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

=

´