Éléments physiques de base relatifs à la construction

Introduction

Outre la vue, l'ouïe a une importance capitale pour notre perception et notre orientation dans l'environnement. Le fait que quelque chose soit perçu comme un bruit agréable ou comme un bruit gênant dépend de nombreux facteurs individuels. Néanmoins, certaines limites qui ne doivent pas être dépassées pour la protection de la santé, s'appliquent en termes de nuisances sonores pour l'homme. Il s'agit à la fois de la dégradation directe de notre ouïe et des répercussions physiologiques et psychologiques. Le bruit agit sur le bien-être et les capacités, il peut déclencher un stress important, il influe sur le système cardiovasculaire et augmente donc le risque d'infarctus. Le bruit trouble les processus de la pensée, entrave la communication et nuit au repos.

L'isolation acoustique comme tâche de planification pour les bâtiments, constitue donc un chapitre important de la physique du bâtiment. L'isolation acoustique doit permettre de réduire les nuisances sonores dans le bâtiment. Il s'agit à la fois du son pénétrant par les composants extérieurs et de la transmission du son dans une construction.

Dans les zones urbaines à forte densité, les hommes vivent à proximité, gênés par tout type de nuisances sonores. Les constructions de fenêtres et façades insonorisantes permettent là aussi de passer un moment agréable dans les espaces habitables.

Dans ce chapitre, à partir de la zone d'insonorisation complexe, outre les connaissances de base relatives à la propagation du son, les caractéristiques pertinentes pour le verre, les fenêtres et les façades seront expliquées et le mode de fonctionnement de l'isolation acoustique avec le verre sera décrit.

Propagation du son, types de sons

Contrairement aux ondes électromagnétiques, les ondes acoustiques ont nécessairement besoin d'un milieu pour se propager. Dans le vide, il n'y a pas de son. Le son est généré par des vibrations mécaniques. Dans l'air, ce sont des variations de pression qui se superposent à la pression atmosphérique. Dans les gaz et les liquides, ces ondes de choc vibrent dans leur direction de propagation (ondes longitudinales), dans les solides, il existe également d'autres formes d'ondes plus complexes.

La vitesse de propagation du son dépend du type d'onde et du milieu. Dans l'air, elle est d'environ 343 m/s.

L'acoustique désigne la théorie du son qui étudie l'ensemble des aspects tels que la naissance et la création, la propagation, l'influence et l'analyse du son. La zone partielle de l'acoustique architecturale traite de l'isolation acoustique des bâtiments. Le but étant de protéger les salles de séjour des bruits envahissants des autres pièces, des installations techniques du bâtiment et du son extérieur. L'acoustique architecturale en revanche, selon l'utilisation prévue, traite de la qualité acoustique des pièces, afin d'optimiser par exemple la communication vocale dans les bureaux ou les durées de réverbération dans les salles de concert et les installations sportives.

On désigne le son qui se propage dans l'air son aérien, contrairement au son de structure, transmis via des milieux solides. Sur les surfaces de composant, un son de structure peut être émis comme son aérien et inversement. Le son de choc est un son de structure résultant du passage dans le bâtiment. La propagation du son aérien, dans les processus complexes physiques, est influencée par une diffraction contre des obstacles ou des ouvertures et par le reflet sur des surfaces. Il en résulte divers effets acoustiques tels que la réverbération dans des pièces ou l'écho.

Si une onde acoustique parvient à l'oreille, le tympan produit des vibrations et génère l'écoute, par des processus complexes. Une seule vibration avec une certaine fréquence donne un son, où la fréquence désigne le nombre de vibrations par seconde, l'Herz est l'unité, 1 Hz = 1/s. La note essentielle pour l'accord des instruments est définie à 440 Hz. La hauteur de la note s'élève avec l'augmentation de la fréquence. À certains écarts de fréquence, on obtient des intervalles, par exemple les octaves par doublage ou réduction de moitié de fréquence ou tierces, quartes et quintes. Ces intervalles jouent un rôle lors de la formation de sons harmonieux. Il résulte de la superposition de plusieurs tons, une sonorité, de nombreux tons fragmentés donnent ensemble un bruit.

La plage de fréquences audibles de l'homme va de 16 à 20 000 Hz, l'infrason quant à lui se situe en dessous de la plage de fréquences audibles, l'ultrason au-dessus.

Le bruit est défini comme son audible indésirable, pouvant entraîner perturbations, nuisances, troubles ou dommages. Cependant, les différents goûts musicaux déjà, montrent clairement que le fait qu'un son soit perçu comme un bruit parasite ou rende heureux, dépend beaucoup de l'évaluation individuelle et du ressenti de chaque personne.

La superposition d'ondes pouvant se renforcer ou se réduire mutuellement est désignée par l'interférence. Le son peut même s'éteindre par des vibrations générées artificiellement, parfaitement opposées (contrôle actif du bruit). Si deux vibrations sonores superposées varient seulement légèrement par leur fréquence, cela entraîne une amplification et une diminution (battement).

La pression acoustique indique la force par surface exercée par une vibration sonore. Elle constitue une mesure de la force d'un événement sonore et détermine la perceptibilité. L'oreille humaine peut percevoir des pressions acoustiques de l'ordre de 0,00002 Pascals à environ 200 Pascals. Cet immense éventail supérieur à 7 puissances de dix, montre que le processus auditif ne se déroule pas de façon linéaire mais dynamique. Le volume sonore doublé ne signifie pas une pression acoustique double, mais multiple.

Pour l'évaluation du volume sonore, une échelle logarithmique est alors choisie, permettant une représentation claire. Une conversion logarithmique et la référence au seuil auditif humain permettent de décrire la pression acoustique au niveau de pression acoustique (également en abrégé : niveau sonore), indiqué en Décibel (dB) et la force d'un événement sonore. Le seuil auditif humain à 0,00002 Pa est donc défini à 0 dB, la valeur extrême supérieure de l'échelle pour 200 Pa est 140 dB.

Le seuil de douleur pour un événement pour l'audition humaine se situe ente 120 et 130 dB. Ce niveau de pression acoustique très élevé, même sur une courte durée, cause des lésions auditives. Pour une durée plus longue, la limite pour les troubles auditifs se situe déjà à 85 dB.

La pression acoustique désigne une variable technique n'admettant aucune déduction obligatoire sur le sentiment subjectif humain en termes de perception. La règle de base suivante s'applique : Une augmentation de la pression acoustique de 10 dB donne une sensation sonore deux fois plus élevée. Le processus auditif humain dépend cependant de la hauteur de note, c'est-à-dire la perception du volume sonore n'est pas répartie uniformément sur l'ensemble de la plage de fréquences audibles. Sur une plage comprise entre 2000 et 5000 Hz, nous entendons mieux. Pour des fréquences plus graves et élevées, pour la même perception de volume sonore, une pression acoustique plus élevée est requise, car la sensibilité auditive aux marges de la plage de fréquences audibles diminue. Ce parcours de la perception du son dépendant de la fréquence est pris en compte lors de la méthode d'évaluation du volume sonore par des courbes de pondération fréquentielle.

La pression acoustique évaluée est déterminée par la décomposition d'un spectre mesuré en bandes de fréquences étroites et la pondération de ces bandes avec la perception. Le niveau général est obtenu en additionnant les niveaux partiels pondérés.

Acoustique architecturale

L'émission sonore désigne l'émission du son par une source sonore, l'immission sonore l'effet du son ailleurs. Pour l'exposition au bruit, des valeurs limites d'immission sont prédéfinies par le législateur, en fonction de la zone.

On désigne par isolation acoustique notamment, la protection contre les nuisances sonores liées au trafic routier, aérien, ferroviaire, aux commerces et au voisinage. On distingue à cet effet une isolation acoustique active et passive. L'isolation acoustique active réduit les émissions sonores, par exemple l'isolation vibratoire des appareils, les interdictions de vol ou l'asphalte antibruit. L'isolation acoustique passive réduit les nuisances sonores sur le lieu d'immission. Cette isolation s'effectue principalement grâce à des mesures d'isolation acoustique, permettant de réduire la propagation du bruit aérien et de structure.

Les composants insonorisants réduisent la transmission du son par une structure suffisamment haute, des constructions multi-couches ou une séparation technique et architecturale, par exemple le plancher flottant. Si une isolation acoustique est mal réalisée, les ponts acoustiques ainsi que les orifices non prévus et les fentes, altèrent le résultat. La valeur caractéristique ainsi que la qualité du montage restent donc décisives pour l'efficacité ultérieure des composants insonorisants.

Les bancs d'essai de mesure des composants, par exemple vitrages ou fenêtres, se composent de deux espaces adjacents où la cloison de l'élément à tester est montée avec une dimension de 1,23 x 1,48 m. À cet effet, des mesures de construction correspondantes permettent de veiller à ce que seule la transmission du son par le composant lui-même soit mesurée réellement et non également une transmission indirecte par les parties contiguës sur le raccord de composant. Le son incident au composant dans la salle d'émission est transféré dans la salle de réception, en transformant le composant en vibrations, favorisant à nouveau l'émission de vibrations dans la salle de réception.

Conformément aux directives de la norme SN EN ISO 10140-2 relative à la méthode d'essai de mesure du son aérien, dans la salle d'émission, un son segmenté d'une plage de fréquences de 100 à 5000 Hz en tierce, est généré. Dans la salle d'émission comme dans la salle de réception, les pressions acoustiques sont pondérées énergétiquement et l'indice d'affaiblissement acoustique est déterminé à partir de cette valeur. Une procédure normalisée permet de déterminer à partir de ce spectre, une seule valeur numérique représentative (indice), l'indice d'affaiblissement acoustique évalué R_w. Selon la norme SN EN ISO 717-1, pour ce faire, une courbe de référence prédéfinie par la norme, par paliers de 1 dB, déplacée verticalement jusqu'aux déviations défavorables (la courbe de valeur de mesure se situe en-dessous de la courbe de référence) ne dépassera pas 2 dB. R_w correspond alors à la valeur lue sur la courbe de référence à 500 HZ sur l'axe y.

L'indice d'affaiblissement acoustique évalué Rw à lui seul ne permet pas de tirer des conclusions sur l'isolement acoustique pour chacune des fréquences. Selon le cas, le bruit peut se composer de différentes parts de fréquences, par exemple à un carrefour avec des camions qui circulent, une plus grande part à des fréquences plus basses. Dans ces cas, il peut être utile d'examiner en détail, outre l'indice Rw, également la courbe d'isolation acoustique. Des composants avec la même valeur d'indice d'affaiblissement acoustique évalué, peuvent malgré tout varier de manière significative, sur chacune des plages de fréquences.

Pour un indice d'affaiblissement acoustique évalué R’_w („R-tiret-w“), l'apostrophe symbolise le fait que le composant a été mesuré à l'état de montage, toutes les voies secondaires du bruit comprises.

Pour prendre en compte différents spectres de fréquence, par exemple des bruits d'habitation et de circulation, les valeurs d'adaptation du spectre C et C_tr ont été introduites. Elles désignent une valeur spécifique au composant en dB qui doit être ajoutée à l'indice d'affaiblissement acoustique évalué Rw, pour être adaptée à certaines situations standard de bruit. La valeur d'adaptation C concerne des fréquences basses telles que le bruit d'activités pratiquées à la maison, le trafic ferroviaire à grande vitesse ou vitesse moyenne, le bruit des écoles et des enfants qui jouent. La valeur d'adaptation Ctr est utilisée pour évaluer des situations sonores avec des sonorités graves, par exemple le trafic routier urbain, le trafic ferroviaire à faible vitesse, le bruit des avions ou le bruit des discothèques. Les valeurs numériques C et Ctr se situent entre 0 et -10 dB.

Elles sont indiquées comme suit : Rw (C;Ctr) = 40 (-1;-5) dB. Ce composant par rapport au bruit de logement présente une isolation acoustique de 40 dB - 1 dB = 39 dB et par rapport au bruit de trafic de 40 dB – 5 dB = 35 dB.

L'isolation acoustique de composants assemblés tels que les fenêtres, ne dépend pas exclusivement du verre isolant, même si celui-ci comprend, avec 70 à 80 %, la plus grande part en surface. L'isolation acoustique de la vitre du verre isolant ne doit donc pas être assimilée à celle de la fenêtre. Les exigences accrues relatives à l'isolation acoustique de l'ensemble de la fenêtre notamment, sont réalisables uniquement si tous les composants, c'est-à-dire le vitrage, le cadre de fenêtre (matériau et dimensions), le ferrage, le nombre de verrous, le nombre et le type de joints de feuillure s'harmonisent minutieusement et la jonction de fenêtre à la structure est soigneusement étudiée. Dans tous les cas, un montage approprié est requis. En outre, il importe de considérer les conditions de montage : Dans les bâtiments hauts, la direction du son diffère dans les étages supérieurs de la situation du banc d'essai. En cas d'incidence oblique ou rasante, l'isolation acoustique réelle est inférieure.

Normes et règlements en vigueur

En Suisse, il existe aujourd'hui deux documents essentiels où les exigences minimales relatives à l'isolation acoustique des fenêtres sont réglementées. 

• L'Ordonnance fédérale sur la protection contre le bruit (OPB).
• La Norme SIA 181 sur la « protection acoustique dans le secteur du bâtiment ».

Il convient de relever que les valeurs adoptées dans ces deux normes pour l'isolation acoustique se réfèrent à l'ensemble de la fenêtre à l'état monté et non au verre isolant seul.

L'Ordonnance fédérale sur la protection contre le bruit.

But et objectif :
Une grande partie de l'OPB est consacrée à la limitation et la maîtrise des immissions sonores. Lorsque cela ne suffit pas, l'OPB prescrit des exigences définies relatives à l'isolation acoustique sur les bâtiments (notamment pour les fenêtres).

Facteurs décisifs les plus importants 

• Type et utilisation du bâtiment
• Lieu précis sur une zone définie 
• Intensité de la source sonore à amortir

Par exemple, les bâtiments dans les zones industrielles doivent être traités différemment que ceux des lieux de villégiature. Des directives différentes de celles des bâtiments scolaires s'appliquent.

Nouvelles constructions

L'OPB oblige les maîtres d'ouvrage à garantir que l'isolation acoustique répond aux règles reconnues de l'architecture. À cet effet, l'ordonnance souligne notamment l'exigence minimale relative à la Norme SIA 181:2006.

Les municipalités sont tenues par l'OPB de créer des cadastres du bruit, pour les rues, installations ferroviaires et terrains d'aviation existants. Il s'agit de plans définissant précisément les régions exposées au bruit. Le degré de ces nuisances peut être mesuré ou calculé.

Bâtiments existants

Pour les bâtiments existants, l'OPB définit ce qu'on appelle des valeurs limites d'exposition. Celles-ci dépendent des degrés de sensibilité respectifs de la zone à bâtir correspondante.

On distingue les zones récréatives, les zones d'habitation, les zones mixtes et les zones d'industrie. Si les valeurs limites d'exposition sont dépassées, l'OPB prescrit pour les locaux exposés au bruit, un indice d'affaiblissement acoustique minimal défini, en fonction des nuisances sonores (R‘w+ (C ou Ctr) = 32 ou 3 dB).

Exigences liées à l'indice d'affaiblissement acoustique mesuré Rw (mesuré sur le bâtiment) des fenêtres et des composants connexes, par exemple les volets, selon le niveau d'évaluation déterminé Lr (pour des bâtiments existants selon l'OPB).

Sur des fenêtres particulièrement grandes, les autorités peuvent augmenter les exigences dans des limites raisonnables.

La norme SIA 181:2006

La norme SIA 181:2006 définit un plan de calcul permettant de déterminer les exigences liées à l'indice d'affaiblissement acoustique des fenêtres pour chaque pièce. Les valeurs s'appliquent à l'ensemble des éléments de la façade d'une pièce. Dans une méthode de calcul, selon le volume d'espace et la surface des fenêtres sur la façade, l'indice d'affaiblissement acoustique requis, en général un peu inférieur, peut être déterminé pour les fenêtres. Ni l'OPB (pour les bâtiments existants) ni la norme SIA 181:2006 (pour les nouvelles constructions) n'imposent d'indice d'affaiblissement acoustique pour verres isolants. Les valeurs prescrites se rapportent toujours à l'ensemble de la fenêtre.

En principe, une distinction doit être établie entre

• R_w + (C, C_tr) verre isolant : indice d'affaiblissement acoustique évalué de verre isolant (mesure en laboratoire)
• R_w + (C, C_tr) fenêtre : indice d'affaiblissement acoustique évalué de fenêtre (mesure en laboratoire)
• R’_w + (C, C_tr) fenêtre : indice d'affaiblissement acoustique évalué de fenêtre (mesure sur le bâtiment)

Bruit et verre

Généralement, les règles suivantes s'appliquent pour l'isolation acoustique des produits en verre : Le verre simple (verres monolithiques), à épaisseur identique, indépendamment du type de verre (flotté, ESG, TVG ...), a toujours le même indice d'affaiblissement acoustique. Le verre décoratif est décrit du point de vue acoustique par les données du verre simple, avec l'épaisseur la plus basse suivante (verre d'ornement 6 mm = données pour verre simple en 5 mm d'épaisseur). Plus le verre simple est épais, meilleure est l'isolation acoustique.

Il existe du verre feuilleté/verre feuilleté de sécurité utilisé comme verre insonorisé également avec des propriétés d'isolation optimisées. À cet effet, des films souples, élastiques de PVB aux propriétés amortissantes de protection acoustique, sont utilisés comme couches intermédiaires. L'élasticité de ces couches dépendant de la température, des températures basses peuvent altérer l'isolation acoustique. Ces verres feuilletés doivent donc être utilisés dans les structures en verre isolant, sur le côté chaud. Les couches composites en résine de coulée utilisées auparavant pour optimiser l'isolation acoustique ont été aujourd'hui pratiquement abandonnées.

Outre l'utilisation de VG/VSG aux propriétés d'isolation, la performance d'isolation du double vitrage est impactée par d'autres facteurs :

• Masse : Les vitrages plus épais, grâce à une masse plus amortissante, ont une meilleure isolation acoustique que les verres fins, repoussant la fréquence limite de coïncidence.
• Espace intercalaire : Un plus grand SZR apporte également d'autres avantages pour l'indice d'affaiblissement acoustique. L'écho du double vitrage se déplace vers des fréquences plus basses, ce qui influe positivement sur l'évaluation. Il convient toutefois de noter que toute modification apportée au SZR peut également impacter l'isolation thermique.
• Structure de vitrage asymétrique : Une combinaison de verres de différentes épaisseurs influe positivement sur l'isolation acoustique car les fréquences limites de coïncidence des verres simples ne coïncident pas.
• Charge de gaz : Les gaz de remplissage usuels, l'argon et l'air, doivent être considérés comme équivalents en termes d'isolation acoustique. Le krypton plus lourd peut améliorer l'isolation acoustique, toutefois uniquement à des fréquences plus élevées. Dans une zone plus basse, l'isolation acoustique est réduite par le krypton. L'utilisation d'hexafluorure de soufre SF6 pour les verres à isolation acoustique est désormais interdite par règlement UE, en raison de l'effet climatique extrême.

Valeurs caractéristiques d'insonorisation du verre

La norme SN-EN 12758 réglemente la détermination des caractéristiques d'isolation acoustique pour tous les produits du verre, transparents, translucides ou opaques, conçus pour les composants vitrés des bâtiments, aux propriétés amortissantes de protection acoustique, assurant une isolation acoustique, comme but principal ou comme spécificité secondaire. L'isolation acoustique est mentionnée sur la déclaration de performance et le marquage CE. La norme comprend un tableau répertoriant les caractéristiques standardisées d'isolation acoustique.

Les courbes d'isolation acoustique sont déterminées selon la norme SN EN ISO 10140-2 et évaluées selon la norme SN EN ISO 717-1. En outre, la norme SN EN ISO 717-1 stipule comment doit être indiquée la valeur Rw (Chapitre Acoustique architecturale).

Les valeurs caractéristiques du verre se rapportent toujours au format prédéfini conformément à la norme d'essai 1,23 x 1,48 m. D'autres formats de vitrage peuvent modifier la valeur Rw de 1 à 3 dB.

À l'état monté, les propriétés d'isolation sont modifiées sous l'influence de différents facteurs, mentionnés au Chapitre Acoustique architecturale.

Isolation acoustique et croisillons

L'utilisation de croisillons dans l'espace intercalaire (SZR) du verre isolant peut réduire la performance d'isolation. Toutes les valeurs d'isolation confirmées par Glas Trösch se rapportent à des éléments d'inspection sans croisillons montés.