L’étude de la perception des environnements acoustiques est un champ de re- cherche largement exploré depuis le début du XXème siècle. Ces dernières décennies, l’essor de techniques et outils de captation et d’auralisation de champs acoustiques spatialisés, couplé au développement des technologies de réalité virtuelle permettent d’envisager de nouvelles problématiques relatives à l’immersion et à l’impression spatiale de ces environnements. Les travaux présentés dans cette thèse visent à pro- poser des nouveaux protocoles expérimentaux, basés sur ces outils et techniques, pour la caractérisation de la perception d’environnements acoustiques en conditions d’immersion 3D. La première expérience présentée dans cette thèse porte sur l’évaluation perceptive de la qualité spatiale de l’auralisation ambisonique d’acoustiques de salles mesurées, en comparant les performances de localisation de sources sonores en contexte d’auralisation avec celles observées en conditions réelles d’écoute. Cette expérience, basée sur une méthode de report des attributs spatiaux de sources en réalité virtuelle met en évidence des dégradations de la précision spatiale des sources sonores induites par l’auralisation, et révèle également une dépendance de ces attributs saptiaux aux différentes conditions acoustiques à l’étude. Dans un second temps, un travail de caractérisation multi-dimensionnelle (acoustique et perceptive) d’un corpus d’acoustiques mesurées dans une vingtaines d’édifices du patrimoine est présenté. La caractérisation acoustique, basée sur le calcul d’un ensemble de descripteurs acoustiques, permet de proposer une cartographie acoustique des édifices et une catégorisation des paramètres acoustiques en trois grands facteurs. De son côté, la caractérisation perceptive, fondée sur la méthodologie de la première expérience révèle que, dans un contexte d’auralisation HOA, la distance perçue et la précision spatiale des sources semblent affectées par des propriétés acoustiques des salles étudiées. La troisième expérience propose d’étudier l’adéquation audio-visuelle entre des environnements acoustiques et leurs représentations visuelles en contexte d’immersion multi-modale. Cette étude révèle que la cohérence audio-visuelle est principalement évaluée sur une relation simple entre le temps de réverbération de la salle et le volume représenté visuellement. Ces travaux ouvrent des perspectives concrètes autour de l’amélioration des techniques d’auralisation, la caractérisation perceptive des acoustiques du patrimoine et la synthèse d’espaces acoustiques en contexte d’immersion multi-sensorielle.