Modélisation acoustique des salles via Software

Réflexions, Résonances, Réverbération, Echos

Modélisation acoustique des salles via Software

Messagepar Bss » 30 Sep 2012, 19:27

Bonjour,

suite a ce sujet initié de l'autre coté de la route, et JPL étant le plus a même d’infirmer ou de confirmer ce qui va suivre, j'ai décidé de poursuivre ici ma réponse a index.

index a écrit:bonsoir,
je vous lis depuis quelques temps déjà, et pour mon premier sujet, j'aimerais que l'on m'éclaire sur la modélisation (software) acoustique des salles. j'ai bien téléchargé quelques feuilles excel sur le net, mais cela ne me convainc pas .
comment procédez vous ?
avez vous recours a un soft en particulier ?
est ce aussi compliqué que certains le laisse entendre ?
merci d'avance.


bss a écrit:Bonjour,

je crains malheureusement que tu n'es pas plus de réponses ....
la modélisation acoustique des salles via software demande notamment de très sérieuses connaissances et de savoir les adapter aux modes de calculs du logiciel utilisé, impliquant de connaitre ce dernier sur le bout des doigts.
Si de surcroit tu envisages de modéliser toute la BP, il te faudra avoir recours au minium a 2 voir 3 softs au total et un PC (deux seraient nettement préférable dont une machine de guerre, sachant que les calculs en BF peuvent prendre facilement 6 à 8 heures .. .a chaque évaluation).
je ne connais personnellement aucun installateur, intégrateur HC .. . etc .. appelle les comme tu voudras, qui y aient recours (certains au déjà du mal avec un sonomètre .. ). Ce service existe toutefois chez les acousticiens et quelques bureaux d'études et encore pas tous, suivant la qualité de l’expertise que tu recherches.
Tu comprends peut être mieux pour quoi le sujet "n'avance pas" ..
Cdt.


index a écrit:
bss a écrit:la modélisation acoustique des salles via software demande notamment de très sérieuses connaissances et de savoir les adapter aux modes de calculs du logiciel utilisé, impliquant de connaitre ce dernier sur le bout des doigts.

peux-tu m'en donner un échantillon que je visualise si j'en suis loin.



Quelques points résumés, simplifiés et non exhaustifs, illustrant mes propos précédents.


Les phénomènes physiques qui interviennent dans la propagation sonore dans une salle sont nombreux et complexes, ce qui rend d'autant plus difficile la modélisation. Puisqu'un grand nombre de paramètres est utilisés pour la description d'une situation réelle, seulement "une simplification" de la réalité est possible (je ne parle pas des résultats). Plusieurs auteurs s'accordent pour dire qu'aucune méthode de calcul ne permet d'obtenir des résultats probants à la fois aux hautes et basses fréquences.

D'un point de vue du calcul, il existe trois approches différentes :
les méthodes empiriques (Sabine, Eyring .. etc .), les méthodes basées sur les rayons (géométriques) et les méthodes ondulatoires (basées sur les lois physiques de la propagation acoustique).



Les méthodes empiriques.
Les méthodes de Sabine et d'Eyring sont les plus connues d'entre elles.

-Principe: Ces méthodes permettent d'estimer rapidement, par bandes d'octave, les critères tels que le niveau de pression acoustique Leq, ou encore le temps de réverbération Tr. Les données d'entrée pour ces calculs sont les dimensions et le pouvoir d'absorption des parois de la salle.

- Hypothèses: La théorie du champ diffus part du principe que l'énergie sonore est uniformément répartie dans une salle, et qu'il est homogène et isotrope dans tout le volume du local à un instant donné.

- Avantages: Le temps de calcul est rapide tout en gardant une assez bonne estimation du temps de réverbération aux moyennes et hautes fréquences.

- Inconvénients et limites: L'hypothèse de champ diffus n'est seulement admissible dans la gamme de fréquences ou l'énergie sonore est répartie de manière homogène. Ce qui ne peut être le cas aux basses fréquences en raison de la présence des modes propres bien trop clairsemés sous la FC de la salle. Plus les fréquences sont basses et plus les calculs sont imprécis. La proximité des sources, récepteurs et matériaux absorbants avec les parois de la salle n'est pas prise en compte. Les phénomènes que regroupe la diffusion, la diffraction, ne sont pas pris en compte. Ces méthodes ne permettent pas d'obtenir la réponse impulsionnelle de la salle.



Les méthodes d'acoustique géométrique basées sur les rayons.
Les méthodes d'acoustique géométrique se déclinent en différents modèles:

*tir de rayons
*source image (ISM)
*tir cônes/particules/faisceaux
*méthodes hybrides

- Principe: Ce groupe de méthodes est basé sur l'utilisation des chemins de propagation géométrique. Il considère la propagation du son dans le volume, dans l'air et en ligne droite, en prenant en compte les réflexions sur les parois. Il existe plusieurs modèles qui peuvent tirer des rayons, des particules, des cônes (ou pyramides) en prenant en compte, dans le modèle informatique, la diffusion. Ces méthodes sont également appelées « méthodes basées sur l'énergie » (energy-based method) puisqu'elles prennent en compte l'énergie véhiculée par les rayons.

- Avantages: Le principal avantage de ces méthodes est leur simplicité. Elles dépendent seulement du calcul de l'intersection entre un rayon et une surface, ce qui est relativement facile à implémenter. Les méthodes d'acoustique géométrique ont un degré de précision acceptable pour les différents critères d'acoustique des salles et calculent de bonnes approximations aux hautes fréquences. Elles permettent de réaliser des distributions temporelles et spatiales des réflexions, permettant le calcul d'une réponse impulsionnelle en prenant en compte la diffusion des parois et obstacles. La composante de réflexion diffuse est prise en compte par l'introduction d'une direction de réémission aléatoire, selon la loi de Lambert, sur les parois assignées d'un coefficient de diffusion. Celui-ci détermine la probabilité de réémission selon cette direction aléatoire (composante diffuse).

- Inconvénients et limites: Ces méthodes ne procurent pas de résultats exacts. En effet l'acoustique géométrique ne peut refléter qu'une partie des phénomènes acoustiques présents dans une salle car la nature ondulatoire de l'onde est négligée. Ceci a pour conséquence de négliger des effets importants comme les modes propres sous la Fc. En effet les réflexions créées entre les parois parallèles réfléchissantes, à l'origine des modes, ne pourraient qu'être prises en compte qu'en conservant les propriétés d'amplitude et de phase à chaque réflexion. II faudrait pour cela connaître les caractéristiques complexes des matériaux ce qui devient vite très lourd à gérer mais pas infaisable. En fait, lorsque plusieurs composantes du champ sonore se superposent, la relation de phase est négligée, et leurs énergies sont simplement additionnées. La discrétisation des rayons a pour conséquence d'occasionner des erreurs dans le calcul de la réponse impulsionnelle prévisionnelle . Le phénomène de diffraction est négligé en raison de la principale caractéristique de cette méthode de propagation en ligne droite. Pour simplifier la théorie de la propagation du son dans l'espace, le principe des méthodes géométriques consiste, comme pour le calcul en optique géométrique, à n'utiliser que les petites longueurs d'ondes, réduisant ainsi le domaine fréquentiel en ne conservant que les hautes fréquences. En effet tous les modèles sont valides seulement si la longueur d'onde est petite devant les dimensions des surfaces de la salle.

Exemple concret de limite aux basses fréquences.
Les méthodes de tirs de rayons sont valides lorsque la longueur d'onde est faible devant les dimensions des surfaces du volume étudié et grande par rapport à leur diffusion de surface. En effet à la fréquence de 1kHz la longueur d'onde (34 cm) est petite devant les dimensions linéaires des murs et du plafond ; ce qui rend la distance parcourue très supérieure à cette longueur d'onde, rendant les calculs dans cette bande d'octave, fiables. Ce qui n'est plus le cas aux basses fréquences, car à 125 Hz (lambda vaut 2,7m), ce qui est grand devant la distance parcourue.Ces modèles de calcul, tous basés sur l'acoustique géométrique possèdent leurs propres singularités. On pourrait détailler tout ceci sur des dizaines de pages.




Les méthodes ondulatoires.

Ces méthodes divisent l'espace en éléments de volume (FEM) ou de surface (BEM). La méthode des éléments finis (Finit Element Method) discrétise l'espace en volume et est donc plus appropriée pour les petits volumes. La méthode des éléments aux frontières (Boundary Element Method) délimite l'espace par des surfaces et est donc plus appropriée pour les plus grands volumes. Ces méthodes ondulatoires ne peuvent pas résoudre l'équation des ondes, mais calculent approximativement leurs solutions.

- Principe: Ces méthodes discrétisent l'espace en petits éléments ou noeuds. Ces éléments entrent en interaction via les équations de mouvements linéaires. La taille des éléments doit être supérieure à la longueur d'onde pour l'ensemble des fréquences, ce qui devient vite problématique aux hautes fréquences.

- Avantages: Les techniques d'éléments finis procurent une solution précise de l'équation des ondes. La méthode BEM calcule les résonances dues aux modes dans les volumes. l'on constate très régulièrement une excellente corrélation entre les mesures in-situ et la modélisation effectuée en TBF et BF. les méthodes BEM sont par ailleurs utilisées pour l'estimation de la diffusion de surface.

- Inconvénients et limites: Les méthodes FEM et BEM sont principalement utilisées jusqu'à quelques centaines de Hz et ne permettent donc pas le calcul d'une réponse impulsionnelle exploitable. Les environnements doivent être simples puisque le temps de calcul et l'espace de stockage augmentent considérablement en fonction de la gamme de fréquence (en fonction de f (exp3)/f(exp4)). Elles conviennent donc pour des petits volumes et sont principalement utilisée en acoustique automobile par exemple. Une méthode d'élément fini dans le domaine temporel (FDTD) permet de calculer une réponse impulsionnelle à l'encontre des méthodes BEM et FEM qui calculent des réponses fréquentielles.
La plus grande difficulté pour ces modèles est la définition des conditions aux limites, où les impédances complexes des surfaces sont nécessaires et il est difficile de les trouver dans la littérature. Sans les connaître il est impossible de mettre en œuvre, dans ces méthodes, la diffusion de surface. De part le temps de mise en œuvre et de calcul, ces méthodes sont coûteuses voir très couteuses. Elles se caractérisent par leur grande précision de calcul à une fréquence unique alors qu'en acoustique des salles les résultats sont demandés sur un intervalle de 200, 250Hz ; d’où les innombrables calculs. si la diffusion sur les surfaces est prise en compte dans les logiciels d'acoustique géométrique (ce n'est pas une généralité non plus .. ), qu'en est-il pour la diffraction ? je vais laisser creuser ceux qui le souhaitent .. . .



Pour conclure et résumer ce qu'il y a ci-dessus
, l'estimation par le calcul du temps de réverbération ou du niveau sonore ambiant par exemple, nécessite l'utilisation de "modèle de calcul hybride". En effet aucune des ces méthodes ne permet de calculer avec précision ces critères à la fois aux basses et aux hautes fréquences et à la fois pour la partie primitive et la partie tardive de la réponse impulsionnelle.

Les écarts observés aux basses fréquences sur le critère du temps de réverbération sont issus du calcul informatique, car la méthode de calcul utilisée procure des résultats satisfaisant aux moyennes et hautes fréquences mais pas dans le bas du spectre. A ce jour aucune méthode d'acoustique géométrique ne permet de prendre en compte les phénomènes d'interférences, comme les modes propres, qui peuvent modifier le bas du spectre, du niveau sonore ambiant. Cette erreur d'estimation aux basses fréquences est minimisée pour l'estimation du niveau sonore ambiant en raison de la prise en compte de la pondération (A) dans les résultats de calcul. La méthode de calcul des sources images est principalement utilisée pour le calcul des réflexions précoces (début de la réponse impulsionnelle) alors que la méthode de tir de rayons est moins précise pour le calcul du temps précoce, mais plus rapide lorsque le nombre d'ordre augmente ou quand la diffusion est prise en compte dans le calcul. La prise en compte de la diffusion dans cette méthode est abordée en discernant la diffusion issue de la rugosité de surface de celle occasionnée par la dimension finie de l'objet.

En 2007, une nouvelle méthode hybride utilisant le tir de rayon pour les réflexions précoces et une méthode de transfert d'énergie pour les réflexions tardives permet d'obtenir une réponse impulsionnelle plus précise qu'avec les méthodes auparavant implémentées. Le calcul d'énergie tardive qui utilise le code de calcul RAIOS 3 permettrait de réduire à quasi néant les erreurs de calcul, sur les différents paramètres d'acoustique des salles, tout en améliorant la précision aux basses fréquences.

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Re: Modélisation acoustique des salles via Software

Messagepar Bachibousouk » 03 Oct 2012, 17:52

Merci pour ces informations intéressantes.
Cependant, j’aurai plutôt opté pour le terme de Statistique au lieu d’empirique en ce qui concerne l’approche de Sabine ou Eyring.

À propos de soft de simulation, je viens de télécharger la version de démo d’Acoubat du CSTB et je me suis aperçu que les TR étaient évalués d’après la formule de Sabine ! Il vrai que ce soft est plutôt dédié à l’isolation, c’est sans doute suffisant pour évaluer les indices. De toute façon, ça doit être normalisé.

Je me suis renseigné du tarif d’ODEON, un logiciel de simulation relativement performant ? 15 k€ environs c’est son prix et compte tenu de ce que tu viens de dire sur les limites des modèles de calcul, ça n’encourage pas à l’acquérir :doute:
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Re: Modélisation acoustique des salles via Software

Messagepar Jean-Pierre Lafont » 03 Oct 2012, 18:26

Les coefficients d'absorption publiés par les fabricants ou glanés sur le net sont tous établis avec la formule de sabine.
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Re: Modélisation acoustique des salles via Software

Messagepar Bachibousouk » 04 Oct 2012, 16:23

Oui c’est un fait. Mais par ailleurs, on lit souvent ici et là, de la part d’intervenants expérimentés, des mises en garde concernant l’utilisation abusive de la formule de Sabine en dehors des hypothèses ( parois homogène, champ parfaitement diffus ...).

Le CSTB ne se pose pas tant de questions, car il ne propose qu’un seul modèle de calcul. Il serait pourtant aisé aux concepteurs du logiciel de suggérer plusieurs modèles de calcul de temps de réverbération :doute:
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Re: Modélisation acoustique des salles via Software

Messagepar Jean-Pierre Lafont » 04 Oct 2012, 17:30

Acoubat est destiné à simuler l'isolation. Dans ce cas, la formule de Sabine est suffisante. D'ailleurs, l'administration demande d'utiliser la formule de Sabine pour tous les calculs et mesures d'isolement.
Acoubat avec Eyring ou Millington n'apporterait rien.

Pour le traitement acoustique des locaux, c'est différent. Quand la réverb est courte, la formule de Sabine est fausse.
Le problème est que l'absorption des matériaux est mesurée avec Sabine. Ces coefficients sont inexploitables dans le calcul de la réverb d'un HC.
Les logiciels de correction comme Odeon ou Catt par exemple, utilisent d'autres coefficients.
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Re: Modélisation acoustique des salles via Software

Messagepar Bachibousouk » 07 Oct 2012, 10:31

Une petite nuance: Si pour le calcul d’un isolement standardisé, une erreur de 50 % sur le temps de réverbération provoque un écart de moins de 2 dB, ce qui est acceptable devant les incertitudes du modèle de calcul, en revanche 50 % d’erreur sur le TR est important.
Il existe parfois, pour les locaux, des exigences sur confort acoustique liées au TR. Mais vous me direz, qu’ajouter d’autre modèle de calcul de TR n’aiderait en rien les utilisateurs d’Acoubat sauf si ceux-ci sont des acousticiens :wink:
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