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7.3 Propagation du son à l’extérieur

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7.3.1 Vue d’ensemble

La forme la plus simple de propagation du son correspond à une source ponctuelle placée dans de l’air immobile. Pour estimer la pression acoustique à un point de réception quelconque (lieu d’immission), seules « l’atténuation » de la puissance sonore sur la surface sphérique ainsi que l’absorption par l’air doivent être prises en compte. Toutefois, dans les situations réelles, des effets supplémentaires doivent pratiquement toujours être considérés: réflexions sur les surfaces périphériques (par exemple sol, construction, forêt etc.), végétation, courbure de la trajectoire du son suite à l’influence du temps, effet d’ombrage des obstacles etc.

7.3.2 Atténuation géométrique pour différents types de source

L’atténuation géométrique dépend du type de la source de bruit. Pour une source ponctuelle, la puissance acoustique se répartit sur une surface sphérique. L’intensité décroît avec le carré de la distance et la pression acoustique proportionnellement à la distance (voir figure 7.22).

Propagation du son d'une source ponctuelle
Fig. 7.22: Propagation du son d’une source ponctuelle

Si la source de bruit est linéaire (par exemple axe de trafic, file de véhicules), on a pour une source de longueur infinie:

Propagation du son d'une source linéaire
Fig. 7.23: Propagation du son d’une source linéaire

Pour une source plane d’étendue infinie, le niveau ne diminue pas quand la distance augmente.

En conséquence, les réductions du niveau de pression acoustique suivantes s’ensuivent pour un doublement de la distance (à l’exception du champ proche):

(7.17)

Comme en réalité les sources de bruit planes ou linéaires sont géométriquement délimitées, les réductions du niveau de pression acoustique pour des sources de dimensions finies doivent plutôt être déterminées d’après la figure qui suit. A partir d’une distance à la source déterminée, les sources sonores planes ou linéaires de dimensions finies se comportent comme des sources ponctuelles (–6 dB/doublement de la distance)! (voir Fig. 7.24)

En pratique par exemple, un véhicule à l’arrêt se comporte comme une source ponctuelle. Relativement au niveau instantanné ou au niveau maximal, des véhicules ou des avions en mouvement sont aussi des sources ponctuelles. Une ligne à haute tension générant des bruits dus à l’effet de couronne constitue un exemple de source linéaire. En ce qui concerne le niveau moyenl Leq, des sources ponctuelles en mouvement (voitures sur les routes, trains et avions) présentent aussi un comportement avec la distance identique aux sources linéaires. Dans le cas d’une grande façade d’usine qui dégage du bruit, on observe à proximité la caratéristique d’une source plane. Dans les calculs, les sources linéaires sont souvent traitées comme une succession de sources ponctuelles. Ceci est aussi possible pour les sources planes.

Aperçu de la décroissance du niveau de pression acoustique pour des sources ayant des formes différentes et pour une propagation dans un espace libre
Fig. 7.24: Aperçu de la décroissance du niveau de pression acoustique pour des sources ayant des formes différentes et pour une propagation dans un espace libre

7.3.3 Directivité d’une source

Le plus souvent les sources sonores ne rayonnent pas aussi fortement dans toutes les directions. Cet effet – quand il est connu – doit être considéré en fonction de l’angle solide par une correction de directivité DC. Quand la source est localisée près d’une surface périphérique, le niveau augmente selon la situation ce qui implique une correction supplémentaire:

Tab. 7.5: Correction de directivité

7.3.4 Amortissement par l’air

Au cours de sa propagation dans l’air, l’onde sonore perd une fraction constante de son énergie par unité de distance (elle est convertie en chaleur). L’absorption par l’air est influencée par la température ainsi que l’humidité et dépend fortement de la fréquence. Les hautes fréquences sont significativement plus atténuées. A grande distance on n’entend plus que les basses fréquences émises par les sources acoustiques. L’amortissement par l’air ∆Latm est:

(7.18)

Pour le bruit routier, l’amortisssement par l’air pondéré A vaut à peu près 5 dB/km.

7.3.5 Effet de sol

Dans de nombreux cas la propagation du son a lieu à proximité du sol. Une réflexion notable du sol se superpose alors au son direct. Ceci conduit, selon le déphasage temporel entre son direct et son réfléchi, à des interférences constructives ou destructives. La figure 7.25 montre la dépendance fréquentielle de l’effet de sol pour différentes situations. On y lit le rapport entre la pression acoustique au lieu de réception et la pression acoustique du son direct. Typiquement, pour de petites sources et de faibles hauteurs de réception, on observe une amplification de juste 6 dB pour les basses fréquences et un amortisement autour de 500 Hz.

Tab. 7.6: Dépendance fréquentielle de l’amortissement par l’air en fonction de la température et de l’humidité, en dB/km

Effet de sol pour une pelouse avec une source et un récepteur à 1 m du sol éloignés de 20 m, 50 m et 200 m
Fig. 7.25: Effet de sol pour une pelouse avec une source et un récepteur à 1 m du sol éloignés de 20 m, 50 m et 200 m [7.25]

7.3.6 Végétation

La propagation du bruit à travers une végétation dense est sujette à un amortissement par la végétation ∆Lfoliage principalement dû à la diffusion sur les troncs et les branches ainsi que sur les feuilles pour les hautes fréquences. Contrairement à ce que l’on pourrait attendre, des valeurs d’amortissement significatives ne sont atteintes qu’à partir d’une épaisseur de végétation de 20 m environ.

Bien que la plantation d’une haie ou d’une rangée d’arbres soit en grande partie inutile comme bouclier contre le bruit, l’écran visuel qui en résulte procure souvent un effet bénéfique pour le voisinage concerné.

Le tableau suivant (d’après ISO 9613-2) indique l’amortissement par la végétation selon la fréquence pour différentes distances traversées:

7.3.7 Ecrans acoustiques, obstacles

Des obstacles fixes qui interrompent le contact visuel entre la source et le récepteur, peuvent clairement amortir le bruit. Dans la lutte contre le bruit, des murs anti-bruit sont souvent construits pour protéger les récepteurs d’un bruit excessif.

Géométrie de la propagation du son autour d'un obstacle.
Fig. 7.26: Géométrie de la propagation du son autour d’un obstacle.

La nature ondulatoire du son implique une diffraction qui empêche d’atteindre un calme absolu à l’arrière de l’obstacle où l’on observe toujours une fraction plus ou moins importante de bruit. Plus la fréquence est basse, plus le bruit contourne librement l’obstacle pour parvenir vers la zone d’ombre géométrique.

On admet généralement que la part de bruit qui passe à travers l’obstacle est négligeable en comparaison avec la part diffractée. Ceci est le cas quand la masse surfacique de l’obstacle est supérieure à (10 – 20) kg/m2 environ.

Un traitement exact de l’effet d’écran ∆Lscreen n’est généralement pas possible. C’est pourquoi on se réfère dans ce cas à des formules d’approximation empririques.

Tab. 7.7: Dépendance fréquentielle de l’amortissement par la végétation

La réalisation pratique d’écrans acoustiques – par exemple contre le bruit du trafic routier – parvient typiquement à des amortissements allant de 5 à 12 dB. Un écran agit avec le plus d’efficacité lorsqu’il est placé au plus proche de la source ou du récepteur. Suite aux turbulences et inhomogénéités du milieu, l’effet d’écran maximal que l’on peut atteindre est limité. En général – selon la distance – on admet une limite supérieure de 20 à 25 dB. Dans les zones fortement exposées au bruit, des écrans d’une hauteur de 6 à 7 m sont réalisés. Lors de la construction il faut veiller à ce qu’aucune fente significative ne subsite sans quoi l’effet serait fortement réduit. En outre on doit prendre en compte que le bruit coutourne également l’obstacle autour des bords verticaux. Ce phénomène peut fortement réduire l’effet d’un obstacle vertical même de grande hauteur.

Dans certains cas il est approprié de réaliser des murs anti-bruit absorbants. De cette manière on parvient à un efet d’écran légèrement plus élevé (1 à 2 dB) et, avant tout, on évite une augmentation du niveau sonore par réflexion du côté face au mur.

Quelques règles du pouce en guise de résumé:

  • L’obstacle doit être suffisamment haut (interruption claire de la ligne de vision).
  • L’effet est d’autant meilleur que le détour à parcourir par le son est grand.
  • Ainsi l’obstacle agit d’autant mieux qu’il est positionné au plus proche de la source ou du récepteur.
  • L’obstacle doit être hermétique et suffisamment lourd (> (10 – 20) kg/m2).
  • Dans de nombreux cas on doit éviter que l’obstacle ne réfléchisse le bruit dans des directions non désirées en le couvrant d’un revêtement absorbant.

L’effet d’écran ∆Lscreen peut être éstimé selon ISO 9613 - 2 de la manière suivante:

(7.19)


Remarque:

Quand l’obstacle est tangent avec la droite reliant l’émetteur au récepteur, on a z = 0. L’obstacle provoque alors un amortissement d’environ 5 dB indépendamment de la fréquence. Quand la hauteur de l’obstacle devient encore plus petite, c’est-à-dire qu’elle ne fait que s’approcher de la liason directe, la valeur correspondante de z doit être comptée négativement.

7.3.8 Conditions météorologiques

A partir d’une distance d’environ (100 – 200) m entre la source et le récepteur, l’effet des conditions météorologiques doit aussi être considéré. On peut observer des situations où, par exemple, le niveau sonore au lieu d’immission est supérieur de quelques dB la nuit par rapport au jour.

Effet de la stratification en température de l'atmosphère sur la propagation du son
Fig. 7.27: Effet de la stratification en température de l’atmosphère sur la propagation du son (émetteur sphérique) par
a) gradient de température positif où les couches d’air proches du sol sont plus froides que celles situées au-dessus en raison du refroidissement radiatif (principalement par nuit claire) → déviation des rayons acoustiques vers les couches les plus froides.
b) gradient de température négatif où, durant le jour, la température de l’air diminue normalement avec la hauteur au dessus du sol → courbure des rayons acoustiques vers le haut → ombre acoustique.

La direction du vent et la stratification verticale de la température dans les couches d’air proches du sol provoquent, par effets de réfraction, des courbures qui « accentuent » ou « atténuent » la propagation du son.

Effet du vent sur la propagation du son dans une atmosphère stratifiée horizontalement suite à un gradient positif linéaire de la vitesse du vent
Fig. 7.28: Effet du vent sur la propagation du son dans une atmosphère stratifiée horizontalement suite à un gradient positif linéaire de la vitesse du vent (c’est-à-dire une augmentation linéaire idéalisée de la vitesse du vent avec la hauteur au-dessus du sol) et un écoulement laminaire.
a) coupe verticale
b) en plan (le son se propage plus vite dans le sens du vent et moins vite dans le sens contraire → contre le vent les rayons acoustiques sont incurvés dans des directions qui s’éloignent du sol. Dans des conditions turbulentes il faut compter sur des atténuations supplémentaires.)

7.3.9 Prédiction de la propagation du son selon ISO 9613 – 2

La norme ISO 9613 - 2 offre un modèle actuel empirique pour le calcul de la propagation du son d’une source ponctuelle jusqu’à un lieu d’immission. Les formules impliquées dans ce modèle peuvent être appliquées à l’aide d’une calculatrice ou d’un tableur. D’habitude le calcul se fait par tiers d’octave mais il est aussi possible pour le niveau global pondéré A. Dans la suite, seuls les éléments les plus importants sont énumérés.

Le niveau de pression acoustique Lp à une distance r d’une source sonore ayant une puissance acoustique LW se calcule comme suit:

(7.20)

Les réflexions consuisent à des chemins de propagation supplémentaires qui doivent être calculés. La taille des surfaces sur lesquelles se réfléchit le son est prise en compte dans le calcul. L’effet des conditions météorologiques est considéré au travers de ∆Lscreen selon ISO 9613 - 2. Quand un obstacle est considéré, on néglige l’amortissement par l’effet de sol ∆Lground.


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