Soutenance mémoire
Bruit routier : quel type de source sonore ?
Même s’il convient de constater que le bruit issu du trafic routier présente des caractéristiques différentes en fonction du type de voie (routes, autoroutes, etc.), du flux et du type de circulation qui y sied (véhicules légers, lourds, etc.), ou encore du revêtement de chaussée, il est possible de définir des caractéristiques typiques d’une source de type « bruit routier ». Un rapport du SETRA en fait une revue détaillée [6]. D’un point de vue fréquentiel, le bruit routier est un bruit large bande. Son émission est typiquement comprise entre 100 Hz et 5000 Hz, avec un contenu énergétique maximum jusqu’à 1000 Hz (Figure 1.3). Il est à noter que les composantes basses-fréquences, bien qu’énergétiquement importantes sont moins bien perçues. En effet, l’oreille humaine tend à filtrer les basses fréquences. Le dB(A) permet de pondérer le signal de manière à reproduire le filtre naturel moyen de l’oreille humaine [7]. Il est couramment utilisé en acoustique environnementale (Figure 1.5).
Qu’est-ce que le milieu extérieur ?
Afin de décrire le milieu de propagation du bruit routier, il est important de retenir ces quelques caractéristiques (Figure 1.6) :
• le milieu de propagation sera toujours l’atmosphère. La vitesse du mouvement du fluide (la vitesse du vent) sera toujours faible par rapport à la célérité de l’onde. L’approximation « faible Mach » ( ∣⃗u∣≪c , ou M≪1 ) peut donc être retenue.
• Les phénomènes sont observés à une distance r de l’ordre de la centaine de mètres. Plus précisément à partir d’environ 50m (où les effets de la météorologie commencent à être perceptibles), jusqu’au kilomètre où le niveau sonore est trop faible pour être gênant. L’approximation en champ lointain ( r≫λ ) peut donc fréquemment être retenue.
• L’espace est « semi-ouvert ». Seul le sol peut-être considéré comme frontière du domaine. De plus, l’absence de résonance dans le milieu permet de considérer l’onde comme progressive.
• Les types de surface peuvent être réfléchissants (chaussées, bétons, etc.) ou poreux (chaussées poreuses, sol herbeux ou cultivés, etc.). En outre, le bruit routier présente souvent la caractéristique de se propager au dessus d’un sol ayant une rupture d’impédance (de la route au bas-coté).
• L’onde se propage souvent au dessus de reliefs variés, voire des obstacles, engendrant des phénomènes physiques particuliers.
Lorsque les conditions atmosphériques sont telles que le vent ainsi que le gradient vertical de température sont nuls, on dira alors que les conditions atmosphériques sont homogènes pour la propagation acoustique.
On parle de conditions favorables à la propagation lorsque la réfraction des ondes sonores est telle que le niveau sonore est supérieur à celui constaté en conditions homogènes. De manière inverse, il est possible de parler de conditions défavorables à la propagation (Figure 1.9). Sur la Figure 1.9(a), si l’on se place à droite de la source, on dira que les conditions sont défavorables à la propagation ; favorables, si l’on se place à gauche. Sur la Figure 1.9(b), lorsque la température décroit avec l’altitude (typiquement de jour), les conditions sont défavorables et inversement favorables si le gradient vertical thermique est positif (typiquement de nuit).
Effet de la turbulence atmosphérique
La turbulence atmosphérique (cf. Chapitre 2.4 ) se traduit par une fluctuation de la vitesse du vent et de la température autour de leurs valeurs moyennes. Le phénomène induit sur la propagation du son est souvent montré à l’aide de mesures effectuées par Wiener et Keast [13], [14]. Après avoir mesuré les niveaux sonores autour d’une source, ils ont constaté qu’à partir d’une centaine de mètres de celle-ci, ceux-ci étaient supérieurs à ceux théoriquement obtenus (Figure 1.10). De fait, l’absence de prise en compte de la turbulence atmosphérique dans les modélisations ne permettent pas de reproduire correctement la propagation du son sur une telle distance. La turbulence atmosphérique a pour effet de favoriser, par diffusion énergétique, la propagation du son dans les zones d’ombres ainsi que de réduire la différence entre les minima et maxima au sein des zones interférentielles.
La diffusion du son par des structures turbulentes de l’atmosphère est classiquement modélisée sur la base de la relation de Bragg. En fonction de la longueur d’onde acoustique et de l’angle d’incidence θ .
L’absorption atmosphérique
L’absorption atmosphérique intègre les effets de la viscosité, de la conduction thermique de l’air ainsi que les pertes par relaxation des molécules. Elle est couramment modélisée à l’aide d’un facteur d’atténuation dépendant du degré d’hygrométrie h et de la température T. Ce facteur est défini en fonction de l’humidité relative de l’air, de la pression atmosphérique, de la fréquence et la température [17]. Dans le cadre de cette thèse, les fréquences (de 100 à 100 Hz) et les distances étudiées (jusqu’à 300 m) seront telles que cet effet est peu sensible, si bien qu’il sera négligé.
Effet de la variation de densité du milieu
L’effet de la variation spatiale de densité atmosphérique peut être négligé dans notre cadre d’étude. A titre d’information, il doit être pris en compte en acoustique sousmarine ou à très haute altitude.
Effet de la météorologie sur les effets du sol
Bien que les effets respectifs des caractéristiques de sol et de la météorologie soient souvent étudiés séparément, il est à noter que :
• la météorologie (gel, pluie, etc.) influe également sur les propriétés acoustiques du sol.
• lorsque les conditions atmosphériques sont favorables à la propagation, les niveaux sonores près du sol sont plus importants et les effets de sol sont ainsi renforcés.
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Table des matières
Introduction générale
PARTIE 1. APPROCHE THÉORIQUE
Chapitre 1. Acoustique
1.1 Un peu d’histoire
1.2 Définition du cadre de l’étude
1.2.1 Bruit routier : quel type de source sonore ?
1.2.2 Qu’est-ce que le milieu extérieur ?
1.3 Propagation du son dans l’atmosphère
1.3.1 Équation de propagation acoustique en milieu uniforme et au repos
1.3.2 Effet de la température sur la vitesse du son
1.3.3 Effet du vent sur la vitesse du son
1.3.4 La réfraction de l’onde sonore
1.3.5 Effet de la turbulence atmosphérique
1.3.6 L’absorption atmosphérique
1.3.7 Effet de la variation de densité du milieu
1.3.8 Effet de la météorologie sur les effets du sol
Chapitre 2. Météorologie
2.1 Introduction
2.2 Préambule
2.3 La Couche Limite Atmosphérique (CLA)
2.3.1 Définition
2.3.2 Cycle de variabilité de la CLA
2.4 La turbulence atmosphérique dans la Couche Limite Atmosphérique
2.4.1 Description
2.4.2 Énergie cinétique turbulente (TKE)
2.4.3 Théorie de la turbulence
2.4.4 Échelles caractéristiques de la turbulence atmosphérique
2.5 Représentation d’atmosphère utilisés en acoustique
2.5.1 Mesures directes de profils verticaux
2.5.2 Modèle de Monin-Obukhov
2.5.3 Prise en compte de la turbulence
2.5.4 Utilisation d’un modèle atmosphérique
PARTIE 2. LES OUTILS UTILISÉS DANS LA THÈSE
Chapitre 3. Données expérimentales
3.1 Campagne de Lannemezan 2005
3.1.1 Description
3.1.2 Aperçu de la campagne expérimentale
3.1.3 Choix des échantillons d’étude
3.2 Station de Long Terme
3.2.1 Description
3.2.2 Aperçu de la campagne expérimentale
Chapitre 4. Le modèle Meso-NH
4.1 Description
4.2 Configuration du modèle
4.2.1 Large Eddy Simulation (LES)
4.2.2 Schéma de turbulence
4.2.3 Grid Nesting
4.2.4 Initialisation
4.2.5 Durée de simulation
4.2.6 Prise en compte de la surface
4.3 Développements au cours de la thèse
4.3.1 Développements techniques
4.3.2 Prise en compte de la force de traînée des arbres
Chapitre 5. Transmission Line Matrix
5.1 Introduction
5.1.1 Quel modèle acoustique choisir ?
5.1.2 Principe de modélisation
5.2 Propagation en milieu homogène, non dissipatif
5.2.1 Schéma numérique
5.2.2 Analogie avec l’équation de propagation des ondes
5.2.3 Sources d’erreurs numériques
5.2.4 Extension en 3 dimensions
5.3 Source
5.4 Conditions aux frontières
5.4.1 Comment prendre en compte les frontières ?
5.4.2 Conditions parfaitement réfléchissantes
5.4.3 Absorption de la paroi
5.4.4 Conditions d’impédance de sol
5.4.5 Conditions d’absorption aux frontières
5.5 Prise en compte de la météorologie
5.5.1 Prise en compte de la température dans le modèle TLM
5.5.2 Prise en compte de l’influence du vent dans la TLM
5.5.3 Couplage avec Meso-NH
5.5.4 Développements techniques
PARTIE 3. COMPARAISONS MESURES/SIMULATIONS
Chapitre 6. Comparaisons mesures/simulations météorologiques
6.1 Lannemezan 2005
6.1.1 Description qualitative
6.1.2 Suivi sur un mât de mesure
6.1.3 Étude quantitative
6.2 Station de long Terme
6.2.1 Description qualitative
6.2.2 Description quantitative
6.3 Conclusion sur la météorologie
Chapitre 7. Acoustique
7.1 Campagne expérimentale de Lannemezan 2005
7.1.1 Effets du sol
7.1.2 Effets de la météorologie
7.1.3 Sensibilité au choix de profils
7.2 La station de long terme
Conclusion
