De nouveaux éléments en contreplaqué pour lutter contre le bruit des planchers

Le Laboratoire de recherches sur les matériaux (Empa) s'est penché sur les défauts d'isolation acoustique des anciens bâtiments en bois. Il mise sur de nouveaux éléments de plancher en contreplaqué pour les réduire. 

Crédit image: Empa

La vibration des panneaux de bois avec des «trous noirs» est calculée grâce aux techniques de numérisation.

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 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. Cela sur une idée de Stefan Schoenwald, le directeur du laboratoire d'acoustique du laboratoire de 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. Ces trous noirs acoustiques ont déjà été utilisés dans des voitures et des avions, et leur effet de réduction du bruit a été confirmé.

Première pour le secteur de la construction
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. Les chercheurs de l'Empa veulent améliorer l'isolation des bruits d'impact dans les constructions en bois grâce à des éléments en bois contreplaqué d'un nouveau genre.

Crédit image: Empa

Alex Bellmont de Strüby AG à Seewen a fraisé les creux calculés mathématiquement dans un panneau de contreplaqué.

 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 et 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 et plus rien ne sortirait donc de la lentille», précise-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 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. Après avoir consulté ses collègues il a 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, 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. 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.

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 isolation
Le résultat des analyses montre que les valeurs mesurées correspondent très bien au calcul du modèle. Avec un écart de seulement 5 %, Stefan Schoenwald est très satisfait et la prochaine étape consistera à confirmer les propriétés anti-incendie et statiques. 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.

«Pour l'isolation des bruits d'impact, explique Stefan Schoenwald, 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 car un élément de construction souple peut être bien amorti, un élément de construction rigide moins bien».  ll cite un exemple: «Les planchers classiques en bois massif sont à la fois légers et rigides et ici, deux propriétés défavorables 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.

Les chercheurs de l’Empa 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. 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». 

Un plancher en bois avec des trous noirs acoustiques est ainsi 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.