Ge­nèse de l’acous­tique d’une salle sym­pho­nique

Résumé: Auditorium Stravinsky de Montreux. Témoignage d’un ancien assistant-doctorant de feu Prof. Mario Rossi, au LEMA-EPFL, qui avait participé en 1990 à la mise au point et la finalisation de l’acoustique naturelle de la salle. Analyse et correction de la réflexion interne, c’est-à-dire l’habillage des parois latérales, du plafond et de la scène, jusqu’à la validation in-situ pour les parties les plus critiques. Optimisation et réglage de la réverbération de la salle pour satisfaire au mieux toutes les utilisations prévues, avec une priorité pour le symphonique. Points qui avaient finalement, après des interrogations et des inquiétudes initiales beaucoup débattues, permis l’obtention d’une acoustique naturelle reconnue comme excellente pour un choix architectural de base pourtant ambitieux et contesté d’une salle esthétiquement très large et très haute et d’utilisation très polyvalente, nécessitant par définition des compromis acoustiques importants et en particulier, défavorable pour toute la zone principale centrale, et la scène. Dans ce contexte sensible les études acoustiques avaient néanmoins pu être menées valablement et jusqu’à leur terme par l’équipe du Prof. Rossi, en particulier au moyen de nombreux essais en laboratoire de performance d’absorption phonique, et d’une maquette physique de la salle, dans laquelle avaient pu être travaillées toute l’acoustique géométrique au moyen d’une technique expérimentale de mesure par ultrasons.

Cette salle, c’est un peu, sans oublier par ailleurs le concours de M. Bruno Gandet, le chef-d’œuvre du regretté professeur Mario Rossi, le Super-Mario de l’acoustique à l’EPFL durant deux décennies, ainsi que nous l’appelions dans son laboratoire, alors qu'il feignait de ne pas le savoir. Mario Rossi, dont le saxophone s’est définitivement tu il y a seulement quelques mois. Lui qui a tant aimé et su partager avec nous, ses étudiants et assistants, cette science si particulière de l’acoustique appliquée. De surcroît lorsqu’elle s’appliquait à vouloir restituer le plus fidèlement possible, dans tout un espace, les sons, la musique et la parole. Réverbération, réflexions, échos, parois, clarté, intelligibilité, sonorisation, tout un vocabulaire inlassablement décliné, appliqué et comparé entre théorie et pratique. Tout un mode de mesures, tests, expériences, calculs, simulations et modélisations. Le monde de cette acoustique-là, celle que l’on appelle « l’acoustique des salles ».

Souvent l’on trouve acoustique écrit avec deux «c» accoustique comme pour souligner que quelque-chose dans cette science ne va pas toujours de soi, accroche. En anglais acoustics il faut toujours faire un petit effort pour se rappeler ce fameux «s» de fin qui distingue le nom ou l’adjectif de la science elle-même. Un peu comme «algorithme» qui survient lui aussi souvent à l’écriture avec un «y», comme pour lui donner un peu de rythme. Puis l’oeil perçoit que quelque-chose cloche. Que dire enfin du logarithme, cette base arrière du fameux décibel qui est à l’acousticien prétentieux ce qui définitivement le distingue du commun, ce pauvre ignorant qui ne comprendra jamais pourquoi en acoustique «fois deux» fait trois, parfois même six, en fonction de la manière dont les «deux» sont en phase, justement.

Décibels, niveaux, intensité, puissance, fréquences, amplitude, phase, spectres et même «cepstres». Diable, voilà donc tous ces mystères qui placent définitivement l’acousticien, un peu comme le physicien, dans un autre monde que celui de l’auditeur moyen.

A l’époque, il y a presque 30 ans, celle du premier Macintosh à disquette et de Windows 3.1 notamment, où les simulations acoustiques n’étaient encore accessibles que de manière très embryonnaire dans les logiciels de conception, il était réputé que pour espérer «réussir l’acoustique» d’une salle, ou, plus encore, d’une salle symphonique appelée à devenir une référence au moins régionale, la personne de l’acousticien, dans toute l’incarnation de son inaccessible savoir sur la maîtrise des sons, était incontournable. Au même titre finalement, et pour des raisons assez similaire, qu’un autre personnage lui aussi auréolé du prestige de toute sa corporation: l’Architecte. Personnage par définition central de tout projet architectural, puisque sans qui une étude acoustique ne pourrait même pas débuter faute de disposer d’une situation à considérer.

1990 au laboratoire LEMA-EPFL, le Prof. Mario Rossi nous expose, à mon collègue de l’époque Walter Koeller et moi-même, ses assistants, le travail qu’il attend de nous pour l’aider dans la conception d’un nouvel auditorium, à Montreux. De mémoire, Mario Rossi nous résume la problématique et nos objectifs en les termes les plus simples suivants: «Nous avons un projet passionnant, il s’appelle MC3, nom provisoire de la future salle symphonique de Montreux. Nous prenons le train en route: c’est M. Gandet, acousticien chez Baechli à Baden qui en a réalisé une très bonne pré-étude. La première difficulté que nous allons devoir prendre en compte est la forme très large et très haute de la salle, forme très éloignée de la figure acoustique idéale en «boîte à chaussure». Cette forme répond au besoin de «10 m³ par auditeurs» imposé par la pré-étude pour la réverbération naturelle, et satisfait par ailleurs toutes les autres contraintes architecturales non-acoustiques, notamment la visibilité dans la salle et son parti-pris esthétique. La deuxième difficulté est que l’acoustique de la salle devra être bonne quel que soit le taux d’occupation de la salle, donc de presque vide à pleine de public. La troisième est que la salle devra être polyvalente. Donc l’acoustique devra être utilisable aussi bien pour le classique, le jazz, le rock, la musique de chambre ou les fanfares que pour la parole, les conférences, expositions, congrès ou manifestations de sociétés, sans oublier les comédies et ballets. Ces contraintes sont incontournables et l’acoustique doit être excellente, «18 carats» et en naturel pour le symphonique, et complétée d’une installation électro-acoustique de sonorisation pour les autres cas. Nos données de base intangibles sont donc, en résumé: un volume de 18'000 m³, une capacité de 1800 places assises et des dimensions intérieures déjà toutes fixées».

La problématique était donc d’obtenir une acoustique naturelle optimale avec une très grande ampleur latérale et de hauteur de plafond, pour un degré de remplissage variable de la salle et différentes occupations de la scène (soliste de position changeante à orchestre complet), et d’assurer la meilleure compatibilité possible avec toutes les autres utilisations prévues.

Retrouvé dans la presse de l’époque, un article nous rappelle les nombreuses inquiétudes et interrogations suscitées à l’origine par ce projet: «[…] un exercice de haute voltige sur lequel les spécialistes les plus renommés de la planète se cassent encore les dents. Sans remonter jusqu’à la cacophonie célèbre des concepteurs de l’Opéra de Sydney, les New Yorkais viennent tout juste de démonter puis de remonter entièrement une salle, confiée pourtant à un acousticien faisant autorité. Quand vous voulez de surcroît, sublime exigence, qu’une même salle satisfasse indistinctement des amateurs de classique, de jazz, de rock, de variétés, de fanfares, sans oublier le confort des auditeurs d’une conférence, des congressistes ou des visiteurs de stands de foire, c’est carrément la quadrature du cercle… […] Un acousticien américain de grande renommée, John Meyer, est venu sur place et a établi un diagnostic sec et sonnant : cette salle sera un «white elephant», c’est-à-dire une salle ratée. […] Il affirme péremptoirement qu’elle ne conviendra pas du tout au jazz et aux variétés.» (24/01/1991, Pierre-Alain Luginbuhl).Contexte sensible et stressant donc que celui dans lequel s’inscrivait le travail d’acoustique proprement dit, à cette époque charnière où les premières représentations informatiques des sons commençaient à pouvoir se matérialiser, par exemple sous formes de cartographies de « tirs de rayons » qui permettaient les premières visualisations de toutes les réflexions possibles entre un point d’émission et un point de réception dans une salle, mais pas l’essentiel, qui restait encore comme une sorte de science de celui qui sait, plutôt que de la comparaison de résultats plus tangibles et au moins en apparence objectifs parce que mieux représentables.

L’approche adoptée par Mario Rossi dans ce contexte sensible et passionné a été très déterministe et pragmatique : Définir, expliquer puis rappeler sans cesse le référentiel visé en quelques valeurs et formulations compréhensibles de tous, acousticiens, architectes, maître d’œuvre, observateurs et commentateurs. Mettre rapidement en œuvre ensuite les moyens de calcul et de mesure permettant de dimensionner toutes les composantes de traitement, d’habillage ou d’équipement encore libres de marge de manœuvre. Vérifier enfin, par des essais d’abord à petite échelle puis de plus en plus à grande échelle, la valeur de tous les paramètres et leur convergence vers le référentiel fixé. Sorte de «Juge de Paix» un peu malgré elle, de par son aura scientifique et technique sur son sujet de pleine spécialité, la compétence acoustique du projet devait donc faire en sorte de tenir un cap irréprochable dans ses analyses, ses résultats et ses préconisations, de s’adapter à tous les impératifs notamment économiques et temporels d’un chantier de ce type, et d’assurer clarté, complétude, transparence et objectivité dans sa pédagogie aves tous les autres intervenants.

Ainsi, avec la simplicité du référentiel adopté, la conception de l’acoustique naturelle devait finalement répondre à trois critères : la réverbération, les réflexions et la diffusion. Les deux derniers, réflexions et diffusion, étant liés, elle pouvait se résumer encore plus concrètement à la seule tenue de deux indicateurs: une durée de réverbération d’environ 1,8 secondes et l’arrivée d’une réflexion n’importe où dans la salle au maximum 30 à 60 millisecondes après l’arrivée du son direct.

La réflexion de fond sur les réflexions appliquée à la conception de l’Auditorium Stravinsky a été tout simplement la conservation d’un principe venu de l’antiquité : pour qu’un auditeur, où qu’il soit dans un théâtre, voie et entende naturellement bien, il faut d’abord bien évidemment que sa vue porte directement sur l’orateur, le chanteur ou le musicien, et, concernant les sons, qu’il entende également le «son direct», c’est-à-dire celui qui se propage vers lui en ligne droite depuis sa source. Mais l’oreille n’est pas l’œil, et les sons se déplacent infiniment plus lentement que la lumière et s’atténuent également infiniment plus vite avec la distance parcourue. Deux autres conditions doivent donc impérativement satisfaire à l’ouïe: que l’auditeur ne reçoive surtout pas d’écho, ou plus précisément d’écho franc, c’est-à-dire un brouillage du message sonore ; et, pour que les notes les plus subtiles ou les moins fortes ne se perdent pas ou meurent durant leur trajet, que leur force soit maintenue, augmentée et renforcée vers les places les plus éloignées de la scène. La maîtrise de la réflexion, ou la «bonne réflexion» pourrions-nous dire, la «réflexion spéculaire» ou plus simplement la «réflexion utile» dans le jargon de l’acousticien, est donc ainsi celle qui vient renforcer le son direct sans créer d’écho. Pour ça, une règle simplissime est la suivante, et elle tient à la particularité de l’audition qui ne nous permet pas de distinguer deux sons trop proches : pour être utile et bénéfique, la réflexion doit impérativement arriver à notre oreille très rapidement après le son direct. Donc dans une salle particulièrement large et haute de plafond, tout l’enjeu de la maîtrise des réflexions est celui d’être capable, en particulier pour les sièges situés au centre de la salle, qui reçoivent un son direct court mais également des réflexions tardives du fait de leur éloignement des parois latérales et du plafond, de venir «combler le trou» de son par l’introduction d’une réflexion intermédiaire précoce parfaitement calée dans cet intervalle de temps.

La science moderne ayant démontré que le délai entre son direct et première réflexion devait être de l’ordre de 30 à 60 millisecondes (30 dans le cas d’une oreille de musicien ou de mélomane exercée et jusqu’à 60 dans le cas plus général), la problématique consistait alors à trouver un moyen de garantir de telles réflexions partout dans la salle et quelle que soit la configuration de la scène.

Ultrasons, vagues et abat-sons pour produire des réflexions précoces. Les sons se réfléchissant sur les murs, comme un ballon qui rebondit, avec le même angle que l’angle d’incidence, il était évident à la simple lecture du plan de la salle, avec sa forme octogonale, sa scène avancée et ses deux très grands murs latéraux de scène, que toute la rangée centrale allait recevoir des directs très courts et des échos latéraux très tardifs. De même en ce qui concerne la coupe verticale. Dès lors, la seule solution possible pour pouvoir conserver le plan général de salle était d’introduire des réflecteurs supplémentaires ou des éléments qui modifient les angles de réflexion. Avec un inconvénient majeur: sachant que les sons, notamment les sons graves, nécessitent des surfaces relativement importantes pour bien se réfléchir, comment introduire des réflecteurs acoustiques sans mettre à mal tous les efforts architecturaux de signature esthétique visuelle, les contraintes d’éclairage et de climatisation, et enfin les besoins de prise de vue scénique et d’ergonomie? La solution qui conciliera architecture et acoustique se matérialisera en ces fameuses vagues murales «inversées», ces huit abat-son incurvés élégamment suspendus au-dessus de la salle et ce géant abat-son de scène.

Le parti-pris d’habillage intérieur à satisfaire était celui d’une salle entièrement boisée de panneaux cintrés et plaqués en cerisier. Le travail d’analyse de cet habillage allait pouvoir être réalisé soit par simulations sur ordinateur, soit expérimentalement. Tandis que les premières fonctions de simulations dites de «tirs de rayons» allaient être testées et développées par le Laboratoire, la décision fût prise de réaliser le travail expérimental original suivant: faire réaliser une maquette physique complète de la salle, à l’échelle 1/20^ème, reproduisant en matériaux rigides, donc réfléchissant, tout le volume de gros œuvre du bâtiment et son plafond amovible, et comportant un plancher entièrement absorbant; puis équiper cette maquette d’une instrumentation expérimentale permettant de mesurer toutes les réflexions dans la salle, et ainsi d’étudier différentes sortes de de réflecteurs.

Pour pouvoir respecter, à une échelle 20 fois plus petite, les règles de réflexion de l’acoustique (notamment l’échelle des écarts temporels), l’originalité ou plutôt l’astuce technique a consisté à transposer toute l’étude dans des sons de longueurs d’onde 20 fois plus courtes, c’est-à-dire dans les ultrasons. Nous avons pour cela utilisé un équipement de laboratoire de pointe de l’époque, un instrument dit « de TDS » (Time Delay Spectrogramm), mais qui ne permettait pas de travailler en ultrasons. L’instrument avait été «leurré» par une électronique auxiliaire maison réalisée par M. Jacques Hufschmidt qui interceptait les émissions produites, se chargeait de les transformer en ultrasons avant de les envoyer dans la maquette, puis inversement retransformait en sons les signaux ultrasons mesurés dans la maquette. On peut ainsi relever que toute l’étude acoustique des réflexions et de la diffusion de l’Auditorium Stravinsky a été finalement réalisée avec des sons inaudibles. Les trois principaux résultats de cette étude, qui a généré en quelques semaines des milliers d’échogrammes en testant toutes sortes de formes de réflecteurs, de formes de plus en plus affinées, réalisées en tôle cintrée, ont été les suivants: d’abord correction de latéralité des réflexions et de la diffusion: les profils de toutes les vagues des deux murs latéraux principaux ont été inversés afin d’ouvrir les réflexions en fuite du même côté; puis correction de verticalité: deux rangées de quatre réflecteurs trapézoïdaux cintrés suspendus ont été introduits pour arroser en sons précoces tout l’axe central et des gradins; enfin correction de scène: un abat-son massif en éventail incliné a été installé de manière à ce que tout musicien où qu’il soit sur la scène reçoive un retour acoustique complet très court, et que toute la zone la plus critique des premiers rangs soient arrosée en réflexions précoces utiles.

La maîtrise de la réverbération, le second versant du problème. Le sacro-saint critère d’un idéal de 10 m³ par auditeur, volume d’air indispensable pour que la sonorité de la salle, comme dans les cathédrales, «entretienne» suffisamment (mais surtout pas trop) le son, a été directement pris en compte et satisfait dès l’avant-projet par les architectes. Restait néanmoins à régler finement l’absorption phonique de tous les habillages internes, et notamment celle des fauteuils qui constituaient la principale surface par définition molle, comparée aux habillages des murs et du plafond. La salle devait en outre présenter une acoustique naturelle inchangée quel que soit son degré de remplissage, afin notamment de pouvoir servir valablement les petites formations comme par exemple une musique de chambre. Concernant les habillages des murs et plafond, constitués de panneaux mi-lourds plaqués d’une veine cerisier, la difficulté de la maitrise fine de la réverbération résidait essentiellement dans celle d’une bonne absorption des sons médiums et graves, celle des sons aigües étant forcément assez faible. Avec le type d’habillage imposé, les marges de manœuvres se situaient dans le choix de la masse surfacique des panneaux plus ou moins épais, dans la manière ou non de les raidir, et dans la manière de traiter par des matériaux absorbants l’arrière de ces panneaux, qui constituaient en effet, par leur forme et leurs structures de fixation, des volumes arrières creux, c’est-à-dire des cavités acoustiques dont l’absorption interne gouvernait partiellement la réverbération globale de la salle, au moins dans certaines hauteurs du son. Concernant les fauteuils, finalement, on comprend intuitivement qu’ils devaient principalement satisfaire une règle simple : pour que l’acoustique de la salle dépende le moins possible de son taux de remplissage, un fauteuil vide devait pouvoir produire la même capacité d’absorption phonique qu’un fauteuil occupé. Toutes ces optimisations ont été menées d’une manière standardisée: la méthode employée, bien connu des acousticiens et des architectes, a consisté à attribuer des valeurs d’objectifs de coefficients d’absorption à chaque type d’élément d’habillage, puis à les valider à petite échelle sur des échantillons d’environ 10 à 12 m² dans une salle réverbérante laboratoire. Pour l’anecdote, la partie «fauteuils» de ces tests a exigé du personnel du laboratoire de venir à plusieurs reprises s’asseoir stoïquement durant une trentaine de minutes sur la vingtaine de fauteuils qui répondaient à l’appel d’offre des 1800 sièges, en écoutant silencieusement une centaine de salves de 20 secondes d’un bruit blanc de forte puissance. Finalement, après de nombreux tests, aucun modèle de siège n’ayant répondu de manière satisfaisante au critère de même absorption vide ou occupé, la solution trouvée en concertation avec un fabricant a consisté à percer une vingtaine de trous sous chaque siège, c’est-à-dire, en langage acoustique, à créer des résonateurs de Helmholtz réglés (diamètre, forme du col, profondeur) pour augmenter l’absorption phonique.

Pratiquement une décennie plus tard, après plusieurs centaines d’utilisations de la salle ayant plutôt confirmé ses qualités, le laboratoire avait également bien sûr progressé dans de nombreux domaines, dont certains directement applicables à l’acoustique des salles. Une conférence de la 108^ème convention de l’Audio Engineering Society tenue en février 2000 en atteste: Intitulée «Localization of Reflections in Auditoriums using Time Delay Estimation», elle avait démontré, grâce à une nouvelle technique de mesure expérimentale, que les réflexions dans la salle grandeur nature correspondaient bien aux réflexions prévues et réglées par la méthode des ultrasons dans la maquette physique. La nouvelle technique expérimentale¹ dite d’antennerie ou de goniométrie acoustique, introduisait une antenne équipée de nombreux microphones, associée à un algorithme de calcul, qui permettait de déterminer avec une grande précision la direction d’incidence des ondes sonores reçue en n’importe quel point de la salle.

Science des plus anciennes, l’acoustique des salles, ou du moins ses fondamentaux, n’évolue pour ainsi dire presque plus dans sa dimension de l’acoustique naturelle, mais les outils à disposition des concepteurs ont par contre très logiquement suivi l’explosion de tous les moyens de conception informatisés. Il existe ainsi aujourd’hui de multiples possibilités de modélisation et de simulation acoustique d’une salle, qui permettent d’en déterminer ultimement, très en amont d’un projet, toute son acoustique et son électroacoustique, jusqu’à pouvoir simuler, par synthèse sonore, l’écoute au siège près et pour n’importe quel type de scénario. Ces capacités de calcul et de virtualisation, additionnées à toutes les compétences de traitement numérique du signal temps-réel, ou encore, comme on l’a vu plus récemment, aux nouveaux matériaux ou parois dits intelligents ou actifs (qui sont notamment un axe prometteur actuel des travaux du LEMA-EPFL, menés par le Prof. Lissek), font que les limites en acoustique des salles ne seront bientôt plus que celles de l’imagination. En démystifiant ainsi, à travers la science désormais «contenue dans les outils eux-mêmes», la conception de l’acoustique des salles, c’est sans doute la page dite des «grands acousticiens» qui se tourne, pour une autre plus partagée et partageable finalement, moins passionnée et subjective sans doute, plus technologique et informatique incontestablement. De celle qui, par exemple, a permis récemment d’améliorer et d’affiner encore l’auditorium Stravinsky (cf. encart), ou d’affirmer, comme on pouvait s’y attendre en dépit de l’envie d’y croire, que le rayonnement acoustique d’un Stradivarius n’a en fait contrairement à la légende volontiers propagée et sans rien enlever au génie de son créateur rien de mieux de vraiment objectivable qu’un très bon violon contemporain. Vient donc le temps pour l’acoustique des salles, des choses qui peuvent désormais presque toutes se mesurer ou se calculer et où les résultats produits, comme en œnologie ou en pharmaceutique, pour être débattus réellement sérieusement entre techniciens et spécialistes, mériteraient d’être confrontés selon la fameuse méthode du double aveugle. La seule conclusion qui vaille est celle laissée à l’appréciation la plus générale: le son ne sait pas que l’acousticien est son expert, ses seuls juges, ce sont les musiciens et le public.

Notes

1. Pour la petite histoire c’est Mario Rossi qui avait engagé dans son laboratoire l’auteur de ces travaux, Eric Van Lancker, ingénieur belge fraichement diplômé en traitement de signal, et lui avait donné les moyens de développer ces recherches, qui aboutiront à une thèse de doctorat fondatrice intitulée « Acoustic Goniometry : a spatio-temporal approach », et à la création de l’une des premières start-up du Parc Scientifique de l’EPFL, l’entreprise d’ingénierie acoustique et vibratoire IAV Engineering, aujourd’hui encore très active dans plusieurs domaines très spécialisés de l’acoustique appliquée et justement celle de l’antennerie.