Le son…

Les ondes sonores
La première chose à savoir est de quoi est fait le son. C’est le phénomène audible engendré par la vibration de molécules dans un milieu élastique. La plupart des matériaux tels l’air, l’eau, l’acier, le bois, le béton, possède des propriétés élastiques. Cette vibration représente une énergie. L’énergie sonore ne se déplace pas: elle se propage. Si elle se déplaçait dans l’air, ça ferait du vent. Le son se sert des molécules comme support de propagation. Leur parcours est restreint. Chaque molécule transmet son mouvement à la molécule voisine qui le transmet à la suivante, et ainsi de suite.

Mouvement des molécules induit par le déplacement d’une membrane. Pour simplifier le dessin, la membrane se déplace dans un seul sens. Un mouvement vers la gauche produirait une vague vers le bas.

Il est donc impropre de parler de la vitesse du son. On préférera le mot célérité. La célérité du son dans l’air à 20°C est 344m/s.
L’oscillation des molécules engendre une légère variation de la pression atmosphérique qui se matérialise par une succession de fronts de haute et de basse pression appelés ondes.

La hauteur des perturbations s’appelle l’amplitude, et la distance qui sépare deux crêtes (ou deux creux) correspond à la longueur d’onde. La vitesse de propagation des ondes est la célérité et la quantité d’ondes produites par seconde s’appelle la fréquence.

Une onde est une perturbation en mouvement.
Observons un morceau de liège à la surface d’une eau calme. La hauteur de l’eau peut être comparée à la pression atmosphérique et le bouchon de liège à une particule d’air. Le jet d’une pierre dans l’eau perturbe l’équilibre de la surface et crée des ondes qui se propagent en cercles concentriques. Seules, les ondes se propagent, le bouchon oscille mais il ne de déplace pas, l’eau non plus.
Dans un espace tri-dimensionnel comme l’air, le son se propage de la même façon mais en sphères concentriques. L’énergie propagée s’affaiblit proportionnellement avec carré de la distance. A cela, on peut ajouter les pertes par friction des molécules.

La phase
Il est essentiel de bien assimiler la notion de phase pour comprendre le fonctionnement et l’importance des réflexions dans un espace acoustique.
Les ondes ont pour forme une succession de minima et de maxima de pression. La phase exprime la relation angulaire entre deux ondes de même fréquence. L’angle de phase identifie la position temporelle d’une onde par rapport à l’autre.
Lorsque deux ondes se rencontrent leurs énergies se combinent, on dit qu’elles interfèrent.
Quand deux ondes de même nature sont en phase, leurs énergies respectivent se cumulent. Quand la phase est opposée, les énergies se retranchent et parfois s’annulent. Toutes les valeurs intermédiaires sont possibles.

Isolation et niveaux sonores.
L’oreille humaine peut accepter des écarts de pression acoustique, autrement dit de niveau sonore, considérables.
Entre le seuil d’audition et le seuil de douleur on observe un écart de pression de 1 pour 1.000.000.000.000. Oui, vous avez bien lu, 1012 ou mille milliards ! Pour rendre l’expression des niveaux sonores plus commode on a créé une échelle logarithmique dont l’unité est le décibel (abréviation : dB). La plage utile s’étend de 0 à 120 dB.
On mesure le niveau sonore avec d’un sonomètre (ou décibel-mètre). Pour que le niveau mesuré soit proche de ce que nous entendons, le sonomètre inclut généralement un filtre de pondération destiné à simuler les non-linéarités de l’oreille. Si la courbe de pondération est nommée A (il en existe plusieurs), on mesure des dBA.
Pour avoir quelques repères, sachez que le bruit résiduel ambiant dans une chambre calme la nuit, est environ 18dBA à la campagne et 27dBA en ville. Une conversation entre 2 personnes dans un bureau génère 55dBA, tandis qu’un marteau piqueur ou une batterie à 1 mètre produit 110dBA.
La relation qui existe entre la variation de l’énergie sonore et le niveau ressenti est souvent difficile à assimiler. Par exemple, pour augmenter de 10dB le niveau sonore d’un ampli de 10 watts, il faudra 100 watts. La sensation auditive de cette différence est celle d’un son deux fois plus fort.
Autre notion méconnue: une variation de 3dB correspond à une augmentation ou une diminution de 50% de l’énergie sonore. Quelle perception en avons nous?
Prenons pour exemple, un mur qui isole de 42dB soit une atténuation de 16000. Pour notre oreille, cela correspond à une atténuation de 94.56%. Le son résiduel est encore audible car nous avons vu que l’oreille fonctionne sur une très grande plage de niveaux. Si on double l’affaiblissement, on passe à 45dB, soit une atténuation de 32000 et 95,56% pour l’oreille. La quantité d’énergie transmise a bien diminué de 50% mais l’écart de la sensation sonore est seulement de 1%, donc parfaitement indécelable.
Ceci explique pourquoi un mur qui isole de 50dB, soit 100.000 fois moins fort, permet encore d’entendre la TV du voisin. A ce titre, méfiez vous des publicités qui vantent les performances de matériaux d’isolation exprimées en pourcentage de l’énergie sonore (50% = 3dB).
Propagation du son à travers les murs
Quand une onde rencontre un obstacle, son énergie est réfléchie, absorbée ou transmise.
Une partie de l’énergie incidente est réfléchie et
renvoyée dans la pièce. Cette partie va produire toute une série de perturbations sonores plus ou moins désirables (résonances, réverbération, échos).
Une autre partie de l’énergie est absorbée.
Elle disparaît en se transformant en chaleur.
Rassurez-vous, la quantité de chaleur produite est très faible.
L’énergie résiduelle est transmise à travers l’obstacle 
ou la paroi. C’est elle qui va fâcher vos voisins.
La transmission n’est pas directe. Une fraction importante se propage dans les murs, sol et plafond avant d’émerger, souvent beaucoup plus loin.
Absorption

Certains matériaux absorbent davantage l’énergie que d’autres. Les surfaces lisses et rigides absorbent très peu et renvoient dans la pièce la majeure partie de l’énergie sonore. Ce sont des surfaces réfléchissantes (vitres, carrelage, plâtre, béton lisse).

Les matériaux poreux ou fibreux sont très absorbants. Les mousses et les laines minérales sont couramment utilisées pour la correction acoustique.
Remarque : pour qu’une mousse absorbe, il faut qu’elle soit faite de milliers de cellules ouvertes et communicantes. La densité des cellules, leur diamètre et la souplesse du matériau sont des facteurs déterminants.
Il ne faut pas confondre isolation et absorption. Les matériaux absorbants isolent plutôt mal. Ce n’est pas leur rôle. Il ne sert à rien d’appliquer de la laine de verre sur les murs pour s’isoler de son voisin.
La fréquence d’absorption est déterminée par l’épaisseur du matériau. Pour absorber les graves, le matériau doit être épais.
Le calcul est simple: sous incidence normale, l’absorption commence à une fréquence égale au quotient de la célérité du son par 4 fois l’épaisseur du panneau.

f = 344/4e

Ainsi un panneau de 8,6cm d’épaisseur sera efficace à partir de 1000Hz et au delà. On peut contourner partiellement ce paramètre en laissant un espace vide (appelé plénum) entre le mur et le panneau. Dans ce cas l’épaisseur à prendre en compte est celle du panneau + plénum.
On peut aussi absorber les fréquences basses en utilisant les propriétés mécaniques d’une membrane ou la colonne d’air d’une cavité (résonateurs,  bass-traps). En soufflant près du goulot d’une bouteille, vous entendez la vibration de l’air dans la bouteille. Le phénomène inverse permet de capter les sons et de les étouffer.
Le pouvoir absorbant des matériaux varie de 0% à 100%. Le physicien Wallace C.Sabine a donné une unité d’absorption portant son nom, dont découle un coefficient par unité de surface, l’alpha-Sabine (aS), dont la valeur est comprise entre 0 et 1.
aS correspond à une absorption par mètre carré nulle, tandis que 1 aS correspond à une absorption infinie, (une fenêtre ouverte sur l’extérieur, par exemple).
Sur les documentations commerciales, vous trouverez fréquemment des coefficients d’absorption supérieurs à 1. Ceci correspond à une norme et une méthode de mesure en chambre réverbérante où l’on considère, entre autres, que l’angle d’incidence est à la fois variable et multiple. Les valeurs obtenues avec cette méthode restent comparatives et ne sont pas directement exploitables par les logiciels de modélisation acoustique.
Réflexion
La réflexion des ondes sonores est la cause des échos, de la réverbération, des résonances et de diverses interférences. Elle se présente sous deux formes principales: la réflexion spéculaire et la réflexion diffuse.
La réflexion est dite spéculaire quand elle se comporte comme un rayon lumineux. Sur une surface plane, l’angle d’incidence est égal à l’angle de réflexion (comme la lumière sur un miroir). Pour que cette propriété existe, il faut que les dimensions de la surface de réflexion soient supérieures à la longueur de l’onde. Dans le cas contraire, l’onde est partiellement déviée ou diffractée. A 10kHz, la longueur d’une onde est 3,44cm. A 100Hz, elle vaut 3,44m.
Les réflexions spéculaires sont généralement indésirables car elles créent des interférences en se combinant avec le signal utile (voir interférences). Il vaut donc mieux les éviter.

La réflexion diffuse brise l’onde en fragments. Si on compare la réflexion spéculaire à la trajectoire d’une boule de billard qui heurte un obstacle, on peut dire qu’avec une réflexion diffuse la boule se brise et les éclats sont renvoyés dans toutes les directions. Seuls, les véritables diffuseurs cellulaires permettent une dispersion homogène de l’énergie réfléchie.
Les ondes stationnaires
Ce sont les résonances graves qui affectent la clarté et la définition aux basses fréquences. Pour qu’une onde stationnaire apparaisse, il faut que la longueur de l’onde soit proportionnelle à une dimension (ou un groupe de dimensions) de la pièce. De nombreux instruments de musique utilisent ce principe.
Un préjugé répandu veut que les ondes stationnaires soient un mal épouvantable et qu’il faille absolument les éliminer.
A moins de construire une chambre anéchoïque parfaite (par ailleurs inutilisable comme pièce d’écoute), vous n’y parviendrez pas.
Un volume devient le théâtre d’ondes stationnaires dès lors qu’il est clos et que le temps de décroissance est différent de zéro.
Le but recherché n’est pas d’éliminer les modes mais de les contrôler. Ils doivent exister en densité suffisante, régulièrement espacés et de même amplitude, de façon que l’énergie sonore soit uniformément distribuée, sans résonance ni coloration.
Expérience: Supposons un local fermé dans lequel on place une enceinte
– Même si cette dernière rayonne dans de multiples directions, une partie de son énergie va inévitablement se propager sur un axe de la pièce, perpendiculaire à une paroi (Courbe verte sur la figure ci-dessous).
– En heurtant la paroi, la vitesse de propagation devient nulle tandis que la pression devient maximale. Comme un nageur dans une piscine, l’onde réfléchie par la paroi, repart dans la direction opposée (Courbe jaune).
– En chemin, le front de l’onde croise sa propre traînée au moment où les amplitudes respectives ont un sens opposé. (Tout se passe très vite. Le haut-parleur n’a pas terminé son excursion que le front de l’onde est déjà de retour).
– L’énergie positive de l’onde directe combinée à l’énergie négative de l’onde réfléchie s’annulent et la pression devient minimale à cet endroit (Courbe bleue).
– L’onde directe initiale poursuit néanmoins sa route jusqu’à rencontrer la paroi opposée où elle se réfléchit à nouveau (pression maximale).
– Sur son retour, elle rejoint l’onde suivante générée par l’enceinte, de même phase cette fois-ci. Les énergies des deux ondes superposées s’ajoutent et se renforcent mutuellement pour accomplir un nouveau cycle et le phénomène se répète.

L’animation ci-dessus illustre la résonance observée dans une pièce de 4,50 m de longueur, dans laquelle une source sonore produit une note à 115Hz.
La courbe verte représente le son généré par la source (instrument de musique ou haut-parleur).
La courbe jaune est produite par la réflexion sur le mur.
La courbe oscillante bleue représente la somme des énergies du signal généré par la source (en vert) et du signal réfléchi (en jaune).
Vous remarquerez que les courbes verte et jaune se déplacent, alors que la résultante bleue est fixe, d’où le terme: »onde stationnaire ».
La courbe rouge montre la pression acoustique constante produite par la courbe bleue. 
L’auditeur n’entend pas l’oscillation visible à sur l’illustration. Il entend une résonance stable plus ou moins forte selon qu’il se trouve dans un nœud (annulation) ou dans une crête de pression (courbe rouge).
A cette fréquence, on observe 3 zones d’annulation dans la pièce. Les zones se déplacent et leur nombre varie quand la fréquence change. L’écart d’amplitude entre les crêtes (ou ventres) et les creux (ou noeuds) atteint fréquemment 30dB.

Réponse modale typique. Ici, il ne s’agit pas d’un modèle théorique, ces courbes ont été effectivement relevées dans un auditorium. Elles sont issues d’une même enceinte à 6 emplacements distants de 50cm. Les modes sont clairement identifiables à 42, 100, 160 et 172Hz.
La fréquence de résonance fondamentale fo produit un minima de pression au milieu de la pièce. Elle s’obtient en divisant la célérité du son par 2 fois la dimension concernée.

fo = 344/2L

Le phénomène se reproduit également aux fréquences multiples de la fondamentale (harmoniques). Si on double la fréquence, on observe le même phénomène avec deux minima. Trois, si on triple etc.
Quand la fréquence de résonance dans un axe correspond à une harmonique de la résonance dans un autre axe, les énergies combinées vont se renforcer mutuellement et exacerber le phénomène qui deviendra vite intolérable.
Les modes stationnaires axiaux sont ainsi nommés parce qu’ils naissent dans l’axe longitudinal, transversal et vertical de la pièce.

Le rapport des proportions de la pièce est un élément déterminant de la qualité de la réponse acoustique. Le but visé est de répartir les modes de manière homogène en évitant les résonances coïncidentes.

Évitez donc les locaux dont la longueur est égale à 2 fois la hauteur par exemple, fuyez les pièces de forme carrée, le pire étant un cube (voir proportions).
Les murs non parallèles affectent légèrement les modes axiaux sans les supprimer pour autant. Il existe également des modes tangentiels et obliques. Évidemment, sinon ce serait trop facile… Leur étude est plus complexe mais ils sont tout aussi présents et peuvent aussi se combiner avec les modes axiaux.

L’effet se traduit par un excès de sons graves dont l’amplitude est fonction de l’emplacement des enceintes et du point  d’écoute. Il disparaît puis réapparaît selon la fréquence du signal.

Le son change constamment quand on se déplace dans la pièce. On s’en rend mieux compte en se  bouchant une oreille car un mode peut être différent à quelques centimètres d’écart, donc d’une oreille à l’autre.
La figure ci-contre correspond à une situation réelle. Elle illustre les écarts de pressions dans une pièce pour une fréquence donnée.
Contrôle des modes stationnaires
Il existe deux méthodes pour les maîtriser: anticiper ou corriger.
Anticiper, c’est d’une part, adapter les proportions de la pièce en vue d’obtenir une distribution homogène des modes et d’autre part, déterminer la position des enceintes de manière à modérer l’excitation des modes les plus néfastes.
Corriger consiste à appliquer un traitement à posteriori. Il se justifie lorsque les contraintes dimensionnelles sont figées et qu’aucune autre solution n’est possible. Le plus souvent, il vient en complément des dispositions préventives pour lisser la courbe de réponse. Le traitement communément utilisé fait appel à des dispositifs spéciaux appelés basstraps. La correction électronique (DSP) peut également aider.
Libérez les angles
Nous avons vu que dans tous les cas, la pression est maximale sur les parois. Les modes possèdent en commun une pression maximale dans les angles. Dans un angle découvert, entre deux murs ou entre mur et plafond, la pression sera 2 fois plus élevée que sur un mur et même trois fois dans les angles trièdraux (mur-mur-plafond). Pour vous en rendre compte, il suffit d’écouter un CD en plaçant votre tête dans un angle de pièce.
Les basstraps seront plus efficaces s’ils neutralisent les ondes stationnaires à l’endroit où elles se concentrent, c’est à dire dans les angles.
A ce titre, il est conseillé de ne pas placer de porte ni de fenêtre dans les angles (passez le message aux architectes).
Proportions favorables
Le rapport de proportions de la pièce d’écoute est donc un paramètre important. De tous temps, les acousticiens, musiciens, architectes se sont livrés à des suppositions, croyances, calculs et analyses statistiques. La littérature est riche dans ce domaine, mais il n’existe pas de recette miracle. Si un rapport de proportions idéal permettait d’obtenir une réponse parfaite, il serait connu de tous et tous les auditoriums seraient construits sur le même modèle. Disons plutôt qu’il existe des proportions à éviter.
En premier, citons le cube. Les modes sont identiques dans les trois axes, les fréquences de résonance se superposent, y compris les harmoniques. C’est un cas désespéré, à proscrire. Un parallélipipède ayant une surface carrée est guère plus recommandable. Si votre pièce est carrée, construisez une cloison pour la rendre rectangulaire. Si un mur est aussi large que haut, inclinez le plafond. Un autre cas plus répandu est celui où une dimension est le multiple (entier ou non) d’une autre dimension. Ce n’est pas toujours facile à identifier et seul le calcul des fréquences modales vous renseignera.
Géométrie des surfaces
A proscrire également : les surfaces concaves. Paraboliques, courbes ou en polygone rentrant, elles focalisent les réflexions des médiums et des  aiguës vers un point ou une ligne et sont incompatibles avec écoute homogène.
Les réflexions précoces
Pour être vivable, un espace d’habitation a besoin de limites finies qui déterminent nos repères dimensionnels. Cette appréciation nous semble évidente tant qu’il s’agit de repères visuels. Elle l’est beaucoup moins en ce qui concerne les sons car pour la plupart d’entre nous, la trajectoire des ondes sonores reste un phénomène impalpable. Nous avons deux yeux et deux oreilles et si notre système audio sensoriel est moins développé que notre perception des images, on peut cependant rapprocher l’un et l’autre et observer certaines analogies.
Une enceinte n’est jamais totalement directive. Le faisceau de diffusion assez resserré dans les aiguës, s’élargit progressivement avec l’abaissement de la fréquence, pour devenir quasi omnidirectionnel dans les graves.
Les ondes émises derrière et sur les cotés des enceintes se réfléchissent sur les parois à proximité et parviennent à l’auditeur avec une énergie considérable toujours en retard sur le champ direct. Toutefois, le décalage est trop court pour que notre cerveau puisse dissocier le signal direct et les réflexions précoces. Il fusionne les signaux et fournit une position erronée de la source sonore (effet Haas). Les réflexions sont dites « précoces » quand le retard temporel est inférieur 50/80ms environ, variable suivant le rapport des intensités.
Imaginez la scène suivante :
Remplacez vos enceintes par deux lampes lumineuses et couvrez les parois, murs, sol et plafond avec des miroirs. Les lampes se réfléchissent à l’infini. Cela mérite plusieurs observations.
Certes, vous gagnez en luminosité, mais vous ne savez plus si la lumière vient d’en haut, d’en bas ou du mur situé derrière les lampes. Nous sommes dans le cas où l’intensité des réflexions spéculaires dépasse celle du champ direct.
Cet exemple représente exactement ce qui se passe dans 99% des pièces d’écoute. Les parois agissent comme des miroirs acoustiques.
A l’inverse, ôtez les miroirs et peignez les murs en noir. Vous ne distinguez plus que les lampes, facilement repérables dans un décor sombre, sans dimension. Cette configuration équivaut à une absorption acoustique exagérée.
Dans notre comparaison avec la lumière, les parois de couleur claire, neutre et matte, renverront une lumière diffuse, absente de reflet et de coloration.
Faudra-t-il peindre les murs en gris clair, gris foncé ou en blanc? Ceci revient à se demander s’il faut absorber un peu, beaucoup, pas du tout? En fait, cela dépend de l’application. Le traitement est différent selon qu’il s’agisse d’une régie de studio, d’un auditorium hi-fi ou d’un home-theater.
Le filtrage en peigne
Les réflexions sont dites « corrélées » lorsqu’elles entretiennent une relation de phase avec le champ direct. Il s’agit le plus souvent de réflexions spéculaires. Si le retard est supérieur à 50/80 ms, la réflexion devient identifiable. Nous la ressentons comme une répétition du signal, c’est à dire un écho.
Considérons une source sonore (une enceinte ou un instrument de musique), produisant une note continue. Une partie de l’énergie se propage en ligne droite vers l’auditeur. Il s’agit du champ direct.
Une autre partie (nettement plus importante), se propage dans de multiples directions. Les ondes rencontrent tôt ou tard les parois de la pièce (et les objets qui s’y trouvent), sur lesquelles elles se réfléchissent.
Une partie de l’énergie réfléchie sera dirigée vers l’auditeur. Elle aura parcouru un chemin plus long et arrivera au point d’écoute en retard sur le champ direct.
A cause de ce décalage temporel, l’onde directe et l’onde réfléchie ne sont plus synchrones et leurs énergies respectives au même instant ne sont pas identiques. Si par coïncidence, l’onde réfléchie parvient à l’auditeur au même instant qu’une deuxième onde directe émise par la source, leurs énergies respectives vont se cumuler et l’auditeur percevra une augmentation du signal sonore à cette fréquence. Cela s’appelle une interférence constructive. Si au contraire, la crête de l’onde réfléchie coïncide avec le creux de l’onde directe, leurs amplitudes respectives vont s’annuler et l’auditeur ne percevra qu’un signal faible à cette autre fréquence. Il s’agit là, d’une interférence destructive.
Sur l’échelle des fréquences, les interférences se traduisent par une succession de bosses et de creux dans la courbe de réponse.
Celle-ci ressemble alors à un peigne d’où le nom de filtrage en peigne. La densité des dents découle de l’intervalle de temps qui sépare le signal direct et le signal réfléchi.
Les écarts d’amplitude dépendent du pouvoir réfléchissant de la surface. Ils peuvent atteindre 20 à 30dB.
Le cas d’une surface réfléchissante située derrière l’auditeur est spectaculaire.
Achèteriez vous une enceinte dont la courbe de réponse ressemblerait au graphe ci-dessus ? C’est pourtant ce que vous écoutez en plaçant votre fauteuil à moins de 2m d’un mur.
Le phénomène est encore amplifié s’il s’agit d’une surface vitrée.
Le filtrage en peigne n’est pas forcément nuisible car il nous aide à nous repérer et à identifier la position des sources dans l’espace. Mais il ne faut pas que les réflexions dominent et colorent le signal. Heureusement, des solutions existent pour atténuer les interférences ou neutraliser leurs effets.
La première consiste à absorber l’énergie en disposant un matériau ad hoc sur la paroi incriminée. L’inconvénient, c’est que le temps de décroissance, autre paramètre important, est réduit d’autant (voir décroissance – réverbération).
La seconde consiste à orienter un panneau de manière à dévier l’onde vers une autre direction que le point d’écoute. Pour que cela fonctionne, il faut que le panneau soit très rigide et que ses dimensions soient supérieures à la longueur d’onde du signal à dévier.
Reste la solution plus élégante de la diffusion. Les diffuseurs cellulaires brisent l’énergie incidente et la redistribuent sans corrélation de phase avec l’onde initiale. Là encore, il faut respecter la fréquence de coupure basse du diffuseur (voir ses spécifications), et respecter une distance minimale entre le diffuseur et le point d’écoute (1m70 à 2m50).
L’illustration ci-contre, donne une traduction visuelle de la perception auditive d’une interférence et des méthodes de correction.
Sol et plafond
Les habitations modernes sont basses de plafond car les architectes placent le prix de la construction avant le confort acoustique des  occupants.
Si le plafond réfléchit des signaux convergents émis par une paire d’enceintes, l’auditeur reçoit un signal monophonique.
Le même phénomène se produit au sol. Il convient de prévoir un traitement absorbant au sol (tapis) et au plafond dans la zone qui sépare l’auditeur et les enceintes.
La décroissance énergétique et réverbération

Vous n’entendrez probablement jamais la véritable réponse de vos enceintes car celle-ci est mesurée en champ libre dans une chambre anéchoïde, c’est à dire une salle sans aucune réflexion. Un tel espace serait d’ailleurs totalement inadapté pour écouter de la musique. La pièce a besoin de « respirer ». Pour cela, il faut accepter certaines réflexions, et savoir les maîtriser.

La décroissance énergétique, souvent improproment appelée réverbération, est la persistance naturelle de l’énergie sonore après extinction de la source. Elle provient des multiples réflexions sur les différentes surfaces de la pièce. Pour que la réverbération existe, les réflexions doivent être dé-corrélées c’est à dire diffuses, et leur densité suffisante pour qu’on ne puisse pas les distinguer les unes des autres. La réverbération est un phénomène non directionnel qui rehausse le niveau sonore et agrandit le volume acoustique apparent de la pièce.

Sa durée, appelée T60 ou RT60, correspond au temps écoulé pour que la décroissance de l’énergie sonore atteigne un niveau 1 million de fois plus faible que son niveau initial, soit -60dB.

Elle varie avec le volume de la pièce, l’absorption des parois et des objets qui s’y trouvent.
Conseil : multipliez le nombre de surfaces de réflexion ou utilisez des dispositifs appropriés pour que la réverbération soit aussi diffuse que possible.
Assurez-vous que la décroissance de l’énergie réverbérée reste linéaire et homogène. Pour chaque octave, le RT60 ne doit pas s’écarter de +/-15% de la durée globale. Ce paramètre définit les critères subjectifs que sont la chaleur, la brillance, etc.
Le temps de décroissance optimal pour une même pièce varie en fonction de l’application. Un studio, une régie, un auditorium ou un home cinéma ne requièrent pas le même T60.
Écho flottant
L’écho flottant, ou flutter écho, est le son produit par la répétition rapide et régulière du signal, elle-même engendrée par la présence de surfaces réfléchissantes parallèles ou en figure géométrique simple.
On l’identifie aisément en tapant dans les mains pour produire un son bref. Il s’ensuit une résonance métallique pendant 1 ou 2 secondes.
On supprime un écho flottant en absorbant ou en diffusant les surfaces incriminées.
Position du point d’écoute
Le placement des enceintes et la position du point (ou de la zone) d’écoute sont deux opérations intimement liées.
En champ libre, c’est à dire en supprimant totalement les réflexions du local d’écoute, l’intensité du signal direct décroît de 6dB à chaque fois que la distance aux enceintes double (ligne bleue sur la figure ci-dessous).
Inversement, si on considère seulement les réflexions, on entend que le champ réverbéré d’intensité constante dans tout le volume de la pièce (ligne verte).Près des enceintes, le signal direct domine, alors qu’à l’arrière de la pièce, il s’affaiblit jusqu’à être noyé dans le champ réverbéré.
La distance qui sépare les enceintes du point où l’intensité du champ réverbéré est égale à celle du champ direct s’appelle la « distance critique« . C’est précisément à cette distance, dans l’axe de la pièce qu’on doit situer la zone d’écoute.
La détermination se fait d’abord par le calcul en adaptant l’intensité du champ réverbéré, puis elle se vérifie par mesurages.
Placement des enceintes
Une paroi rigide située à proximité d’une enceinte se comporte comme un réflecteur acoustique. Elle élève le niveau sonore global, notamment aux basses fréquences. En se combinant avec le son direct de l’enceinte, les réflexions sur les parois créent des interférences et par conséquent, une distorsion acoustique.
Une solution à ce problème consiste à placer les enceintes suffisamment loin des parois pour que la première interférence soit inférieure à la plus basse note produite par l’enceinte. Par exemple, si l’enceinte descend à 70Hz, elle devra être située à plus de 1m20 des murs (et aussi du sol et du plafond). A 40Hz ce sera 2m15. Maintenez les enceintes à une distance différente pour chaque paroi : mur latéral, mur de façade, sol, plafond. Des distances identiques favorisent un cumul d’interférences aux mêmes fréquences.
A l’inverse, une autre méthode, consiste à encastrer les enceintes pour supprimer les ondes arrière. Cette solution fonctionne au détriment d’une élévation inévitable des basses fréquences compensable par le filtre « roll-off » des enceintes (qui est même fait pour ça). Le traitement des modes stationnaires devient aussi plus délicat.
Pour une écoute musicale, les médiatrices des enceintes doivent former un triangle équilatéral avec la droite qui les sépare. La zone d’écoute se limite à la surface du cercle centré sur l’axe de symétrie, au sommet du triangle. Cette position répond à plusieurs normes. Attention à bien maîtriser la durée de la décroissance dans la pièce, sachant que le champ direct et le champ réfléchi diffus doivent avoir la même intensité au point d’écoute. format stéréo
Si cet équilibre n’est pas réalisable avec les enceintes placées comme ci-dessus, parce que la pièce est trop matte, ouvrez légèrement le triangle pour reculer le point d’écoute. Si au contraire, la pièce est trop réverbérante, réduisez la taille des 3 cotés du triangle équilatéral.
En format cinéma, l’angle de façade est resserré à 45°, pour offrir un meilleur recul aux spectateurs. Certaines recommandations autorisent un angle de 60 degrés pour une écoute mixte musique/cinéma. Un retard électronique sera appliqué aux canaux surround pour compenser l’écart de distance entre les deux cercles.

Format 5.1

Les canaux surround (gauche et droite) sont répartis sur 2, 4, 6 enceintes ou davantage pour offrir un enveloppement réaliste. On préférera des enceintes dipôlaires pour ne pas identifier la position des sources.
Une attention particulière sera apportée au positionnement du caisson de graves. L’objectif étant de ne pas exciter les modes stationnaires si on veut garder les basses nettes et précises. L’expérience et les directives professionnelles indiquent que le placement du caisson de graves est critique et qu’il vaut mieux multiplier les enceintes surround avec un temps de décroissance court, plutôt que d’en limiter le nombre dans un espace réféchissant.
Pour une installation en format multicanal, les enceintes sont placées sur un même cercle. Cette condition est parfois difficile à réaliser car elle implique que la largeur de la pièce soit le double de la distance à l’écran. L’introduction d’un retard temporel dans les canaux surround peut résoudre ce problème.
Ce qu’il ne faut pas faire
L’illustration ci-contre illustre un cas extrême, mais assez fréquent. C’est l’emple type de ce qu’il ne faut pas faire. Ici, les spectateurs sont :
1- trop en arrière, donc dans le champ réverbéré. La distance critique n’est pas respectée, d’où une énorme perte d’intelligibilité et l’absence totale de définition.
2 – trop près du mur arrière (distorsion par filtrage en peigne et surtout en plein dans les zones de haute pression – excès de graves).
3- trop près des enceintes surround. Le champ surround qui devrait être diffus devient précis et les enceintes de façade qui devraient être précises sont noyées dans les réflexions.
Avec les enceintes de façade collées au mur, l’amplitude des modes stationnaires est maximale, les fréquences basses sont exagérées, parfois en conflit avec le caisson de graves. La position de ce dernier, à égale distance du mur de façade et d’un mur latéral, ajoute de nouvelles interférences aux modes stationnaires. Les enceintes surround unipolaires et logées dans les angles apportent des colorations importantes dans les médiums. De plus, elles sont trop à l’arrière des spectateurs.
Cette configuration montre que dans l’unique souci de mettre en valeur le volume de la pièce l’installateur a complètement négligé le son et l’image. Il est impossible d’envisager une correction sans changer radicalement le placement des sources et de la zone d’écoute.
La correction électronique
L’égalisation simple
L’insertion d’un égaliseur paramétrique ou par 1/3 d’octave, dans la chaîne de reproduction a longtemps été une solution séduisante pour supprimer les colorations. Malheureusement, cette technique pose plusieurs problèmes:
– D’abord, elle ne tient pas compte des composantes temporelles du signal. Les écarts de phase, responsables de la plupart des accidents de la courbe de réponse, ne sont pas pris en compte. Pire encore, la correction introduit des déphasages supplémentaires qui compliquent encore les choses.
– Ensuite, s’il est facile d’atténuer une crête d’amplitude, il est beaucoup moins évident de combler une atténuation. On demande à l’enceinte de délivrer une puissance phénoménale qui risque d’endommager le matériel.
– Enfin, les interférences produisent une multitude de zones de haute et de basse pression. Quand on atténue une fréquence jugée excessive en un point, on atténue également la zone de basse pression qui se trouve quelques centimètres à coté. On déplace le problème, mais on ne résout rien (voir le chapitre sur les modes stationnaires).Exemple: mesurée en un point de la zone d’écoute, la réponse en fréquence de votre installation audio affiche un large trou de 20 décibels à 170Hz, probablement dû à un mode stationnaire. Un égaliseur acoustique fonctionne toujours en atténuation et vous découvrez qu’au 1/3 d’octave il n’existe pas de bande à 170Hz, mais seulement à 160Hz. Faute de mieux, vous laissez cette bande à son niveau nominal et vous atténuez les autres. Le niveau global devient très atténué et vous cherchez à compenser en tournant le bouton de volume. A partir de cet instant, vous risquez fort de saturer l’amplificateur car une compensation de 20dB équivaut à une élévation de la puissance par un facteur 100! Supposons que votre ampli délivre 4 watts pour une écoute confortable. Introduire une correction de 20dB équivaut à lui demander de produire 400 watts à la fréquence incriminée! Il y de grandes chances pour que l’ampli soit saturé et les enceintes détruites avant que vous n’y parveniez. Et même si c’était possible, vous auriez un niveau colossal 1 mètre plus loin, précisemment là où la correction inverse est nécessaire!
La correction par processeur numérique
Il existe aujourd’hui des systèmes de correction numérique plus sophistiqués (Digital Room Correction). Le principe consiste à prélever un échantillon des paramètres acoustiques de la pièce en mesurant la réponse impulsionnelle pour chaque canal. Les informations recueillies concernent à la fois le domaine temporel et fréquentiel. Ensuite, on applique au programme sonore, une correction équivalente à l’inverse des paramètres enregistrés. La résolution est bien meilleure qu’avec égaliseur classique car elle n’est pas limitée au tiers d’octave. La phase et le temps de propagation sont pris en compte. Ce système donne de bons résultats pour corriger les modes stationnaires et aussi pour compenser les écarts de distance entre les enceintes.
Limites de la correction électronique
Les deux méthodes ont ceci en commun: elles ne sont acceptables que pour une localisation précise. Les fabricants proposent une procédure de mesurage en plusieurs points et l’appareil calcule la correction d’après la moyenne des relevés. Cela fonctionne aux très basses fréquences, mais ne permet pas de corriger par exemple, un filtrage en peigne dont le spectre change tous les dix centimètres! A 500Hz, la distance qui sépare une crête d’une annulation est de 34cm. Deux personnes assises cote à cote n’entendrons pas la même chose.

L’illustration ci-dessus représente un local avec deux enceintes L, R et une zone d’écoute délimitée par le cercle rouge. A l’intérieur de cette zone, on trouve 5 points de mesurage numérotés de 1 à 5. On observe les vagues de pression produites par un mode stationnaire à 100Hz à gauche, à 170Hz au centre et 300Hz à droite. A 100Hz, les points 1, 2 et 3 reçoivent une pression élevée tandis que les points 4 et 5 sont situés dans un creux de pression. A d’autres fréquences l’écart de pression entre les points suit un ordre différent. Les courbes publiées par les fabricants sont toujours optimisées pour un seul point. La correction globale, basée sur une moyenne, ne pourra pas compenser individuellement chaque point de la zone d’écoute. Pour simplifier l’exposé, seules les ondes stationnaires sont représentées. La correction des réflexions précoces est encore plus délicate.

La correction électronique est envisageable quand les longueurs d’ondes sont suffisamment importantes (jusqu’à 120/150Hz environ) et les écarts d’amplitude modestes (8 à 10dB au maximum). Elle fonctionne mieux pour une surface restreinte que pour une zone étendue.Au cours de ma carrière, j’ai eu l’occasion d’égaliser des centaines de studios d’enregistrement et d’utiliser tous les systèmes. Voici mon conseil: avant de se lancer aveuglément dans une correction électronique, explorez d’abord toutes les autres solutions. Un placement judicieux des enceintes et du point d’écoute, peut résoudre une bonne partie des problèmes. Les systèmes électroniques deviennent transparents quand on leur demande une correction modérée. Ceci suppose que les problèmes majeurs soient déjà atténués par un traitement acoustique préalable.