Brevet FR2134364A1 — publié le 19721208

La présente invention se rapporte au domainè du bruit oecamionné par les moteurs à turbine à gaz et plus particulièrement à un procédé et à un dispositif permettant de réduire par modulation les désagréments causés par ce bruit. 5 le niveau de bruit des -avions voient à basse altitude au-des sus de zones haoitées, principalement à proximité des aéroports, pose un des problèmes les plus importants auxquels doit faire face lrindustrie aéronautique. Non seulement le nombre d'avions en service ne cesse d'augmenter à un rythme accéléré, mais le développe-10 ment d'avions à grande capacité donne lieu en outre à un accroissement du niveau de bruit ainsi que du nombre de perturbations sonores auxquelles sont soumises les zones affectées par le survol d'avions, ce qui a des conséquences à la fois économiques et sociologiques. La génération future d'avions supersoniques posera à 15 l'industrie encore plus de problèmes. De plus, le développement croissant de moteurs à turbine à gaz pour la production d'électricité, la propulsion des navires et autres applications, pose aux ingénieurs des problèmes supplémentaires pour tenter de réduire les désagréments causés par le bruit de ces moteurs. 20 Le son émis par les moteurs classiques à turbine à gaz peut être décomposé généralement en deux composantes : le bruit de la tuyère d'échappement et le bruit de la turbo-machine. On considère habituellement que le bruit de la tuyère d'échappement est causé par la turbulence dans la lisière d'écoulement libre entre les gaz 25 d'échappement et l'air ambiant, alors que le bruit de la partie turbo-machine est dû aux interactions des champs de pressions produits par les aubages de la turbo-machine. Bien que la présente invention s'applique à la fois au bruit de la tuyère d'échappement et au bruit de la turbo-machine, son objectif principal est de rédui-30 ' re les désagréments dus au bruit produit par la turbo-machine. La rotation d'une turbo-machine produit des sons dans une gamme de fréquences à laquelle l'oreille humaine est particulièrement sensible. Toutes les recherches effectuées par le passé pour réduire les désagréments dus au bruit de la partie turbo-machine ont 35 porté sur la réduction de la source sonore par absorption du bruit grâce à un traitement acoustique, ou par modification de sens de -propagation du bruit produit. Cela est valable à la fois pour le bruit raroduit par la turbo-machine en rotation et pour celui pro 72 10323 a 2134364 duit par la tuyère d'échappement. En résultat de ces travaux, les nouvelles générations de moteurs à turbine à gaz sont considérablement plus silencieuses que les moteurs plus anciens. Tous les dispositifs envisagés rendent toutefois les moteurs à turbine à 5 gaz plus compliqués, plus lourds et plus coûteux. L'invention a pour Dut ae fournir un procédé et un dispositif permettant de réduire les désagréments causés par le bruit d'un moteur à turbine à gaz, sans avoir à réduire la source réelle de bruit par absorption ou par modification de sens de propagation du 10 bruit produit. En bref, le problème est résolu en modulant l'énergie sonore du moteur à l'aide d'une source sonore supplémentaire de fréquence supérieure, produite par exemple par une sirène à ultrasons. On dispose une ou plusieurs sirènes de ce genre en divers points à 15 l'intérieur du moteur afin de réaliser une source sonore à haute fréquence qui interfère avec la source sonore à fréquence beaucoup plua basse de la turbomachine en vue de produire des nouveaux sons dont les fréquences sont égales à la somme ou a la différence des fréquences des sons originaux. On choisit les sirènes de manière 20 que les nouveaux sons soient émis dans la gamme ultrasonique et . soient donc susceptibles de s'atténuer rapidement avec la distance et d'occasionner ainsi moins de désagrémeis à une distance donnée du moteur. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention appa-25 raîtront à la lecture de la description suivante donnée en référence aux dessins annexés dans lesquels r la Fig. 1 est une vue en coupe, partiellement schématisée, d'un moteur à turbine à gaz utilisant la présente invention ï la J?ig. 2 est une représentation graphique donnant des eour-30 bes de bruit obtenues dans un moteur analogue à celui représenté à la Fig. 1. la îig. 3 est une vue en coupe, partiellement schématisée, d'un conduit d'échappement d'une turbine à gaz utilisant le dispositif. suivant l'invention. 35 La Fig. 1 représente donc, de manière simplifiée, un moteur à turbine à gaz 10, du type à haut degré de dérivation, comprenant un moteur haute-press-ion 12 qui est essentiellement une turbomachine car il comprend un compresseur 14, une chambre de combustion 16, 72 10323 2134364 un • ' r r-, ■ r r de gas T; r 1 eoTrore js eur 1-, et une t uruiru- -:e .il • --u 20, t->!;s : ' • • v 'Tant Ls^osés axiale— -t'a s-.-.ri . ur'uo In":, int;;•••ri- .r .r3 est en tourée j;-f .-'i*- :-:ï-,olv; >>• i -o t3—;ine. :r. aval ■ une -r^yere •- - .. • 2-- : ar , u • . ' . ; tr-. de eomcU'-ti v.n îtrt e.. afin . produire une eouesée. uour procS'i^e un up- plt,..:.--ut j p-.ï iCG -e, une eca^ll^nte 26 est non' -e «n ar:ont au ...o-teur H. r . 12 et est entraînée par la turbine de puissance 20. la soufflante 2b comprend des ailettes internes 2~- et externes 30 qui s'étendent radialeuent vers l'extérieur de i. 'enveloppe 22 transversalement à un conduit ou passage de- dérivation 3? formé entre une enveloppe cylindrique externe 34 î-fc 1 ' enveloppe 22 du moteur H• i*• j les ailettes 2P et 30 étant reliées entre elles iar des voiles 36. Le? voiles 36 sont alignés -rvee des bandages fixes 3- et vQ portés par des aubes de stator 41 s* étendant radialen?ent ' vers l'intérieur é rartir ae l'enveloppe 3'". On noiera ainsi que l'air aspire fiaxis i ' ouverture a' admission A2 en aval ue l'enveloppe é- est accéléré .-.aï* La soufflante 26, puis une partie de l'air passant dans i'.s ailettes internes 2-1- alimenta le r.oteur B.V.I2 afin a'y entretenir la e^nustion. L'air restant s'écoule dans le passage de dérivation 32 d'où il est normalement évacué vers l'aval par une ouverture 0. * éaaappenient 44. Le moteur à turbine ■- f:-as 10 est à naut degré de dérivation. . On entend par cette expression que le rapport entre le débit pondéral ae fluide passant par le .-as sage de dérivation 32 et ie d'-oit ponoJral as fluide passant dans le uioteur H.P.12 est élevé. bien que l'invention soit décrite en référence au moteur 10 nt-.uîi ae dérivation, il va ae -oi qu'elle est aussi appli cable turbor-'acters oroit-3, aux turbor facteurs y système d ' -» . -.j peut' s ' ai- u.t .uA r : turbine h gas utilisés pou-" J.-3 vue .uioion •• .vire:;, i;;. .•>. • •• .on a ' ;l^ctrici t', ie fourniture U-i 1r • OxéO'i'iC.' , jne caracr.-;7\u.:ti vue aes asotv.urs u haut oepré de a Privation est . ue le diamètre de la souff>nr:e de a'rivabion est plus imporBAD 0r'GINAL 72 10323 4 2134364 tant que le diamètre correspondant habituellement h 1-3 section du compresseur ou de la turbine du moteur H.P. Du f'-rit de ce diamètre important, la rotation de la s oufriante 26 peut ontr-^îner l'émission de bruit d'un niveau inacceptable ai rien n'e.-.-;t fait pour 5 réduire l'intensité de ce bruit. Toutes les tentatives précédentes pour réduire l'intensité de ce bruit ont porté sur la réduction de la source de bruit elle-même, par absorption au bruit grâce à un traitement acoustique sous forme de panneaux acoustiques, par variation du nombre et de l'espacement des aubes, ou par modifica-10 tion du diagramme directionnel de rayonnement sonore h l'entrée ou à la sortie du conduit de ventilateur. Â la différence des réalisations antérieures, la présente invention propose de réduire ou d'éliminer l'énergie sonore produite par les ailettes de soufflante 28, 30, dans la gamme de sensibili-15 té acoustique de l'homme en modulant cette énergie sonore avec une source sonore supplémentaire de haute intensité et de haute fréquence. Pour ce faire, on dispose une jdu plusieurs sirènes à ultrasons 48 dans l'enveloppe 34 immédiatement en amont des aubes de stator 41. Kn outre, une ou plusieurs sirènes 48 sont placées dans 20 le passage 32 en aval au ventilateur. Les sirènes à ultrasons sont alimentées par une source appropriée d'air comprimé. Dans le cas présent, l'air est prélevé à l'un des étages d'aval du compresseur 14 et est transmis dans le moteur H.P.12 vers un tuyau 50-traversant les aubes de stator 41. l'air provenant du tuyau 50 alimente 25 ensuite les sirènes à ultrasons 48. L'interaction entre l'énergie sonore du bruit de la partie turbomachine et l'énergie sonore de la sirène à ultrasons 48 sera mieux comprise à l'aide d'un exemple. On va supposer tout d'abord que la fréquence sonique des ailettes du rotor de soufflante est 30 de 3.000 Hz et que son niveau de puissance sonore est d'environ 150 décibels. On va supposer en outre que la fréquence de la sirène à ultrasons 48 est de 25.000 Hz et que son niveau de puissance sonore est d'environ 160 décibels. L'expérience a prouvé que ces deux sons interfèrent de telle sorte que l'énergie des sons ori-35 ginaux est transmise à une série de nouveaux, sons, comme l'indique la courbe G de la Fig. 2 qui donne les valeurs, de niveau de puissance sonore en fonction de la fréquence, les nouveaux .sons ayant des fréquences correspondant à la somme et à la différence des fré- bad original 72 10323 5 2134364 quences des sons originaux. Dans notre exemple, deux des nouveaux sons apparaîtront ainsi à 28.000 Hz (somme ae 25.000 Hz et 3.000 Hz) et à 22.000 Hz (différence de 25.000 Ks et 3.000 Hz). L'expérience a en outre montré que ces nouveaux sans ont un niveau de 5 puissance sonore a'environ 160 décibels, crest-*-aire le niveau de puissance sonore de la sirène k ultrasons 45. L'effet immédiat de l'interaction énergétique précédente e, été d'éliminer le son de 3-000 Hz. Bien que la garante de fréquences perçues par une oreille normale soit comprise entre 20 Hz et 10 15.000 Hz, il est connu qu'une fréquence au voisinage de 3.000 Hz correspond à la sensibilité maximale a'une oreille normale. L'effet immédiat de l'interaction précédente a donc été d'éliminer le son d'une gamme à laquelle l'oreille est la plus sensible et de le restituer sous forme de deux sons de forte intensité mais situés 15 dans la gamme des ultrasons. On a représenté graphiquement à la I?ig. 2 les résultats d'essais réalisés avec un moteur semblable à celui de la i?ig. 1. La courbe A représente le bruit produit par le moteur seul. On notera que la fréquence sonique des aubes présente un premier pic à envi-20 ron 3-000 Hz et des pics d'harmoniques à 6.000 Hz, 9.000 Hz, etc.. La courbe B représente le signal de la source sonore supplémentaire seule, et la courbe G représente le bruit produit par le moteur auquel on a associé la source sonore supplémentaire. On notera que la source sonore supplémentaire a modifié le signal original de 25 telle sorte que le pic à 3-000 Hz a disparu et a été remplacé par une série de pics compris entre 16.000 Hz et 34.000 Hz. Ces nouveaux pics sont produits à des fréquences correspondant aux sommes et aux différences de fréquences des sons originaux (25.000 -9.000 Hz), (25.000 - 6.000 Hz), (25.000 - 3-000 Hz), (25.000 + 30 y.000 Hz) etc... L'expérience a également montré qu'il existe impie résiduel correspondant à la fréquence de la source sonore supplémentaire (à 25-000 Hz). Des expériences ultérieures ont nontré que l'effet décrit ci— dessus pouvait être obtenu par une sirène à ultrasons dont l'inten-35 sité est plus faible que la source sonore de la partie turbomachi-ne. On considère toutefois que la sirène r- ultrasons d'intensité plus élevée uonne ae meilleurs résultats. ha seuls tentative d'explication mathématique du phénomène bad original 72 10323 b 2134364 d'interférence, acoustique décrit ci-aessus a été donnée par P.M. Morse et K.U.Ingard aux pages 870-873 cle leur ouvrage "ïheoretical Acoustics" édité en 1968 par Me (îraw-Eill. En principe, horse et Ingard attribuent cet effet h la non-linéarité liée à des ondes 5 acoustiques de haute intensité. Toutefois les résultats expérimentaux obtenus avec le dispositif de l'invention montrent que les sons correspondant à la somme des fréquences apparaissent sans que l'on mette en oeuvre les niveaux d'intensité élevée supposés par Morse et Ingard, pour-10 vu que soient réalisées d'autres conditions pouvant produire aussi la non-linéarité. Une telle condition est réalisée par la présence de modes d'oscillation acoustique d'ordres supérieurs ou par l'écoulement turbulent de l'air dans les conduits du moteur : les modes d'ordres supérieurs introduisent des vitesses de phase et de 15 groupe que l'on peut rendre différentes pour deux sources sonores de sorte que l'énergie sonore d'une des sources se propage à une vitesse plus grande et traverse l'autre source tandis que le flux turbulent de l'air modifie systématiquement et aléatoirement les relations temporelles de phase entre les ondes en interaction. Le 20 principe de superposition linéaire, supposé dans les équations différentielles linéarisées de propagation du son, ne peut plus s'appliquer. l'effet, non linéaire recherché est réalisé et l'interaction énergétique décrite précédemment se produit. Les modes d'oscillation d'ordres supérieurs peuvent être ob-25 tenus dans les conduits de la turbomachine en choisissant convenablement le nombre d'ailettes tournantes par rapport au nombre d'aubes fixes. Ils peuvent aussi être obtenus par la sirène à ultrasons et avec un nombre illimité de dispositions. L'une de ces dispositions consiste simplement à incliner l'axe de la sirène 48 par 30 rapport à l'axe principal du passage d'écoulement dans la turbo-maenine. De cette manière, les ondes sonores émises par la sirène 48 sont réfléchies sur les parois internes du conduit et se propagent ainsi dans le conduit à une vitesse différente de celle des ondes émises par la source sonore de la turbomachine. C'est pour-35 quoi il est souhaitable d'incliner les sirènes à ultrasons 48 par rapport à l'axe principal du conduit de soufflante, comme cela est représenté à la -Fig. 1. Le principe précédent ne s'applique pas seulement au bruit BAD ORIGINAL 72 10323 7 2134364 produit par la souillante 26 mais également au bruit produit par le moteur H.t.12. Pour cette raison, on dispose aussi un certain nombre de sirènes à ultrasons dans l'enveloppe 22, immédiatement en aval ae la turbine ae puissance 20. La unéorie expliquant l'utilisation des sirènes dans le moteur n.P.12 est iaentique à celle décrite précédemment pour la souillante 26. Les sirènes 4fa produisent un son qui réagit avec le son produit par la partie turboaiacnine en rotation du moteur H.P.12 et qui forme deux sons nouveaiîx dont les fréquences correspondent à la somme et à la différence des sons originaux. Sn plus de la modtilation de la source sonore de la partie turbomachine dans la gamme des ultrasons, l'utilisation de la sirène à ultrasons a en outre pour avantage que l'atténuation du son dans l'air augmente avec la fréquence. C'est-à-dire que plus la fréquence de la source sonore est grande, plus l'atténuation du son dans l'air est forte. Il résulte de cela que les deux nouveaux sons, outre le fait qu'ils sont inaudibles, s'atténuent très rapidement dans l'air. On se reportera maintenant à la fi-;:. 3 où la théorie de la modulation est appliquée à une tuyère d'échappement de manière à réduire le bruit ae cette tuyère. Comme cela est représenté, une tuyère' d'échappement 60 est entourée d'un conauit 62 s'étendant en aval de la tuyère 60. Cette tuyère 60.est munie d'un suppresseur ae jet 64 qui consiste sn un certain nombre ae tubes d'échappement 66 disposés dans la tuyère 60. On dispose autour de la tuyère d'échappement 60 et à l'intérieur du conduit 62 une ou plusieurs sirènes à ultrasons 66. . Contrairement k ce qui se produit habituellement, le suppresseur de jet 64 n'est pas destiné à supprimer 'mais' à produira du bruit à l'intérieur du conduit 62 de sorte que les modes de vibration d'ordres supérieurs, dont on a parlé précédemment, peuvent apparaître, donnant lieu a des interactions non linéaires. En conséquence, le suppresseur ae .jet 64 n'a pas h être d'un moôèle introduisant une forte réduction des performances. Cor ::re a écrit .vr- v-îéàenLient, l'invention fournit 'à-la fois un -orocéaé et "un uispositif permettant, de réduire les désagréments du brait oroduit par les acteurs a turbine a gas, en'modulant la fréquence de ce bruit, .--ans tous les cas a écrit s ' précédemment, la fre— bad original 72 10323 8 2134364 quenee de la source sonore supplémentaire doit se situer au delà des fréquences auaibles, car sinon le son correspondant k la différence de fréquences pourrait être situ-' ia .yr.xne aes fréquences audibles. 5 Bien que l'on ait limité la description au- sirènes £ ultra sons, il est évident que l'on peut utiliser d'à"très sources sonores, par exemple un sifflet à air du type d'un générateur de Hartmann . Comme indiqué précédemment, la source sonore supplémentaire 10 peut avoir une intensité plus élevée ou plus faible que la source de Druit de la turbomachine, mais il est préférable que cette intensité soit plus élevée. Il est bien évident que la disposition des sources sonores supplémentaires n'est pas limitée à celle représentée aux l'ig. 1 et 3- Il est seulement nécessaire qu'il y ait 15 interaction entre la source sonore supplémentaire et la source sonore de la turbomachine ou le bruit d'échappement. BAD ORIGINAL 72 10323 2134364 RaV^KDICATIOHS 1- .Dispositif ae réduction de oruit dans un Licteur à turbine à gaz d'un type comprenant une turbomachine en rotation et un système de combustion produisant un courant gazeux à haute énergie, 5 ledit moteur engendrant une énergie sonore dans la gamme des fréquences audibles, caractérisé en ce qu'il comprend une source sonore supplémentaire placée dans leuit moteur et comprenant des moyens pour produire une énergie sonore dans la gamme des fréquences ultrasoniques, laaite source étant en outre disposée de manié-10 re à moduler l'énergie sonore audible et à produire des sons nouveaux dans la gamme des fréquences inaudibles» 2- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens pour produire une énergie sonore dans la gamme des fréquences ultrasoniques comprennent une ou plusieurs sirènes à 15 ultrasons. 3- Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ladite sirène- à ultrasons possède un niveau de pression sonore supérieur à celui de l'énergie sonore audible. 4- Dispositif suivant la revendication 3» caractérisé en ce que 20 ladite énergie sonore audible erjt fournie par ladite turbomachine en rotation. 5- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens pour produire une énergie sonore dans la gamme des fréquences ultrasoniques comprennent un ou plusieurs sifflets à 25 air. 6- Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits sifflets à air possèdent un niveau de pression sonore supérieur à celui de l'énergie sonore audible. 7- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que 30 ladite énergie sonore audible est produite par un suppresseur du type plusieurs éléments disposé dans une tuyère d'échappement du-dit moteur à turbine à gaz. 8- Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens poar produire line énergie sonore dans la gamme des 35 fréquences ultrasoniques comprennent une ou plusieurs sirènes à ultrasons . 9- Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en-ce que • lesaits moyens pour produire une énergie sonore dans la gamme des BAD ORIGINAL 72 10323 10 2134364 fréquences ultrasoniques comprennent un ou plusieurs sifflets à air. 10- Procédé pour réduire les désagréments causés par le brait émis par des moteurs à turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il con-5 siste à produire un son audible à l'intérieur dudit moteur, à produire une tonalité ultrasonique dont l'intensité est supérieure à celle au son audible produit à l'intérieur dudit moteur, et à combiner ledit son audible et ladite tonalité ultrasonique de manière que ladite tonalité ultrasonique module ledit son audible 10 afin de produire deux sons dans la. gamme des fréquences inaudibles. 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