TP ACOUSTIQUE DES SALLES

TP ACOUSTIQUE DES SALLES
On se propose dans ce TP d’étudier quelques caractéristiques d’acoustique des salles, aussi
bien du point de vue théorique (simulation) qu’expérimental.
La salle choisie pour cette étude est une chambre réverbérante, c’est à dire une salle aux
propriétés acoustiques particulières, qui en font un outil de mesure très utilisé dès lors qu’on
veut obtenir des données énergétiques (puissance d’une source, coefficient d’absorption d’un
matériau, puissance transmise par une cloison, ….).
On cherchera dans ce TP à mesurer ou calculer quelques paramètres caractéristiques d’une
salle :
- niveau sonore
- bruit de fond
- temps de réverbération
- clarté C50
- définition D80
- temps central, …
On pourra également observer leurs variations lorsqu’un matériau absorbant est introduit dans
la salle. On pourra finalement comparer les résultats à ceux obtenus dans une salle plus
classique, une salle de classe ou un amphi par exemple.
QUELQUES BASES THEORIQUES
CHAMPS DIFFUS. THEORIE DE SABINE
Différentes méthodes sont utilisées pour traiter l’acoustique d’une salle. Le choix d’une
méthode dépend essentiellement du rapport entre une dimension caractéristique de la salle,
par exemple L = 3 V , où V est le volume de la salle, et la longueur d’onde. On s’intéresse ici
au cas des hautes fréquences défini par λ < L / 3 . Dans ce cas, la théorie énergétique de Sabine
peut être utilisée. Elle repose sur un bilan énergétique global de la salle et s’applique quelque
soit sa géométrie. On fait alors l’hypothèse que le champ acoustique est diffus, c’est à dire
qu’il est homogène (le niveau est uniforme dans la pièce) et isotrope (il n’y a pas de direction
privilégiée). C’est le cas lorsque la salle est suffisamment réverbérante : ses parois ont un
coefficient d’absorption très faible. Dans un tel environnement, une onde acoustique peut se
réfléchir un grand nombre de fois sans perdre beaucoup d’énergie (figure 1).
Figure 1 réflexions multiples en chambre réverbérante
Soit e la densité d’énergie (uniforme) dans la salle. Alors eV représente l’énergie totale dans
la salle. Son évolution temporelle est compensée d’une part par l’apport des sources présentes
de puissance Ws et d’autre part par la puissance acoustique absorbée par les parois Wabs :
d
(eV) = WS − Wabs
dt
La première étape consiste à relier Wabs à e.
Considérons un élément de volume dV. L’énergie contenue dans ce volume est donc edV. La
fraction de cette énergie qui arrive sur un élément de surface dS de la paroi (cf figure 2) est
reliée à l’angle solide sous lequel l’élément dV voit l’élément dS, c’est à dire à la fraction de
surface dS « projetée » sur la sphère de rayon r centrée sur l’élément dV. C’est donc :
dS cos θ
4π r 2
edV
dV
r
dS
θ
Figure 2 : volume et surface élémentaires
Il faut ensuite intégrer toutes les contributions provenant de volumes élémentaires situés à la
même distance r car elles arriveront en même temps. L’énergie reçue par la surface dS de la
salle est donc :
dS cos θ
∆e = ∫
edV =
2
V 4π r
π / 2 2π
dS cos θ 2
e r sinθ dψ dθdr
2
0 4π r
∫∫
0
Finalement
∆e = e dS
π/ 2
∫ cos θ sin θdθdr =
0
e dS dr
4
dr
. Le taux d’énergie reçu
C0
par dS par unité de temps de toute la salle est la puissance reçue par cet élément :
e dS C 0
.
dWr =
4
Cette énergie est reçue par l’élément dS pendant un temps dt =
Remarque : L’intensité correspondante est I =
e C0
, soit le quart de celle d’une onde plane
4
propagative
Si α est le coefficient d’absorption de la surface dS, c’est à dire la fraction de puissance
absorbée par rapport à la puissance incidente, alors
dWabs = α
e dS C 0
4
Si on considère que les parois de la salle présentent des surfaces Si de coefficients
d’absorption αi , alors la puissance totale absorbée par les parois est :
Wabs = ∑ α i S i
e C0
e C0
e C0
=αS
=a
4
4
4
S est la surface totale des parois,
α le coefficient d’absorption moyen
a l’aire d’absorption équivalente
Finalement l’équation bilan s’écrit :
V
de aC 0
e = WS
+
dt
4
La densité d’énergie est liée à la pression quadratique moyenne e =
p' 2
, comme pour une
ρ 0 c 02
onde plane.
Applications : cette équation est principalement résolue avec les deux conditions initiales
suivantes :
-
-
à t=0 on met la source en marche. La densité d’énergie atteint un niveau
stationnaire (figure 3)
eC
W
de
p'2
= 0 ⇒ WS = o a ⇔ e st = 4 S =
dt
4
aCo ρo Co2
à t=0 on arrête l’émission sonore (WS=0). L’énergie décroît de manière
exponentielle
e = e st exp(−
e (ou
p2
a c0
t)
4V
)
État stationnaire asymptotique
est
Décroissance
t0
Figure 3 : évolution de l’énergie
t
Le niveau de pression en dB défini par Lp = 10 log
p2
avec Pref = 2.10−5 Pa décroît alors de
p 2ref
manière linéaire (figure 4).
Le temps de réverbération T60 est défini comme le temps nécessaire à une décroissance de 60
dB du niveau :
0.16 V
T60 =
a
Figure 4 : temps de réverbération
Le temps de réverbération est une grandeur fondamentale en acoustique des salles.
Remarque : la formule de Sabine est mal adaptée aux salles absorbantes ; en particulier le
temps de réverbération est fini même pour une pièce parfaitement absorbante (α=1) dans
laquelle il n ’y a aucun écho !
La théorie d’Eyring corrige ce défaut ; elle fournit le résultat suivant :
T60 =
0,16 V
− S log(1 − α)
qui se réduit à la formule de Sabine pour les faibles valeurs de α
Applications :
Comme indiqué plus haut, une salle réverbérante est utilisée pour mesurer des quantités
énergétiques :
1. mesure du coefficient d’absorption d’un matériau
On effectue deux mesures de temps de réverbération, la première pour la salle vide, on obtient
alors le temps de réverbération
0.16 V
0
T60 =
α 0S
On considère ici que la surface S entourant la salle présente un coefficient d’absorption
uniforme.
Ensuite on introduit le matériau à tester. Il occupe une surface au sol Sm et présente un
coefficient d’absorption α, à déterminer. Le temps de réverbération est une nouvelle fois
mesuré.
0.16 V
T60 =
α 0 (S − S m ) + α S m
La connaissance des deux temps de réverbération permet de remonter au coefficient α.
2. Mesure de la puissance d’une source
Connaissant le niveau de pression à saturation et le temps de réverbération, on en déduit la
puissance de la source :
e st = 4
WS
p' 2
=
aC o ρ o C o2
⇒ WS =
p' 2 aC o
ρ o C o2 4
3. Estimation d’un niveau de pression « in situ »
Connaissant la puissance d’une source et les caractéristiques d’une salle, on peut en déduire le
niveau de pression qui sera généré :
W
p' 2 = 4 ρ o C o2 S
aC o
4
Soit encore : L P ≈ L W + 10 log
a
W
Le niveau de puissance en dB est défini par L W = 10 log
avec Wref = 10−12 W .
Wref
Remarque : toutes ces quantités (T60, α, Lp, …) dépendent de la fréquence. On effectue en
général des mesures par bande d’octave ou de tiers d’octave. Les mesures en fréquence
pure (sinus) sont proscrites de manière à éviter certaines singularités (présence d’un mode
par exemple).
THEORIE GEOMETRIQUE
La théorie de Sabine conduit à des résultats très simples, mais suppose que la distribution de
l’énergie est uniforme. Ceci n’est en fait vérifié que dans des salles très particulières. Dans
une salle ordinaire, ou dans une salle de spectacle, le niveau sonore dépend de la position et
en particulier de la distance à la source.
La simulation de l’acoustique d’une salle se fait alors en utilisant la théorie géométrique : la
propagation des ondes est représentée sous la forme de rayons, porteurs d’une énergie et
incohérents entre eux. La vitesse de propagation finie C0 est alors à la source des échos
générés par les parois et finalement de la réverbération.
Plusieurs méthodes de calcul peuvent être utilisées :
- la méthode des images :
S
S’
écho
R
Figure 5 : écho et source image
La réflexion sur une paroi est prise en compte par l’introduction d’une source image (figure
5). L’intensité de l’onde réfléchie est inférieure à celle de l’onde incidente. Elle dépend de
l’absorption en paroi.
Dans une salle, il faut prendre en compte les réflexions sur toutes les parois. On définit alors
des sources images de premier ordre, et d’ordres supérieurs (figure 6).
Figure 6 : sources images d’ordres supérieurs
- le tracé de rayons :
On suit comme en figure 1 les rayons dans leurs trajets.
On a pour le moment supposé que les réflexions étaient spéculaires, avec une atténuation du
rayon réfléchi qui dépend de la fréquence. On peut également introduire un réflexion diffuse
sur la paroi : un rayon incident donne lieu à de multiples rayons réfléchis.
La réponse à une impulsion générée par la source prend finalement la forme suivante (figure
7) :
Première réflexions
Champ diffus
Son direct
dB
Figure 7 : réponse impulsionnelle
(D ’après O. von Estorff, Computational methods in Acoustics, Geometrical Acoustics)
Le son direct arrive bien évidemment le premier, avec l’amplitude la plus importante. Ensuite
arrivent les premiers échos, qu’on peut encore nettement distinguer entre eux. Ce sont les
premières réflexions, produites par les parois proches de la source, et qui ont un rôle
fondamental en acoustique des salles. Ensuite les échos arrivent ensemble en grand nombre,
avec une amplitude décroissante. C’est la partie qualifiée de diffuse de la réponse car elle est
obtenue après un très nombre de réflexions.
Cette réponse impulsionnelle permet de calculer certains paramètres « subjectifs » qui rendent
compte de la qualité acoustique d’une salle.
CARACTERISATION DES EFFETS SUBJECTIFS
Il s’agit ici de préciser quelle relation il y a entre la description des phénomènes physiques
vue précédemment et l’appréciation (la perception) de la salle par l’utilisateur.
On peut déjà citer quelques premiers critères simples :
- Le niveau sonore doit être suffisant
- Il doit être homogène
- Le temps de réverbération doit être adapté à l’utilisation de la salle. On peut ainsi définir
un temps optimal suivant qu’il s’agit d’une salle destinée à des conférences ou à de la
musique (voir figure 8).
Figure 8. Répartition caractéristique du temps de réverbération avec le volume d’une salle en
relation avec sa destination. D’après Jouhaneau, acoustique des salles.
On constate que le temps de réverbération optimal varie en fonction du volume de la salle. Il y
a donc d’autres effets non pris en compte par la seule donnée de ce temps.
La question fondamentale en acoustique des salles est : comment perçoit-on un écho ? dans
quelles conditions est-il jugé utile ou au contraire néfaste ?
La réponse n’est pas simple. Elle dépend du niveau, de la provenance, du délai, etc… de
l’écho par rapport au son direct. Une réflexion n’est pas ressentie comme une gêne de la
même façon pour la musique et pour la parole. Il existe un délai critique (pour la musique 80
ms, pour la parole 50 ms) au delà duquel l’écho est gênant. Si l’on revient sur le graphique
typique de la réponse impulsionnelle d’une salle, on observe une succession de réflexions de
plus en plus nombreuses et rapprochées. Or une réflexion n’est pas perçue comme séparée du
son direct si son retard et sa hauteur ne dépassent pas une certaine limite. D’où l’importance
des premières réflexions dans la perception. C’est ce qu’on appelle également l’énergie
précoce. Les seuls effets sont l’élargissement et l’amplification ressentis de la source. Ce type
de réflexions est donc très utile. Elles permettent en premier lieu d’avoir un niveau suffisant.
Les réflexions qui arrivent ultérieurement sont perçues comme des échos dans les cas
défavorables et contribuent à la réverbération dans les cas favorables. Il est donc important de
pouvoir évaluer les parts respectives des différentes réflexions dans la réponse impulsionnelle.
A partir de cette constatation, ont été construits plusieurs indicateurs. Les plus utilisés sont la
définition , la clarté, et le temps central :
 50 ms

2
 ∫ [g( t )] dt 


D 50 =  ∞0
 100%
2
 [g( t )] dt 
 ∫0

∞
 80ms

2
 ∫ [g( t )] dt 


C80 = 10 log10  ∞0
 dB
2
 [g( t )] dt 
 80∫ms

∫ [g( t )]
2
tS =
t dt
0
∞
∫ [g( t )] dt
2
0
g(t) est la réponse impulsionnelle.
La borne dans l’intégration dépend évidemment de la destination de la salle.
Voici à titre indicatif (figure 9) quelques valeurs mesurées dans l’amphi 1de l’ECL.
Précoce/totale (%)
Précoce/tardive (dB)
D50
C50
13
120
11
100
9
80
7
5
60
3
40
1
20
-1
0
-3
125
-5
125
250
500
1000
2000
4000
500
2000
8000
8000
Temps central
- Valeurs correctes
pour l’intelligibilité
-Point 5 : champ direct
-Absorption atmosphérique en HF
Amphi 1 ECL
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
RIR1
RIR2
RIR3
RIR4
RIR5
RIR6
125
250
500 1000 2000 4000 8000
Figure 9 : indices mesurés en amphi 1
Un autre critère est très utilisé pour évaluer l’intelligibilité : le RASTI. Il permet de traduire
de manière plus précise la qualité de restitution des signaux transitoires de parole.
Il prend en compte
•
•
la distribution spectrale de la parole : maximum d ’énergie vers 500 Hz (présence de
voyelles longues)
mais aussi, la grande contribution à l’intelligibilité des consonnes (sons brefs) vers
2000 Hz (figure 10)
Figure 10 : caractéristiques spectrales de la parole. D’après Jouhaneau, acoustique des salles.
Le STI (Sound Transmission Index), est défini en examinant la « dégradation » d’un son
composé d’une contribution en bande d’octave (7 bandes réparties suivant la courbe de
répartition énergétique de la parole), modulée par une basse fréquence (14 fréquences entre
0.63 et 12.5 Hz). Le RASTI (rapide évaluation du STI) se limite à l’emploi des deux octaves
centrées sur 500 Hz (avec 4 modulations) et 2000 Hz (avec 5 modulations). Il se mesure
facilement et peut se calculer en acoustique prévisionnelle. Il faut que le RASTI se rapproche
de 1 pour garantir une très bonne intelligibilité. A partir de 0.5 environ, c’est correct.
A titre indicatif, voici le RASTI mesuré en amphi 1 (figure 11) :
Figure 11 : RASTI mesuré en amphi 1.
LE TP
Le TP est composé d’une partie expérimentale en salle réverbérante et d’une partie
simulation.
PARTIE EXPERIMENTALE
Le système d’acquisition comporte une carte reliée à un PC et fonctionne avec le logiciel
Labview.
1. Niveaux de pression
Mesurez le niveau de pression du bruit de fond par bandes d’octave.
Mettez la source en marche, avec un niveau de puissance acoustique mesuré directement sur
l’amplificateur, de 75 dB en large bande jusqu’à 20 kHz. Cette valeur est choisie car on
dispose alors de mesures de référence pour la simulation sous Catt acoustics, à savoir le
niveau de pression en champ libre (chambre sourde) à 1m de la source (voir tableau 1).
Mesurez le niveau de bruit en chambre réverbérante, toujours par bandes d’octave.
Faites varier la position du microphone pour vérifier l’homogénéité du niveau de pression.
Relevez approximativement la position à chaque fois, pour les comparaisons avec la
simulation.
Reportez-vous à la notice Labview pour le détail des opérations
Octave (Hz)
Lp 1 m (dB)
champ libre
125
250
500
1k
2k
4k
8k
56,3
52,4
59,1
63,3
62,5
64,1
62,9
Tableau 1 : niveau de pression mesuré à 1m de la source en chambre sourde pour une
excitation large bande sur 20 kHz à un niveau de puissance de 75 dB.
2. Réponse impulsionnelle
Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour mesurer le temps de réverbération : mesure de
la décroissance du niveau de pression après arrêt de la source, réponse à une impulsion avec
un filtrage par octave qui peut avoir lieu à l’émission ou à la réception, … Comme il a été vu
dans la partie théorique, les indicateurs se calculent à partir de la réponse impulsionnelle.
C’est donc cette méthode qu’on choisira, avec une mesure sur toute la bande de fréquence et
un filtrage ultérieur de la réponse par octave, pour le calcul des paramètres. La fonction de
transfert source-récepteur est mesurée puis la réponse impulsionnelle calculée par
Transformée de Fourier inverse. Le principe de la mesure est le suivant (figure 1) :
Figure 1 : mesure de la réponse impulsionnelle
Un bruit blanc large bande est généré par Labview et envoyé sur la source placée à l’intérieur
de la salle. Ce même signal est repris en voie 1 du système d’acquisition tandis que la réponse
au microphone est reçue simultanément en voie 2. A partir de ces 2 signaux, on calcule la
fonction de transfert et ensuite sa TF inverse, donc la réponse impulsionnelle g(t). La mesure
doit se faire sur un temps assez long et avec une fréquence d’échantillonnage relativement
élevée. En effet, si on veut obtenir une réponse par bande d’octave jusqu’à 8 kHz, c’est à dire
en fait jusqu’à un peu plus de 11 kHz, la fréquence d’échantillonnage doit au minimum être le
double. Pour cette mesure elle a été fixée à 32678 Hz. D’autre part, la réponse impulsionnelle
correspond à la réponse à une impulsion générée par la source et reçue au microphone. Elle
est donc représentative des phénomènes de propagation dans la salle. Comme il s’agit d’une
salle réverbérante, on peut donc s’attendre à une réponse impulsionnelle de longue durée
(typiquement une dizaine de secondes en basses fréquences). Le calcul de la fonction de
transfert se fait à partir d’une moyenne des interspectres entre les 2 signaux E1 et E2. Il faut
donc pour que cette moyenne soit représentative, avoir un certain nombre d’échantillons
d’une dizaine de secondes. Ainsi on effectue une mesure d’environ 2mn.
Reportez-vous à la notice Labview pour le détail des opérations.
La réponse impulsionnelle est ensuite filtrée dans chaque octave (filtre Butterwoth du 6°
ordre) de 125 Hz à 8 kHz. Le temps de réverbération, et quelques indicateurs sont ensuite
déduits.
3. Mesures avec un matériau absorbant
Les mesures précédentes sont refaites après avoir introduit sur le sol de la salle un matériau
absorbant (mousse multicolore). Relevez approximativement la position de ce matériau, pour
les comparaisons avec la simulation.
La mesure des temps de réverbération permet d’accéder directement au coefficient
d’absorption du matériau en fonction de la fréquence. Ces données seront utiles pour la
simulation.
Lancer le programme cofab sous matlab après avoir mesuré l’aire de la surface absorbante.
SIMULATION
Les simulations sont effectuées avec le logiciel CATT-Acoustic®, qui utilise des méthodes de
calcul basées sur la théorie géométrique.
Lancer CATT
Ouvrir directement dans la barre de menu principale le fichier de configuration catt.prd
-
Pour la salle « vide », il se trouve dans le répertoire c:\allusr\tp_salles\salle_vide
Pour la salle avec matériau absorbant, il se trouve dans le répertoire
c:\allusr\tp_salles\salle_mousse
Dans le fichier de configuration sont stockées les informations permettant de fixer le cadre
des entrées-sorties du programme, ainsi que des paramètres de base (conditions
atmosphériques, bruit de fond, …)
La fenêtre ci-dessous apparaît également.
La modélisation de la géométrie de la salle a déjà été effectuée. Elle est stockée sous la forme
d’un fichier nommé MASTER.GEO, qu’on peut éditer en cliquant sur Geo_file. On
commencera par examiner le cas de la salle vide, sans matériau absorbant posé sur le sol. Les
parois présentent des propriétés d’absorption qui sont indiquées dans le fichier
MASTER .GEO, pour chaque octave de 125 Hz à 4 kHz. Les données à 8 ou 16 kHZ sont
extrapolées. Ces coefficients proviennent de mesures antérieures.
De même la source (SRC.LOC) et les récepteurs (REC.LOC) sont pré-définis et les fichiers
peuvent être édités par les commandes appropriées. Ces fichiers sont en fait des bibliothèques
qui peuvent contenir la définition de plusieurs sources ou récepteurs. Ceux qui seront
effectivement utilisés dans la simulation doivent être sélectionnés à l’intérieur du general
settings.
La source est omnidirectionnelle et les niveaux générés par cette source en champ libre à 1m
sont indiqués pour chaque octave. Les données proviennent de mesures effectuées en chambre
anéchoïque pour une excitation large bande jusqu’à 20 kHz avec un niveau de puissance
global de 75 dB, donc dans les mêmes conditions que la mesure en chambre réverbérante
effectuée pour le TP.
Des valeurs du bruit de fond ont été également introduites dans Acoustic environment.
La encore des mesures préalables ont permis de les définir. Elles sont évidemment
modifiables.
Fermez ensuite cette fenêtre pour revenir à la fenêtre prediction.
On peut visualiser la géométrie et les données du problème en sélectionnant uniquement
Geometry view/check puis en exécutant Save and Run
Différentes figures apparaissent, par exemple la géométrie globale:
La source est située dans le coin et les récepteurs (points de mesure de la pression) sont
visualisés par un numéro.
Procédez éventuellement à des changements de position de la source et des récepteurs en
fonction des mesures effectuées.
Une fois les données de base bien définies, on peut aborder le calcul de l’acoustique de la
salle en sélectionnant full detailed calculation. Les paramètres du calcul sont obtenus en
cliquant dans le petit bouton à droite.
Choisissez pour commencer un nombre de rayons par octave défini automatiquement.
Définissez un premier calcul assez court :
- un temps de calcul court (environ 1s)
- un seul récepteur
- une seule octave
- représentation de l’échogramme, de la décroissance
- pas de carte d’évolution des paramètres
Ces données seront évidemment à modifier en fonction des résultats que vous voulez obtenir.
De toutes façons un temps de calcul plus long sera nécessaire pour avoir des décroissances
convenables. Mais prenez le temps de vous familiariser avec le logiciel avant d’aborder des
calculs plus complets pour la comparaison avec les mesures.
Observez sur la réponse impulsionnelle le rayon direct (marqué d’un rond) puis les réflexions
successives. Comparez les niveaux de pression
Les résultats sont stockés dans un fichier intitulé PARAM_Axx.txt
Dans le cas où le matériau absorbant est présent, une partition de la surface au sol a été
effectuée. Le matériau présente un coefficient d’absorption mesuré auparavant, mais les
valeurs obtenues expérimentalement peuvent également être introduites.
Programmes LabVIEW pour le TP d’Acoustique des salles
1. Présentation de l’instrumentation
Le poste de travail est composé des éléments suivants :
• PC d’acquisition et de traitement des données
• Système d’acquisition PXI (PXI-1036) composé d’une carte d’acquisition
(PXI-4472) et d’une carte de génération (PXI-6733)
• Microphones
• Conditionneur pour microphones (Nexus)
• Commande source de bruit (amplificateur – générateur)
Figure 1 : Matériels d’acquisition, de génération de bruit et de traitement de données
1.1 Mise sous tension des appareils
Lors de la mise sous tension, il est important d’allumer le PXI avant le PC.
1.2 Configuration du conditionneur (Nexus) des microphones
Le microphone de la chambre d’émission (Type : 2669c, N° de série : 2377188) est
connecté sur la voie 1 et le microphone de la chambre de réception (Type : 2669, N° de série :
2534019) sur la voie 2 du conditionneur (Nexus). Lors de la mise sous tension, le
conditionneur reconnaît automatique le type de microphone et applique le coefficient de
sensibilité ″usine″ des microphones (mV/Pa) sur chaque voie (voie 1 : 45,843mV/Pa, voie 2 :
44,328mV/Pa).
1.3 Programmes sous LabVIEW
Trois programmes sous LabVIEW sont disponibles pour la réalisation du TP :
•
•
•
Etalonnage du microphone : Etalonnage Micro.exe
Analyse en bande d’octave : Analyseur par bande d’octave.exe
Génération et acquisition simultanée : Acoustique des salles.exe
Ces programmes utilisent un module d’acquisition PXI-1036. Une carte du type PXI6733 (dev1) permet la génération des signaux (excitation de la source) et une carte du type
PXI-4472 (dev2) l’acquisition des signaux (microphones). Ces deux cartes sont enfichées
dans le châssis PXI.
Remarque : il est recommandé de créer un répertoire par groupe.
2 Etalonnage des microphones
2.1 Procédure d’étalonnage
La marche à suivre est la suivante :
• Mettre en place le piston phone
• Lancer le programme Etalonnage Micro.exe
• Vérifier que la voie 2 (ai1) de la carte d’acquisition PXI-4472 (dev2) est
sélectionnée et que le BNC sortant du conditionneur Nexus (voie 1 pour le
micro de la salle d’émission ou voie 2 pour le micro de la salle de réception)
est connectée sur la voie 2 de la carte PXI-4472.
• Activer le bouton ETALONNAGE
La sensibilité (mV/Pa) du microphone ou le gain de l’ensemble
microphone/conditionneur est alors mesuré. La mesure s’effectue pendant la durée et à la
fréquence d’échantillonnage définie par l’utilisateur.
Figure 2 : Face avant du programme Etalonnage Micro.exe
2.1 Valeurs d’étalonnage
Lors du TP Acoustique des salles, on étalonne la chaîne d’acquisition complète
(microphone/conditionneur), on intègre dans l’étalonnage la sensibilité du conditionneur
(Nexus).
Les ordres de grandeur des gains sont les suivants :
• Gain du micro/conditionneur salle de réception, voie Nexus 2 : 994,61
• Gain du micro/conditionneur salle d’émission, voie Nexus 1 : 977,3
Ces valeurs dépendent des conditions atmosphériques du jour (pression, température,
humidité).
Rq : Il est possible d’imposer un gain de 1mV/Pa sur le conditionneur (Nexus), on
peut alors mesurer directement la sensibilité du micro (mV/Pa).
3 Analyseur par bandes d’octave
Ce programme permet la génération d’un bruit blanc, le conditionnement et
l’acquisition du signal d’un microphone. Le signal est visualisé en fonction du temps et dans
le domaine fréquentiel sous la forme d’un spectre par bandes d’octave. Les valeurs du spectre
peuvent être enregistrées dans un fichier.
3.1 Configuration Acquisition
Cet onglet permet la configuration de la voie 2 de la carte d’acquisition (Dev2/ai1) et
de la voie 1 de la carte de génération (Dev1/ao0). Le chemin et le nom du fichier de
sauvegarde sont également renseignés sur cette page. Si la commande de gestion du nom et du
chemin du fichier n’est pas renseignée sur cette page, ces informations seront alors
demandées à l’utilisateur lors de la phase d’enregistrement.
Figure 3 : Onglet ″Configuration Acquisition″
3.2 Analyse temporelle
Cette page permet de régler la fréquence d’acquisition ainsi que le nombre de points
par bloc. On peut également ajuster le niveau d’alimentation en tension (valeur par défaut
0,2V) de la commande de la source de bruit. Celle-ci peut être mise à zéro pour réaliser une
mesure du bruit de fond de la salle, ou pour utiliser une source extérieure.
Figure 4 : Onglet ″Analyse Temporelle″
3.3 Analyse fréquentielle par bandes d’octave
Cette page permet la visualisation du spectre cumulé par bandes d’octave du signal du
microphone. Il est important de renseigner la commande ″sensor sensitivity″ avec la valeur du
gain de l’ensemble microphone/conditionneur pour afficher les grandeurs physiques. Par
défaut le spectre s’affiche en dB, il est possible de visualiser le spectre en Pascal avec le
bouton ″dB on″. Le bouton ″restart averaging″ permet de relancer la moyenne. Le niveau
global en dB ou en Pascal du spectre (avec et sans pondération) est affiché. Lorsque que l’on
stoppe l’acquisition, les valeurs par bandes d’octave sont disponibles dans l’onglet ″Tableau
par bandes d’octave″. La sauvegarde de ces informations sur fichier est alors possible.
Figure 4 : Onglet ″Analyse Fréquentielle par bande d’octave″
Figure 5 : Onglet ″Tableau par bandes d’octave″
4. Acoustique des salles
Ce programme commande la carte d’acquisition (PXI-4472) et la carte de génération
(PXI-6733) du système PXI National Instruments (PXI-1036). Il permet la génération d’un
bruit blanc uniforme et l’acquisition de différents signaux pendant une durée avec une
fréquence d’échantillonnage données.
Le programme s’articule sur trois onglets, l’onglet ″Configuration Acquisition″ est le
même que pour le programme ″Analyse par bandes d’octave″. Le seul changement est le
nombre de voies d’acquisition. En effet, en plus de l’acquisition du signal du microphone sur
la voie 2 (Dev2/ai1) de la carte d’acquisition il faut acquérir sur la voie 1 (Dev2/ai0) de cette
même carte d’acquisition, le signal généré pour piloter la source de bruit.
4.1 Analyse temporelle
L’ajustement de la durée de manip est défini dans cette page (temps d’acquisition).
Les autres paramètres sont les mêmes que dans le programme décrit précédemment.
Les données temporelles sont enregistrées en ASCII (.txt) et peuvent ensuite être
traitées par un programme Matlab ″TPlab.m″.
Figure 6 : Onglet ″Analyse temporelle″
4.2 Analyse fréquentielle
Figure 7 : Onglet ″Analyse fréquentielle″
La fréquence d’échantillonnage est la même pour la génération et l’acquisition, la
valeur par défaut est fe : 32768Hz. Le bruit blanc balaye donc une gamme de fréquences
allant de 0 à fe/2.
5. Spécifications des cartes
5.1 Carte d’acquisition PXI-4472
Nombre de voies : 8 DI
Fréquence d'échantillonnage : 102.4 kéch./s/voie
Résolution : 24 bits
Échantillonnage simultané : Oui
Gamme maximale : -10..10 V
Nombre de gammes : 1
Conditionnement de signaux : Excitation de courant, Filtre anti-repliement
Carte 2: device 2 (dev2).
8 voies : analog input (ai0,ai1,…,ai7).
5.2 Carte de génération PXI-6733
Nombre de voies 8
Fréquence de mise à jour 1 Méch./s
Résolution 16 bits
Gamme maximale -10..10 V
Carte 1: device 1 (dev1).
8 voies : analog output (ao0,ao1,…,ao7).
Interface de traitement des données Labview : TPlab
Cette interface fonctionne sous Matlab.
Lancer Matlab TP
Se placer dans le répertoire où ont été stockées les acquisitions Labview.
Exécuter TPlab
1. Description de l’interface
Cette interface permet de calculer la fonction de transfert entre un signal émis et un signal
reçu à partir des signaux temporels acquis par Labview à la source et au microphone. On en
déduit ensuite la réponse impulsionnelle, puis les paramètres acoustiques de la salle.
Pour la faire fonctionner, il suffit de cliquer sur les boutons successivement, du haut vers le
bas, et de suivre les indications.
Le premier bouton sert à récupérer les données Labview et à les mettre dans un format
exploitable pour les calculs.
- 1er temps : récupération des signaux
Charger le fichier des signaux. Cette opération prend un temps relativement important.
-
2ème temps : récupération de la configuration liée à la mesure (fréquence d’échantillonnage
et de la durée de la mesure effectuée, …)
- 3ème temps : on enregistre les données nécessaires au calcul de la réponse
impulsionnelle
Le deuxième groupe de boutons concerne la fonction de transfert. Il permet de calculer la
fonction de transfert, de la tracer, de l’enregistrer dans un fichier ‘.mat’ de matlab, ou encore
de récupérer un tel fichier déjà enregistré lors d’un calcul précédent.
Le troisième groupe reproduit les mêmes types d’opérations pour la réponse impulsionnelle.
Le dernier groupe permet de calculer les paramètres à partir de la réponse impulsionnelle : le
temps de réverbération calculé sur une dynamique de 30 dB, la clarté à 50 et 80 ms, la
définition à 50 et 80 ms, et temps central. Sept figures sont tracées et correspondent chacune
à une octave. Les tracés représentent la décroissance du niveau sonore en fonction du temps.
On peut ensuite enregistrer les valeurs des paramètres dans un fichier texte en cliquant sur
enregistrer, pour les comparer avec celles obtenues par CattAcoustic.
Paramètres acoustiques mesurés pour la salle vide
A titre indicatif, voici les paramètres lorsqu’on introduit les panneaux de mousse
Paramètres acoustiques mesurés pour la salle avec mousse
Annexe : Description des calculs :
1 Fonction de transfert et Réponse impulsionnelle
La fonction de transfert est calculée grâce à la fonction ‘tfestimate’ de Matlab. Les
arguments sont : le signal émis par la source (noté C1 dans le prg), le signa reçu par le
microphone (C2), le nombre de points sur lequel la fonction est tracée (nfft) qui correspond
ici à un temps de 16s, et la fréquence d’échantillonnage sur laquelle la mesure a été faite (Fs).
La réponse impulsionnelle est la transformée de Fourier inverse de la fonction de
transfert. Elle est calculée avec la fonction ‘ifft’ de Matlab. Elle est ensuite filtrée
numériquement grâce aux coefficients préenregistré dans le dossier ‘filtres’. Les filtres sont
calculés grâce à la toolbox ‘fdatool’ de Matlab. Ce sont des filtres de Butterworth du sixième
ordre, et sont décrits par la norme ISO.
2. Les paramètres acoustiques
Ils sont calculés à partir des réponses impulsionnelles filtrées : sous forme linéaire
pour les clartés ; définitions, et pour le temps central, et sous forme logarithmique pour le
temps de réverbération. Chaque paramètre est donné par octave de 125Hz à 8000Hz.
.2.1 Temps de réverbération :
Deux méthodes sont utilisés pour effectuer le calcul du temps de réverbération. Les
deux calculs sont fait avec une dynamique de 25dB, le domaine allant de -5dB à -30dB. Ainsi
les temps de réverbération sont nommés TR25 en référence à cette dynamique. Selon la
norme, il vaut mieux avoir une dynamique de 30dB mais cela n’est pas possible avec les
mesures effectuées car le niveau sonore dans les basses ne semble plus décroître en dessous
de -30dB, et on prendrait alors le bruit de fond dans le calcul. On pourrait améliorer le
programme en utilisant une dynamique différente suivant si on se trouve dans les basses ou
dans les hautes fréquences, mais il faudrait pour cela faire auparavant plus de mesures pour
adapter correctement la dynamique.
Le premier temps TR25 est calculé grâce à la fonction G4 préprogrammé, puis une
intégration ‘trapz’.
Le deuxième temps TR25p est calculé à l’aide d’une interpolation linéaire des points
du niveau sonore sur la dynamique de 25dB. Le coefficient directeur de la droite
d’interpolation nous donne alors le temps de réverbération sur 60dB en faisant une règle de
trois.
Les deux méthodes doivent donner des résultats très proches. Si ce n’est pas le cas, il
faut refaire le calcul en modifiant la dynamique.
2.2 Clarté, définition, temps central
La définition théorique de ces valeurs repose sur des intégrales dont les bornes sont
nettes en théorie. Mais en pratique, il faut faire attention à prendre les bonnes bornes. Pour les
calculs, plusieurs bornes ont été envisagées avant de se rendre compte qu’il fallait prendre
comme origine des temps le temps auquel arrive le champ direct, c’est-à-dire le premier pic
d’intensité de la réponse impulsionnelle filtrée. Ce temps doit correspondre à la durée que met
l’onde à se propager de la source jusqu’au microphone. On doit donc retrouver la distance
entre les deux en multipliant la vitesse du son par ce temps. Ce premier pic est estimé selon la
norme ISO en enlevant 20dB du maximum de la réponse impulsionnelle.
Les autres bornes sont ensuite plus simples puisqu’il suffit de prendre 50 ms ou 80 ms en plus
à partir de cette nouvelle origine. La borne infinie est simplement la longueur des données.
CARACTERISTIQUES DE LA CHAMBRE REVERBERANTE
Salle d’émission :
Surface des parois : 155.3 m2
Volume : 128.7 m3
Salle de réception :
Surface des parois : 161.2 m2
Volume : 134.5 m3
Dimensions de l’orifice inter-salles : 1.90 m×1.90 m × 0.20 m
Hauteur de la salle : 4.45 m
4.8
4.6
émission
6.2
Ouverture 1.9×1.9
2
6.75
2
réception

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