Travaux personnels encadrées - La predominance des ondes sonores dans le monde d'aujourd'hui

Introduction :

Nous sommes actuellement en 2019, les innovations et avancées technologiques se multiplient de plus en plus et nous impressionnent chaque année, sans oublier l’importance qu’on leur en donne inconsciemment. La comparaison entre notre quotidien d’il y a cinq, dix ou 20 ans nous permet d’observer le gouffre qui nous sépare de notre mode de vie passé et l’actuel. Une grande partie des habitudes sociales a alors changé dans ces dernières décennies. Le changement de l’écoute de la musique a été presque total, plus besoin de grands orchestres avec plusieurs dizaines de musiciens pour écouter une musique qualitative, maintenant un seul chanteur accompagné d’un ingénieur son et du matériel adéquat peut faire un concert pour plusieurs milliers d’auditeurs. La réalisation d’un concert étant simplifiée nous cherchons alors à en savoir plus sur ce phénomène. Notre problématique pour ce sujet est donc la suivante : comment organiser une salle de concert pour optimiser la qualité sonore ?

En 2013, 4 scènes sont présentes par ordre de taille : la Grande Scène, l'Esplanade Green Room, la Plage et le Club Loggia. D'ailleurs, la plupart du temps, plusieurs concerts sont joués en même temps. Avec environ 75 concerts par édition, les Eurockéennes proposent un large panorama des musiques populaires, du rock à l'électro en passant par le métal, la chanson, la pop music, le folk ou le reggae.

Un camping, situé à 3 km du site et proche du parking, héberge également gratuitement 15 000 campeurs porteurs du billet d'entrée. Des navettes de bus gratuites sont assurées entre ce parking et l'entrée du festival pendant toute sa durée. De plus, des navettes TER (trains régionaux) sont mises à disposition gratuitement, entre la ville de Belfort et le site du Festival, et c’est toutes les 40 minutes, tout comme des bus reliant le centre-ville de Montbéliard aux Eurockéennes.

Avant chaque concert on commence par installer la scène (son, lumière et décor). Rien que pour le son, en un espace d’une journée, on arrive à installer une tonne de matériels. C’est un vrai chantier.
Et d’ailleurs si tu veux être un vrai wardy’s comme on les appelle, mieux vaut ne pas avoir le vertige, car ce sont eux qui installent les scènes des concerts et entre les tournées, les festivals de l’été comme les francophonies de la rochelle, ou encore les veilles charrues en Bretagne, ils ne chôment pas.
Quand je vous disais une scène ce n’est pas une scène qu’il y a ici mais 4 car il faut pouvoir accueillir une soixantaine de concert en l’espace de 3 jours.

On peut caractériser un son par 3 paramètres essentiels liés entre eux :

Sa vitesse : la célérité d’un son est indiquée par sa longueur d’onde et sa fréquence, d’où la relation suivante :

V = λf et, puisque f = 1/T, donc V = λ/T

Avec : V la vitesse de l’onde en m.s^-1

λ la longueur d’onde en m

f la fréquence en s^-1ou en Hz

T la période en s

La vitesse de propagation de cette onde peut varier selon certains facteurs, notamment la température.

Exemple : Dans l’air, cette relation est donnée par l’équation : V = 20√T°

Avec : V la vitesse en m.s^-1

T° la température en Kelvin

La célérité dépend surtout de la densité du milieu. Plus le milieu est dense, plus la célérité augmente. En effet, dans un milieu où l'intervalle de rencontre des molécules entre elles est court, l’onde mécanique va se propager plus rapidement. Par conséquent, le son va donc être véhiculé à une vitesse plus importante que dans un milieu moins dense.

Les solides étant plus denses que les liquides, qui eux-mêmes sont plus denses que le gaz, donc :

Vson(solide) > Vson(liquide) > Vson(gaz)
Vson(verre) > Vson(eau) > Vson(air)
5300 m/s > 1340 m/s > 340 m/s

Sa longueur d’onde : exprimée en mètre, elle correspond à la longueur d’une oscillation complète (plus courte distance entre deux points de matière dans une position identique). Elle se définit plus couramment par la longueur entre deux crêtes.Pour calculer cette longueur, on utilise la formule :

Avec : λ en mètre (m)
c en mètre par seconde (m.s^-1)
T en seconde (s)

Sa fréquence : La fréquence représente le nombre de vibrations engendrées par le corps sonore en 1 seconde. Elle est désignée par la lettre f et son unité est l’Hertz (Hz).

En musique, la fréquence est plutôt désignée par le nom de hauteur. Ainsi, plus la fréquence d’un son est élevée, plus celui-ci est aigu.

On parle de sons graves pour une fréquence inférieure à 20 Hz, de sons médiums pour des fréquences comprises entre 500 et 3000 Hz, et de sons aigus pour des fréquences supérieures à 3000 Hz.

Notre oreille est sensible à une gamme spécifique de fréquences (sons graves et aigus) et d'intensités (sons faibles et forts) définissant le champ auditif humain. Toutes les vibrations acoustiques qui sortent de ces limites ne sont plus considérées comme "sons" pour notre oreille.

Son intensité : elle permet de donner une indication sur la « force » d’un son : plus l’intensité est élevée, plus le son est perçu par l’oreille humaine.Elle se note avec la lettre I et s’exprime en Watt par mètre carré (W.m^-2).

L’intensité sonore dépend de plusieurs paramètres :

L’intensité sonore à l’émetteur
La distance entre le récepteur et la source sonore
La présence d’obstacles :
Absorbants l’intensité sonores (double vitrage, mur antibruit)
Réfléchissants les ondes (écho).

Le niveau d’intensité sonore s’écrit L et est exprimé en décibels (noté dB). Il se traduit par la relation suivante :

Avec :

L en décibels (dB)

I en W.m^-2

I₀= 10^-12W.m^-2

Remarque :

Les intensités s’additionnent.
Les niveaux d’intensité sonore ne s’additionnent pas.

Sur des concerts comme ceux des Eurockéennes, on monte jusqu’à des fréquences acoustiques vraiment très élevées. Malgré le respect de ces derniers de la limitation en France de 105Db, de telles intensités peuvent avoir des conséquences sur l’audition, à la moindre douleur il faut impérativement consulter un spécialiste sinon le traumatisme pourrait devenir irréversible.
Ce qui est sur est qu’autant de bruit n’est pas bon pour les oreilles, l’oreille le sait bien puisqu’elle se protège. Eh bien, au niveau de l’étrier, il y a un petit muscle,le muscle stapédien. Ce dernier atténue la transmission des sons forts, surtout les graves. A partir de 85 décibels, ce petit muscle se contracte. Du coup, l’étrier est retenu et l’oreille interne est donc protégée. Seulement cette protection n’est pas parfaite, le muscle étant fatigable, dans un certain temps le bruit cause des dégâts. D’ailleurs le tympan n'est menacé que lors d'explosions. Dans tous les autres cas, les dommages touchent l'oreille interne. En cas de charge sonore massive, cet effet peut s'estomper lors de périodes plus calmes. La situation devient critique lorsque de telles surcharges sonores se répètent trop fréquemment.

L'acuité auditive pour les diverses fréquences est établie par l'audiogramme par comparaison au seuil normal de l'audition d'une personne jeune dont les capacités auditives ne sont pas dégradées. Si le son test n'est perçu qu'à un niveau sonore plus élevé, la différence en dB sera reportée vers le bas comme une perte auditive. Par conséquent, plus les courbes sont élevées, meilleure est l'ouïe. Pour ce qui est des aigus, il est normal que les courbes baissent avec les années, même sans bruit cela est expliqué auparavant par la position des cils dans la cochlée.

L'audiogramme représenté ici, avec une perte de 40 à 50 dB à 4 et 6 kHz, indique de manière caractéristique les conséquences d'une charge sonore excessive due à un concert de rock bruyant. Lorsque l'ouïe subit des troubles dus au bruit, on ne peut plus guère parler de haute-fidélité. A 4000 Hz, la courbe de cet audiogramme est inférieure à la courbe moyenne, sans charge sonore, d'un homme de 60 ans. Cette comparaison montre qu'une ouïe endommagée par le bruit présente très tôt des caractéristiques relevées normalement sur un sujet âgé. Un dommage auditif entame également la résolution de l'ouïe: tout se mue en un mélange de sons. Après un surmenage de l'ouïe, il est fréquent que des acouphènes tels que chuintements, sifflements, bourdonnements, sonneries, etc. (tinnitus) apparaissent. S’ils persistent, ils deviennent plus handicapants pour les personnes concernées qu'une perte auditive. En effet, ils gênent surtout lorsque l'on souhaiterait un peu de calme, c'est-à-dire pendant le sommeil.

Le risque de subir une perte auditive due au bruit ne dépend pas de la perception que l'on a d'un son (agréable ou non). Les expériences effectuées par l'industrie et les valeurs limites fixées s'appliquent donc également à la musique, comme l'ont – malheureusement – confirmé des études réalisées auprès de musiciens de rock ou de membres d'orchestres symphoniques. Sauf lors d'explosions et de déflagrations, le risque encouru ne dépend pas d'un niveau sonore élevé occasionnel, mais du niveau sonore continu, résultant du niveau sonore et de la durée d'exposition. Autrement dit le véritable danger n'est pas uniquement dans le niveau sonore : il se situe aussi dans la dose de son.

Deux heures de baladeur au niveau maximum plus un concert à 105 dB c'est trois fois la dose de son tolérée par semaine ...il y a danger ! On considère en général qu’il ne faut pas rester plus de huit heures exposes à un bruit de 80dB, plus d’une heure à 100dB et plus de 4min à 110dB.

Mais pour limiter les risques il y a quelques petites astuces. Il faut faire une pause régulière souvent toutes les heures ou même plutôt des fois pour que l’oreille se repose et des pauses durant 10 à 15min. Si on reste plus d’une heure, on a avoir des séquelles donc le seul moyen de se protéger c’est de mettre des bouchons antibruit. Ces petits bouchons diminuent le niveau sonore de 20 à 30 dB et attenuent surtout les sons aigus mais rassurez vous, l’écoute du concert n’est que très peu modifiée. En plus ces derniers sont gratuits et sont distribués à l’entrée des festivals de musique. Sans oublier de préserver ses oreilles au maximum avant et après le concert car les concerts durent souvent plusieurs heures et il serait absurde de quitter le concert en plein milieu pour préserver ses oreilles. Les préserver revient à minimiser les doses sonores durant la journée et donc éviter surtout les écouteurs à fort volumes.

Dans un concert, avant d’envoyer le son dans les enceintes, on le fait passer par une table de mixage. Cet appareil est composé de plusieurs tranches, toutes les mêmes en fait et sur chaque tranche, il reçoit un seul instrument. La partie haute, c’est le niveau d’entrée, en dessous c’est le correcteur paramétrique c’est à dire qu’on règle le grave, le medium, et l’aigue et encore au dessous ce sont les départ axillaires. Une tranche correspond donc à un micro ou un instrument. Avec cet instrument on peut même ajouter des effets d’ harmoniseur ou bien d’écho(partie droite de l'appareil).

Avant chaque con

cert se font des balances. Il y en a une pour chaque groupe. En général, les musiciens travaillent avec des ingénieurs du son qui les suivent durant toute leur tournée. Ce qui passe en façade, les musiciens ne l’entendent pas. Ce que les gens entendent, ces derniers n’ont que très peu d’idées, ils font confiance à leur ingénieur du son qui lui, mixe leurs instruments pour faire quelque chose de cohérents. Le travail des ingénieurs du son ne s’arrête pas aux réglages des balances, pendant le concert, il modifie le mix en fonction des chansons.

Grâce à ce système tous les spectateurs où qu’ils se trouvent, ils reçoivent le même volume sonore, mais le plus difficile est de synchroniser toutes ces enceintes pour qu’aux endroits où le son de plusieurs hautparleurs se mélange, il n’y est pas le moindre décalage, pour leur réglages, les ingénieurs du son n’utilisent pas de la musique mais ce qu’on appelle le bruit rose qui contient toutes les fréquences. Un son désagréable mais très utile. En analysant ce bruit qui est diffusé par les enceintes, les ingénieurs du son vont ajuster très précisément tous les hautparleurs.
Il y a un autre ennemie contre lequel les ingénieurs de sons ne peuvent pas lutter : le vent. Mais une chose qui est très pratique, savoir que plus la fréquence est aigu plus elle est fragile c’est à dire qu’un grave va avoir besoin d’un obstacle physiquement très gros pour être perturber (une voiture, la tente de la régie) et plus on monte en fréquence plus l’obstacle devient plus petit et donc l’extrême c’est le vent. Le vent c’est un obstacle qui n’est pas palpable mais qui pose beaucoup de problèmes lors des concerts.
Malgré le vent il est plus simple de bien sonoriser un concert de l’extérieur qu’on intérieur car dans une salle, le son se reflechit, il rebondit contre les murs et le toit c’est ce qu’on appelle la réverbération. Et ça c’est un véritable casse tète pour les ingénieurs du son.

A-La réverbération :

La réverbération est un phénomène de résonance du son, c’est la persistance du son dans un espace clos ou semi-clos après l’interruption de la source sonore, c’est le mélange d’une quantité de réflexions directs et indirects donnant un son confus qui décroit progressivement. La question est donc de savoir comment le son se propage dans un espace fermé ou partiellement clos, ce qui est appelé « couverture sonore »

Pour un sonorisateur, l’intelligibilité est la principale préoccupation. La réverbération est quant à elle sa bête noire.

Contrairement aux effets d’atténuation du son direct, anticiper les effets de la réverbération n’est pas chose facile. D’autant plus qu’un espace peut présenter un nombre considérable de surfaces propices à la réverbération (murs et sols où le son est réfléchi).

Le phénomène de réverbération pourra être contrôlé dès la phase de conception architecturale. Il passera notamment par l’emploi de matériaux absorbants car lorsqu'une onde sonore effectue une réflexion sur une surface, une partie de l'onde est absorbée et transmise dans le matériau de cette surface tout dépendant de sa nature, tandis que le reste de l'onde est réfléchi à la manière d'une réflexion spéculaire en optique par cette surface.

Les lieux de culte tels que les églises ou les cathédrales, les aéroports, les salles de sports sont extrêmement sujets à la réverbération. Ils sont difficiles à sonoriser. Ainsi, ils requièrent une étude minutieuse lors de leur sonorisation d’où l’objectif d’un ingénieur son.

L’ensemble des phénomènes observés sur la figure précédente peut aussi être étudié de manière approchée en observant, via une approche géométrique de propagation des ondes sonores sous forme de rayons, la réponse mesurée en un point de la salle à la suite d’une émission impulsionnelle en un autre point.
L’amplitude de la réponse impulsionnelle de la salle peut alors être modélisée en fonction du temps, une séquence des réflexions parvenant au récepteur sont donc obtenues, appelée éthogramme figure ci-dessous.Statistiquement, la densité d’échos parvenant au récepteur varie avec le carré du temps.Au bout d’un certain délai, elle est telle que l’on peut considérer les échos sous un angle statistique . C’est le domaine que l’on appelle réverbération, et c’est ce qui est influe sur la qualité sonore d’une salle.

Après avoir défini la réverbération de manière complète nous passons aux caractéristiques de la réverbération sonore souhaitées pour avoir une bonne qualité sonore en fonction de l’espace de propagation du son. L’absence de réverbération dans une salle entraîne un rendu dur et sec de la musique ; une bonne qualité musicale se trouve dans la prolongation du son dont la durée dépend de l’usage de la salle :
La réverbération dans un auditorium présente une durée de 1 à 2,5 secondes,
Les orgues dans une église nécessitent pour un son de qualité, de longues durées de réverbération.
A contrario, pour une bonne compréhension du texte la réverbération n’est pas souhaitable pour un orateur, elle est donc courte, 0,8 s au maximum ; au-delà de cette valeur, il y a chevauchement des syllabes.
Pour les salles du type auditorium, l’expérience a permis de définir un temps de réverbération optimal en fonction de leur utilisation. Ce temps de réverbération varie approximativement comme la racine cubique du volume. Une tendance pour le temps de réverbération est fournie la figure qui suit. Néanmoins, ceci ne constitue qu’une tendance. En effet, de bonnes salles peuvent s’écarter sensiblement des valeurs indiquées car d’autres caractéristiques sont tout aussi importantes, comme la géométrie, les réflexions latérales (effet d’espace), etc.

- Une salle d’opéra est avant tout un théâtre: l’attention du spectateur se tournant sur la scène, l’orchestre est situé dans la fosse sous l’avant-scène pour être le moins visible possible. Les distances entre acteurs et spectateurs sont aussi réduites que possible, d’où la présence de nombreux niveaux de balcons ; pour favoriser la bonne compréhension des textes chantés, la réverbération du son doit être courte.

- Une salle de concert philharmonique privilégie les sons riches et volumineux, avec un volume acoustique conséquent et une réverbération latérale (concept « boîte à chaussure », figures b). La distance entre auditeurs et musiciens est a priori moins critique que pour un opéra. Néanmoins, il existe des limites aux dimensions des grandes salles de concert du fait de la puissance d’un orchestre symphonique non expansive et de l’écho désagréable généré par une salle trop vaste. De plus, lorsque la capacité d’une salle est augmentée, les murs sont écartés et les réflexions sonores diminuent ; le son manque alors de réflexions donc de présence et de puissance.

Remarque : Pour la musique symphonique, un espace réverbérant est nécessaire pour une bonne qualité d’écoute ; l’enjeu est d’ajuster le temps de réverbération de l’onde sonore pour contrôler la réverbération d’une salle. L’écoute peut en effet être perturbée lorsque l’on entend à deux ou trois reprises un son à l’identique ou légèrement altéré, une fois en provenance de la scène, et une seconde fois depuis une autre direction. Il est donc nécessaire d’éviter le phénomène d’écho.

Nous avons donc une bonne approximation du temps de réverbération souhaité pour chaque situation, mais en règle générale la réalisation d’une installation permettant un temps de réverbération prédéfini n’est pas une chose aisée, car effectivement le traitement acoustique nécessite la mise en place de nombreux facteurs absorbants et isolants, nous allons vous présenter ceux utilisés dans les concerts, chacun ayant une utilité spécifique pour chaque espace sonore.

Dans une salle de spectacles là où les sources sonores sont le plus souvent en un emplacement défini, à une extrémité, sur la scène, et les auditeurs regardent et écoutent vers cette direction. Cette orientation si elle est toujours la même est évidemment à prendre en compte.
Pour satisfaire au mieux l'homogénéité, il faut que les spectateurs soient positionnés à des distances les plus égales possibles de la source. Horizontalement, la géométrie qui permet de placer le maximum de personnes à une distance la moins variable possible est l'arc de cercle. Verticalement, la meilleure solution est la pente montante en s'éloignant, c'est à dire l'amphithéâtre, inventé par les Grecs qui n'avaient pas de sonorisation.

Les meilleures géométries sont celles se rapprochant le plus de cet idéal, la salle plane et en forme de rectangle beaucoup plus long que large n'est pas une bonne solution. Toutes les salles anciennes respectent ce principe, alors pourquoi pas toutes les nouvelles ?
Pour favoriser les premières réflexions, on place les absorbants nécessaires en fond de salle, et des surfaces réfléchissantes proches des sources sonores, donc de la scène. Ces réflecteurs sont positionnés de manière à orienter la propagation en direction de la zone d'écoute à favoriser, schéma ci-contre. Ainsi on rend les sources en quelque sorte directives, et on s'affranchit un peu de la loi de propagation d'une source omnidirectionnelle,on gagne encore en homogénéité.

On peut en profiter pour installer un absorbant épais derrière la scène ; il y en a 3 types : Les absorbeurs poreux, les membranes et les Résonateurs leur caractéristiques sont étayés ci-dessous.

L’absorption d’un matériau, qui intervient comme facteur de diminution de la réverbération, est fonction de la fréquence de l’onde. La figure 12 montre ainsi l’allure de la variation du coefficient d’absorption, en fonction de la fréquence, des trois types de matériaux acoustiques absorbants utilisés pour la correction acoustique de salles.

On voit une différence de comportement de ces différents types de correcteurs (poreux, résonateurs de Helmholtz ou membrane), ainsi qu’une variation dépendante de la longueur d’onde. Il est à noter que les conditions géométriques pour les matériaux constituant les parois influencent également les coefficients d’absorption de ces matériaux :

·Matériaux poreux : augmentation de l’absorption avec l’épaisseur à moyenne fréquence.

·Résonateurs d’Helmholtz : diminution de la fréquence d’absorption maximum avec la diminution de la surface d’ouverture du col, l’augmentation du volume et de la longueur de col des cavités du résonateur.

·Membrane : augmentation de la fréquence d’absorption maximum avec la diminution de la masse surfacique de la plaque et de l’épaisseur de la lame d’air.

Compte tenu de cette dépendance de l’absorption d’un matériau en fonction de la fréquence, il est nécessaire d’utiliser des matériaux dont les performances à échelle réduite soient équivalentes à celles en situation réelle. Cependant, un excès d’absorption au niveau des couches limites, dû aux effets visco-thermiques (visqueux et thermiques), proportionnel à la racine carrée de la fréquence, est responsable d’une absorption supplémentaire d’environ 5% à 100 kHz. En conséquence, il est difficile d’obtenir des valeurs correctes du temps de réverbération en hautes fréquences dans les maquettes. Néanmoins, cet effet peut être partiellement compensé en choisissant des matériaux dont l’absorption, dans la maquette à échelle, soit inférieure à celle en situation réelle.

Des surfaces réfléchissantes globalement convexes, à géométrie non plane, appelées déflecteurs ou diffuseurs placés en hauteur ou même latéralement, judicieusement positionnés (voir la représentation ci-dessous), ont le même intérêt qui doivent respectés certains critères tel qu’une épaisseur entre 5 et 10 cm, ainsi qu’un motif de surface en 3D de forme pyramidale ou en vagues pointus, et de dimension élevée avec une quantité variant par rapport à la surface sur laquelle ils seront disposés. Leur forme, en fonction de leur position, doit permettre de réfléchir de manière bien homogène les sons vers la zone d'écoute, et non pas vers la scène.
On peut utiliser les volumes importants sous la scène et sous les gradins pour réaliser des résonateurs ou Bass-trap absorbants les basses fréquences, avec des parois séparatives très rigides.

Wikipédia

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Uncube

Uncube est un magazine allemand numérique pour l'architecture. C'est aussi une plateforme de langue anglaise. C'est ce site qui nous a permis d'exploiter les schémas des salles.

francemusique

Site web d'une radio publique essentiellement consacrée à la musique classique et au jazz et qui partage aussi des informations sur l'acoustique de certaines salles. C'est ces podcast sur l'acoustique que nous avons exploiter lors de notre projet.

Canal-u

Canal-U est la vidéothèque numérique en ligne de l’enseignement supérieur. C'est dans ce site qu'on a pu visionner des vidéos d’une étude sur l’acoustique des théâtres antiques. https://www.canal-u.tv/video/cerimes/acoustique_des_theatres_antiques.9038

philharmoniedeparis

Cette page est le site du Philharmonie de Paris qui regroupe plusieurs catégories entre les concerts et festivals,on retrouve aussi une magazine et des ressources numériques scolaires et d'autres pour enseignant.

CSTB : Centre scientifique et technique du bâtiment

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manifestation_danger_diffusion_musique_SUVA

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audiofanzine

Site web multilingue ayant pour vocation d’aider les musiciens et passionnés par l'audio à échanger et à parfaire leurs connaissances, qu'ils soient amateurs ou professionnels. C'est dans ce site qu'on a pu comprendre la disposition des enceintes dans un concert.

Ce n’est pas sorcier

Magazine télévisuel français de vulgarisation scientifique destiné aux enfants et aux adolescents et à tous les passionnés de la science.

Rémy Heller

Site internet de format PDF qui s’intéresse à l'anatomie de l'oreille et les différentes maladies liées à cette dernière. http://www.ffessm67.fr/attachments/article/289/12.Oreille%20(R.Heller).pdf

Eurockeennes

Site web de l'un des plus grands festivals de musique de France.

La predominance des ondes sonores dans le monde d'aujourd'hui

Comment organiser un concert pour optimiser la qualité sonore?

Apercu sur le festival

Apercu sur le festival

B-Caractéristiques

B. Dangers et protections

1) La perte auditive

Votre ouïe est-elle en danger?

2) La protection de l'oreille

La balance facade

Le bruit rose

B-Conception d’une salle de concert

comportement d'une onde sonore

comparaison des salles

Salle d'opera

Salle de concert philharmonique

Facteurs absorbants et isolants

Facteurs absorbants et isolants

Comportement acoustique des matériaux

Comportement acoustique des matériaux