aggloméré) = bois fabriqué à partir de fibres
ou de particules de bois que l'on a agglomérées à l'aide d'un
liant, sous pression et chaleur.
Q12. En effectuant les mesures de la question précédente, on
s’percevrait que la valeur calculée de e est trop importante pour
une cloison.
Q13. Ces cloisons permettent d’atteindre des valeurs plus
importantes d’affaiblissement avec une épaisseur plus faible.
Q14. Le meilleur isolant acoustique est celui pour lequel on
mesure l’intensité sonore la plus faible derrière lui.
On constate que le plus lourd a le meilleur indice
d’affaiblissement acoustique. Donc ces matériaux vérifient la
« loi des masses ».
3. Réduction active du bruit
Q15. Le niveau d’intensité sonore diminue lorsque la deuxième
enceinte émet le son de même fréquence en opposition de phase. On
constate une diminution de l’intensité sonore suivant l’éloignement
ou l’approche d’un des haut-parleurs. (0,5 pt)
Q16. On constate que les deux sinusoïdes sont inversées :
(0,5 pt)
On parle de signaux en « opposition de phase ».
Le logiciel crée un deuxième signal électrique en opposition de
phase avec le premier signal. Ce signal est converti en une onde
sonore qui interfère avec le premier son afin de diminuer le niveau
d’intensité sonore grâce à des interférences destructives. (0,5
pt)
Q17. Lorsque l’on recule la deuxième enceinte d’environ 30 cm
environ, le niveau d’intensité sonore augmente.
(0,5 pt)
4. Conclusion
((0,5 pt))
À vous de la faire ! (2 pts)
Fiche TP n°9 – Isolation phonique
Type d’activité : Activité expérimentale (TP 1 h)
Conditions de mise en œuvre : manipulation en binômes.
Domaine d’étude
Mots-clés
Sons et architecture
Auditorium ; salle sourde.
Isolation phonique ; acoustique active ; réverbération.
Matériel (2 postes pour chaque montage) :
· 2 G.B.F. avec affichage ;
· 2 haut-parleurs (tweeter) ;
· 2 tubes atténuation phonique ;
· 2 fils de connexion ;
· 2 paires d’enceintes pour PC ;
· 2 ordinateurs avec logiciel Audacity® ;
· 2 disques gradués ;
· 2 supports écran ;
· 4 tubes PVC de 35-40 cm ;
· 2 kits émetteur-récepteur ultrasonores (avec interface Sysam®
+ ordinateur avec LatisPro®) ;
· Boite matériaux STI2D ;
· Mousse acoustique, polystyrène noir (de même épaisseur que les
matériaux de la boite STI2D) ;
· Cale en bois (pour surélever le sonomètre).
Bureau professeur :
· 1 balance électronique (au 1/10ème)
Mousse acoustique
Tube atténuation phonique
Enceintes PC
Interface Sysam
Paramétres de l’acquisition :
Entrées analogiques
Acquisition
Déclenchement
Sélectionner les entrées :
Onglet « Temporelle » :
Points : 50
Te : 2 µs
Total : 100 µs
Source : EA0
Sens : Montant
Seuil : 100 mV
Pré-trig : 25 %
Sources de l’activité
Activités n°1 p114 (HACHETTE TS Ens. Spécialité, Collection
Dulaurans Durupthy)
Activités n°3 p114 (BELIN TermS Spécialité)
Activités n°1 p108 (BORDAS Tle S Ens. Spécialité, Collection
E.S.P.A.C.E Lycée)
Activités n°4 p106 (NATHAN Term S Spécialité, Collection
SIRIUS)
Site internet :
· Wikipedia.org (Loi de masse) ;
Réflexion d'une onde sonore sur différents matériaux
Verre35404550556065465550578588541456460Plexiglas35404550556065475503541551522475399Bois35404550556065494550578597560475428Mousse
acoustique3540455055606522274752565450Polystyrène35404550556065382386388400297250238
Angle de
réflexion (°)
Amplitude du
signal reçu (mV)
Influence du matériau sur la réflexion d'une onde sonore
VerrePlexiglasBoisMousse acoustiquePolystyrène58855159752400
inc
inctratra
Lniveau d'intensité sonore incident (en
dB)
RLL Lniveau d'intensité sonore mesur
é après traversée du matériau (en dB)
Ratténuation (en dB)
=
=-=
=
(
)
3
fréquence de l'onde sonore (en Hz)
µmasse volumique du matériau (en kg.m)
R20log
épaisseur du matériau (en m)
Rindice d'affaiblissement du matériau (
en dB)
µ45
f
e
fe
-
=
=
=´
=
=
´´-
R+45
20
10
µ
e
f
=
´