Mesure de la réduction du bruit d’impact dans des conceptions de dalles durables

Les dalles légères sont de plus en plus utilisées dans la conception de bâtiments durables, mais elles présentent souvent des lacunes en matière d'isolation phonique contre les bruits d'impact. Nous explorons comment les revêtements fabriqués à partir de pneus en fin de vie (ELT/NFU) peuvent améliorer les performances acoustiques tout en réduisant les déchets environnementaux. En utilisant le système d'acquisition de données SIRIUS Mini de Dewesoft, des accéléromètres et une machine d'impact, les chercheurs ont développé et validé une nouvelle méthodologie pour évaluer la réduction du bruit dans des maquettes de dalles légères.

Introduction

À l'École d'ingénierie industrielle de l'Université de Valladolid, nous avons étudié l'amélioration de l'isolation phonique contre les bruits d'impact obtenue en utilisant différentes épaisseurs de revêtements en « pneus en fin de vie » (ELT) sur des dalles légères. École d'ingénierie industrielle

En 2009, l'École d'ingénierie industrielle de l'Université de Valladolid (EII) s'est constituée par la fusion de plusieurs écoles techniques et facultés, qui faisaient auparavant partie de l'Université de Valladolid.

L'Université de Valladolid est une université publique située dans la ville de Valladolid, dans la région autonome espagnole de Castille-et-León. Fondée au XIIIe siècle, elle est l'une des plus anciennes universités du monde. L'université compte environ 30 000 étudiants de premier cycle et plus de 2 000 professeurs.

En utilisant des accéléromètres, un système d'excitation et l'équipement d'acquisition de données SIRIUS Mini de Dewesoft ainsi que son logiciel, nous avons mesuré et analysé le niveau d'accélération sur des maquettes de petite taille.

Nous avons employé une nouvelle méthodologie, développée à partir de réglementations et d'études connexes sur les dalles lourdes, pour évaluer l'impact de l'isolation phonique dans les dalles légères. Notre étude facilite l'évaluation acoustique des propositions de construction et offre une solution potentielle pour le traitement des déchets ELT en excès, réduisant ainsi leur impact environnemental.

Le problème et les normes de mesure

Passivhaus est une norme internationale et un processus de certification pour les bâtiments ultra-énergétiquement efficaces, développée en Allemagne dans les années 1990. La norme garantit une consommation d'énergie extrêmement faible pour le chauffage et la climatisation en employant des principes tels qu'une isolation élevée, une enveloppe de bâtiment étanche, l'utilisation de l'énergie solaire et un système de ventilation mécanique avec récupération de chaleur. L'objectif est de créer des bâtiments confortables et sains qui consomment jusqu'à 90 % d'énergie en moins que les bâtiments conventionnels.

La norme Passivhaus est un exemple de l'évolution dans la construction. Basée sur ce concept, les bâtiments sont plus durables et résistants face aux conditions météorologiques défavorables. Cependant, une équipe de recherche pluridisciplinaire de l'Université de Valladolid a établi que les structures légères et flexibles dans les bâtiments de plusieurs étages présentent des performances insuffisantes en matière d'isolation phonique contre les bruits d'impact [1].

Pour aborder ce problème, nous avons analysé deux normes décrivant comment mesurer l'impact de l'isolation phonique dans les dalles en béton lourd :

• ISO 10140 (1-5) pour les mesures dans des salles homologuées [2].

La série de normes ISO 10140 s'applique à la mesure en laboratoire et sur le terrain de l'isolation phonique des éléments et produits de construction. Elle fournit un cadre unifié pour tester divers composants, tels que les murs, les planchers, les fenêtres et les portes. Cependant, ces tests sont coûteux et complexes.

• ISO 16251-1 pour les maquettes de petite taille [3].

La norme ISO 16251-1 décrit une méthode de laboratoire pour évaluer la réduction du bruit d'impact transmis par les revêtements de sol sur une maquette de plancher standardisée de petite taille, offrant une alternative aux installations d'essai plus grandes et plus complexes.

Nous visons à développer une méthodologie similaire à celle utilisée pour les maquettes de dalles lourdes, adaptée aux dalles dites légères (qui sont plus légères et utilisées dans la norme « Passivhaus »), en utilisant la littérature axée sur les tests de ce type. De plus, nous utilisons la méthode développée pour caractériser l'amélioration obtenue en matière d'isolation phonique contre les bruits d'impact à partir de revêtements fabriqués à partir de déchets de « pneus en fin de vie » (NFU).

Préparation des tests sur maquettes

L'étude acoustique réalisée est une analyse de signal (également appelée analyse dynamique), comparant les différents cas (maquettes simulant une dalle légère avec revêtements), donc seule la réponse est mesurée. Nous avons créé des maquettes en bois et une couche de béton plus fine que dans les dalles lourdes traditionnelles (voir Figure 1).

Grâce à ces mesures, l'amélioration de l'isolation phonique contre les bruits d'impact est caractérisée par le niveau d'accélération, mesuré à l'aide d'accéléromètres à des points spécifiques sur la face inférieure de la maquette en réponse à une excitation causée par une machine d'impact standardisée.

En connectant les accéléromètres à l'équipement d'acquisition de données SIRIUS Mini de Dewesoft et en utilisant le logiciel « DewesoftX », nous avons enregistré la réponse vibratoire du système dans les domaines temporel et fréquentiel. La Figure 2 illustre la chaîne de mesure.

Pour définir cette méthodologie, nous avons utilisé deux maquettes : une « maquette standard » et une « maquette NFU », mesurant 120 cm (±1 cm) x 80 cm (±1 cm) et pesant respectivement 102,1 kg et 85,7 kg. Ces maquettes se composaient de divers éléments (voir Figure 3).

Tout d'abord, nous avons utilisé une planche en bois lamellé-croisé (CLT) de 55 mm d'épaisseur en peuplier. Ensuite, nous avons utilisé deux types de dalles en béton, qui distinguent ces deux maquettes. Enfin, nous avons appliqué jusqu'à trois couches de « pneus en fin de vie » (NFU) comme revêtement, avec des épaisseurs de 4 mm, 10 mm et 20 mm.

Nous avons créé un total de six spécimens différents, combinant la planche CLT, les deux dalles et les trois revêtements (voir Figure 4).

En ce qui concerne le béton, l'une des maquettes a le dosage approprié pour obtenir un béton de résistance « H25 », connu sous le nom de « dalle standard ». La deuxième dalle est composée de granulats de NFU, qui remplacent une partie du sable normalement utilisé (connue sous le nom de « dalle NFU »). La Figure 5 montre des images du processus de coffrage, du ferraillage du béton (avec des barres d'acier B500S de 6 mm), et du résultat final des dalles, avec le béton encore frais.

Ces maquettes reposent sur des supports en bois situés à leurs quatre coins, mesurant 13,8 cm x 13,8 cm. Nous avons disposé les lattes de bois horizontalement pour joindre ces supports, ainsi que des lattes supplémentaires qui les joignent en diagonale pour renforcer le système et limiter les mouvements.

Enfin, jusqu'à trois plaques élastiques anti-vibration « Sylomer® » ont été placées sur chaque support pour découpler la maquette/le spécimen de l'environnement. Ces plaques résistent à des charges allant jusqu'à 1000 t/m² [4], un facteur à prendre en compte lors de la pose de dalles en béton lourdes sur des planches CLT. La Figure 6 montre les aspects décrits dans ce paragraphe.

La Figure 7 montre l'assemblage final de la structure de support avec l'une des maquettes terminées, ainsi qu'une illustration détaillant les supports élastiques créés par les plaques ci-dessus, ainsi que la disposition de la chaîne de mesure lors du test.

Méthodologie de mesure des vibrations

Comme mentionné précédemment, les niveaux de vibration (dBre10-6 m/s2) sont déterminés à l'aide de petits accéléromètres piézoélectriques à un axe fabriqués par « Brüel & Kjær », placés en trois positions aléatoires sur la face inférieure de la planche CLT (points a, c et d). La lettre « b » est réservée pour indiquer la mesure du bruit de fond. Nous avons marqué jusqu'à huit positions pour de futures mesures, et elles ont été placées, en laissant un espace de 10 cm par rapport au périmètre de la maquette (voir Figure 8).

Les fils des transducteurs ont été fixés à la planche avec du ruban adhésif, car ils peuvent interférer avec la mesure s'ils bougent, et ont été collés à la surface avec de la cire d'abeille. Cette fixation ferme n'introduit pas d'amortissement et n'affecte pas significativement la réduction de la bande passante due à une mauvaise fixation, comme indiqué dans le cours « Mesure des vibrations » de Dewesoft [5].

La machine d'impact, qui provoque une perturbation en imitant un mouvement de « tapotement », doit être placée en deux positions sur le spécimen, en plaçant les marteaux qui génèrent l'excitation mécanique dans le périmètre précédemment établi (voir Figure 9).

Une fois que nous avons décrit l'emplacement de la chaîne de mesure, nous définissons les paramètres à collecter pendant le processus. Grâce au système d'acquisition de données, nous enregistrons l'amplitude (accélération en valeurs efficaces, arms) affectant la maquette aux points des accéléromètres. Nous enregistrons l'amplitude pendant 25 secondes, par rapport à son état d'équilibre. À l'aide du logiciel, nous obtenons le niveau d'accélération en bandes de tiers d'octave, dans la plage de 50 Hz à 5000 Hz.

Cependant, nous avons dû corriger ces mesures en éliminant le bruit de fond. Par conséquent, pour chaque spécimen, nous avons effectué une mesure du bruit de fond avec le revêtement en place et la machine d'impact éteinte. Avec le revêtement et la machine d'impact allumée, nous avons pris deux mesures à deux positions de perturbation (voir Figure 10).

De plus, nous devons mesurer le niveau d'accélération subi par les deux maquettes (dalle avec planche CLT, sans revêtement). Le paramètre qui exprime l'isolation que nous obtenons est la différence de niveaux. Ainsi, cette différence de niveaux (avec et sans revêtement) est obtenue en bandes de tiers d'octave, pour chaque accéléromètre, « a », et dans les deux positions de perturbation « t » : ΔLt, a. Enfin, nous calculons la moyenne spatiale (positions des accéléromètres et de la machine d'impact) de ce paramètre, obtenant ΔL dans chaque bande.

Résumé du cycle de mesure

Après avoir clarifié les paramètres d'intérêt et le cycle de mesure, nous établissons la connexion entre les trois accéléromètres et l'équipement d'acquisition de données, et configurons le logiciel « DewesoftX » comme montré à la Figure 11. Grâce à la connexion TEDS, les trois canaux reconnaissent et configurent automatiquement la configuration requise par chaque accéléromètre.

Le taux d'acquisition dynamique est de 15 kHz, ce qui signifie que la fréquence maximale que le système peut mesurer est la moitié de cette valeur, soit 7,5 kHz. En tenant compte du fait que nous utilisons un filtre anti-repliement, la bande passante devient finalement 5859 Hz.

Pour cette étude, nous utilisons principalement le sous-module « Analyse d'octave », trouvé dans « Math », pour calculer (en utilisant « formule » dans le logiciel) et exporter le niveau d'accélération en bandes de tiers d'octave, basé sur l'accélération mesurée par les accéléromètres. D'autre part, l'un des avantages du logiciel est qu'il peut analyser les données en fréquences.

Ainsi, nous avons préparé le module « Analyse FFT » au cas où, dans une étude future, nous aurions besoin d'analyser les fréquences de résonance du système. Dans tous les cas, il est utile de voir la transformée de Fourier rapide lors de la collecte des mesures, car elle peut fournir des informations sur leur cohérence. Nous utilisons un total de 1024 lignes, représentant l'amplitude maximale du système (« Amplitude de crête ») tous les 7,32 Hz sur un graphique linéaire, et nous appliquons une fenêtre « Transitoire ».

Un autre grand avantage du logiciel est sa capacité à afficher les mesures prises. Il permet de personnaliser l'apparence de l'onglet dédié simplement et intuitivement, avec une grande variété de widgets. Pour visualiser les résultats, nous utilisons des enregistreurs temporels qui affichent l'accélération mesurée par les transducteurs, ainsi que des graphiques 2D pour visualiser le spectre de fréquence (Aperçu FFT) et le graphique d'octave (Aperçu Octave).

De plus, nous utilisons une « lampe indicatrice » pour indiquer le stockage des mesures, et un « compteur numérique » pour afficher la durée de la mesure. La Figure 12 illustre la conception pour la collecte de données, où chaque ligne représente un accéléromètre (a, c, d) et observe les trois types de widgets mentionnés pour chaque cas (1, 2, 3).

Nous exportons les niveaux d'accélération dans chaque bande de tiers d'octave pour chaque accéléromètre depuis le logiciel afin de traiter les données et d'obtenir les paramètres liés à l'isolation obtenue.

Principaux résultats

Les résultats les plus pertinents sont : tout d'abord, le bruit de fond comparé au bruit obtenu lorsque la machine est en marche. Ensuite, nous présentons les résultats des niveaux d'accélération corrigés et moyennés. Enfin, nous comparons l'isolation obtenue avec chaque échantillon sur le même graphique, en bandes de tiers d'octave.

Dans les spectres de niveaux d'accélération, chaque échantillon représente six niveaux d'accélération. Ceux-ci sont différenciés par les codes nfu4, nfu10 et nfu20 (selon le revêtement), et selon que nous utilisons la « maquette standard » ou la « maquette NFU ». De plus, nous avons deux niveaux supplémentaires dans les deux maquettes (sans revêtement), codés sin0.

La Figure 13 montre la moyenne spatiale du niveau d'accélération dans l'échantillon « maquette standard + nfu4 », dans deux situations : lorsque la machine fonctionne sur l'échantillon, et lorsqu'elle est éteinte. La figure n'affiche qu'un seul échantillon, car la forme du graphique est très similaire dans tous les cas.

Le graphique diffère lorsqu'aucun revêtement n'est appliqué, en raison de l'augmentation significative du niveau d'accélération lorsque la machine est en marche. Cette variation met en évidence la validité des mesures prises, étant donné la différence apparente des niveaux. Ils sont similaires uniquement dans les bandes les plus élevées, avec, par exemple, une différence d'environ 10 dB dans la bande des 5 kHz.

D'autre part, nous avons étudié la répétabilité de la mesure, ainsi que l'impact de la position des accéléromètres sur les résultats. Nous avons constaté que les mesures de réponse vibratoire sont indépendantes du temps et de la position des accéléromètres au sein de l'échantillon.

La Figure 14 montre la moyenne spatiale des trois positions d'accéléromètres et des deux positions de la machine. Les valeurs représentent les niveaux d'accélération corrigés, en éliminant le bruit de fond, en bandes de tiers d'octave, pour les quatre situations possibles (« nfu4 », « nfu10 », « nfu20 » et « sin0 ») des deux maquettes. Elle inclut également l'écart type des valeurs.

Plusieurs intervalles de fréquence sont distinguables dans ces spectres. À basses fréquences, jusqu'à 200 Hz dans la maquette standard, et jusqu'à 125 Hz dans la maquette NFU, le niveau d'accélération des six échantillons est très similaire. Les différences sont de 3-5 dB, dans les situations les plus favorables, par rapport à la maquette (« sin0 »).

À partir de 250 Hz dans la maquette standard et de 160 Hz dans la maquette NFU, des différences apparentes commencent à apparaître entre les maquettes et les échantillons. Même entre l'échantillon « nfu4 » et les échantillons « nfu10 » et « nfu20 ». La différence s'accentue dans les bandes supérieures, atteignant jusqu'à 60 dB-75 dB entre « sin0 » et « nfu10 » ; et jusqu'à 30,7 dB entre « nfu4 » et « nfu10 ».

D'autre part, nous observons une autre tendance : au-dessus de 500 Hz, le niveau d'accélération dans « nfu20 » est plus élevé que dans « nfu10 ». Logiquement, on s'attendrait à ce que si le revêtement est plus épais, il réduise davantage les vibrations et isole donc mieux le son.

Enfin, la Figure 15 illustre l'isolation phonique contre les bruits d'impact ΔL obtenue dans tous les échantillons en bandes de tiers d'octave.

À basses fréquences (50 Hz-125 Hz), nous obtenons la meilleure isolation avec le revêtement « nfu20 », environ 2 dB dans chaque bande. De 125 Hz à 400 Hz, le revêtement « nfu20 » dans les deux modèles continue d'être la meilleure option, le revêtement « nfu10 » dans le modèle NFU se rapprochant de ces échantillons.

Dans la plage de 500 Hz à 2000 Hz, le revêtement « nfu10 » dans le modèle NFU offre la meilleure isolation possible par rapport aux autres situations étudiées (jusqu'à 5,5 dB de plus que « maquette standard + nfu10 » dans l'une des bandes). Pour l'isolation à partir de la bande des 2000 Hz, la meilleure option est le revêtement « nfu20 » associé à la maquette standard (une différence allant jusqu'à 5 dB par rapport à la ligne la plus proche, qui est « maquette standard + nfu4 »).

Conclusions et travaux connexes

Grâce à ces mesures, nous avons développé une méthodologie pour étudier l'isolation phonique contre les bruits d'impact en utilisant des maquettes de dalles légères. La méthode ouvre une nouvelle ligne de recherche au sein du département, nous permettant de tester d'autres types de dalles de plancher et de revêtements. Notre deuxième réalisation a été d'obtenir des informations intéressantes sur le comportement des NFU en tant que revêtement dans les dalles légères.

En ce qui concerne le niveau d'accélération, à basses fréquences (50-125 Hz), nous n'avons obtenu aucune amélioration avec aucun revêtement. Par rapport à sin0, les seules différences sont d'environ 2 dB dans la plupart des cas, comme observé dans d'autres études sur le sujet [6].

Pour les fréquences moyennes et élevées (125-5000 Hz), la présence du revêtement réduit significativement les niveaux d'accélération, atteignant une réduction allant jusqu'à 75 dB à 5000 Hz. En ce qui concerne l'amélioration de l'isolation phonique contre les bruits d'impact, en général, à basses et moyennes fréquences (de 50 à 2000 Hz), la maquette NFU atténue les vibrations plus efficacement que la maquette standard.

Remerciements

Nous tenons à remercier le concours « Desafío Universidad-Empresa », organisé en Castille-et-León, en Espagne, pour le troisième prix de l'édition 2021 pour avoir proposé l'idée de cette étude et avoir favorisé sa réalisation. Alberto Gutiérrez remercie également l'équipe pluridisciplinaire responsable du projet : Marta Herráez, José Antonio Balmori Roiz, Milagros Casado Sanz et María Machimbarrena Gutiérrez, pour lui avoir permis de participer.

Références

Dans des articles de recherche connexes, Arenas et al. [7] réalisent des tests dans des salles standardisées et homologuées [2], cherchant une expression empirique permettant de prédire l'isolation phonique contre les bruits d'impact. D'autre part, Foret et al. [8] réalisent des tests avec des maquettes de petite taille de dalles lourdes [3] avec des revêtements, et corréler les résultats avec ceux obtenus en utilisant des salles standardisées homologuées.

1. Jayalath et al, ‘Airborne and impact sound performance of modern lightweight timber buildings in the Australian construction industry’, Case Studies in Construction Materials, volume 15, December 2021. Access: July 27, 2025. [Online].

2. ‘Acoustics. Laboratory measurement of the sound insulation of building elements, International Organization for Standardization, ISO 10140-2022.

3. ‘Acoustics — Laboratory measurement of the reduction of transmitted impact noise by floor coverings on a small floor mock-up’, International Organization for Standardization, ISO 16251-1-2014. 

4. “Sylomer”. Antivibration solution Sylomer. Access: July 27, 2025. [Online].

5. Dewesoft, ‘Vibration Measurement’, Access: July 27, 2025. [Online].

6. Martins, P. Santos et al., ‘Acoustic performance of timber and timber-concrete floors’, Construction and Building Materials, volume 101, part 1, 684-691 pages, December 2015. Access: July 27, 2025. [Online]. 

7. J.P. Arenas and L.F. Sepúlveda, ‘Impact sound insulation of a lightweight laminate floor resting on a thin underlayment material above a concrete slab’, Journal of Building Engineering, volume 45, 103537, January 2022. Access: July 27, 2025. [Online]. 

8. R. Foret, C. Jean-Baptiste, ‘A comparison of the reduction of transmitted impact noise by floor coverings measured using ISO 140-8 and ISO/CD 16251-1’, Forum Acusticum 2011, June 2011. Access: July 27, 2025. [Online].