Art et science

Tiré du numéro de février 2020 de Physics World où il est paru sous le titre “Sound designs”. Les membres de l’Institut de physique peuvent profiter du numéro complet via l’application Physics World.

La rénovation des bâtiments publics est souvent plus complexe qu’on ne le croit. Anna Demming parle aux acousticiens et aux architectes des considérations acoustiques qui sous-tendent leurs conceptions pour les espaces publics, et de certaines astuces pour répondre aux exigences contradictoires de ces lieux

 Foyer Bristol Old Vic
Espace complexe Le nouveau foyer et le café du Bristol Old Vic ont été conçus de manière acoustique afin que les petits groupes puissent avoir des conversations intimes (à gauche). Au fond du foyer, le mur de l’auditorium (à droite) présente des qualités acoustiques qui permettent d’utiliser cette zone comme espace de performance. (Courtoisie: Fred Hawarth)

Dans le centre-ville historique de Bristol au Royaume-Uni, dans une rue pavée bordée de bâtiments dépareillés, se trouve le plus ancien théâtre en fonctionnement continu du monde anglophone – le Bristol Old Vic.

Construit en 1766, et appelé à l’origine le Théâtre royal, le bâtiment a subi une rénovation de plusieurs millions de livres pour marquer son 250e anniversaire. Les travaux ont nécessité une conception détaillée et minutieuse pour que le grand auditorium géorgien – rénové dans la première phase du projet – puisse répondre aux besoins acoustiques d’un large éventail de théâtre, de musique et de danse en direct.

Tout aussi complexes étaient les exigences acoustiques du reste du bâtiment, qui a été rénové en phase deux. Cette deuxième étape comprenait des espaces de représentation et des bureaux supplémentaires, ainsi qu’un foyer pouvant accueillir un café-bar et un autre espace de représentation potentiel. Toutes ces différentes fonctions ont des exigences acoustiques spécifiques et souvent distinctes, qui peuvent être en contradiction avec une foule d’autres exigences techniques, culturelles et esthétiques.

Quelqu’un qui aide à surmonter ce genre d’obstacles pour obtenir la configuration acoustique idéale est Bob Essert. Après avoir étudié à la fois l’ingénierie et la musique, il a créé en 2002 Sound Space Vision (SSV), une société londonienne d’acousticiens et de consultants en architecture.

L’un des projets actuels de SSV est la rénovation d’un autre auditorium de Bristol à 48,8 millions de £: le Colston Hall de la ville, qui se trouve juste en bas de la route de Bristol Old Vic et doit rouvrir en 2021. En tant que salle de concert de 1800 places, le Colston Hall offre beaucoup d’espace aux artistes qui s’y sont produits depuis son ouverture en 1867, des orchestres symphoniques à grande échelle aux Beatles. Il a ce qui est souvent décrit comme une géométrie de “boîte à chaussures” – longue avec de hauts plafonds qui donnent beaucoup d’espace devant les musiciens pour un son riche autour du public, et moins d’espace pour que le son se perde derrière la zone de performance (voir le rendu de Levitt Bernstein Architects ci-dessous). La conception de la boîte à chaussures est un format classique qui, selon certains, produit la meilleure acoustique, neuf des 10 meilleures salles de concert au monde ayant cette forme selon une enquête de Business Insider en 2016.

 Rendu Colston Hall par Levitt Bernstein Architects
Géométrie de la boîte à chaussures Rendu Colston Hall par Levitt Bernstein Architects.

Alors qu’Essert dit que le plus grand déterminant de l’acoustique est l’échelle, la géométrie vient en deuxième position sur sa liste de facteurs, suivie des matériaux utilisés. “Tous les trois jouent un rôle”, dit-il. Une immensité de longueur, de hauteur et d’échelle générale dans un espace de performance n’est cependant pas toujours souhaitable. Essert cite la salle de l’école Yehundi Menuhin à Surrey, au Royaume-Uni, comme un exemple où SSV visait des dimensions plus compactes pouvant accueillir 300 personnes dans un espace conçu spécifiquement pour des performances solo et de chambre. “Plus les limites de la pièce sont éloignées de l’auditeur et, dans une certaine mesure, des interprètes, plus le son est faible”, explique Essert.

En termes simples, vous pouvez penser aux ondes sonores qui s’atténuent et perdent en intensité lorsqu’elles traversent les dimensions de la pièce. Comme le souligne Essert, le son d’une performance est un facteur clé pour que le public se sente enveloppé et immergé dans l’expérience, et par conséquent, concevoir spécifiquement pour les interprètes solistes signifie idéalement concevoir un espace plus petit. Alors, comment un solo peut-il être entendu dans un espace conçu pour accueillir un orchestre symphonique complet et donner un sentiment d’intimité dans une salle de 1800 places?

Réflexions sur la conception sonore

En fin de compte, l’impact d’une production sur le public est dominé par le talent artistique des interprètes sur scène. Cependant, un effet qui peut aider une performance à paraître intime et enveloppante, même dans une immense salle, est le son réfléchi. Parce que le son se déplace à une vitesse finie – 343 m / s dans l’air sec à 20 ° C – toute réflexion des limites de la salle atteindra quelqu’un dans le public avec un retard de plusieurs millisecondes par rapport au son qui a voyagé directement des interprètes. Vous n’entendez peut–être pas consciemment le retard, mais Essert souligne que lorsque le cerveau assemble l’entrée audio, ce retard – et, de manière cruciale, l’amplitude et la direction de l’arrivée – affecte l’expérience.

Les tissus d’ameublement, par opposition aux murs durs, atténueront ces reflets, comme l’a démontré en 1895 le physicien américain Wallace Clement Sabine, largement reconnu comme le fondateur de l’acoustique architecturale. Lors d’une mission d’amélioration de l’acoustique de la salle de conférence Fogg de l’Université Harvard, il s’est armé d’un tuyau d’orgue et d’un chronomètre et s’est lancé dans une série d’expériences, déterminant à l’oreille combien de temps un son a pris pour se désintégrer en modifiant, par exemple, le nombre de coussins dans la pièce. Sabine a rapidement établi que c’était la zone des coussins (ou de tout matériau absorbant) qui était linéairement liée au temps de réverbération.

L’avènement de l’oscilloscope dans les années 1960 a fait passer la technologie acoustique à la vitesse supérieure, permettant d’imager directement l’entrée du son et d’analyser les retards de ces réflexions. Les chercheurs ont ensuite commencé à en savoir plus sur le rôle de la direction du son. Par exemple, les réflexions sur les côtés peuvent faire en sorte que le public se sente plus immergé dans l’expérience, simplement en étant entouré par le son.

Une appréciation du rôle des reflets a attiré l’attention sur la façon dont le son est alimenté d’une surface à l’autre et a affecté la conception des espaces de performance. La géométrie de base de la boîte à chaussures est toujours populaire auprès des architectes comme elle l’a été depuis la construction des églises médiévales, en fait les salles de concert de leur époque. Mais au début des années 1980 – après des recherches menées dans les années 1960 et 1970 par Michael Barron et Harold Marshall au Royaume–Uni et des groupes de recherche à Göttingen et Berlin – Essert et d’autres acousticiens ont commencé à façonner des géométries pour guider le son. En concevant la direction dans laquelle ils reflétaient le son, ils pouvaient apporter plus de son de côté. Des exemples de cette architecture incluent l’hôtel de ville de Christchurch en Nouvelle-Zélande, le Royal Concert Hall à Nottingham, au Royaume-Uni, et le Meyerson Symphony Center à Dallas, aux États-Unis.

Niveaux sonores

Le Colston Hall a déjà connu plusieurs rénovations et reconstructions (figure 1), la plus récente ayant eu lieu en 1951 sous la direction de Philip Hope Bagenal, l’acousticien de salles de concert le plus prolifique du Royaume-Uni de cette période. La rénovation de 1936 avait été axée sur le cinéma – qui était alors la principale utilisation du marché pour les salles de cette nature -, ce qui avait pour conséquence de mettre l’accent sur les lignes de vision, la capacité du public et le son du cinéma. Mais, ayant survécu au Blitz, la salle de concert a été victime d’un incendie déclenché par une cigarette en 1945, et lors de la reconstruction de 1951, Bagenal et l’architecte J Nelson Meredith ont restauré l’intérieur pour donner la priorité aux spectacles de musique classique. Plus particulièrement, Bagenal et d’autres acousticiens du Royaume-Uni à l’époque estimaient que les salles de concert britanniques manquaient de définition. La vie et le goût musicaux britanniques avaient été colorés par le son des mairies du pays, explique Essert – “des espaces au sol hauts et plats qui produisaient un son boueux”.

 Figure 1
1 Rénovation en plusieurs phases Le Colston Hall de Bristol a été rénové à plusieurs reprises, notamment en 1936 (en haut à gauche) et en 1951 (en haut à droite). Pour le projet en cours, Sound Space Vision a pris des mesures sonores spatiales de l’espace (en bas à gauche) et a créé un modèle informatique acoustique de la conception proposée (en bas à droite). (Courtoisie: Vision de L’Espace Sonore)

Bagenal a approuvé un plan rectangulaire en gradins pour Colston Hall et a introduit des matériaux qui absorberaient les basses “pour éviter le boom”. En particulier, il a ajouté un auvent au-dessus de la scène pour projeter la clarté des instruments à cordes. Bien que l’oscilloscope n’ait pas encore été créé en 1951, il n’était donc pas disponible pour faciliter la conception, il avait été réalisé que les auvents pouvaient refléter le son aux musiciens afin qu’ils puissent s’entendre.

L’un des problèmes actuellement abordés par les rénovations de SSV à Colston Hall est une lacune littérale de cette verrière. Suite aux extensions de la scène pour accueillir de plus grands orchestres, la verrière ne couvre plus la section de cordes qui est assise à l’avant de la scène. De plus, il se présente également au bord d’attaque, dirigeant le son vers le public et rendant encore plus difficile l’audition des musiciens à cordes. Parmi les rénovations que SSV aide à mettre en œuvre, il y aura un auvent agrandi et remodelé avec plus de gréement pour répondre à des exigences techniques plus étendues.

Toutes les réflexions ne sont pas utiles non plus. Les balcons du Colston Hall s’étendaient auparavant sur 14 rangées de l’auditorium, créant une “zone morte” pour des centaines de sièges: les multiples reflets du bas du balcon atténuaient une grande partie du son, le laissant sec et faible au moment où il atteignait les sièges à l’arrière du niveau sous le balcon. Le projet de rénovation comprendra la division du balcon d’une structure profonde en deux structures moins profondes afin qu’il n’y ait pas de sièges aussi profonds sous un plafond bas.

Symbiotic solutions

De retour au Bristol Old Vic, reflections a de nouveau été utile pour répondre aux besoins polyvalents du nouveau foyer. Il a été intelligemment conçu pour que les gens puissent profiter d’une conversation tranquille autour d’un café sans être assourdis par le son des bavardages de tous les autres. Cependant, avec une pression pour maximiser les revenus du bâtiment, le même espace doit également fournir une atmosphère plus vibrante et est même conçu pour accueillir des concerts, où le public veut être immergé dans le son. Vangelis Koufoudakis – un acousticien de la firme de design Charcoalblue qui a travaillé sur la rénovation du Bristol Old Vic – admet qu’essayer de répondre à des exigences polyvalentes comme celle-ci peut être problématique. “Vous pouvez vous retrouver avec quelque chose comme un canapé–lit – ce n’est pas un grand canapé et ce n’est pas un grand lit.”Heureusement, les architectes et les acousticiens sur le projet ont pu “déterrer” une solution unique 250 ans dans la fabrication.

Dans le monde de l’acoustique, nous aimons les formes irrégulières car elles arrêtent la focalisation du son ou d’autres artefacts acoustiques indésirables

Vangelis Koufoudakis

Dans le cas du foyer, les architectes ont tenu à fournir un espace ouvert qui relie le théâtre à la rue et à la ville au-delà. La plupart des murs du café-bar sont insonorisants. Les angles irréguliers par opposition aux murs parallèles évitent les résonances étranges et la pièce utilise généreusement de la laine de bois – du bois recyclé et des limailles de bois qui absorbent le son et le convertissent en chaleur. Le plafond du foyer est une grille diagonale structurelle formée de poutres en bois lamellé–collé – “lamellé-collé”. Les diagonales forment des angles irréguliers qui remontent à des géométries de pièces historiques dans le reste du bâtiment. “Dans le monde de l’acoustique, nous aimons les formes irrégulières parce qu’elles arrêtent la focalisation du son ou d’autres artefacts acoustiques indésirables”, explique Koufoudakis. Grâce à ces astuces acoustiques et à d’autres du métier, le vaste foyer décloisonné – dont vous pourriez vous attendre à entendre des bruits et des échos – offre l’acoustique parfaite pour un tête–à-tête silencieux. Comment alors permettre une atmosphère plus vibrante dans un même espace à des moments différents?

En déterrant le mur de pierre d’origine du bâtiment à l’auditorium géorgien situé à l’extrémité du café-bar, l’équipe du projet a pu l’exploiter comme toile de fond à réflexion acoustique pour un espace de performance directement en face. Le mur lui-même est brisé et marqué du passage du temps, ce qui signifie qu’il réfléchit un son diffus sans résonances étranges à haute fréquence. “C’est une surface architecturale étonnante qui révèle les cicatrices historiques du théâtre”, explique Tom Gibson de Haworth Tompkins et l’architecte du projet pour la deuxième phase de la rénovation. La masse thermique de la surface de maçonnerie robuste aide également à réguler la température dans le café-bar.

Conception de niveau

Le foyer bénéficie également d’une autre bizarrerie architecturale qui s’est avérée être une bénédiction déguisée. Divers ajouts et rénovations au cours des siècles depuis la construction du théâtre ont conduit à différents niveaux de sol. L’équipe du projet n’a pas voulu perturber la dalle ou les fondations du sous-sol des années 1970 car cela aurait pu coûter cher et représenter un risque archéologique. “En gros, le vieux mur de la ville traversait le foyer et nous craignions de trouver des squelettes historiques”, explique Gibson. L’un des défis de conception était donc de résoudre la différence entre les niveaux de plancher historiques, les niveaux de plancher des années 1970 et les niveaux nouvellement proposés. La solution a consisté à descendre le nouveau foyer au niveau de la rue pour offrir un accès universel pour la première fois dans l’histoire du théâtre, tandis que le niveau du rez-de-chaussée supérieur crée une zone de scène surélevée pratique devant le mur de l’auditorium d’origine.

 Figure2
2 siècles de fabrication Ces modèles Nolli 3D montrent Bristol Old Vic avant (a) et après (b) son réaménagement 2016-2018. Le bâtiment du théâtre d’origine a été délibérément éloigné de la rue et au cours de ses 254 ans d’histoire, il y a eu de nombreuses entrées différentes. Dans les années 1970, un bâtiment adjacent appelé Coopers’ Hall a été utilisé à cette fin. Le nouveau foyer construit à cet effet a permis à Coopers’ Hall d’être rénové en tant qu’espace événementiel et en petit théâtre studio. (Avec la permission de : Haworth Tompkins)

Les architectes ont également pu exploiter les différents niveaux du sol sur l’ensemble du site pour ventiler le studio-théâtre du lieu. Cette salle relativement petite a été déplacée du sous-sol et du rez-de-chaussée devant l’auditorium au sous-sol et au rez-de-chaussée dans la section de la salle des Tonneliers, un bâtiment adjacent qui servait d’entrée au théâtre dans les années 1970 (figure 2). Le déménagement a entraîné une hauteur de tête non conforme dans le sous-sol directement sous le foyer à côté de la rue et a créé des contraintes d’espace qui ont rendu difficile l’installation de ventilateurs mécaniques traditionnels, qui nécessitent beaucoup d’espace. ” L’équipe du projet avait en tout cas l’intention de ventiler naturellement le nouveau studio-théâtre afin d’économiser l’énergie et les coûts associés “, ajoute Gibson. Les espaces du sous-sol (avec une hauteur de tête non conforme une fois le nouveau rez-de-chaussée du foyer conçu) ont permis de construire un nouveau “labyrinthe” de ventilation naturelle. Il aspire l’air du toit du foyer à travers un labyrinthe en maçonnerie, qui refroidit et calme l’air extérieur bruyant. Résultat : de l’air frais pénètre dans le studio-théâtre avec un minimum de perturbations acoustiques.

En forme fine

Cependant, toutes les déclarations architecturales ne proviennent pas d’un alignement heureux d’exigences techniques pragmatiques. La Philharmonie de Berlin en Allemagne est largement considérée comme une étape importante dans l’histoire de la conception de salles de concert et a marqué une rupture historique avec la géométrie de base des boîtes à chaussures qui dominait depuis si longtemps. Il a été construit entre 1960 et 1963 pour remplacer l’ancienne maison de l’orchestre philharmonique de Berlin, qui avait été bombardée pendant la Seconde Guerre mondiale. “Les gens se rassemblent toujours en rond lorsqu’ils écoutent de la musique de manière informelle”, a déclaré l’architecte Hans Scharoun, une observation qui l’a amené à concevoir la salle de concert avec le public assis autour de l’orchestre sur les pentes d’un grand bol, comme des terrasses de vignobles. Cette conception audacieuse a inspiré un certain nombre d’architectes qui ont également voulu faire “un bâtiment de déclaration” et la géométrie du vignoble a été largement adoptée au cours des 15 dernières années.

 Berliner Philharmonie
Sons différents La Berliner Philharmonie a été construite en 1960-1963 avec un design qui ressemble à un bol ou à un vignoble. La largeur est le double de celle d’une boîte à chaussures typique. (Avec l’aimable autorisation de : /posztos)

Cependant, la géométrie du vignoble a été moins populaire auprès des acousticiens. Lorsque le public est si étendu dans une salle aussi large, l’intensité sonore et l’intensité subjective de la musique sont réduites pour tous. En conséquence, l’extension de la forme surround à une salle de 2000 places sans balcon réduit l’intensité et l’immersion dans le son voulus par un compositeur de musique. Et parce que le public entoure la scène, les personnes assises derrière l’orchestre entendront les choses différemment de celles devant, et des instruments tels que le trombone peuvent sembler brillants sur l’axe mais plus silencieux ailleurs. “Vous obtenez peut-être effectivement un concerto pour cor français parce que vous n’êtes qu’à deux pieds d’eux”, dit Essert.

C’est pourquoi Essert pense que la géométrie ressemblant à une boîte à chaussures connaît un renouveau. Il y a également eu un intérêt pour la psychoacoustique des grandes salles de concert étroites pour empêcher le public de se sentir “enfermé”. Le nouveau plafond de Colston Hall, par exemple, aura un léger pas sur les côtés, atténuant les effets de focalisation négatifs du plafond précédemment concave. Les courbes convexes répartissent le son de manière utile et s’écartent d’un cuboïde pur, se sentant moins “boxy”.

Multitâche

Un autre défi dans des salles comme Colston Hall est de répondre à la musique amplifiée et non amplifiée dans le même espace. Alors que l’acoustique optimisée pour un orchestre enrichira idéalement le son, les conceptions pour la musique amplifiée visent la clarté du son avec peu de réverbération afin que ce que le public entend soit presque exactement ce qui vient des haut-parleurs. L’ingénierie numérique peut ajuster les niveaux pour une performance amplifiée dans un espace neutre idéalisé, mais elle ne peut pas remplacer complètement ce qu’une pièce à l’acoustique plus riche ferait pour une performance classique en direct. Travaillant avec des contraintes de budgets de construction, des panneaux rétractables en panneaux de fibre de verre ou même simplement des rideaux peuvent être incorporés pour absorber la réverbération de la musique amplifiée et introduire une certaine polyvalence acoustique.

L’un des projets de SSV qui a porté ces exigences de polyvalence à un nouveau niveau a été le Centre Xiqu à Hong Kong, où l’espace doit accueillir non seulement la musique occidentale amplifiée et non amplifiée, mais également diverses traditions d’opéras chinois de Pékin, Shanghai, Guangdong et Hong Kong. Optimiser cette salle de concert signifiait donner les moyens d’équilibrer le son des chanteurs par rapport à l’orchestre, et d’imiter l’acoustique en plein air sur laquelle ces traditions étaient encouragées. Les finitions de la salle et le système audio du Centre Xiqu ont été développés main dans la main.

 Centre Xiqu
Besoins inhabituels Le Centre Xiqu
à Hong Kong a des exigences acoustiques inhabituelles. Il met en scène un large éventail de styles musicaux, de sorte que l’auditorium a été conçu avec des formes complexes, des espaces et une isolation pour absorber ou diffuser le son, y compris des rideaux motorisés qui peuvent être ajustés au besoin. (Avec la permission de: Sound Space Vision)

La situation se complique cependant, car les acousticiens ne répondent plus aux attentes du public qui attend un son orchestral live exceptionnel. Les spectateurs d’aujourd’hui s’attendent plutôt à entendre quelque chose qui ressemble à ce qu’ils entendent sur leurs systèmes audio à la maison. Le problème est que ces enregistrements sont générés par des ingénieurs qui localisent des microphones à des positions soigneusement identifiées autour de la salle ou du studio d’enregistrement, puis mélangent électroniquement les niveaux et ajoutent des canaux afin que vous puissiez entendre la clarté du solo et avoir la résonance de la pièce en même temps. “Vous ne pouvez pas réellement obtenir ce son”, explique Essert. “Mais nos oreilles ont été à l’écoute.”Une approche pour offrir une clarté, une résonance et un enveloppement simultanés avec l’architecture consiste à construire une pièce dans une pièce.

L’idée a émergé lors des projets d’Essert avec Russell Johnson d’Artec Consultants à New York, où il s’est retrouvé à plusieurs reprises confronté au problème de la conception de solutions de conception polyvalentes. Dans les années 1980, Artec a introduit une “chambre de réverbération” dans certaines salles de concert, telles que le Meyerson Symphony Center à Dallas, aux États-Unis, et le Symphony Hall à Birmingham, au Royaume-Uni. Essentiellement, cela couple la salle de concert intérieure que le public voit à un espace secondaire, utilisant souvent des portes en béton sur de lourds pivots. Cet espace secondaire aura généralement un volume de plusieurs milliers de mètres cubes supplémentaires et peut être un espace “dur” ou “mou” selon l’utilisation des rideaux. Cela lui permet d’agir comme un absorbeur net ou un générateur de réverbération nette, mais la désintégration temporelle initiale de la pièce – la première désintégration du son de 10 à 20 dB après son arrivée – est générée par la géométrie de la pièce intérieure. L’idée a été développée par Artec à Singapour, Los Angeles, Reykjavik et Budapest, et a également influencé l’équipe de conception travaillant sur la Philharmonie de Paris. Essert a utilisé les mêmes principes sur le Sage Gateshead au Royaume-Uni, couplant partiellement l’espace principal avec un autre au-dessus d’un plafond mobile.

Alors que la conception acoustique est basée sur la physique du son, elle repose sur une légion d’autres considérations structurelles et techniques qui se multiplient à mesure que les lieux prennent des fonctions supplémentaires pour aider leurs sources de revenus. Et lorsqu’il s’agit de rénover des lieux historiques, les solutions d’ingénierie doivent non seulement être sensibles à l’histoire du bâtiment, mais aussi respecter les contraintes de planification et répondre aux attentes des publics. Réussir cette combinaison délicate n’est pas un mince exploit. Mais en s’assurant que tous les facteurs contributifs sont réunis – la géométrie de la pièce, les lignes de vue, le confort, les caractéristiques architecturales, les matériaux de construction, etc. – les architectes et les acousticiens peuvent offrir une expérience qui, qu’il s’agisse de rap ou de rhapsodie, de café ou de cabaret, laisse à chaque artiste invité, client et membre du public un contenu.

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