DOSSIER
Une ville habitable

Aérodynamique et acoustique urbaines

Parer aux coups d’Éole

Marc DUFRESNE, responsable de la thématique « air-confort-environnement » au sein du département « Climatologie, aérodynamique, pollution, épuration » du CSTB-Nantes

Les caractéristiques du vent en ville dépendent fortement de l’environnement urbain. La présence de bâtiments de grande dimension induit notamment des accélérations locales de l’air et des sillages (effets tourbillonnaires) pouvant produire des effets dangereux sur les façades ainsi que des situations d’inconfort pour le piéton. Nous simulons ces phénomènes dans la soufflerie de notre centre d’études1, sur des maquettes d’échelle réduite (que, le plus souvent, nous fabriquons).

Sur ces maquettes, les contraintes mécaniques ou « efforts » dus au vent sont évaluées via des mesures de pression aérodynamique en de multiples points. L’instrumentation développée au CSTB1 permet d’en effectuer 512 simultanément, 200 fois par seconde, avec une précision proche du cent-millième de la pression atmosphérique. Elle rend ainsi possible une évaluation précise des efforts subis par les fondations ou par l’enveloppe des futurs ouvrages, ce qui permet de dimensionner la structure de ces derniers d’une façon plus fiable que par le seul calcul (et c’est pourquoi les simulations en soufflerie sont incontournables pour des ouvrages élancés tels que les ponts et les tours). Le comportement vibratoire d’un ouvrage peut être approché dans le même temps au moyen de capteurs mécaniques placés dans la maquette.

L’évaluation du confort au vent du piéton, quant à elle, nécessite de connaître la distribution dans l’espace de la valeur moyenne et des fluctuations de la vitesse de l’air. C’est en effet avec ces deux grandeurs qu’un seuil de confort est déterminé (on estime classiquement qu’une vitesse supérieure à 3,6 m s-1 est inconfortable, mais elle l’est d’autant plus que cette situation se renouvelle fréquemment).2 En mesurant, sur maquette, les vitesses locales selon 18 secteurs (directions) de vent et en effectuant un traitement statistique des données des stations météorologiques proches du site étudié, nous obtenons un niveau global de gêne : le pourcentage du temps annuel pendant lequel le site sera inconfortable.

Des sondes et des caméras

En soufflerie, les vitesses sont mesurées au moyen d’anémomètres à fil chaud3. Mais ces sondes sont fragiles et l’analyse en de nombreux points, pour chaque secteur de vent, prend du temps ; c’est pourquoi nous testons des moyens alternatifs ou complémentaires. Il s’agit notamment d’imageries par caméras thermiques ou par vélocimétrie de particules, qui mesurent respectivement la température d’une paroi chauffée (si l’on chauffe la maquette par le sol, la température de sa surface diminue localement selon l’intensité du flux d’air) et la vitesse de microgouttelettes intégrées au flux d’air ; leur avantage commun est d’autoriser une mesure de vitesse en n’importe quel lieu de la maquette, tandis que des sondes donnent seulement des valeurs aux positions qu’elles occupent. Ces techniques ont été comparées les unes aux autres et à des simulations numériques lors d’une étude du confort au vent sur la place Monge à Paris. Les complémentarités et les limites de chaque technique sont ainsi mieux appréhendées. Par exemple, l’approche thermique permet de suivre facilement des modifications de flux d’air sur la maquette, et le suivi de particules fournit la structure de l’écoulement aérien avec une bonne résolution spatiale.

1. Centre scientifique et technique du bâtiment

2. En pratique, l’inconfort à l’air ambiant combine température, rayonnement et vitesse du vent. Aussi recourt-on à un indicateur global PET (Physiological Equivalent Temperature) dont la valeur est considérée comme confortable entre 18 et 26°C. Les approches plus larges du confort du piéton prennent aussi en compte les niveaux d’éclairage, de bruit, de pollution, les odeurs, la présence de végétaux, celle de bancs pour s’asseoir, etc.

3. sonde de quelques millimètres de long adaptée aux mesures sur maquette d’échelle réduite. La vitesse du flux d’air est calculée via la modification, par ce même flux, de la résistance électrique d’un fil chauffé.

Maquette de la place Monge en soufflerie (à gauche) et cartographie de la gêne calculée (l’échelle indique le pourcentage du temps annuel durant lequel le seuil d’inconfort est dépassé) © CTSB

Brider les décibels

Développée parallèlement à des études expérimentales, une nouvelle approche théorique permet de mieux cerner la propagation d’ondes sonores en ville.
par Bertrand LIHOREAU, Maître de conférences à l’Université du Maine, Simon FÉLIX, chargé de recherche CNRS, chercheurs au Laum, Laboratoire d’acoustique de l’Université du Maine (Université du Maine/CNRS), et Judicaël PICAUT, directeur de recherche à l’Ifsttar-Nantes, Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux, membres de l’IRSTV (fédération de recherche CNRS 2488)

D’après une enquête de l’Insee parue en 2002, pour 54 % des Français les nuisances sonores sont la plus forte gêne éprouvée quotidiennement. Si la lutte contre le bruit est depuis longtemps soutenue par les pouvoirs publics, elle a été récemment renforcée sous l’effet de la directive européenne 2002/49/CE : cette dernière impose aux communes de plus de 100 000 habitants de produire des cartes urbaines de niveaux sonores, d’informer la population de l’existence de ces cartes et d’établir des plans de lutte contre le bruit.

Les logiciels grâce auxquels sont usuellement réalisées les cartes de bruit procèdent de la façon suivante : à partir de données liées à la géométrie de la ville (topographie, disposition des bâtiments, largeur des rues, etc.) et à une estimation des principales sources de bruit, ils calculent la propagation des sons émis par ces sources en tenant compte de paramètres météorologiques (vent, température, humidité) et de différents phénomènes (comme la réflexion et l’absorption des ondes acoustiques sur les bâtiments et les sols) qui sont représentés de façon simplifiée. Les résultats obtenus sont pertinents pour les sons de moyennes ou hautes fréquences (aigus) mais pas pour ceux de basses fréquences (BF), tels que le bruit d’un poids lourd en circulation.

Des effets révélés
Afin de modéliser correctement la propagation des BF en milieu urbain, nous développons une méthodologie qui prend pleinement en compte la nature ondulatoire des sons, contrairement à l’approche standard précédente. Il en résulte des équations d’onde complexes dont la résolution, approchée mais efficace, est rendue possible par le progrès des moyens de calcul par ordinateur. Les avancées de cette recherche ont notamment permis de découvrir un effet « de flûte » très peu intuitif : si la rue est haute et étroite, une partie de l’énergie acoustique est réfléchie au niveau du haut des bâtiments ; au lieu de s’échapper dans le ciel, elle reste canalisée dans la rue ! Il devient ainsi possible de concevoir des rues dont le profil géométrique empêche la survenue de fortes nuisances liées en particulier aux BF.

Parallèlement à ces travaux analytiques et numériques, des études expérimentales sur maquette sont nécessaires à la compréhension des phénomènes acoustiques et à la validation de leur modélisation. L’étude sur maquette en chambre anéchoïque (sans écho) permet ainsi d’explorer la propagation du son dans une rue sans les contraintes liées à l’expérimentation sur site « réel » : mauvaises conditions météorologiques, obtention d’autorisation, gestion du matériel, impossibilité de changer l’organisation de la rue et les façades... Les mesures sur maquette réalisées en extérieur, quant à elles, permettent d’étudier l’influence des conditions météorologiques. Dès les prochains mois, ces différents moyens d’étude serviront à étudier les capacités de dispositifs végétaux à réduire les nuisances sonores urbaines. Les plantes et leurs substrats ont en effet des propriétés d’absorption acoustique a priori intéressantes car très supérieures à celles de la plupart des chaussées et façades urbaines classiques.

La réduction de ces nuisances n’est pas limitée à des problèmes de propagation : des chercheurs travaillent sur la modération des sources de bruit ; d’autres étudient la perception humaine des sons et les différents facteurs d’ambiance sonore qui peuvent notamment, à l’instar de la présence ou des bruits d’eau, favoriser l’impression de calme.

Exemple de champ sonore dans une rue, calculé à différentes altitudes. z est le rapport entre l'altitude et la largeur de la rue. L'échelle de couleurs indique la différence, en décibels, entre le niveau sonore calculé et un niveau de référence fixé arbitrairement à 0.

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