Evaluation de la performance acoustique des protections antibruit innovantes utilisant des moyens naturels

Mesures sur modèle réduit conformément à la norme CEN/TS 1793-5:2003

Dans cette section, nous présentons une idée originale qui consiste à transposer la norme de la mesure in-situ CEN/TS 1793-5 :2003 à l’échelle réduite en utilisant les mêmes techniques de mesure dans la norme. Le principal avantage de la mesure sur modèle réduit est de mieux contrôler les paramètres environnementaux. Nous proposons de développer un dispositif expérimental de mesure sur maquette (figure 3.12) dans une chambre quasi anéchoïque (centre des maquettes, CSTB, Grenoble). Nous utilisons les mêmes techniques de mesure insitu (méthode impulsionnelle, filtrage temporel, etc). Le sol est simulé par des panneaux de bois agglomérés. La source sonore est présentée par un tweeter dont les fréquences reproduites sont comprises entre 2000 et 20000 Hz. Les capteurs utilisés sont des microphones demi-pouce de type Bruël & Kjaer 4133. L’acquisition est réalisée avec un système impulsionnel développé par Brüel&Kjaer. Les études de validation sont effectuées, pour s’approcher au mieux des propriétés acoustiques des gabions à l’échelle réelle, en comparant les niveaux de bruit obtenus en utilisant le modèle à l’échelle réduite avec ceux des calculs numériques à l’échelle réelle. Les résultats des mesures ont montré que la réduction de la taille des cailloux par 10 permet d’obtenir une grande similitude en dessous de 2 kHz à l’échelle réelle (20 KHz à l’échelle réduite) (figure 3.13). La méthode de modélisation numérique d’écrans en gabions par la BEM est présentée dans la section 3.2. Par conséquent, le facteur d’échelle choisi pour les mesures sur modèle réduit est de 10. Le rapport entre les dimensions géométriques divisées par le facteur d’échelle et la longueur d’onde du son est conservé lors du passage à échelle réduite. Pour cela, la gamme des fréquences étudiée est multipliée par le facteur d’échelle. La granulométrie des cailloux utilisés pour construire le mur antibruit en gabions à l’échelle réduite est 0,7/1,5 cm. La porosité équivalente des gabions est de l’ordre de 40% pour les deux campagnes de mesure in-situ et à l’échelle réduite. Cette porosité était déterminée par une méthode simple qui consiste à mesurer le volume total Vt d’un échantillon de cailloux rempli d’eau et le volume d’eau Ve obtenu après l’enlèvement des cailloux. La porosité équivalente est alors le rapport entre Ve et Vt. Il est également à noter que la température dans la salle des maquettes est un paramètre qui peut influencer les résultats de mesure; il est contrôlé pendant le processus de mesurage. Figure 3.12. Dispositif expérimental de mesure sur modèle réduit à l’échelle un dixième des propriétés intrinsèques de l’écran acoustique en gabions. Figure 3.13. Perte par transmission de l’écran acoustique en gabions. Simulation numérique à l’échelle réelle par la BEM : ligne continue, mesure à l’échelle de 1/10ème : ligne pointillé. Les résultats de deux campagnes de mesure sont comparés dans cette section pour les deux tests en réflexion et en transmission. Les propriétés acoustiques d’absorption et de transmission du mur antibruit en gabions sont déterminées par les deux indices de réflexion (RI) et d’isolation acoustique (SI). La comparaison de ces deux indices en fonction de la fréquence pour les deux types de mesure est présentée en figure 3.14. Pour les courbes de RI, les deux courbes ont la même allure et l’accord est acceptable. Le décalage de fréquence entre les deux courbes s’explique probablement par la différence de la rugosité de surface du côté des sources sonores entre les deux échelles de mesure. L’indice unique de réflexion DLRI vaut 4 dB et 5 dB pour les mesures à échelle réduite et à l’échelle réelle, respectivement. Pour les courbes de SI, il y a un bon accord entre les résultats. L’indice unique d’isolation acoustique   vaut respectivement 19 dB et 20 dB pour les mesures à l’échelle réduite et à l’échelle réelle. Globalement, l’accord est satisfaisant entre les résultats de deux campagnes de mesure. Cela montre que nous pouvons mesurer la performance acoustique de murs antibruit de formes complexes sur modèle réduit en utilisant la norme de mesure in-situ CEN/TS 1793-5. Figure 3.14. Indice de réflexion (a) et indice d’isolation acoustique (b) en fonction de la fréquence: comparaison entre les mesures in -situ (ligne continue) et les mesures sur maquette (ligne pointillée). Dans les deux dernières sections, nous avons évalué expérimentalement la performance acoustique d’un écran antibruit en gabions. Nous avons effectué deux campagnes de mesure in-situ et sur modèle réduit, en se basant sur la norme européenne CEN/TS 1793-5, pour quantifier ses pertes par réflexion et par transmission. Concernant le filtrage temporel des réponses impulsionnelles, nous avons ajusté la largeur de la fenêtre temporelle pour les différents points de mesure en réflexion et en transmission. Cela a été réalisé, en se basant sur un calcul géométrique, pour séparer les différentes composantes de la réponse impulsionnelle et essentiellement pour s’affranchir de l’effet de sol. Toutefois, à cause de la largeur limitée de la fenêtre d’analyse, on augmente la limite inférieure de fréquence et surtout on risque de ne pas prendre en compte l’énergie des ondes acoustiques qui peuvent parcourir des longs trajets à l’intérieur d’un écran en gabions très épais avant d’atteindre le microphone. Cela est bien remarqué en regardant les différentes réponses impulsionnelles obtenues (figures 3.6 et 3.10) où une quantité d’énergie est captée par le microphone après la réception de la composante réfléchie sur le sol ou celle diffracté par le sommet de l’écran. Bien que la norme CEN/TS 1793-5 ait été développée pour tester tout type d’écran acoustique, nous avons constaté qu’elle devient limitée dans le cas des écrans épais et hétérogènes tels que les écrans en gabions. Par conséquent, nous proposerons dans la section suivante une nouvelle méthode de mesure in-situ adaptée aux écrans épais et tout autre type d’écrans. 

Nouvelle méthode de mesure in-situ adaptée aux écrans épais

L’objectif de cette méthode est de concevoir d’autres configurations de mesure permettant d’avoir un fenêtrage temporel le plus large possible afin de contenir le maximum d’énergie acoustique sans être gêné par l’effet de sol ou l’effet de la diffraction.  La première idée dans notre méthode est de positionner la source sonore (haut-parleur) sur un sol rigide pour les deux tests en réflexion et en transmission. Cela permet de s’affranchir de l’effet de sol puisque le phénomène d’interférence est annulé à cause d’une différence de marche très faible ainsi que toute absorption par effet de sol. De cette manière, les fenêtres temporelles appliquées aux signaux réfléchis par l’écran pourront être très élargies. L’idée de placer la source sur le sol présente aussi un cas réaliste du bruit de trafic routier. En effet, cela permet de simuler le bruit de roulement des véhicules, bruit largement dominant dès que la vitesse dépasse 50 km/h. Les configurations conçues dans cette section sont données en figures 3.15 et 3.16 respectivement pour les tests en réflexion et les tests en transmission. Figure 3.15. Nouveau dispositif expérimental de mesure de la perte par réflexion des gabions antibruit. À gauche : configuration en présence de l’écran en gabions ; à droite : configuration de référence. Figure 3.16. Nouveau dispositif expérimental de mesure de la perte par transmission des gabions antibruit. À gauche : configuration en présence de l’écran en gabions ; à droite : configuration de référence. Pour les tests en réflexion (figure 3.15), la source est placée à 2 m de l’écran en gabions. Ceci présente une distance réaliste séparant une voie routière et un écran acoustique. Concernant le positionnement des points récepteurs, nous cherchons à trouver l’emplacement du microphone qui permet d’avoir une différence de marche supérieur ou égale à 3 m entre le rayon direct et le rayon réfléchi. L’objectif de cet emplacement est d’éloigner suffisamment la composante réfléchie sur l’écran en gabions de celle reçue directement de la source sonore. En effet, dans la méthode de mesure in-situ selon la norme CEN/TS 1793-5, la solution pour éloigner les réflexions parasites consiste à rapprocher le microphone le plus possible de l’écran à tester. L’inconvénient de cette solution est que le signal incident et le signal réfléchi se rapprochent et ne peuvent plus être séparés par une fenêtre temporelle de largeur suffisante. La technique de soustraction a été proposée pour pallier cet inconvénient. La principale contrainte de cette technique est que pour reproduire le signal incident avec une bonne précision, 2.5 m 2 m 1.1 m 2.5 m S R1 R2 R3 R4 R5 Sol rigide Gabions S’ Source image 2.5 m 2 m 1.1 m 2.5 m S R1 R2 R3 R4 R5 Sol rigide Écran virtuel rigide 1 m 1.1 m 1.5 m S R5 R4 R3 R2 R1 Gabions Sol rigide 0.25 m 2.35 m 1.5 m S R5 R4 R3 R2 R1 Sol rigide 

Évaluation expérimentale de la performance acoustique des protections antibruit en gabions 

il est nécessaire de conserver un emplacement relatif de la source et du microphone parfaitement identique entre les deux mesures. Avec la conservation d’une différence de marche supérieure ou égale à 3 m entre le signal direct et le signal réfléchi par l’écran, il est donc facile de séparer les deux signaux. La fenêtre d’analyse est donc appliquée directement à la composante réfléchie de la réponse impulsionnelle. Concernant les points récepteurs, si on les positionne sur une ligne verticale au-dessus de la source, la différence de marche, déterminée par un calcul géométrique, diminue lorsqu’on monte en altitude. Pour maintenir une différence de marche de 3 m pour tous les points récepteurs, nous avons donc cherché, pour chaque point récepteur, les points d’intersection de deux cercles dont le rayon de l’un est supérieur au rayon de l’autre par 3 m. Le point cherché est celui qui se situe dans le demi-plan supérieur du cercle (figure 3.17). Les équations de deux cercles permettent d’obtenir une équation du second degré dont l’une de deux solutions est la position du point récepteur cherchée. Le premier cercle est de centre S(0,0) et de rayon SR où S est le point source et R est le point récepteur. Le deuxième cercle est de centre S’(- 4,0) et de rayon S’R où S’est le point source image. SR présente le rayon acoustique direct et S’R présente le même trajet du rayon réfléchi sur l’écran en gabions. Pour trouver les positions de cinq points récepteurs, nous avons choisi aléatoirement cinq valeurs de SR et S’R tels que S’R-SR=3. Les positions de cinq points récepteurs sont données dans le tableau 3.3. Figure 3.17. Intersection de deux cercles permettant de trouver la position du point récepteur pour une différence de marche entre SR et S’R égale à 3 m. Tableau 3.3. Positions de cinq points récepteurs dans la configuration de mesure en réflexion. Pour déterminer la perte par réflexion de l’écran en gabions, les signaux réfléchis par ce dernier seront comparés à ceux réfléchis par un écran de référence droit et rigide situé à la même position de l’écran en gabions. Pour cela, nous utilisons la méthode des sources images où le champ réfléchi par la surface rigide de l’écran de référence peut être approximé par le champ direct issu d’une source équivalente (figure 3.15). Cette approximation reste valable si la hauteur de l’écran est supérieure à la longueur d’onde étudiée. Une deuxième série de mesures, pour les différents points récepteurs, est donc effectuée au-dessus d’un sol rigide en présence de la source S’ et en absence de l’écran en gabions. Pour les tests en transmission (figure 3.16), nous avons placé la source à 1 m de l’écran en gabions. Une ligne de récepteurs est placée à 0,25 m derrière l’écran. Les récepteurs sont espacés par 0,3 m et montent jusqu’à une altitude de 1,5 m. Ceci permet d’éloigner la composante diffractée par le sommet de l’écran de celle transmise à travers l’écran afin d’avoir un fenêtrage temporel le plus large possible. La largeur minimale de la fenêtre d’analyse, déterminée suite à un simple calcul géométrique, est de 12 ms. La limite inférieure de fréquence dans ce cas est de 83 Hz. Pour déterminer la perte par transmission de l’écran en gabions, les signaux transmis à travers ce dernier seront comparés à ceux reçus directement en absence de l’écran en gabions (voir figure 3.15).

Mesures de la perte par réflexion

Le dispositif expérimental pour la mesure de la perte par réflexion selon la nouvelle méthode est présenté en figure 3.18. Pour simuler un sol rigide, des panneaux de bois agglomérés de 2 cm d’épaisseur sont utilisés dans cette campagne de mesure. Figure 3.18. Dispositif expérimental de mesure de la perte par réflexion des gabions antibruit. À gauche : configuration en présence de l’écran en gabions ; à droite : configuration de référence. Il est à noter que le microphone a été placé de telle manière que l’énergie rediffusée par le haut-parleur, après la réflexion du signal émis sur les gabions, arrive au microphone sur un angle de 180°. Comme la directivité du microphone augmente pour cet angle et puisque les dimensions du haut-parleur sont faibles par rapport aux celles de l’écran en gabions, l’énergie rétrodiffusé par le haut-parleur et captée par le microphone est très faible. Cela permet donc de s’affranchir des réflexions parasites qui peuvent perturber la réponse impulsionnelle reçue par le microphone. Pour s’assurer que la rétrodiffusion par le haut-parleur n’influe par sur la qualité des résultats finaux, nous avons effectué une simulation numérique avec le code de calcul BEM (utilisé dans la section 3.2 de ce chapitre) en deux dimensions. Nous avons calculé le champ de pression au niveau des points récepteurs pour deux cas. Pour le premier cas, nous modélisons un point source, donc nous ne tenons pas compte des dimensions de la source. Pour le deuxième cas, un petit obstacle réfléchissant est modélisé à 1 cm derrière le point source pour se rapprocher du cas du haut-parleur. Dans une première étape, les champs de pression calculés pour les deux cas sont transformés en des signaux temporels par une transformée de Fourier inverse. Dans une deuxième étape, les composantes réfléchies par l’écran ont été fenêtrées avant de passer de nouveau au domaine fréquentiel par une transformé de Fourier pour obtenir les niveaux de pression du champ réfléchi pour chaque cas. En figure 3.19, nous montrons la variation de ces niveaux de pression en fonction de la fréquence. Nous constatons donc que les dimensions du haut parleur influent très légèrement sur les résultats fréquentiels finaux. La différence du niveau global entre les deux spectres ne dépasse pas 0,2 dB(A). Cela permet dans la suite de cette étude de présenter les résultats des mesures avec des faibles valeurs d’incertitude. Figure 3.19. Niveaux de pression du champ réfléchi par l’écran en gabions déterminés par la BEM. La courbe en bleu est pour le cas où les dimensions du haut-parleur ne sont pas prises en compte et la courbe en noir est pour le cas où les dimensions du haut-parleur sont prises en compte. La caractérisation de l’absorption acoustique de l’écran acoustique en gabions est faite dans cette section en calculant la perte par réflexion RLj en fonction de la fréquence (en bandes de tiers d’octave j ∆f ). Elle est donnée par la moyenne logarithmique des pertes par réflexion mesurées aux cinq points récepteurs: , , 5 ( ) 1 ( ) 1 10 5 10 1 10log 0 réf i GB i j j f j L L i f i RL ∆ ∆ = =     =         E E (3.8) où , ( ) réf i j L f ∆ est le niveau de pression acoustique, au point récepteur i et pour la bande du tiers d’octave j ∆f , pour la configuration de référence; , ( ) GB i j L f ∆ est le niveau de pression acoustique, au point récepteur i et pour la bande de tiers d’octave j ∆f , pour la configuration en présence de l’écran acoustique en gabions. Ces niveaux sont obtenus par une transformée de Fourier des signaux temporels. La perte par réflexion globale RLA en dB(A) est obtenue  après la pondération des coefficients de réflexion RLj en fonction du spectre sonore du trafic routier défini dans la norme EN 1793-3 [135] donnant le niveau Lj pour la bande de tiers d’octave j. Nous présentons en figure 3.20, pour le récepteur R1, les réponses impulsionnelles reçues pour la configuration en présence de l’écran en gabions et pour la configuration de référence. Les réponses impulsionnelles obtenues pour les cinq récepteurs sont présentées en annexe B. Pour la configuration en présence de l’écran en gabions, le signal réfléchi arrive presque après 9 ms du signal direct. Le signal réfléchi est donc fenêtré directement sans soustraire de la réponse impulsionnelle un signal identique au signal direct. La durée de la composante réfléchie est beaucoup plus grande que celle du signal direct. En effet, la différence de marche entre un signal réfléchi sur la face de l’écran côté source et un signal réfléchi sur la face de l’écran côté récepteur après la propagation de l’onde dans les gabions est égale à deux fois la largeur de l’écran en gabions. Des signaux réfléchis sont retardés par rapport à d’autres aussi à cause de la nature hétérogène et poreuse des gabions où les ondes peuvent parcourir des longs trajets à l’intérieur des gabions avant d’atteindre le récepteur. Figure 3.20. Tests en réflexion : réponses impulsionnelles reçues, pour le point récepteur R1, pour la configuration en présence de l’écran en gabions (graphique de gauche) et pour la configuration de référence (graphique de droite). Afin de vérifier l’utilité de notre nouvelle méthode de mesure, on montre en figure 3.21 la variation de la perte par réflexion de l’écran en gabions en fonction de la fréquence pour différentes largeurs de la fenêtre d’analyse. Pour chaque spectre, la valeur de la perte par réflexion globale en dB(A) est donnée en légende. Nous constatons bien l’influence du fenêtrage appliqué sur les résultats finaux. Pour la plupart des bandes de tiers d’octave, plus la fenêtre d’analyse est large, plus la perte par réflexion est faible. Les valeurs de la perte par réflexion globale en dB(A) montre que nous pouvons surestimer l’absorption de l’écran en gabions si la fenêtre d’analyse n’est pas assez large. En effet, en augmentant la largeur de la fenêtre d’analyse, nous incluons plus d’énergie acoustique captée par le microphone dans le signal fenêtré avant de passer au domaine fréquentiel via une transformée de Fourier. La durée du signal fenêtré doit être aussi suffisamment longue dans notre cas afin de capturer l’énergie relative à l’ensemble des fréquences étudiées. En effet, les diverses composantes fréquentielles  des ondes acoustiques auront à l’intérieur des gabions des parcours moyens de longueurs différentes provoquant ainsi un étalement temporel de la composante réfléchie de la réponse impulsionnelle. En analysant les différentes courbes de la perte par réflexion en figure 3.21, nous constatons que ce sont principalement les basses et les moyennes fréquences qui ne sont pas prises en compte à cause de la faible durée de la fenêtre d’analyse. Il est à noter que la convergence des résultats est assurée à partir d’une durée de fenêtrage de 20 ms. Au delà de cette durée, la variation de la perte par réflexion globale ne dépasse pas 0,05 dB(A). En effet, les signaux qui atteignent le microphone après cette durée sont très atténués et ne provoquent pas une augmentation des niveaux de pression acoustique.