Performance acoustique des panneaux sandwich

La pollution sonore est un facteur déterminant dans la définition de la qualité de l’environnement. En effet, elle représente non seulement une menace sérieuse pour la santé humaine et le bien-être physique et mental, mais a également un effet significatif sur la valeur des biens immobiliers, puisqu’une maison ou un bâtiment construit dans un environnement bruyant est beaucoup moins attrayant.

Le développement de l’acoustique au cours des dernières décennies a été remarquable et, au même rythme, des normes relatives à différents types de mesures acoustiques ont été élaborées. Cette normalisation est devenue nécessaire en raison de la croissance exponentielle des niveaux de bruit dans les zones urbaines.

Les normes régissant les niveaux admissibles de pollution sonore tiennent compte des facteurs suivants :

le bruit transmis à l’environnement par les bâtiments industriels ;
le bruit produit par la circulation et transmis aux bâtiments environnants ;
les niveaux de bruit à l’intérieur des bâtiments et des ateliers ;
les conditions d’isolation acoustique entre les pièces d’un bâtiment.

Comme on peut le constater, le contrôle du bruit caractéristique et exponentiel d’un bâtiment nécessite une prise en compte attentive de tous les aspects de la construction ou de la rénovation lors de la phase de conception. Pour ce faire, les aspects suivants doivent être vérifiés :

l’isolation acoustique des façades extérieures ;
l’isolation acoustique des cloisons verticales et horizontales ;
l’isolation des sols ;
le niveau d’émission sonore des installations sanitaires ;
le bruit des installations de service (ascenseurs, installations de climatisation, autoclaves, etc.)

C’est donc lors de la phase de conception qu’elle prend forme et permet de protéger véritablement le bâtiment contre les bruits extérieurs et intérieurs.

Nature du son

Le son peut être considéré comme un train de vibrations, produit par une source vibrante, qui se propage dans l’air sous forme d’ondes de pression et provoque localement des conditions de compression et de raréfaction. Les particules d’air sont excitées par ces ondes et oscillent par hasard, transférant leur énergie aux particules voisines, et ainsi de suite. C’est alors qu’ils atteignent l’oreille humaine, qui perçoit ce mouvement comme un changement de pression et, finalement, comme un son.

Les paramètres fondamentaux du son sont la fréquence et la pression : la mesure de l’intensité du son lorsqu’il atteint l’oreille humaine. L’unité de mesure de la fréquence est le hertz, qui se traduit par le nombre de cycles par seconde (ondes vibratoires par seconde). Les adultes ont une plage d’audibilité allant de 20 Hz à 20 000 Hz, bien que le corps humain puisse être influencé par des sons en dehors de cette plage. Un son inférieur à 20 Hz est appelé infrason, tandis que les ultrasons se produisent au-dessus de 20 000 Hz.

En tout état de cause, à une fréquence donnée, l’oreille humaine réagit à la pression acoustique, dont l’unité de mesure est le Pa (N/m2). La pression sonore la plus basse que l’oreille humaine moyenne est capable de détecter est d’environ 2 x 10-5 Pa, tandis que la limite supérieure à laquelle l’oreille commence à ressentir de la douleur est d’environ 20 Pa.

En raison de cette large gamme, les niveaux de pression acoustique sont généralement exprimés à l’aide d’une échelle logarithmique. Ainsi, l’énergie d’une onde sonore étant proportionnelle au carré de la pression acoustique, l’équation suivante permet de définir l’unité de mesure généralement utilisée pour la pression acoustique, le décibel (dB) :

N p2 p

= 10 log — = 20 log —

po2 po

où:Np = niveau de pression acoustique (dB)

p = pression acoustique effective (Pa)

po = pression acoustique de référence : 2 x 10-5 Pa.

La sensibilité de l’oreille humaine à la pression acoustique varie en fonction des différentes fréquences. Le niveau minimum qui peut être perçu par l’oreille humaine à une fréquence donnée est appelé seuil d’audibilité. Le seuil d’audibilité diffère d’une personne à l’autre et évolue également avec l’âge. Lorsque le son perçu par l’oreille devient plus fort, il atteint un niveau auquel l’oreille humaine commence à ressentir une gêne intense. Ce niveau est connu sous le nom de seuil de la douleur et a une valeur d’environ 140 dB. Ces limites, ainsi que les niveaux typiques approximatifs observés lors d’une conversation ou de l’écoute de musique, sont indiqués à la figure 10.1.

Paramètres acoustiques fondamentaux

Le son peut être absorbé, transmis ou réfléchi. Lorsqu’une onde sonore frappe un élément de séparation, tel qu’un toit ou un mur, une partie de l’énergie sonore est réfléchie, une autre est absorbée par le matériau et une autre est transmise à travers le matériau, comme le montre la figure 10.2.

Absorption

Le pourcentage du son incident qui est réfléchi, absorbé ou transmis dépend de l’élément de construction, du matériau dont il est constitué et de la fréquence du son. Sur cette base, nous pouvons définir trois paramètres acoustiques :

le coefficient d’absorption, ? = pourcentage du son incident absorbé par l’élément ;
coefficient de réflexion, ? = pourcentage du son incident réfléchi par l’élément ;
le coefficient de transmission, ? = pourcentage du son incident transmis par l’élément.

Concepts d'isolation et d'absorption acoustique

L’isolation acoustique représente la capacité d’un élément (par exemple un panneau sandwich) à empêcher les ondes sonores incidentes de le traverser. Cette caractéristique est d’une grande importance dans toutes les applications où la transmission du bruit d’un environnement à l’environnement adjacent doit être réduite (Fig. 10.3). La capacité d’isolation acoustique dépend de la fréquence sonore et de la masse par unité de surface du baffle.

L’absorption acoustique exprime la capacité de la couche isolante de l’élément de séparation (par exemple, la dalle de laine minérale d’un panneau sandwich) à absorber l’énergie sonore qui lui est transmise. Cette caractéristique est extrêmement importante dans toutes les applications où le niveau de bruit dans un environnement doit être réduit (Fig. 10.4).

Isolation acoustique

Aspects fondamentaux de l’isolation acoustique

Les bruits aériens sont des sons générés dans un local ou une installation industrielle par une source telle qu’un haut-parleur, une conversation entre plusieurs personnes, une télévision, etc. (à ne pas confondre avec les bruits d’impact, qui sont produits par des forces appliquées directement sur la structure, par exemple par des bruits de pas). Il peut être transmis aux pièces adjacentes ou à l’extérieur par différentes voies de transmission, telles que les murs de séparation, les planchers, la structure porteuse du bâtiment, les fenêtres, les portes et les conducteurs, comme le montre la figure 10.5.

La réduction nette de l’énergie sonore aérienne produite et transmise par toutes ces voies de propagation est connue sous le nom d’isolation contre les bruits aériens ou simplement d’isolation acoustique.

Il est notamment possible de distinguer deux méthodes de propagation différentes : la propagation directe, où l’énergie sonore traverse directement l’élément de séparation, et la propagation indirecte, où l’énergie sonore traverse la structure environnante.

La propagation directe se produit lorsqu’un mur séparant deux pièces adjacentes commence à vibrer lorsqu’il est frappé par une onde sonore, ce qui fait que le son se propage au-delà du mur. Pour minimiser ce phénomène autant que possible, il est nécessaire de limiter la possibilité de vibration des murs, ce qui implique une étude minutieuse des caractéristiques d’élasticité et de dissipation des matériaux de construction. Une telle analyse ne peut se passer de mesures en laboratoire pour déterminer les propriétés isolantes des matériaux, pour établir des données de conception ou pour vérifier la conformité des matériaux de construction aux normes en vigueur.

La propagation indirecte permet au son d’atteindre la pièce réceptrice par des chemins plus détournés que le son direct. Les murs ou les planchers proches de l’élément de séparation sont les principales voies de propagation indirecte, mais ce phénomène peut également se produire avec des portes, des fenêtres, des vides de plafond suspendu et d’autres éléments capables de réduire la capacité d’isolation acoustique de l’environnement.

Dans ce cas, la possibilité de réduire ou d’éliminer les fuites d’air à proximité de l’élément de séparation a un effet significatif sur les performances acoustiques de l’élément de séparation. Bien entendu, il est très peu probable que le matériau examiné présente en pratique les mêmes caractéristiques que celles détectées dans des conditions idéales sur le site d’essai. C’est pourquoi, dans tout problème d’isolation acoustique, il est essentiel de prendre en compte les deux méthodes de propagation et d’identifier les parties les plus faibles de la construction.

La mesure fondamentale de l’isolation acoustique fournie par une cloison est appelée indice d’affaiblissement acoustique, perte de transmission du son ou capacité d’isolation acoustique : elle est désignée par le symbole R et mesurée en décibels (dB).

La valeur R est obtenue en laboratoire en soumettant l’échantillon à un test d’isolation acoustique. Comme aucun mécanisme de propagation indirecte n’est pris en compte, cette valeur indique la capacité de l’élément testé à réduire la transmission de l’énergie sonore d’un environnement à un autre, et est caractéristique des propriétés physiques de l’élément (Fig. 10.6).

Lorsque les mesures sont effectuées sur un bâtiment réel et incluent les effets liés à la propagation indirecte du son, aux fuites sonores, etc., le paramètre de mesure de l’isolation acoustique est appelé rapport de réduction acoustique apparent, perte de transmission acoustique apparente ou capacité d’isolation acoustique apparente : il est désigné par R’ et est également mesuré en décibels (dB) (Fig. 10.7).

W1 = Énergie sonore incidente à la paroi,
W2 = Énergie sonore transmise à travers la paroi
W3 = énergie sonore transmise latéralement par la structure adjacente

Le pouvoir d’isolation acoustique R varie en fonction de la densité de la surface ? du mur, c’est-à-dire en fonction de la masse par unité de surface du diviseur (selon la loi des masses) et de la fréquence f du son.

La loi des masses exprime une relation claire entre la masse par unité de surface d’une paroi et ses propriétés d’isolation acoustique : si l’on considère que la paroi ayant la masse surfacique la plus élevée a la plus grande capacité à contrer les mouvements vibratoires généralement induits par les ondes sonores incidentes, cette loi prédit que, chaque fois que la masse par unité de surface d’une paroi à couche unique est doublée, l’indice de réduction acoustique augmente d’environ 6 dB, ce qui réduit considérablement la charge de pression acoustique physiquement absorbée par l’être humain.

Dans la pratique, la paroi à double couche est la solution préférée lorsque deux pièces adjacentes doivent être insonorisées, car l’espace entre les deux couches peut être rempli d’un matériau adapté aux valeurs d’insonorisation souhaitées. La capacité d’isolation acoustique d’un mur à double couche est considérablement augmentée lorsqu’une plaque de laine minérale est insérée entre les deux murs.

Il convient de noter que même si l’isolation acoustique peut être améliorée dans un espace de vie, les bruits de basse fréquence sont très coûteux et difficiles à éliminer.

Les ondes sonores à basse fréquence, en raison de leurs grandes dimensions, ont tendance à envelopper tout l’environnement, ce qui fait vibrer toute la structure à l’unisson. Dans ce cas, les systèmes d’isolation acoustique courants ne sont pas efficaces pour bloquer ces ondes, car elles sont trop grandes.

Propagation indirecte du son

La propagation indirecte concerne les sons transmis aux environnements adjacents par l’intermédiaire de structures situées à l’intérieur de l’élément de séparation. Ce facteur doit nécessairement être pris en compte lors de l’utilisation d’éléments sandwich.

Voici quelques exemples de solutions structurelles permettant une propagation indirecte du son :

un mur extérieur, construit en panneaux sandwich, traversant un plancher ou une cloison intérieure, capable d’assurer un haut degré d’isolation acoustique ;
des cloisons internes, caractérisées par des valeurs d’isolation acoustique élevées, reliées à un plafond constitué de panneaux sandwich.

Dans les deux cas, le son est principalement transmis par les structures entourant l’élément de séparation (le mur extérieur et le plafond), car il s’agit d’un chemin privilégié par lequel le son peut se propager. La figure 10.9 présente deux exemples de solutions permettant de réduire le risque de propagation indirecte.

Indice d'affaiblissement acoustique pour les trous et les fissures

Le taux de réduction sonore offert par les trous et les fissures est presque égal à 0 dB. Par conséquent, l’influence des trous et des fissures peut être importante, par exemple en ce qui concerne les raccords entre les panneaux sandwiches, les portes et les fenêtres sans isolation correcte et, en fin de compte, les ouvertures nécessaires dans les cloisons.

Si un matériau absorbant le son est présent dans les fissures, il garantit un taux de réduction du son plus élevé dans ces cas. Cela signifie que la connexion entre des panneaux sandwich avec une couche d’isolation en laine minérale n’est pas aussi critique que la connexion entre des panneaux rigides en mousse de polyuréthane, qui ont une très faible capacité d’absorption acoustique.

Un phénomène reconnu dans les structures sandwich est la déflexion des panneaux, liée à une différence de température entre les surfaces extérieures des panneaux, qui peut avoir un impact défavorable sur la réduction du bruit.

Essai d'isolation acoustique pour la détermination de l'indice d'affaiblissement acoustique

La méthode d’essai pour la mesure de l’indice d’affaiblissement acoustique, R, d’un panneau sandwich est réalisée conformément aux normes internationales suivantes :

EN ISO 140-3:1995, “Acoustique – Mesurage de l’isolation acoustique des bâtiments et des éléments de construction – Partie 3 : Mesurage en laboratoire de l’isolation des éléments de construction contre les bruits aériens” ;
EN ISO 717-1:1996, “Acoustique – Classification de l’isolation acoustique des bâtiments et des éléments de construction – Partie 1 : Isolation contre les bruits aériens”.

La méthode d’essai nécessite l’utilisation de deux chambres adjacentes : l’une des chambres est utilisée comme “chambre source”, produisant un champ sonore (à l’aide d’une source sonore, telle qu’un haut-parleur omnidirectionnel), et l’autre est considérée comme la “chambre réceptrice” (Fig. 10.10).

Les chambres sont séparées par une paroi commune, munie d’une ouverture dans laquelle est fixé l’échantillon à tester, comme le montrent les figures 10.11 et 10.12.

Les chambres d’essai du laboratoire sont des chambres réverbérantes, construites de manière à éviter toute fuite sonore éventuelle, de sorte que, pendant l’essai, toute l’énergie atteint la chambre réceptrice exclusivement à travers la paroi d’essai (Fig. 10.13).

Si l’on indique par L1 (dB) le niveau moyen de pression acoustique dans la chambre source et par L2 (dB) le niveau moyen de pression acoustique dans la chambre réceptrice, le rapport de réduction acoustique entre les deux chambres est déterminé par

R = L1 – L2 + 10 log S – 10 log A

où S est la surface du panneau d’échantillonnage (m2) et A est l’absorption totale de la chambre de réception (m2).

A la fin de l’essai, l’organisme de certification traite les résultats et délivre un rapport d’essai (Fig. 10.14) qui consiste en un graphique de l’indice d’affaiblissement acoustique en fonction des différentes fréquences.

Les courbes de l’indice d’affaiblissement acoustique, avec variation de fréquence, des panneaux PanelORG® Wall Sound de 100, 80 et 50 mm d’épaisseur sont présentées dans le graphique suivant (Fig. 10.15).

Valeurs indicatives d'isolation acoustique des panneaux sandwichs

Les valeurs de l’indice d’affaiblissement acoustique obtenues avec les panneaux sandwichs sont plus élevées lorsque la couche isolante est constituée de laine minérale plutôt que de mousse de polyuréthane.

Les panneaux sandwich en mousse PUR permettent d’obtenir des valeurs d’indice de réduction sonore toujours équivalentes à 25 dB.

Les valeurs de l’indice d’affaiblissement acoustique garanties par les panneaux de laine minérale sont nettement plus élevées et dépendent de l’épaisseur du panneau. Des valeurs approximatives sont données dans le tableau 10.2 :

Épaisseur (mm)	Indice d’affaiblissement acoustique R (dB)
50	27
80	28
100	30
120	32
150	33

Tableau 10.2 : Valeurs indicatives de l’indice d’affaiblissement acoustique des panneaux de laine minérale

Absorption acoustique

Aspects fondamentaux de l’absorption acoustique

Les panneaux sandwich sont généralement utilisés comme murs et toitures dans les usines et les ateliers : ceux-ci sont généralement caractérisés par des niveaux de bruit souvent très élevés.

Si des panneaux à surface métallique sont utilisés et qu’aucun système d’absorption acoustique supplémentaire n’est prévu, la qualité acoustique du bâtiment risque de ne pas être satisfaisante, car la majeure partie du son est réfléchie autour du bâtiment.

Pour améliorer la qualité acoustique, il est nécessaire d’installer des matériaux absorbants à l’intérieur des pièces, en les fixant sous les revêtements ou sur les murs. Les matériaux d’absorption du son les plus courants sont les dalles de plafond, les tissus d’ameublement ou les écrans. Ces matériaux d’absorption acoustique et d’autres plus spécialisés sont utilisés dans les bureaux, les centres de service à la clientèle, les cinémas, les théâtres, les studios de musique et de télévision, les usines, les ateliers, les véhicules, etc.

En tout état de cause, les panneaux sandwich avec des surfaces métalliques et une âme en laine minérale, dont l’une des surfaces est perforée, ont des propriétés d’isolation acoustique et d’absorption et conviennent bien pour être utilisés comme cloisons (lorsqu’un pare-vapeur n’est pas nécessaire) et dans les carrosseries de machines. Malheureusement, l’utilisation de ces panneaux est particulièrement critique dans les applications d’enveloppes et de murs de bâtiments chauffés, lorsque la température extérieure atteint des valeurs particulièrement basses, car ces panneaux ne possèdent pas de propriétés de pare-vapeur et peuvent provoquer des phénomènes de condensation et d’égouttement.

Le PanelSandwich.ORG PanelORG® Wall Sound, illustré à la Fig. 10.16, est un exemple de panneau sandwich présentant les caractéristiques susmentionnées.

La constante du matériau, qui définit la capacité d’un matériau à absorber le son, est connue sous le nom de coefficient d’absorption acoustique, ? Le coefficient d’absorption acoustique varie en fonction de la fréquence du son.

Ce coefficient indique le rapport entre l’énergie absorbée et l’énergie incidente et varie donc entre 0 (réflexion totale) et 1 (absorption totale). Les propriétés d’absorption acoustique d’objets, tels que des chaises ou des rembourrages, sont quantifiées par un paramètre appelé surface d’absorption acoustique équivalente, qui est la surface d’une surface parfaitement absorbante ( ? = 1), capable d’absorber la même quantité de son incident que celle absorbée par l’objet réel.

Essai d’absorption acoustique pour la détermination du coefficient d’absorption

Une méthode d’essai pour mesurer la capacité d’absorption acoustique des matériaux plats tels que les tapis ou les dalles acoustiques, ainsi que des matériaux individuels tels que les chaises, les écrans acoustiques et les coussins rembourrés, est basée sur l’utilisation d’une chambre réverbérante.

Le test est effectué conformément à la norme internationale EN ISO 354:2003 “Acoustique”.

Mesure de l’absorption acoustique dans une chambre réverbérante”.

La méthode nécessite la création d’un champ sonore dans une chambre réverbérante initialement vide. Lorsque la source sonore est éteinte, le temps de réverbération est mesuré : il s’agit du temps nécessaire pour que le niveau de pression acoustique à l’intérieur de la chambre descende en dessous de 60 dB.

Ensuite, l’échantillon est placé dans la chambre et le temps de réverbération est à nouveau mesuré. En raison des propriétés d’absorption acoustique de l’échantillon, le temps de réverbération devrait être plus court. Par conséquent, les deux temps de réverbération ainsi détectés permettent de calculer l’aire d’absorption acoustique équivalente de l’échantillon.

L’échantillon d’essai doit être rectangulaire, avec un rapport largeur/longueur variant entre 0,7 et 1 (Fig. 10.17). Il doit être placé directement contre une surface de la chambre, généralement posée sur le sol et, de préférence, ses bords ne doivent pas être parallèles aux parois de la chambre.

Les bords de l’échantillon doivent être scellés ou recouverts pour éviter qu’ils n’absorbent l’énergie sonore, à l’aide d’un cadre de réflexion acoustique en acier, en bois ou en placoplâtre. En tout état de cause, si les bords de l’échantillon d’essai sont laissés à découvert dans les applications pratiques où il est normalement utilisé, ils doivent également être laissés à découvert pendant l’essai.

Si l’échantillon d’essai est obtenu par l’assemblage de deux ou plusieurs pièces de matériau, il peut être nécessaire de couvrir les joints avec du ruban adhésif, un matériau isolant approprié ou un autre matériau sans absorption acoustique : cela évite que l’échantillon d’essai n’absorbe de l’énergie acoustique au niveau des joints.

Le résultat de l’essai est une courbe décrivant la variation du coefficient d’absorption acoustique en fonction des variations de fréquence, produite par l’organisme de certification dans un rapport d’essai final (Fig. 10.18).

Le graphique suivant (Fig. 10.19) se réfère à la variation du coefficient d’absorption acoustique, ?, en fonction de la fréquence, pour un panneau sandwich PanelORG® Wall Sound d’une épaisseur de 50 mm.