Modélisation multi-sources des environnements sonores urbains

Multi-source modelling of urban sound environments

• Auteur / Autrice : Jonathan Siliezar Montoya
• Direction : Arnaud Can, Pierre Aumond, Paul Chapron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 06/12/2024
• Etablissement(s) : Le Mans
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Mans / LAUM - Unité mixte de recherche en acoustique environnementale
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Lavandier, Adrien Pelat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jian Kang, Claudio Guarnaccia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles acoustiques

Cartographie

Perception auditive

Son -- Traitement par ordinateur

Son -- Mesure

Villes -- Sons

Villes -- Bruit

Mots clés libres

Modélisation multi-source

Modélisation dynamique

Paysage sonore

Voix de piétons

Bruit de trafic

Sirènes d'alerte

NoiseModelling

Multi-source modelling

Dynamic modelling

Soundscape

Pedestrian voice

Road traffic noise

Early warning sirens

NoiseModelling

Résumé

Le nombre de personnes vivant dans les villes ne cesse d'augmenter et l'on estime que d'ici 2050, près de 66 % des 9,5 milliards d'habitants de la planète seront des citadins. Avec l'urbanisation rapide, de nouveaux défis environnementaux en matière de développement durable et de santé publique sont devenus essentiels. De nombreux travaux de recherche ont mis en lumière les effets négatifs d'une exposition prolongée au bruit sur la santé humaine : augmentation du risque de maladies cardiovasculaires, santé mentale et troubles du sommeil. Selon le rapport de l'Agence européenne pour l'environnement de 2017, au moins 18 millions de personnes sont fortement gênées et 5 millions sont fortement perturbées dans leur sommeil en raison d'une exposition prolongée au bruit dans l'Union européenne. Des actions politiques telles que la Directive Européenne de 2002 ont été mises en place pour évaluer l'impact du bruit par les États et les acteurs territoriaux. À cette fin, des cartes de bruit sont proposées pour évaluer l'exposition au bruit sur un territoire, mais elles se limitent à de simples indicateurs de l'environnement acoustique : le niveau sonore moyen lorsqu'il dépasse un certain seuil, calculé uniquement pour quelques sources considérées comme gênantes ou nuisibles (trafic routier, ferroviaire, aérien et industriel). Ces approches négligent souvent la dynamique et la complexité intrinsèque des environnements sonores urbains, négligeant ainsi leur dynamique temporelle et la multiplicité des sources qui intègrent la composition urbaine.En effet, les environnements sonores urbains abritent une grande diversité de sources sonores, chacune contribuant à sa manière à l'expérience sonore d'un lieu. Ils se caractérisent par leur complexité, leur variabilité et leur nature dynamique, façonnés par des facteurs tels que l'aménagement urbain, les modes d'occupation des sols, les infrastructures et le comportement humain. Alors que les méthodes traditionnelles se concentraient exclusivement sur les sources de bruit, une nouvelle approche pluridisciplinaire a vu le jour : le paysage sonore. Introduit par R. M. Schafer dans les années 1970, le concept de paysage sonore s'écarte de la vision négative et réactive des réglementations en matière de contrôle du bruit et offre une perspective de l'identité acoustique d'un lieu, naturellement liée à la perception humaine. À l'origine, le concept de paysage sonore était présenté comme une « expérience de reconnexion avec l'environnement sonore autour » avant d'évoluer vers une approche multidisciplinaire centrée sur l'humain et impliquant des architectes, des concepteurs urbains et des autorités locales et nationales. S'appuyant souvent sur des évaluations perceptives, des données acoustiques et des modèles statistiques, l'approche du paysage sonore est utilisée pour estimer la dimensionnalité des attributs du paysage sonore et la perception qui y est liée, fournissant ainsi de riches informations sur la qualité sonore des espaces urbains et sur la manière dont les êtres humains s'y rapportent. Néanmoins, en raison de la nature complexe de ces environnements, la prise en compte physique de la multiplicité des sources et de leur dynamique constitue actuellement un verrou scientifique dans la modélisation de ces environnements. Ainsi, toute représentation pertinente de ces systèmes complexes devrait englober tous les sons audibles, tels que les voix humaines, les chants d'oiseaux, l’eau ou la musique et sa dynamique, en plus des sources « négatives » traditionnelles (par exemple, le trafic routier). Dans ce contexte, la modélisation multi-sources apparaît comme un cadre prometteur pour caractériser les environnements sonores urbains. Cette approche permet l'intégration simultanée de diverses sources sonores et leur représentation à l'aide de techniques cartographiques.(...)

The number of people living in cities is constantly increasing, and it is estimated that by 2050, almost 66% of the world's 9.5 billion inhabitants will be urban dwellers. With rapid urbanization, new environmental challenges of sustainable development and public health have become central. Evidence from numerous research endeavors have shed light on the negative impacts of prolongated exposure to noise on human health: increase in the risk of cardiovascular diseases, mental health, and sleep disturbance. According to the European Environment Agency report in 2017, at least 18 million people are highly annoyed and 5 million are highly sleep disturbed because of long-term exposition to noise in the European Union. Political actions such as the 2002 European Directive have been introduced to assess the impact of noise by states and territorial players. To this end, noise maps have been enforced in the evaluation of the exposure to noise in a territory, however, they are limited to simple indicators of the acoustic environment: the average sound level when it exceeds a certain threshold, calculated only for a few sources considered as annoying or harmful (road, rail, air traffic, and industrial). These approaches often oversee the intrinsic dynamics and complexity of urban sound environments, thus neglecting their temporal dynamics and the multiplicity of sources that integrate the urban composition. Indeed, urban sound environments host a great diversity of sound sources, each contributing in its own way to the sonic experience of a place. They are characterized by their complexity, variability, and dynamic nature, shaped by factors such as urban design, land use patterns, infrastructure, and human behavior. As traditional assessment methods focused exclusively on noise sources, a new, multi-disciplinary approach emerged: the soundscape. Coined by R. M. Schafer in the 1970s, the soundscape concept diverges from the negative and reactive vision of noise control regulations and offers a perspective of the acoustical identity of a place, naturally intertwined with human perception. At its origins, the soundscape concept was coined as a “reconnecting experience with the sonic environment around” prior to evolving into a multidisciplinary approach centered around the human and that involves architects, urban designers, and local to national authorities. Often relying on perceptual assessments, acoustical data, and statistical models, the soundscape approach is used for estimating the dimensionality of soundscape attributes and the perception related to them, thus providing rich insights about the sonic quality of urban spaces and how humans relate to it. Nevertheless, due to the complex nature of these environments, a current scientific bottleneck in the modeling of such environments is the physical consideration of the multiplicity of sources and their dynamics. Thus, any pertinent representation of such complex systems should encompass all audible sounds, such as human voices, birdsong, water, or music and its dynamics; in addition to traditional “negative” sources (e.g. road traffic). In this context, multi-source modelling emerges as a promising framework to characterize urban sound environments. This approach allows for the simultaneous integration of diverse sound sources and their representation through the use of cartographic techniques. The ultimate goal of the work presented in this thesis is to develop and explore a numerical modelling framework for urban sound environments based on a multi-source principle that accurately conveys the dynamics of urban compositions.(...)