Des trous noirs comme pièges à bruit

L'Empa achève actuellement des recherches sur une nouveauté mondiale en matière d'isolation acoustique des bâtiments en bois. En utilisant une théorie physique des années 1990 et les moyens de la numérisation, une équipe de recherche a développé de nouveaux éléments de plancher en panneaux de bois massif qui disposent de ce que l'on appelle des trous noirs acoustiques. L'idée de départ est venue de Stefan Schoenwald, le directeur du laboratoire d'acoustique du bâtiment de l'Empa à Dübendorf. Depuis sa première publication en 1987, il a rencontré la théorie des trous noirs acoustiques à plusieurs reprises lors de conférences et dans des publications scientifiques. Selon l'auteur russe M.A. Mironov de l'"Andreyev Acoustics Institute" à Moscou, une cavité parabolique dans un matériau peut absorber les vibrations comme le son et les faire résonner - autrement dit : les avaler. Les trous noirs acoustiques ont déjà été utilisés dans des voitures et des avions, et leur effet de réduction du bruit a été confirmé.

Toutefois, la fabrication de matériaux très fins et durs n'est pas simple. Aucune expérience avec les trous de Mironov n'a jamais été réalisée, que ce soit dans la construction en bois ou dans l'acoustique du bâtiment. Le directeur du laboratoire Stefan Schoenwald et son collègue Sven Vallely changent cela. Les deux chercheurs veulent améliorer l'isolation des bruits d'impact dans les constructions en bois grâce à des éléments en bois contreplaqué d'un nouveau genre.

Tout comme il existe des ondes sonores dans l'air, il existe des ondes sonores dans les matériaux, appelées ondes sonores solidiennes. "Lorsque l'on marche sur un sol, c'est comme si l'on jetait une pierre dans un étang : Dans le matériau, des ondes sonores se propagent dans toutes les directions", explique Stefan Schoenwald. Lorsqu'un creux en forme de lentille est fraisé dans le matériau selon une fonction mathématique spécifique, les ondes sonores se propagent dans cette zone. Les amplitudes s'amplifient alors de plus en plus, tandis que la longueur d'onde des vibrations diminue. "Si l'on pouvait rendre les plaques infiniment fines au niveau de ces creux, les ondes sonores s'éteindraient effectivement d'elles-mêmes dans ces 'trous noirs', plus rien ne sortirait donc de la lentille", explique Stefan Schoenwald. La question était toutefois de savoir si l'effet de réduction du son se produisait également en cas de profondeur limitée de l'évidement - car les "épaisseurs de matériau infiniment fines", comme l'exigerait la théorie mathématique, ne sont pas réalisables dans la pratique.

L'idée d'expérimenter des trous noirs acoustiques dans des constructions en bois est venue à Stefan Schoenwald pendant son travail. Il a demandé à son collègue Sven Vallely de simuler et de calculer l'effet de réduction du bruit sur ordinateur. Afin d'éliminer les doutes statiques, il a demandé à Andrea Frangi, un expert en construction en bois de l'EPF de Zurich, de donner son avis. Non seulement son avis, mais aussi la modélisation de la réduction du bruit sur ordinateur étaient prometteurs. Stefan Schoenwald a donc commandé un prototype et un panneau de contrôle normal dans le même matériau à l'entreprise de construction en bois Strüby AG à Seewen. A l'aide d'une machine CNC, Alex Bellmont, spécialiste de la construction en bois, a fraisé sur mesure la cavité lenticulaire dans un panneau de contreplaqué. "Une telle commande n'est certes pas très difficile, mais elle est d'autant plus passionnante", dit le machiniste, "je n'ai encore jamais fabriqué quelque chose sur lequel on fait ensuite de la recherche".

Les techniques de calcul les plus récentes le permettent

Les deux plaques - l'une avec, l'autre sans trous noirs acoustiques - ont été soumises à une analyse vibratoire à l'Empa. Lors de cette mesure, le son est envoyé sous forme de vibration dans le corps d'essai sur l'ensemble du spectre sonore pertinent. Un laser mesure la vibration des plaques d'essai à plusieurs endroits sous forme de grille. Les valeurs mesurées permettent ensuite de calculer comment la vibration se déplace à travers la plaque - et de savoir si les creux fraisés "capturent" réellement le son et le laissent se dissiper sous forme de chaleur.

Il y a dix ans encore, une telle série d'essais n'aurait pas été réalisable. La modélisation de la vibration d'une petite bande passante était déjà une thèse de doctorat du point de vue de l'effort de calcul. Aujourd'hui, Stefan Schoenwald et Sven Vallely calculent l'ensemble du spectre acoustique en un après-midi et rendent les vibrations immédiatement visibles sous forme de visualisation. L'objectif de l'expérience est d'examiner si les résultats simulés correspondent aux valeurs mesurées. En effet, si le modèle informatique correspond à la réalité, tous les paramètres possibles peuvent être modifiés presque gratuitement sur l'ordinateur, sans qu'il soit nécessaire de fabriquer à chaque fois une nouvelle plaque d'essai. Il est ainsi possible d'optimiser la réduction du bruit pour des éléments en bois de toutes les tailles et géométries possibles, sans avoir recours à des expériences coûteuses.

Une meilleure performance d'isolation pour un poids réduit

Résultat des analyses : Les valeurs mesurées correspondent très bien au calcul du modèle. Avec un écart de seulement 5 pour cent environ, Stefan Schoenwald est très satisfait. Cet écart s'explique par la fabrication des panneaux et la variation naturelle du bois, ajoute Sven Vallely. Viennent maintenant les prochains essais avec les panneaux test fabriqués à Seewen : "Actuellement, nous en sommes aux mesures du bruit de choc, que nous effectuons selon les normes internationales. La prochaine étape consistera à confirmer les propriétés anti-incendie et statiques", explique Stefan Schoenwald. Ces autres examens doivent garantir que les panneaux en bois lamellé-croisé n'isolent pas seulement le bruit au moins au niveau habituel du marché, mais qu'ils obtiennent également toutes les certifications nécessaires à leur utilisation dans la construction.

Voici comment cela fonctionne

Stefan Schoenwald décrit le fonctionnement des panneaux comme suit. "Pour l'isolation des bruits d'impact, je dois garder à l'esprit trois caractéristiques à la fois : la masse de l'élément de construction d'une part, sa rigidité et l'amortissement d'autre part. La rigidité et l'amortissement s'opposent - un élément de construction souple peut être bien amorti, un élément de construction rigide moins bien".  Stefan Schoenwald cite un exemple : "Les planchers classiques en bois massif sont à la fois légers et rigides - ici, deux propriétés défavorables se combinent donc". Une solution possible est d'augmenter la masse de l'élément de construction. Dans les maisons en bois modernes, les architectes intègrent donc d'épaisses couches de gravier pour les lester. Ainsi, les planchers en bois vibrent moins facilement si un adulte marche dessus ou si un enfant saute à travers la maison.

Stefan Schoenwald et Sven Vallely ont opté pour une autre solution. "Nous rendons les planchers en bois particulièrement souples à certains endroits afin qu'ils puissent vibrer particulièrement fort à cet endroit. À ces endroits, nous amortissons les vibrations de manière ciblée avec une petite quantité de sable ou de gravier", explique Stefan Schoenwald. Le même matériau, à savoir le gravier, remplit ici un tout autre objectif : "Chez nous, le gravier n'est pas là pour lester. Il doit au contraire bouger et transformer la vibration en chaleur grâce à son frottement interne".  

Résultat : un plancher en bois avec des trous noirs acoustiques est beaucoup plus léger qu'un plancher traditionnel, tout en atténuant nettement mieux les bruits d'impact. La rigidité de l'ensemble de la structure du plancher, avantageuse pour la construction, est ainsi conservée.

Il ne manque plus que le partenaire industriel

La recherche sur les trous noirs acoustiques est soutenue financièrement par la promotion des technologies environnementales de l'Office fédéral de l'environnement (OFEV). De l'idée initiale aux résultats actuels, l'ensemble du projet n'a duré que 24 mois environ. Une fois les séries d'essais terminées, les scientifiques veulent encore développer un procédé qui indiquerait automatiquement la meilleure disposition et la meilleure forme des trous noirs acoustiques en fonction de la taille et de la forme du sol souhaitées. Ainsi, la méthode serait également disponible aux architectes et aux ingénieurs en bâtiment qui souhaitent utiliser directement la méthode d'amortissement révolutionnaire dans des maisons nouvellement construites. Il ne manque plus qu'un partenaire industriel intéressé par la production et la distribution de trous noirs acoustiques pour les bâtiments modernes en bois.