Comment les coussins de siège ont changé la compréhension de l'acoustique

Epidaure

Pendant des millénaires, les scientifiques ont essayé de comprendre comment l'acoustique des bâtiments. Vers 350 avant J.-C., un sculpteur et architecte grec, Polyclète le Jeune, a été chargé de concevoir un amphithéâtre de 6 000 places à Epidaure, en Grèce. Il a été construit en deux phases, la première au cours du IVe siècle avant J.-C., et la seconde au milieu du IIe siècle.

Il s'agissait d'un projet massif avec14 000 sièges, divisé en deux sections : les rangées inférieures étaient réservées aux membres de haut rang de la société et les rangées les plus éloignées étaient réservées à tous les autres. Mais comment les spectateurs des rangées les plus éloignées ont-ils pu entendre depuis la scène, qui se trouvait 60 mètres plus bas ?

En 2007, deux chercheurs belges du Georgia Institute of Technology ont dévoilé une partie de ce mystère acoustique. Il a été démontré qu'il existe un lien avec la forme ondulée et le matériau rocheux des sièges qui servent de filtre pour le son provenant de l'orchestre^[1]. Le théâtre a été construit avec des formes et des dimensions spécifiques régies par les principes mathématiques influencés par la philosophie de Pythagore.

Aujourd'hui, c'est l'un des théâtres les mieux conservés au monde.

Une question intéressante que je me suis toujours posée est la suivante :   "L'architecte Polyclète le Jeune connaissait-il les capacités acoustiques du théâtre ou s'agissait-il juste d'une coïncidence ? Le mot "acoustique" vient du mot grec ἀκουστικός (akoustikos), qui signifie "de ou pour entendre, prêt à entendre "^[2]. Alors, Polyclète le Jeune est-il le fondateur de la science de l'acoustique ? Croyez-le ou non, pour cela il a fallu attendre encore 2 300 ans.

Musique composée pour l'espace de performance

Entre Polyclète le Jeune et 1895, de nombreux scientifiques ont travaillé sur la théorie du son, des ondes sonores, des résonateurs et des fréquences. L'acoustique architecturale, ou plus précisément l'acoustique des salles, n'était pas vraiment une priorité pour les scientifiques de l'époque.

Ce sont les compositeurs qui ont reconnu l'importance de l'acoustique dans une pièce ou un espace, ce qui les a amenés à composer une musique adaptée à la pièce où elle était jouée et non l'inverse. Par exemple, "Toccata et fugue en ré mineur" [3], écrite par Jean-Sébastien Bach, est une composition musicale jouée sur un orgue, ce qui est idéal pour une cathédrale avec un temps de réverbération moyen de 5 secondes. D'autre part, Mozart a composé de la musique à jouer dans des chambres très meublées. De nombreux opéras qu'il a écrits sont mieux interprétés dans des salles avec un temps de réverbération de 1,00 à 1,30 seconde [4].

Alors pourquoi n'ont-ils pas commencé à concevoir des salles et des salles de concert avec une acoustique optimale ? La science de l'acoustique était encore considérée comme une mystérieuse combinaison de nombreux facteurs différents et indéfinissables. Mais tout cela a changé à la fin du XIXe siècle.

Présentation de Wallace Sabine

C'est en 1895 qu'un jeune professeur assistant américain de physique à l'université de Harvard, Wallace Clement Sabine, a été invité à résoudre un problème difficile dans la salle de conférence Fogg du Fogg Art Museum de Harvard, récemment construit. Le problème de la salle de conférence de l'université était qu'elle était excessivement réverbérante. Sabine, qui n'avait jamais obtenu son doctorat et n'avait aucune connaissance particulière du son, a reçu la mission d'améliorer la mauvaise acoustique de la salle. Cela était généralement considéré comme impossible, mais Sabine s'est donné pour tâche de déterminer ce qui rendait la salle de conférence Fogg si différente des autres espaces acoustiquement acceptables.

Sabine a noté que lorsqu'une personne parlait dans la salle de conférence Fogg, le son de sa voix restait audible pendant 5,5 secondes, même à un niveau de conversation normal. Vous pouvez imaginer combien il était difficile de comprendre ce que disait l'orateur.

Sabine a été intrigué par le fait qu'il y avait une autre salle de conférence sur le campus de l'université de Harvard dont l'acoustique ne suscitait pratiquement aucune plainte : le théâtre Sanders. Il avait la même forme acoustiquement complexe que la salle de conférence Fogg. Sa capacité était trois fois supérieure et il comprenait 700 places supplémentaires. Cependant, il y avait une différence importante : les sièges du théâtre Sanders avaient des coussins.

Les coussins de siège

Au lieu d'améliorer l'acoustique, il a concentré ses recherches sur les propriétés d'absorption du son des coussins. Ce n'était pas un travail facile car il fallait prendre en compte un grand nombre de variables. Avec ses assistants, il a déplacé les coussins de siège du théâtre Sanders dans la salle de conférence Fogg et a remarqué que les conditions sonores de la salle changeaient. Il a pris de nombreuses mesures différentes en utilisant seulement un tuyau d'orgue et un chronomètre, en écoutant combien de temps il fallait pour que le son se dissipe. Sabine a effectué la plupart de ses expériences au milieu de la nuit, afin de contrôler le bruit de fond, qui interférerait avec ses mesures. À un moment donné, il a même constaté que les mesures étaient différentes en raison des différents vêtements qu'il portait. Pour les autres tests, il a porté la même tenue.

Sur une période de trois ans, Sabine a pris des milliers de mesures en utilisant des centaines de coussins de siège. Il a également effectué des mesures dans les autres salles de l'université de Harvard et a utilisé d'autres matériaux, comme des tapis.

J'ai enfin trouvé !

Avec autant de données recueillies, Sabine étudiait la relation entre la qualité acoustique, la taille des salles et le nombre de surfaces d'absorption, mais il ne savait pas comment assembler toutes les pièces du puzzle. Puis, soudain, dans un moment de clarté, il a dit : "J'ai enfin trouvé !" ^[5].

Ce que Sabine a découvert, c'est que lorsqu'il a déterminé la quantité de coussins de siège du théâtre Sanders (x) en fonction du temps de réverbération correspondant pour une pièce (y), le graphique obtenu était une hyperbole rectangulaire, une courbe mathématique standard caractérisée par l'équation xy = k, où k est la constante^[5]. Il a réalisé que sa découverte de la relation hyperbolique était une percée pour sa compréhension de la réverbération.

Le père de l'acoustique des salles

Le son, qui est une énergie, une fois produit dans un espace confiné, continuera jusqu'à ce qu'il soit transmis par un mur de séparation ou transformé en une autre énergie, généralement de la chaleur. Le processus de décomposition est appelé : absorption[6].

Cette perturbation de l'absorption peut être considérée comme un processus de réflexions multiples sur les murs, le plafond et le sol. D'abord de l'un, puis de l'autre, perdant un peu de sa force à chaque réflexion, jusqu'à devenir finalement inaudible. Cela est appelé la réverberation[6].

Il a défini le temps de réverbération comme "le nombre de secondes qu'il faut pour que l'énergie sonore réverbérante diminue de 60dB par rapport au signal sonore original".

Le résultat final des recherches de Sabine était l'équation suivante : T = 0,161 V/A

T              = durée de réverbération (secondes)

0.161       = constante hyperbolique

V              = volume de la pièce (mètres cubiques)

A              = surface d'absorption équivalente (mètres carrés)

Cette formule est devenue la Formule Sabine qui est encore utilisée aujourd'hui pour l'acoustique architecturale. Sabine est finalement devenu le doyen de la Graduate School of Applied Science de Harvard de 1906 à 1915. En 1919, à 50 ans, Sabine est mort à l'hôpital de complications suite à une opération.

Depuis sa mort, l'acoustique architecturale s'est développée jusqu'au niveau que nous connaissons aujourd'hui, et Sabine est largement reconnu comme le père de l'acoustique des salles.

Les mythes sur l'acoustique d'une pièce

Maintenant que nous en savons plus sur la science de l'acoustique des salles, nous pouvons révéler quelques mythes.

Mythe : Vous pouvez entendre une pièce de monnaie tomber des dernières rangées du théâtre d'Epidaure.

En 2017, des chercheurs de l'université de technologie d'Eindhoven ont cartographié les qualités acoustiques du théâtre d'Epidaure. Les résultats des recherches ont montré que la qualité sonore du théâtre est bonne, mais pas aussi impressionnante que le prétendent de nombreux guides de voyage. Le son d'une pièce qui tombe ne peut être identifié que comme celui d'une pièce qui tombe à mi-hauteur des rangées de sièges [7].

Mythe : L'acoustique des salles n'est importante que dans les grands espaces orientés vers la performance

Nous devons d'abord nous demander "Pourquoi l'acoustique est-elle importante ? L'acoustique est généralement associée aux salles de concert, aux studios d'enregistrement et aux salles de conférence. Dans ces lieux, l'acoustique est un aspect essentiel, mais une bonne acoustique des salles améliore également le bien-être des personnes, augmente la productivité au travail, favorise l'apprentissage à l'école et réduit le temps de récupération dans les hôpitaux. Je pense que la plupart des gens pensent à des espaces inconfortablement bruyants comme les restaurants, les classes de spinning ou même leur propre salon. Il est donc essentiel de chercher à améliorer l'environnement acoustique de chaque pièce où nous vivons, dormons, travaillons, guérissons et passons notre temps libre.

Mythe : Il suffit d'ajouter des tapis et des rideaux pour obtenir un son de qualité chez vous.

Améliorer l'acoustique des pièces chez soi peut créer un environnement plus agréable et plus de plaisir lorsque vous voulez regarder des films à la télévision, écouter de la musique à la radio ou simplement dîner avec des amis ou de la famille. Mais par exemple, ajouter une moquette et des rideaux dans votre salon n'est pas une solution acoustique complète. Cela est dû à leur surface limitée et à leurs propriétés d'absorption acoustique généralement faibles par rapport à une solution de plafond acoustique. Nous disposons de plusieurs modèles de plafonds acoustiques à haute absorption acoustique pour les salles de séjour afin d'offrir une acoustique optimale.

La complexité de l'acoustique des salles

La science de l'acoustique des salles est très complexe. Vous pouvez remplir quelques chiffres dans un calculateur d'acoustique des salles en ligne, mais ce n'est qu'un début. Elle nécessite l'analyse des dimensions de la pièce, de sa forme et de la hauteur du plafond. Quel est le design de l'espace ? Combien de personnes l'occupent et quel est le type d'activité qui y a lieu ? 

Des panneaux muraux insonorisants combinés à un plafond suspendu entièrement recouvert sont souvent nécessaires pour répondre aux exigences acoustiques. Ajoutez à cela la science de l'acoustique architecturale et tout devient encore plus compliqué.

Je me demande si Sabine savait ce qu'il avait commencé quand il déplaçait tous ces coussins...

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