Quand la météo se mêle du bruit

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Conçu et développé par les chercheurs du CSTB, le logiciel ATMOS (Advanced Theoretical Model for Outdoor Sound Propagation) permet de déterminer l'impact acoustique des infrastructures de transports terrestres et aériens, mais aussi des industries et des éoliennes, sur son environnement aussi bien proche que lointain, en tenant compte à la fois de la géométrie du site et des conditions météorologiques inhérentes à chaque climat local. Un outil unique en son genre.

La protection de l'environnement sonore est traitée de manière prioritaire dans les projets d'aménagement du territoire. Il est devenu impératif de connaître de manière toujours plus pointue les processus de propagation du bruit issu des infrastructures de transport ou d'origine industrielle. L'urbanisation rapproche les riverains des sources de bruit ; parallèlement, les niveaux sonores maximum admissibles ont tendance à diminuer. Conséquence : l'impact sonore environnemental doit être étudié à des distances de plus en plus grandes des sources, et la prise en compte des effets météorologiques devient alors indispensable.

Connaître l'incidence d'une nouvelle infrastructure routière ou ferroviaire à plusieurs centaines de mètres en zone habitée, étudier des moyens de protection antibruit de forme complexe et leur interaction avec les effets météorologiques locaux ou savoir si l'implantation d'une bande de forêt atténuera sensiblement le bruit ? C'est possible, depuis que le CSTB a développé le logiciel ATMOS (Advanced Theoretical Model for Outdoor Sound propagation).

Des effets combinés du vent et de la température

La propagation du bruit au voisinage du sol est très influencée, entre autres, par la présence du vent et des gradients de température. Dans le cas de vent portant (ou d'une inversion de température typique d'une nuit étoilée), les rayons sonores sont incurvés vers le sol et les réflexions multiples sur le sol engendrent un accroissement des niveaux sonores. En présence d'un obstacle comme un écran acoustique entre la source et le récepteur, les rayons courbés peuvent contourner les écrans et ainsi augmenter les niveaux sonores dans la zone d'ombre. Dans le cas du vent contraire (ou d'une journée ensoleillée d'été), les rayons sonores sont incurvés vers le ciel et, dans certains cas, il apparaît une zone d'ombre dans laquelle les niveaux sonores sont très rapidement atténués par la diffraction et d'autres phénomènes.

ATMOS permet de prévoir la propagation du bruit pour telle ou telle période de la journée ou de l'année et notamment pour le trio jour/soirée/nuit. Les caractéristiques physiques du relief sont modélisées (collines, zones boisées, remblais et déblais, milieux hétérogènes, écrans antibruit). Le code de calcul prend en compte la nature et la forme des sols, la géométrie des obstacles et les propriétés acoustiques des matériaux. Les résultats de simulations permettent de quantifier les effets combinés de la topographie et de la météo sur la propagation du son. Ils sont, en outre, un puissant outil pour séparer les différents phénomènes mis en jeu et obtenir un meilleur contrôle de tous les paramètres pertinents.

Le couplage de ce logiciel à des codes de calculs avancés existants comme MICADO1 permet de prendre en compte des géométries complexes (sols irréguliers, façades à fort relief, protections acoustiques sophistiquées et couronnements d'écrans) en plus des effets météorologiques. Pour inclure l'évolution des profils de vent autour des obstacles et au passage d'éléments topographiques diffractant, ATMOS peut être associé au code d'aérodynamique FLUENTTM2. Il est ainsi possible d'appréhender le paysage dans son intégralité avec son relief naturel, ses d'étendues d'eau, ses constructions humaines et de comprendre l'impact sonore de l'insertion d'une route ou toute autre infrastructure sur l'environnement.

Impact des autoroutes dans la vallée alpine : développement d'une méthode de prévision de l'impact du bruit de l'autoroute sur l'environnement
Infrastructure routière en contrebas des villes - St Jean de Maurienne
La forêt, écran antibruit

L'équation parabolique pour calculer la propagation des ondes sonores

Initialement utilisée en optique, électromagnétisme et acoustique sous-marine, la méthode de l'équation parabolique a récemment été appliquée aux problèmes d'acoustique extérieure. Cette approche est très utilisée pour résoudre un grand nombre de problèmes de propagation d'ondes en milieu complexe. ATMOS qui suit cette méthode, a connu des développements récents, améliorant ses capacités dans les domaines de la diffraction et de la réflexion sur des obstacles (application du principe de Kirchhoff), ainsi qu'un couplage avec d'autres codes acoustiques, comme MICADO (Eléments de Frontière) ou ICARE (Faisceaux) ou encore le couplage avec d'autres codes d'aérodynamique (comme FLUENT) pour la prise en compte de l'évolution des profils de vent autour des obstacles.

Bruit et pollution de l'air en vallée alpine

L'enjeu est de taille : contrôler et minimiser la pollution atmosphérique et les nuisances sonores engendrées par le trafic routier et ferroviaire le long des principaux axes de transport dans les Alpes. C'est le projet Alpnap qui a mobilisé de nombreux experts en météorologie, qualité de l'air, santé…, dont le CSTB. En ligne de mire pour l'ensemble de ces équipes : l'évaluation de l'impact environnemental à travers différents scénarios de transports (nouvelles infrastructures, ferroutage, limitations de vitesse…). A charge pour le CSTB de modéliser l'exposition au bruit de trafic sur le corridor Fréjus (vallée de la Maurienne et vallée de Susa).

Pour cela, il convient d'abord de passer par une description des processus déterminant le transport de la pollution atmosphérique et la propagation du bruit en vallées alpines incluant les effets météorologiques. Les outils ATMOS et MITHRA-SIG sont utilisés pour prévoir les niveaux de bruit, les concentrations de polluants atmosphériques et les effets sur la santé dans les couloirs de Fréjus et Brenner. De quoi apporter aux élus, consultants et experts en matière d'administrations de l'environnement et des transports comme aux riverains une meilleure connaissance des interactions entre les transports, leurs impacts et les populations, contribuant ainsi à .améliorer l'aménagement du territoire.

La forêt, écran antibruit

Plusieurs études in situ ont été menées sur l'incidence de la forêt sur la propagation des ondes sonores. Elles ont contribué à valider le modèle numérique utilisé dans ATMOS. La méthode développée permet de calculer les différents effets sur la propagation du bruit à la traversée de la forêt : celui des différents types de sol (bitume, humus, prairie), celui de la stabilisation des conditions météorologiques sous la canopée. Les arbres, s'ils sont suffisamment nombreux, agissent bien comme un écran antibruit climatique. Globalement, en moyennant sur l'ensemble des scénarios météorologiques annuels propres au site étudié, la présence d'une bande de forêt de 100 m de large permet de diminuer, au récepteur, le niveau sonore long terme d'une route de plusieurs décibels A. Cette méthode a déjà été appliquée avec succès sur le terrain, dans les Landes, pour connaître l'impact d'une étendue boisée le long d'une route nationale.

ATMOS, outil de référence

Dans le cadre de la normalisation française, l'usage du logiciel ATMOS présente l'avantage de fournir des calculs de référence pour remplacer les essais in situ et valider les méthodes utilisées dans les normes actuelles. Une collaboration entre le CEA et le CSTB a permis d'étendre le domaine d'application d'ATMOS à celui des explosions. Le projet a porté sur l'adaptation du code dans le but d'obtenir un outil de calcul numérique "de référence" de la propagation longue distance d'explosions de type nucléaire très basse fréquence (de l'ordre du Hertz) dans une atmosphère évolutive, ceci dans le cadre du traité de non-prolifération des armes nucléaires.

Une autre application portait sur le développement de la nouvelle méthode d'ingénierie unifiée européenne mise au point au sein des projets HARMONOISE et IMAGINE, dont le CSTB a été partenaire. ATMOS a servi de code de référence lors d'un important benchmark portant sur l'impact acoustique des autoroutes et voies ferrées avec prise en compte des effets météorologiques évolutifs.

Quelques références

  • Impact météorologique sur l'évaluation du bruit des avions / AIRBUS-DASSAULT
  • Effets couplés de la pollution de l'air et du bruit des transports terrestres dans les vallées alpines / Projet ALPNAP - Programme Européen Interreg IIIB
  • Développement d'une méthode unifiée de prévision de bruit dans l'environnement / Projet HARMONOISE-IMAGINE / 6e PCRD
  • Représentativité des mesures de bruit dû au trafic routier / ASFA
  • Evolution de la méthode de prévision de bruit routier NMPB-96/ SETRA