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acoustique

(grec akoustikê tekhnê, science qui concerne l'ouïe)

Science qui étudie les propriétés des vibrations des particules d'un milieu susceptible d'engendrer des sons, infrasons ou ultrasons, de les propager et de les faire percevoir.

Les Grecs, avec Pythagore et ses disciples, étudièrent les hauteurs des sons suivant les longueurs de corde et établirent une gamme de notes. Les Chinois ont, eux aussi, trouvé les relations harmoniques entre les sons. Il fallut attendre le xvie s. pour trouver les bases du phénomène de la vibration sonore, avec F. Bacon, Galilée et Michael Stifel, qui introduisit la gamme tempérée (1544) ; puis Gassendi relia la hauteur des sons à la fréquence des vibrations, et l'abbé Marin Mersenne, dans son Harmonie universelle, donna la valeur des intervalles musicaux. Au milieu du xviie s., Otto von Guericke, R. Boyle, A. Kircher montrèrent que le son ne pouvait pas se propager dans le vide. Newton expliqua la propagation (1686), et Joseph Sauveur ébaucha la théorie des cordes vibrantes en s'appuyant sur la notion d'ondes stationnaires (1700). B. Taylor, D. Bernoulli, Euler, d'Alembert établirent la théorie mathématique pour les cordes, les barreaux, les cloches. Avec les travaux de Joseph Fourier (1822), l'analyse des sons les plus complexes devint possible. Helmholtz en fit la démonstration avec des résonateurs, expliqua le timbre des sons et établit une première théorie de l'audition. Doppler découvrit l'effet de modification de la fréquence d'un son produit par une source mobile. À la fin du xixe s., lord Rayleigh établit une théorie de la production, propagation et diffraction du son. La transformation des vibrations mécaniques sonores en oscillations électriques fut réalisée avec le phonographe d'Edison (1878), le téléphone de Bell (1876), le gramophone d'Emil Berliner (1887), le microphone à charbon de D. E. Hughes (1877), le magnétophone à ruban magnétique de V. Poulsen. H. Lioret donna les principes de l'enregistrement optique des sons. Langevin utilisa le quartz piézoélectrique pour la production et la détection des ultrasons. Les bases de l'acoustique des salles furent posées par W. C. Sabine en 1895, puis par G. Lyon en 1903. Les systèmes de repérage des objets dans l'eau, ou sonars, naquirent en 1917. Les études de psychoacoustique ont débuté avec la publication des Éléments de psychophysique de Fechner en 1860. La psychoacoustique et l'acoustique physiologique ont connu au cours du xxe s. un grand développement. E. G. Wever et Ch. W. Bray ont montré qu'un signal électrique est propagé par le nerf auditif (1930 et 1931). H. Davis a décrit les potentiels d'action nerveux, et, en 1932, Bekesy a étudié la perception des sons en bâtissant des modèles de l'oreille interne. Les progrès en électroacoustique ont assuré le développement des appareils producteurs, enregistreurs et reproducteurs du son.

On distingue fondamentalement l'acoustique physique, qui est l'étude des phénomènes vibratoires produits et propagés dans les différents milieux solides, liquides et gazeux, et l'acoustique psychophysiologique, qui étudie l'effet de ces vibrations sur l'homme. Les branches de l'acoustique sont nombreuses : acoustique architecturale, sous-marine, aéronautique, électroacoustique, acoustique musicale, etc.

L'acoustique architecturale

L'acoustique architecturale est un ensemble de techniques mises en œuvre pour maîtriser le son dans les bâtiments. Elle recherche les meilleures conditions d'audition par l'étude des formes et le choix des matériaux. L'isolation acoustique se développe parallèlement.

La maîtrise des sons et des bruits

Si les luthiers et les musiciens ont pour vocation de flatter les tympans en fabriquant ou en jouant des instruments aux consonances agréables, l'acousticien consacre son temps à se battre contre les sons indésirables. Le bruit est devenu l'une des principales pollutions du monde moderne. Le quart des maladies professionnelles est lié à l'excès de décibels sur le lieu de travail. De l'isolation phonique des appartements à celle de l'intérieur d'une voiture en passant par l'aménagement des bordures d'autoroutes, la protection contre le bruit demande d'abord des outils pour mesurer et analyser les sources de nuisance.

Mesure et analyse

Pour déterminer le niveau sonore d'un bruit, l'acousticien utilise un sonomètre. Le microphone de l'appareil recueille en un endroit donné les variations de pression acoustique de l'air et les compare à un niveau de référence correspondant au seuil de l'audition humaine. Le résultat s'affiche en décibels. Pour tenir compte de la sensibilité plus marquée de l'oreille à certaines fréquences qu'à d'autres, plusieurs types de filtres (A, B, C ou D), dits de pondération, sont utilisés pour corriger la mesure. On parle alors de dB(A), dB(B)…

Instrument plus sophistiqué, l'analyseur de spectre ne se limite pas à une mesure globale du bruit, mais le décompose en plusieurs bandes de fréquence. Dans l'industrie du bâtiment, il permet de noter les fréquences les plus gênantes de l'environnement extérieur, puis de choisir le matériau absorbant le mieux adapté. Pour optimiser la sonorisation d'un concert, l'ingénieur du son utilise également un analyseur de spectre. À chaque instant, il peut lire les niveaux sonores, des extrêmes basses aux notes les plus aiguës. Grâce à ces données, il corrige les éventuels défauts acoustiques de la salle en augmentant ou en diminuant le volume de telle ou telle fréquence.

La matière molle pour isoler

Une fois le bruit analysé, il existe deux méthodes, différentes mais complémentaires, qui utilisent les mêmes techniques pour le combattre : l'atténuer à la source ou le filtrer lorsqu'il est gênant. Le son se propageant d'autant mieux que le milieu est élastique, l'isolation fait appel à des matériaux facilement déformables ; c'est le cas du coton, de la laine de verre, du liège, du feutre ou du plomb. Au lieu de vibrer comme un élastique ou une barre d'acier, les isolants encaissent les variations de pression en se déformant ; ils affaiblissent le son d'autant plus efficacement qu'ils sont disposés en couche épaisse.

Pour réduire le bruit d'une machine, des tapis de feutre, placés aux endroits clés où les bruits se transmettent, peuvent être particulièrement efficaces. Dans un appartement, un tapis sous le piano atténuera largement la résonance sur le parquet et la gêne ressentie par les voisins. Ce type de protection par panneau absorbant ne fonctionne pas pour toutes les fréquences. Les bruits graves, les plus gênants, ont une fâcheuse tendance à traverser les parois poreuses sans s'affaiblir de manière significative. Pour les filtrer, on fait souvent appel à des pièges à sons : c'est le principe du sas ou de la double-fenêtre. En multipliant les cavités d'air fermées entre le bruit et les oreilles, on atténue d'autant sa propagation.

Contrôler l'acoustique des salles

L'acoustique architecturale ne se réduit pas systématiquement à la chasse aux nuisances. Elle intervient aussi dans la conception des salles de spectacle, des amphithéâtres ou des salles de séjour afin de leur donner de bonnes caractéristiques sonores. Comme tout volume d'air clos, les pièces ont une fréquence de résonance. La première tâche de l'acousticien consiste à en calculer les dimensions pour que leurs fréquences propres soient situées en dehors du champ de l'audition humaine, en général dans le domaine des infrasons. Les trains et les métros, qui produisent des fréquences de ce type, font souvent trembler les maisons du voisinage lorsqu'une isolation spécifique n'a pas été prévue.

La deuxième tâche de l'architecte acousticien consiste à contrôler le temps de réverbération de la salle qu'il doit traiter. À l'extérieur, les sons se dispersent dans l'air. Entre quatre murs, ils se réfléchissent d'autant mieux que les parois sont lisses et d'autant plus longtemps que la pièce est grande. La réverbération du son dans les églises illustre bien ce phénomène. Dans une salle de concert ou de congrès, les diverses réflexions des sons sur les murs doivent être amorties, pour conserver la bonne intelligibilité des paroles ou de la musique. Une fois calculés le temps et le taux de réverbération souhaités, l'acousticien place différents matériaux absorbants à des endroits précis des parois et du plafond.

Comme le luthier qui fabrique un violon, le sonorisateur qui égalise les fréquences pendant un concert ou l'ingénieur du son qui prend soin d'enregistrer les musiciens au volume optimal, l'acousticien en revient au même problème : éliminer les bruits indésirables ou dompter certaines de leurs composantes ; pour ce faire, il compose avec les lois de la mécanique des ondes et avec les particularités physiologiques de l'oreille humaine.