ORIGINES DES BRUITS ET VIBRATIONS

Part du bruit magnétique dans le bruit total

Le bruit des machines tournantes a principalement trois origines : mécanique, aérodynamique et électromagnétique.

– Les bruits d’origine mécanique sont dus aux frottements au niveau des paliers et éventuellement des balais. Leur importance dépend du type et de la qualité des roulements utilisés, de leur graissage et de la vitesse de la machine [8]. La puissance sonore due à ces frottements augmente avec le carré de la vitesse, elle dépend également des fréquences propres des roulements, du support sur lequel repose la machine ainsi que des parties entraînées. Les fréquences sonores sont généralement assez élevées. Le bruit mécanique n’est important que sur des machines rapides et intervient rarement pour plus de 20% dans le spectre sonore global.

– Les bruits d’origine aérodynamique sont plus importants. Des turbulences dans l’air sont produites par le mouvement des parties en rotation, la présence d’obstacles dans les écoulements d’air est un facteur supplémentaire de bruit [13][14]. La ventilation permet la convection nécessaire au refroidissement, elle permet de réduire les dimensions des machines. Il apparaît alors un compromis entre machines de faibles dimensions ou machines bruyantes. L’utilisation de ventilateurs peu bruyants (à pales profilées,…) n’est pas toujours possible (double sens de rotation, longueur de la machine…). Les bruits de ventilation croissent avec la cinquième puissance de la vitesse [8], un bruit de ventilation de 80dB à 1000tr/mn atteint 105dB à 3000tr/mn. Signalons que la réponse de la structure mécanique aux sollicitations aériennes intervient également. Les bruits d’origine aérodynamique peuvent donc être ou non dominants suivant la vitesse de rotation, le type de ventilateur et de machine utilisée.

– Les bruits dus aux phénomènes électromagnétiques peuvent également dominer ou non suivant la conception de la machine, son état de charge et sa vitesse. Pour des machines de faible vitesse le bruit magnétique est presque toujours dominant, mais il peut l’être aussi sur des machines rapides. Il provient d’efforts électromagnétiques qui produisent des déformations périodiques (ou vibrations) de certaines parties de la machine [8][15]. Lorsque les fréquences des efforts électromagnétiques coïncident avec celles des résonances mécaniques, alors ce bruit peut devenir très important. On le distingue de ceux d’autres origines en coupant l’alimentation ce qui conduit à l’annuler presque immédiatement tandis que les bruits aérodynamiques et mécaniques décroissent lentement avec la vitesse. Le bruit magnétique se caractérise dans le spectre sonore par des raies fines et généralement peu nombreuses, en étroite relation, d’un point de vue fréquentiel avec les harmoniques de couple [12].

Forces générées par l’induction

La présence d’une induction dans l’entrefer des machines engendre des forces qui s’exercent sur le fer du stator et du rotor. Elles sont de trois natures :
– les forces tangentielles qui sont à l’origine de la rotation du rotor,
– les forces magnétostrictives liées à la propriété qu’ont certains matériaux de voir leurs dimensions se modifier lorsqu’ils sont placés dans un champ d’induction variable; ce phénomène est toutefois négligeable dans les machines tournantes,
– les forces radiales qui s’exercent entre stator et rotor et qui sont régies par la relation de Maxwell : si dans l’entrefer d’un circuit magnétique de section S se trouve une induction b alors la force f qui tend à diminuer l’épaisseur de l’entrefer se calcule.

EQUATIONS MECANIQUES

Pour quantifier les vibrations qu’induit une force de Maxwell de caractéristiques connues dans l’entrefer d’une machine, on utilise des relations qui permettent de calculer les amplitudes des vibrations d’un anneau auquel est assimilé le stator. On calcule d’abord l’amplitude des déformations statiques, relatives à une force constante dans le temps, puis dynamiques, en tenant compte des fréquences de résonance mécaniques.

Caractéristiques des vibrations dynamiques

Chaque machine possède plusieurs fréquences propres, chacune étant relative à un mode de vibrations. On peut exciter ces modes au moyen d’un choc unique provoqué par exemple par un marteau dont un simple coup entraîne un bruit composé de plusieurs fréquences distinctes qui correspondent à des fréquences de résonance naturelles de la structure [18] [19]. Par conséquent plus la fréquence d’une force de nombre de modes donné se rapproche de la fréquence propre de la machine relative au même mode, plus l’amplitude des vibrations augmente. Signalons qu’une force peut exciter une résonance de nombre de modes différent du sien, ce phénomène complexe est toutefois faible [6][19] et nous ne l’étudierons pas. Les phénomènes mécaniques sont particulièrement compliqués, il est difficile d’avoir des relations analytiques simples et précises, c’est pourquoi certains les abordent par des méthodes numériques [10] [19] [20]. Les expressions analytiques suivantes des fréquences de résonance ont été données par H. Jordan [3] et P.L. Timar [6], elles sont approximatives mais ont l’avantage d’être assez simples à utiliser. Ces formules considèrent une machine parfaitement cylindrique sans tenir compte par exemple d’éléments comme les pieds qui modifient les fréquences propres [21] [22].