Étude acoustique pour la sonorisation de cathédrale

Description du projet

La demande initiale consistait à une rénovation de la sonorisation existante, non-adaptée pour le lieu. Il fallait pouvoir diffuser un message vocal (prêche, annonces, ...) et de la musique d’ambiance dans la nef, les collatéraux, le transept et les bas-cotés. Il fallait également sonoriser le chœur. Pour proposer une sonorisation adaptée à ce lieu de culte emblématique et de réaliser une installation de qualité, LEVEQUE ACOUSTIQUE a conduit une étude électroacoustique détaillée, qui a permis de concevoir un système de diffusion audio selon les besoins du lieu.

Principes de l'étude

Le système de diffusion doit donc être conçu de manière à délivrer à l'auditeur un message agréable, avec un niveau suffisant pour couvrir le bruit ambiant, et à minimiser les effets des réflexions, pour garantir une bonne compréhension de ce message.

La qualité de restitution sonore se caractérise donc, par une balance tonale équilibrée sur l'ensemble de spectre audio (20 Hz - 20 kHz), par un niveau de pression acoustique suffisant, et enfin par une bonne intelligibilité de l'information transmise. Cette qualité de restitution dépend donc des éléments employés par le système de diffusion, de son emplacement par rapport à l'auditeur et de l'acoustique propre du lieu sonorisé. Le but de la conception d'une sonorisation est de définir le meilleur système de diffusion (composants et emplacement), en fonction des caractéristiques acoustiques du lieu. La principale caractéristique acoustique du lieu est son temps de réverbération, qui est en relation directe avec la géométrie du lieu et la nature des matériaux employés pour sa construction.

Le temps de réverbération (Tr) d’un lieu est défini comme le temps nécessaire pour qu'un son chute de 60 dB depuis son niveau initial après sa coupure. Il varie en fonction de la fréquence. Une salle avec un Tr de 3s est très réverbérante, et doit être abordée avec soin pour la conception d'un système de sonorisation. Une salle avec un Tr de 1s ne posera vraisemblablement pas de problème, à l'exception des cas particuliers où des échos se manifestent.

Logiciel numérique

Grâce à un logiciel spécifique numérique, LEVEQUE ACOUSTIQUE peut réaliser une étude et faire une simulation des systèmes de diffusion sonore dans un environnement donné, pour au final concevoir un système de sonorisation nécessaire.

L'avantage de procéder à une simulation informatique avec ce logiciel est de s'assurer à l'avance que le système de sonorisation choisi pour un projet offrira une qualité sonore satisfaisante pour l'ensemble des auditeurs. L'étude par simulation informatique d'un système de sonorisation tient compte de trois éléments :

• Le système de diffusion

• Le lieu que l'on souhaite étudier

• Le milieu de propagation du son
  

Le système de diffusion peut être composé d'une ou plusieurs enceintes acoustiques. Le logiciel possède une bibliothèque de différents types d'enceintes dont les caractéristiques ont été rigoureusement mesurées. Grâce à ces caractéristiques, le programme simule de manière réaliste la diffusion sonore d'un système donné.

Peu importe le lieu que l'on étudie, il est nécessaire de connaître précisément les caractéristiques de son espace (dimensions, revêtement, ...), pour que le logiciel simule parfaitement les réactions de cet espace, par rapport au système de sonorisation que l'on veut installer. Le milieu qui transmet l'onde sonore influe sur cette transmission en fonction de certains facteurs. Le logiciel tient donc compte de la température et du degré d'hydrométrie de l'air contenu dans l'espace simulé, ainsi que du niveau de bruit ambiant. Une étude numérique se fait en différentes étapes, dont voici les principales :

1. Réunir le maximum d'informations concernant le projet de sonorisation (plans, utilisation future, budget, mesures acoustiques, nature des matériaux ...).

2. Créer le modèle informatique du volume intérieur de l'espace à sonoriser.

3. Implanter dans ce modèle un système de diffusion sonore tel qu'il serait installé en réalité.

4. Effectuer les calculs pour évaluer le fonctionnement de ce système dans l'espace simulé.

5. Affiner l'étude jusqu'à ce que les résultats des calculs soient satisfaisants.
   

L'espace à sonoriser est modélisé en volume par le designer à l'aide du logiciel à partir des plans d'architecte. À chaque surface est affecté un matériau dont les coefficients d'absorption déterminent le temps de réverbération estimé de la salle. Le designer implante ensuite un système de diffusion qu'il a choisi pour la salle. Ce système peut comporter une ou plusieurs enceintes, réparties ou non en un ou plusieurs clusters. Le logiciel peut alors effectuer différents calculs tels que :

1. La couverture sonore en champ direct sur une zone déterminée (elle dépend uniquement des caractéristiques et de l’emplacement du système de diffusion).

2. La couverture sonore en champ direct et réverbéré (elle dépend à la fois des caractéristiques du système de diffusion et de l'acoustique de la salle).

3. Les temps d'arrivés des ondes sonores en divers points de la salle (à ces points est simulée la succession dans le temps des différentes ondes sonores, provenant directement des enceintes ou après réflexion sur les surfaces de la salle).

4. L'intelligibilité du message sonore en divers points de la salle.

Perception sonore

Le son est caractérisé par le déplacement d'une onde (à une fréquence et une intensité plus ou moins élevée) dans un environnement donné (en général l'air), depuis une source émettrice (exemple : une enceinte acoustique), jusqu'à un récepteur (exemple : une oreille). Les sons perçus, en général, par l'oreille humaine ont une fréquence comprise entre 20 Hz et 20 kHz, et une intensité variant de 0 dB-SPL jusqu'à 130 dB-SPL (seuil de douleur). Le but d'un système de sonorisation est de transmettre à un auditeur un message vocal ou musical avec le plus grand confort possible. Dans la réalité, l'auditeur perçoit trois informations :

• Le son direct en provenance du système de sonorisation

• Les réflexions de cette information sur les parois du lieu sonorisé

• Le bruit ambiant

La simulation numérique donne une estimation du temps de réverbération de 8,53 secondes dans la bande 31 Hz à 250 Hz, 5,9 secondes dans la bande 500 Hz à 2 kHz et 1,13 secondes dans la bande 4 kHz à 16 kHz.

La couverture sonore en champ direct de 1 à 4 kHz permet de qualifier la répartition de pression acoustique. Cette répartition doit être homogène sur l'ensemble de la zone auditeur. Les résultats de l’étude montrent une couverture sonore homogène dans l’ensemble de la cathédrale excepté près des enceintes où le niveau sonore est plus important. La simulation acoustique numérique donne un Tr vide estimé de 6,4 s à 1 kHz correspondant aux mesures effectuées sur place.

La couverture sonore est caractérisée par une déviation standard (StDv) de 4,5 dB en moyenne sur l'ensemble de la zone auditeur. Ce résultat peut être considéré comme Mauvais pour l'objet étudié.

Le niveau de pression acoustique en champ direct+réverbéré est estimé à 94 dB SPL en moyenne.

Le calcul d'intelligibilité permet de qualifier la compréhension d'un message vocal aux différents points d'écoute. Ce taux d'intelligibilité ou STI varie de 0 à 1. Pour la Cathédrale, l'intelligibilité aux différents points d'écoute varie de 0,46 à 0,63 et est en moyenne de 0,56 sur l'ensemble des points d'écoutes. Ce résultat est Bon à Très bon.

Solutions proposées en fonction de l'étude réalisée :

• Sonorisation du transept avec quatre points de diffusion (deux points de diffusion de chaque coté de l’autel sur les piliers).

• Sonorisation de la nef avec dix points de diffusion (cinq points de diffusion de chaque coté de la nef sur les piliers).

• Sonorisation des collatéraux avec dix points de diffusion.

• Sonorisation des bas-côtés avec quatre points de diffusion.

• Sonorisation du chœur avec quatre points de diffusion.

• Sonorisation du déambulatoire avec six points de diffusion (trois points de diffusion de chaque coté répartis sur les piliers et composés d’une demi colonne (6 haut parleurs par enceinte)).

Les enceintes seront installées à une hauteur de 1.8m (milieu d’enceintes) par rapport au sol.

L’amplification du système sera assurée par 3 amplificateurs numériques. La distribution des sources vers les différentes zones sera gérée par un matriceur numérique. La commande de la sonorisation se fera par l’intermédiaire d’un clavier de commande.

Synthèse de l'étude et solutions proposées

La Cathédrale sonorisée

Mot de conclusion

Comme dans le cas de beaucoup d'édifices religieux, sonoriser la Cathédrale de Clermont-Ferrand n'a pas été une mission facile. Les défis acoustiques, esthétiques et architecturales nécessitaient une attention spécifique et une approche personnalisée. Grâce à l'expertise de notre équipe et à la solution d'étude numérique adoptée, nous avons su répondre aux attentes du commanditaire et proposer une installation optimale. Le système sonore, installé depuis maintenant plusieurs années, tient ses promesses aujourd'hui.

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