L’acoustique

Introduction à l’acoustique physique

 Nous nous proposons d’étudier comment une nuisance vibro-acoustique se propage depuis son émission jusqu’à sa réception. La source pourra être mécanique, aéro- ou hydrodynamique… et pourra couvrir un très large spectre de fréquences, depuis les plus basses (excitation vibratoire, i.e. inférieure à environ 500 Hz), jusqu’aux plus hautes (excitation acoustique, depuis 500 jusqu’à environ 8000 Hz). La propagation nécessitera de connaître le ou les modes de transmission (solidien, aérien) ainsi que l’environnement de transmission (champ ouvert ou fermé). La réception quant à elle sera liée à la perception, qui elle-même sera décrite de manière normative (niveau, puissance) ou sensorielle (psycho-acoustique…).

Émission

 Face à une problème vibro-acoustique, on est amené à considérer les questions suivantes : 

— Localisation : où est-ce que ça fait du bruit ? Il s’agit de trouver, dans un ensemble qui peut être très complexe (par exemple un véhicule, un compresseur…), où sont les sources. 

— Identification/Séparation : là où ça fait du bruit, qu’est-ce qui fait du bruit exactement ? De manière plus détaillée que la localisation, il peut être nécessaire, pour les sources identifiées, de déterminer la contribution de certaines de leurs parties ou sous-ensembles : selon la modélisation souhaitée, on pourra se contenter de dire que la source vibro-acoustique dans un véhicule est le moteur, où alors souhaiter s’intéresser plus finement aux injecteurs, au carter, à la boîte de vitesse…

 — Enregistrement/Caractérisation : quel bruit est émis par chaque source ? Il s’agit de réaliser des enregistrements permettant de caractériser la source vibro-acoustique considérée. Par exemple, un vibromètre laser permet de récupérer les vibrations (accélérations, vitesses), sans contact. De là, il est possible de re-synthétiser le son d’une seule pièce parmi un ensemble de pièces en fonctionnement. Les enregistrements permettent de caractériser la source en terme de spectre, puissance, directivité… et fournissent également des données utiles pour la restitution de résultats (par exemple données audio binaurales). La caractérisation des sources peut également déboucher sur des lois phénoménologiques, qui relient les caractéristiques vibro-acoustiques à certains paramètres tels que par exemple : le rapport de boîte, le régime moteur, le régime ventilateur [88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95]… Notons enfin que lorsque l’on parle d’acoustique, la propagation finale se fait forcément dans l’air puisque c’est celle qui arrive jusqu’aux oreilles… 

Transmission 

Toutefois, cela ne représente pas la totalité de l’énergie incidente, car il reste encore une fraction qui est absorbée ou dissipée par l’obstacle (3), et une dernière qui se propage au sein de l’obstacle (4) et qui peut ressurgir plus loin dans la structure considérée. Pour les matériaux acoustiques, la réflexion et la transmission seront déduites de mesures en tube d’impédance ou en cabine alpha, la capacité d’isolation sera caractérisée en utilisant la petite cabine, alors que la capacité de rayonnement sera appréhendée par le banc RTC III. L’isolement est une donnée globale qui traduit la capacité d’un ensemble à « faire barrière au bruit ». Il s’agit tout simplement de la différence entre ce qui attaque d’un côté et ce que l’on récupère de l’autre. Un isolement donné ne donne donc pas d’information sur la manière dont il est obtenu : réflexion, amortissement, absorption, ou plus probablement par une combinaison plus ou moins complexe (et

Modes de propagation

Comme déjà mentionné au paragraphe 6.7, il peut être nécessaire de considérer un ou plusieurs des modes de propagation suivants : — solidien/solidien : la source excite mécaniquement la structure, et la vibration se propage dans la structure ; — aérien/aérien : la source émet une vibration (un bruit) qui se propage dans l’air (en général). il s’agit de la propagation d’une onde acoustique de sa source jusqu’au récepteur, dans l’air ; — solidien/aérien : il s’agit du cas du rayonnement. La source excite mécaniquement une structure, et celle-ci ré-émet une onde dans l’air. — aérien/solidien : dans le cas de sources acoustiques très puissantes, l’excitation acoustique se propageant dans l’air peut arriver à faire vibrer une structure. Dans les deux premiers cas, on doit résoudre un problème de propagation dans un milieu (structure ou air). La sollicitation dépend du temps, donc on peut appliquer ce qui a été vu au chapitre 17 ; mais comme elle est généralement périodique, et que l’on s’intéresse au régime stationnaire, on peut alors utiliser ce qui a été vu au chapitre 18 sur les ondes. Dans les deux derniers cas, il s’agit d’un calcul où il faut prendre en compte le couplage fluide-structure. La source étant périodique, on utilise encore ce qui a été vu au chapitre 18, aussi bien dans la structure que dans l’air. Évidemment, ce sont les techniques du chapitre 17 qui s’appliquent si l’on s’intéresse au régime transitoire. Dans la « réalité », tous ces cas existent bien : — solidien/solidien : tout moteur, même monté sur des silenblocs qui filtrent l’excitation, génère dans les supports, puis dans toute la structure porteuse, des vibrations. On est donc bien face à la propagation de vibrations au sein de solides ; — aérien/aérien : si l’on n’entre pas dans le détail de son fonctionnement mécanique, un haut-parleur est une source aérienne qui génère une onde acoustique qui se propage dans un volume d’air contenu, par exemple, dans une salle. Si l’on s’intéresse au niveau de pression acoustique en un point de la salle, on a une modélisation où seul le volume intérieur de la salle est nécessaire (et les bonnes conditions aux limites, mais nous y reviendrons) ; — solidien/aérien : dans le cas de structures en treillis portant des panneaux, ce qui est le cas pour la conception de cars et bus, le moteur, situé à l’arrière, excite la structure de manière solidienne… et des vibrations se propagent dans tout le bus, où elles trouvent régulièrement, et jusqu’à l’avant, des panneaux qui vont se mettre à rayonner, i.e. à transformer cette vibration mécanique en bruit se propageant dans l’air jusqu’aux oreilles du conducteur et des passagers ; — aérien/solidien : dans le cas de structures légères, par exemple pour des véhicules sans permis, le moteur excite la structure non seulement de manière solidienne, mais également de manière aérienne. Le bruit généré par le moteur est tel, au sein du compartiment moteur, que cette sollicitation aérienne est capable de faire vibrer le tablier de séparation moteur/habitacle, qui dans ce cas précis est généralement très peu isolant (typiquement en ABS thermoformé avec une épaisseur avant transformation d’environ 3 mm, donc une épaisseur, dans les endroits les plus déformés, de l’ordre du millimètre). Il suffit pour le mettre en évidence de remplacer le moteur par un haut parleur découplé du châssis et générant une pression acoustique équivalente à celle du moteur. Tous ces cas existent donc bien, et peuvent même se superposer. Il convient donc d’être prudent dans le choix de la modélisation la plus adaptée au problème étudié. 

Fonctionnement des solutions acoustiques

 Il en va de même dans l’utilisation de matériaux ou solutions acoustiques. Plusieurs phénomènes peuvent intervenir et se superposer : — absorption : il s’agit du cas où l’énergie acoustique est dissipée dans ou par le matériau ou la solution. Pour les matériaux poreux ou fibreux, des modèles de fluides équivalent existent. Ils sont modélisés par des paramètres tels que la porosité, la tortuosité… dans le cas de résonateurs ou de foils absorbers, ce sont les caractéristiques du matériau constituant ceux-ci ainsi que leur géométrie qui déterminent leur performance d’absorption 

Isolation 

 il s’agit du cas où l’on fait barrière au bruit. Les notions d’étanchéité et de masses sont prépondérantes. On commencera donc par éviter au maximum toutes les fuites acoustiques (tous les trous). Ensuite, on pourra utiliser le fait que l’isolation est liée à la masse : on gagne 6 dB par doublement de masse (en fait 20 log10 2). Enfin, d’autres systèmes peuvent être utilisés. Parmi ceux-ci, le système « masse-ressort » constitue l’une des plus anciennes solutions pour améliorer l’isolation acoustique. Il s’agit de réaliser un système rudimentaire de double parois découplées. Lorsque la première paroi est attaquée par le bruit et les vibrations, la seconde réagit de manière découplée. On peut choisir le ressort et la masse pour « filtrer » les fréquences indésirables. Ce système présente par contre une fréquence de coupure pour laquelle l’isolation n’est pas améliorée, mais au contraire le phénomène est amplifié. — amortissement : il s’agit du cas où l’énergie vibratoire est dissipée dans un matériau choisi pour ses propriétés d’amortissement visqueux, ou par son mode de fixation (collage, montage en contrainte…). L’ajout d’une pièces d’insonorisation, par exemple réalisée par thermocompression de matières fibreuses, sur une structure a pour effet d’augmenter l’absorption. Toutefois, cette pièce possède une masse, même faible, qui ajoute de l’isolation. De plus, son mode de fixation peut apporter de l’amortissement à la structure étudiée. Toutefois, si la pièce est montée sur une tôle, sa masse étant vraiment faible face à celle de la tôle, il n’est pas faux de ne pas prendre en compte son apport sur l’isolation. Si de plus elle est juste maintenue mécaniquement, il est également possible de négliger son influence en terme d’amortissement