Acoustique spatiale et temps de réverbération

Les ondes de pression acoustique sont généralement émises par une source dans toutes les directions. Dans cette image sont quelques-uns des chemins que ces ondes auraient pu prendre. Les ondes sonores se réfléchissent sur une surface et produisent une onde résultante avec moins d'énergie acoustique. Cette perte d’énergie est due à la composition matérielle de la surface à partir de laquelle l’onde sonore a été réfléchie. Une partie de l’énergie de l’onde est absorbée par le matériau, une autre est transmise à travers le matériau tandis que l’énergie restante est réfléchie vers l’espace d’où elle provient. Il en résulte une diminution de la pression acoustique dans l’espace lorsque l’onde est réfléchie sur de nombreuses surfaces. Cette baisse de pression acoustique peut devenir un facteur très important de la qualité acoustique d’un espace. Si la fonction d'une pièce était destinée à la parole ou à la communication, une diminution rapide de la pression acoustique serait nécessaire pour garder la parole intelligible. Imaginez à quel point il serait difficile de comprendre quelqu'un qui prononce un discours dans un espace comme une piscine sur cette figure.



Considérons maintenant une grande salle de spectacle musical. Dans cet espace, une décroissance rapide de la pression acoustique ne serait pas idéale, mais plutôt une décroissance lente. Cela crée un son très complet qui complète la musique, laissant des tons agréables avec le son direct sur lequel le public est concentré. La présence d’un son réverbérant donne aux musiciens la capacité de créer des performances très dynamiques capables de remplir tout le music-hall et de créer une expérience dramatique pour le public.

La durée nécessaire pour que le son réverbérant dans un espace se dégrade peut devoir être corrigée en fonction de l'utilisation de l'espace. Un étalon de mesure de ce temps est appelé Temps de réverbération. Le temps de réverbération est défini comme la durée nécessaire pour que la pression acoustique dans un espace diminue de 60 décibels, soit à un millionième du niveau d’énergie d’origine. Il peut être approximé par l’équation *T=0,049V/A T est le temps de réverbération en secondes et pour mettre ce temps en perspective, le temps de réverbération peut varier d’environ 0,6 seconde pour une salle de classe à 1,5 -2 seconde pour une salle de concert. V est le volume de l'espace en pieds cubes, tandis que A est la surface d'absorption équivalente en pieds carrés. Comme vous pouvez le voir dans l’équation, dans une pièce sans absorption, T irait à l’infini cependant, en pratique, toutes les surfaces absorbent une certaine quantité d’énergie acoustique qui crée un temps de réverbération fini. Dans le graphe déroulant, vous pouvez voir la baisse de pression acoustique mesurée d’une impulsion qui s’est produite au temps to. Le temps T qu'il a fallu à cette perturbation pour décroître de 60 dB est alors le temps de réverbération de l'espace.

Imaginez un espace tel que ce cube construit avec différents matériaux, chacun absorbant une quantité d'énergie sonore différente de chaque côté du cube. La réflexion infinie est définie comme une surface qui réfléchirait toutes les ondes sonores tandis que l'absorption infinie est définie comme une surface dans laquelle tout le son serait absorbé. Si, par exemple, une source sonore était placée à l'intérieur de ce cube, la surface d'une ouverture creusée dans le cube qui permettrait à la pression acoustique de s'échapper serait d'absorption infinie. On peut considérer que la surface d’absorption équivalente du cube est la surface d’absorption infinie qui pourrait remplacer la surface du cube composée de matériaux avec des quantités finies d’absorption. L’absorption équivalente de chaque côté du cube est donnée comme A=Sa, "a" étant le coefficient d’absorption du matériau et "S" étant la surface en ft^2 du matériau. Certains coefficients d'absorption courants seront énumérés plus tard. L'absorption équivalente totale du cube peut être trouvée en faisant la somme de l'absorption équivalente de toutes les surfaces de l'espace. Si nous additionnons l’absorption équivalente de toutes les surfaces du cube, nous voyons que la surface du cube au-dessus équivaut à 2 pieds carrés d’ouverture.



Un ft^2 d'absorption infinie est défini comme une unité d'absorption. Par conséquent, le cube ci-dessus contient 2 unités d'absorption.

Ce tableau présente la valeur des coefficients d'absorption pour certains matériaux de construction courants. Ces valeurs vont de 0 à 1. Si une surface était un réflecteur parfait, elle aurait un coefficient de 0. Le marbre est un exemple de très bon réflecteur et comme vous pouvez le voir son coefficient d’absorption est très proche de 0. Un matériau qui absorbe complètement l'énergie acoustique, comme la mousse isolante, aurait un coefficient d'absorption plus proche de 1. Vous pouvez penser à la différence de coefficients d’absorption lorsque vous considérez la diversité des matériaux utilisés dans un espace. Par exemple, considérez la différence de bruit ambiant dans une piscine recouverte principalement de béton, par rapport à un espace de bureau ou une bibliothèque bordée de cloisons sèches et de moquette. Une chose à noter est que la valeur de ces coefficients dépend de la fréquence de la source sonore à laquelle ils sont soumis. Par exemple, un matériau peut absorber une quantité d'énergie acoustique différente s'il est exposé à des tons de haute fréquence par opposition aux fréquences relativement basses de la parole humaine.

Envisagez une salle de conférence qui a été construite avec du revêtement de sol en moquette et des murs et plafonds en cloison sèche. L'intelligibilité de la parole dans la salle était très mauvaise et quelque chose devait être fait pour corriger le problème. La pièce a été construite principalement en cloison sèche avec du parquet. En utilisant les équations pour le temps de réverbération et l’absorption ainsi qu’un tableau plus complet des coefficients d’absorption, nous avons pu estimer le temps de réverbération de l’espace. Cependant, pour obtenir un chiffre de référence plus précis du temps de réverbération, nous devons prendre quelques mesures dans l’espace.

Dans ce cas, nous avons choisi le LabVIEW Sound and Vibration Toolkit et le Module PXI de mesures acoustiques et vibratoires pour effectuer un test d’impulsion à l’aide d’une électrode haute tension qui génère une étincelle sur un déclenchement numérique. D'autres techniques incluent le tir d'une arme à feu, l'éclatement d'un ballon ou simplement un fort battement de mains. La source était placée à l'avant de la pièce dans laquelle réside habituellement l'enceinte. Des microphones ont ensuite été utilisés dans tout l’espace pour recueillir la réponse de la perturbation lors d’un déclenchement reçu de la source. Le signal a ensuite été numérisé avec le Module PXI de mesures acoustiques et vibratoires, puis envoyé à un PC pour traitement. Nous pouvons alors calculer le temps de décroissance de la pression acoustique de 60 dB. Les tests d’impulsion peuvent donner de nombreuses informations sur la qualité d’un espace. Dans ce cas, nous avons utilisé les données pour mesurer le temps de réverbération de l’espace, mais un test d’impulsion peut également identifier des réflexions problématiques ou un manque de réflexions à compenser.

Une fois les données recueillies, nous définissons le point auquel la pression acoustique chute de 60 dB par rapport à l’impulsion d’origine. Pour récupérer les données numérisées du Module PXI de mesures acoustiques et vibratoires, nous avons utilisé la fonction DAQmx Read. Une fois ces données disponibles pour le traitement, nous avons mis à l’échelle la tension en pascals (Pa) en utilisant la fonction SVL Scale Voltage to EU et mesuré le temps nécessaire pour que le niveau sonore baisse de 60 dB en utilisant les fonctions LabVIEW natives ainsi que le VI SVT Leq Sound Level.

En utilisant la méthode d’impulsion de test, nous avons trouvé que la pièce avait un temps de réverbération d’environ 1,15 seconde. Comme on s'en doutait, ce temps est trop long pour l'objectif de la salle. Nous pouvons maintenant essayer de concevoir un espace avec un temps de réverbération beaucoup plus agréable. En utilisant la formule générale du temps de réverbération T = 0,049V/A et que le volume de la pièce est de 3600 ft^3, nous voyons que la pièce a une surface d’absorption équivalente de 153 ft^2. Pour atteindre un temps de réverbération plus souhaitable d’environ 0,6 seconde, nous avons constaté que nous devons augmenter l’absorption équivalente de la pièce à environ 294 unités.

Certaines pièces s’appuient sur les réflexions du plafond pour projeter le son jusqu’aux confins de l’espace. Par conséquent, le plafond est généralement évité lorsque l’on considère le placement pour le matériel acoustique. Cependant, dans notre salle de conférence, l’auditeur se fiera principalement au son direct de la source et n’aura pas besoin de réflexions de plafond pour entendre clairement la source. Rappelez-vous aussi que la table de conférence sert d’autre surface réfléchissant le son pour les auditeurs dans toute la salle. Par conséquent, nous avons choisi de placer du matériel sur le plafond en gardant les murs libres de tout encombrement. Afin d'augmenter la surface d'absorption, nous devons sélectionner un matériau avec un coefficient d'absorption plus grand que la cloison sèche qui existe actuellement. Par conséquent, un matériau courant tel que la dalle de plafond a été choisi avec un coefficient d’absorption de 0,68 @ 1000 Hz. Voici quelques-unes des autres considérations qui doivent être prises en compte lors de la compensation d’une pièce pour une mauvaise réponse de réverbération.

300 pieds^2 de fibre de canne perforée ont été ajoutés, portant la surface d'absorption théorique équivalente totale de la pièce à 345 pieds^2. Ce nombre dépassant la barre des 294 qui a été calculée plus tôt devrait garantir que l'intelligibilité de la parole est conservée. Maintenant que nous avons modifié l’espace pour obtenir un temps de réverbération plus court, une autre mesure doit être prise. L’ajout de 300 pieds^2 de fibre de canne perforée 1 po sur le cadre métallique a porté le temps de réverbération à T = 0,61 seconde. Ce temps est idéal pour le but de notre chambre. N’oubliez pas que la conception acoustique n’est pas une science complète. Nous nous attendions à ce que le temps de réverbération soit plus court que cela étant donné que nous avons ajouté plus de matériau d’absorption que ce pour quoi nous avions calculé. Un autre facteur à retenir est qu’en ajoutant le plafond tombé, nous avons également changé la géométrie de la pièce et cela a eu un impact sur la façon dont la pièce répond à la même impulsion.



Temps de réverbération est la durée nécessaire pour que la pression acoustique dans un espace diminue de 60 dB, ou jusqu'à un millionième des coefficients d'absorption d'énergie d'origine, pour aider à prédire ou à concevoir un espace avec une réponse de réverbération désirée. Le temps de réverbération est mesuré en recueillant des données dans un espace de la réponse à une impulsion. Le test du temps de réverbération est une mesure rendue simple par l’utilisation du matériel et des logiciels National Instruments. La réponse impulsionnelle d’un espace peut être acquise à l’aide d’outils tels que le Module PXI de mesures acoustiques et vibratoires et le temps de réverbération peut être calculé dans un logiciel utilisant LabVIEW et le LabVIEW Sound and Vibration Toolkit.