Acoustical performance of wooden lightweight industrialized buildings : airborne sound transmission loss evaluation for single and double walls using analytical models and the transfer matrix method

The best practices in lightweight building acoustics are not always well understood by the designers and the workers. This lack of knowledge results in non-optimised acoustical insulation performances when this criterion is central in the clients’ assessment of the quality of a condominium. Some think that only mass matters for acoustics, and that lightweight wooden buildings are fated to display poor acoustical insulation performances. One aim of this master thesis it to give the knowledge necessary to better understand the phenomena that come into play in the airborne sound insulation in buildings. More than understanding, the industrials want to quantify the insulation performances of their systems with simple tools. To this end, a research has been conducted to identify, understand, and apply the most used analytical models for the determination of airborne sound insulation for single and double walls, from L. Cremer model to J.L. Davy models. In parallel, a model has been developed, using the transfer matrix method and its most recent adjunctions associated to the propagation of sound in a finite system and through the mechanical connections, using T.E. Vigran, M. Villot, J.Allard, and A.Santoni theories. An attempt to apply the classical double wall models to the double walls with interrupted cavities has been made. The assumptions from these analytical models are not directly applicable to these walls typically found in industrialized lightweight wooden buildings. A partial application of Sharp and Davy theories didn’t result in probative results. The model using the transfer matrices and developed for this research is to be improved furthermore to be able to study a wider range of double walls, with and without interrupted cavities. In parallel, some laboratory and in-situ measurements for airborne sound insulation have been conducted in lightweight industrialized wooden buildings on double walls and floors with suspended ceilings so that the models could be compared with experiments. Some results are presented in this report. The Matlab code developed for the application of the transfer matrix method is given in annexes for anyone to make it its own and to develop it further, using the theories presented in this thesis and the ones to come in future years as the transfer matrix method is still being developed. Les bonnes pratiques en acoustique des bâtiments légers, ne sont pas toujours bien connues et comprises par les concepteurs et les ouvriers. Ce manque de connaissance résulte en des performances acoustiques non optimisées, alors même que ce critère est d’une importance centrale dans l’appréciation de la qualité du bâtiment par les clients. Certains soutiennent que seule la masse compte en acoustique, et que les bâtiments légers en bois sont contraints à d’insuffisantes performances acoustiques. Un objectif de ce mémoire de maîtrise est d’aider à faire avancer les connaissances pour arriver à une meilleure compréhension des phénomènes acoustiques qui entrent en jeu dans l’isolation au bruit aérien des bâtiments. Au-delà de la compréhension, les industriels veulent pouvoir quantifier la performance acoustique de leurs systèmes à l’aide d’outils simples. A cette fin, une recherche a été menée pour identifier, comprendre et appliquer les modèles analytiques les plus utilisés pour la détermination de l’isolation au bruit aérien des murs simples et doubles, depuis les modèles de L. Cremer jusqu’à ceux de J.L. Davy. En parallèle, un modèle a été développé en utilisant la méthode des matrices de transfert et ses plus récents compléments. Ces derniers sont associés à la propagation du son au travers des systèmes de dimension finie et à la considération de l’effet des connexions mécaniques, par l’utilisation des théories de T.E. Vigran, M. Villot, J.Allard, et A.Santoni. Les hypothèses des modèles analytiques classiques les rendent peu applicables aux murs doubles à cavité interrompue, comme on en trouve couramment dans le secteur des bâtiments préfabriqués. Les modèles analytiques de murs doubles de Sharp et Davy ont partiellement été appliqués à l’étude de ces murs sans parvenir à des résultats probants. Le modèle développé pour ce travail de recherche et utilisant les matrices de transfert doit être amélioré pour pouvoir étudier une variété plus importante de murs doubles, avec ou sans cavité interrompue. En parallèle, des mesures d’isolation au bruit aérien en laboratoire et sur site ont été réalisées sur des murs doubles et des planchers avec plafonds suspendus, dans des bâtiments légers préfabriqués en bois. Les modèles sont comparés avec des résultats expérimentaux. Quelques résultats expérimentaux sont présentés dans ce rapport. Le code Matlab développé pour l’application de la méthode des matrices de transfert est donné en annexes afin que quiconque puisse se l’approprier et poursuivre son développement à l’aide des théories présentées dans ce mémoire et de celles qui viendront dans les prochaines années. La méthode des matrices de transfert est toujours en évolution.