Des trous noirs dans les planchers pour amortir le bruit des pas

Ceux qui vivent dans un bâtiment ancien avec des planchers en bois connaissent le problème: même si les voisins se déplacent avec délicatesse, on les entend comme si l’on vivait sous un jeu de quilles. Même pour les bâtiments en bois les plus modernes, les bruits d’impact représentent un défi. Les scientifiques du Laboratoire fédéral d’essai des matériaux et de recherche (Empa) planchent sur une solution qui constituerait 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. Selon le scientifique russe Mironov, 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’avait jamais été réalisée, que ce soit dans la construction en bois ou dans l’acoustique du bâtiment. Stefan Schoenwald et son collègue Sven Vallely 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-t-il. 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 évidemment pas réalisables dans la pratique.

Stefan Schoenwald 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. Un spécialiste de la construction en bois a fraisé sur mesure la cavité lenticulaire dans un panneau de contreplaqué.

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.

Les valeurs mesurées correspondent très bien au calcul du modèle. Avec un écart de seulement 5% 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: «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.

Pour l’isolation des bruits d’impact, il faut tenir compte de trois caractéristiques à la fois: la masse de l’élément de construction d’une part, sa rigidité et l’amortissement d’autre part. Plus un élément est rigide, moins il amortit les bruits. Stefan Schoenwald cite un exemple: «Les planchers classiques en bois massif sont à la fois légers et rigides, deux propriétés défavorables qui se combinent». 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 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.

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 pour les architectes et ingénieurs en bâtiment qui souhaiteraient l’utiliser 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.