Brevet FR2609827A1 — publié le 19880722

procédé et dispositif pour réduire le bruit à composante harmonique dominante rayonné par une paroi d'appareillage" L'invention se rapporte à un procédé pour réduire le bruit rayonné par une paroi externe d'un appareillage vibrant présentant une composante harmonique dominante, où l'on émet, en des emplacements localisés, à proximité de cette paroi, des sons de même fréquence que le bruit rayonné, en opposition de phase locale avec celui-ci. L'invention se rapporte également à un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé de réduction de bruit. L'invention s'applique donc à l'insonorisation de toute machine dont le capotage, en vibrant, rayonne un son sensiblement pur ou harmonique, à une fréquence sensiblement constante et relativement basse. Tel est le cas des transformateurs électriques de grande puissance, et des groupes turbo-alternateurs, dont les circuits magnétiques engendrent des sons relativement purs à deux ois la fréquence du réseau, soit 100 Hz en Europe. on précise que, par fréquences relativement basses, on entend des fréquences acoustiques inférieures à 1 000 Hertz, qui correspondent à des longueurs d'onques supérieures a 0,35 m. Essentiellement, à l'heure actuelle, on tente de réduire les vibrations des capotages de machines, soit en modifiant leurs caractéristiques mécaniques, masses et raideurs pour éliminer l'amplitude des vibrations, soit en les amortissant en les dotant de revêtements viscoélastiques, revêtements sandwichs, résonateurs mécaniques accordés, soit encore en soignant le découplage entre les revetements externes et les sources internes de vibration (socles flottants par exemple). Ces dispositions sont en général onéreuses, et se prêtent mal à un traitement systématique, en raison du grand nombre de paramètres qui gouvernent le couplage entre les sources de vibrations harmoniques et les surfaces qui rayonnent le bruit en direction d'un perturbé éventuel. Par ailleurs, on étudie en laboratoire des techniques anti-bruit, or 'on tente de compenser les bruits émis par des surfaces rayonnantes par des bruits provoqués, émis par des sources réparties à proximité des surfaces rayonnantes. Ces bruits provoqués présentent les mêmes caractéristiques de fréquence que les bruits perturbateurs, et sont en opposition de phase avec ceux-ci, en sorte qu'à distance des surfaces rayonnantes, leur composition cohérente avec les bruits perturbateurs étouffe ceux-ci. Bien entendu il faut que les puissances globales respectivement des bruits perturbateurs et des bruits compensateurs soient approximativement égales, leur différence représentant finalement la puissance de bruit résiduel. J,es études de laboratoire sur ces techniques anti-bruit ont porté sur des bruits à spectre relativement large pour lesquels il est nécessaire de compenser en amplitude et phase tout le spectre de bruit, avec une précision relativement élevée car la puissance cle bruit résiduel esi: la somme des bruits résiduels dans chaque intervalle de fréquence dans le spectre. On remarquera que le processus anti-bruit que l'on vient de rappeler sommairement constitue un amortissement actif des bruits aériens, mais non des vibrations de surfaces rayonnantes qui engendrent ces bruits aériens. Il en résulte que le couplage entre les surfaces rayonnantes et les sources de bruit compensateur est sensiblement négligeable. L'invention a pour objectif un procédé pour réduire le bruit rayonné par une paroi externe d'un appareillage vibrant, qui soit. facile à mettre en oeuvre et peu onéreux, lorsque le bruit rayonné présente une composante harmonique dominante . A cet effet, l'invention propose un procédé pour réduire le bruit rayonné par une paroi externe d'un appareillage vibrant présentant une composante harmonique dominante, où l'on émet en des emplacements localisés, à proximité de cette paroi, des sons de même fréquence que le bruit rayonné, en opposition de phase locale avec celui-ci, caractérisé en ce que l'on dispose, en des emplacements appropriés de ladite paroi, des générateurs accordés sur ladite composante harmonique dominante, aptes à être excités mécaniquement par la vibration de la paroi aux emplacements respectifs où ils sont disposés. On sait qu'un générateur accordé fait appel à une source d'énergie distincte de la source d'excitation, de sorte que l'on peut faire émettre à ce générateur une puissance comparable à la puissance émise localement par la paroi vibrante, sans pour autant emprunter l'énergie a la paroi vibrante, ce qui impliquerait un couplage néfaste au maintien de l'opposition de phase entre signal perturbateur et signal compensateur. Par ailleurs, l'amplitude de son émis par le générateur peut rester proportionnelle à l'amplitude de vibration excitatritc',. De préférence, on dispose les générateurs suivant un réseau dont la maille est d'au plus un quart de la longueur d'onde dans l'air de ladite composante harmonique. Cette disposition permet de créer un diagramme de rayonnement de bruit compensateur très voisin de celui de la surface qui rayonne le bruit perturbateur, de sorte que la compensation peut être convenable dans toutes les directions. Sous un autre aspect, l'invention propose un dispositif pour réduire le bruit rayonné par une paroi externe d'un appareillage vibrant présentant une composante harmonique dominante, comportant une multiplicité d'organes répartis à proximité de la paroi et aptes à émettre des sons de même fréquence que le bruit rayonné, en opposition de phase locale avec celui-ci, caractérisé en ce que chaque organe comporte une embase rendue solidaire de la paroi, et une chambre susceptible d'être alimentée en gaz sous pression, avec une fente d'échappement comprise entre l'embase et une masse mobile au moins perpendiculairement à la paroi, cette masse étant reliée à l'embase par un diaphragme d'élasticité réglée telle qu'elle définisse avec la masse mobile un système vibrant accordé sur ladite composante harmonique dominante. On comprend que les vibrations de la paroi sur laquelle est fixé l'organe excitent la vibration du système résonnant formé par le diaphragme élastique et la masse mobile, avec pour résultat une oscillation périodique de la largeur de fente. Le débit de gaz sous pression, qui passe à travers la fente, est ainsi modulé au rythme des vibrations de la paroi. Le calcul des conditions vibratoires montre que la phase du son émis par l'organe est opposée à celle du son émis par la vibration de la paroi, et que la puissance du son émis par l'organe est ajustable par réglage de la pression d'admission du gaz dans la chambre. Sélon un mode particulier de réalisation, l'organe générateur de son présente une symétrie de révolution autour d'un axe perpendiculaire à la paroi vibrante, et comporte une embase en forme générale de disque avec un rebord périphérique et un moyeu central sur lequel est pincé en son centre le diaphragme en forme de couronne, tandis que la masse mobile est un anneau tubulaire où se pince la périphérie du diaphragme, et qui s'étend jusqu'à proximité du rebord d'embase pour former conjointement avec celui-ci ladite fente, ainsi circulaire. Une telle disposition à symétrie axiale présente un diagramme de rayonnement également symétrique par rapport à l'axe, et est d'exécution relativement aisée, tant en raison de l'usinage facile des éléments que parce que la fente, circulaire, ne comporte pas d'extrémité où l'étanchéité entre masse mobile et embase serait difficile à assurer de façon simple. sous un autre aspect, l'invention propose un dispositif pour réduire le bruit rayonné par une paroi externe d'un appareillage vibrant présentant une composante harmonique dominante, comportant une multiplicité d'organes répartis à proximité de la paroi et aptes à émettre des sons de même fréquence que le bruit rayonné, en opposition de phase locale avec celui-cir caractérisé en ce qu'il comporte une embase rendue solidaire de la paroi et entraînée par el-le en vibration, et un système résonnant accordable, associant des masses, des lames élastiques et des cavités acoustiques, et couplés à Embase en sorte de moduler en largeur une fente, définie par une face de l'embase et une face en regard du système résonnant, les cavités acoustiques communiquant par cette fente avec l'extérieur et étant adaptées à être alimentées en gaz sous pression. D'autres caractéristiques secondaires et des avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue latérale éclatée d'un organe générateur de son selon l'invention la figure 2 est une vue en coupe axiale du dispositif représenté figure 1, assemblé la figure 3 est une coupe axiale d'une variante de l'invention la figure 4 est une représentation schématique d'un transformateur dont la cuve est équipée d'un réseau d'organes selon l'invention. Selon la forme de réalisation choisie et représentée figures 1 et 2, un générateur de son selon l'invention comporte une embase 1, un joint torique 2, un anneau de masse 3, un diaphragme élastique 4, un bouchon de serrage 5, et un écrou borgne 6. L'embase 1, en forme générale de disque, comporte une base plane d'appui 10, un rebord périphérique 11, une dépression annulaire 12 entre le rebord Il et un moyeu 14 terminé à sa partie libre par un filetage 14a. Dans le rebord 11 est pratiquée une gorge 13, adaptée à recevoir le joint torique 2, qui y pénètre sur les 2/3 environ de son diamètre. Dans le moyeu 14 est usiné un canal central borgne 16, qui débouche dans la face d'appui par un taraudage.Des orifices radiaux 15 débouchent dans le moyeu 14 à mi-hauteur environ entre la dépression 12 et la partie filetée 14a. Ces orifices radiaux sont au nombre de six, répartis à 60', autour de l'axe du moyeu, et bien entendu alignés par pairle:; L'anneau de masse 3 a sensiblement la forme d'un tube et présente un filetage intérieur 32, complémentaire d'un filetage extérieur 51 du bouchon de serrage 5. Celui-ci présente, à sa partie supérieure, une couronne de prise 50, et, à l'extrémité du filetage 51 opposée à la couronne 50, une tranche d'appui 52. Le diaphragme 4 a la forme générale d'une couronne et présente en son centre un alésage 42 qui permet son enfilage autour du filetage 14a du moyeu 14. Le diamètre extérieur du diaphragme 4 correspond à celui de la tranche d'appui 52 du bouchon 5, de sorte que la périphérie 41 du diaphragme 4 vient à être pincée entre le fond du filetage intérieur 32 de l'anneau de masse 3 et la tranche d'appui 52 du bouchon 5, par vissage du bouchon 5 dans l'anneau 3. t'cnscmble formé par l'anneau 3, le bouchon 5 et le diaphragme 4 est mis en place par enfilage de l'alésage 42 sur le moyeu 14a, avec interposition d'une rondelle d'épaisseur 4a qui détermine la distance entre la partie supérieure du joint torique 2 en place dans son logement 13 et la tranche inférieure 31 de l'anneau de masse 3. Cette distance est la largeur de la fente d'échappement 20. Le i:c > ut est bloqué par vissage de l'écrou borgne 6 sur le filetage 14a du moyeu 14. Il est visible sur la figure 2 qu'une chambre annulaire 33 est limitée par la dépression 12 de l'embase 1, le moyeu 14, le diaphragme 4 et l'alésage intérieur de l'anneau de masse 3. La chambre 33 peut être alimentée en gaz sous pression amené par un canal 17 radial pratiqué dans l'embase 1, avec au débouché sur la périphérie de l'embase un filetage 17a pour un ajutage de liaison à une canalisation. Le canal 17 coupe le canal 16, de sorte que le gaz sous pression peut aboutir dans la chambre 33 par les orifices radiaux 15. On comprendra que le taraudage de l'extrémité du canal 16 permet l'obturation de ce canal vers son débouché dans la face d'appui 10. Si le taraudage 16 n'est pas utilisé pour fixer l'organe générateur de son sur une paroi vibrante, il est obturé par un bouchon fileté. Le générateur de son fonctionne de la façon suivante. La face 10 est boulonnée, ou autrement fixée sur une paroi qui vibre avec une composante harmonique dominante. On a réglé la masse de l'anneau de masse 3 et du bouchon de serrage 5, en fonction de la raideur du diaphragme 4, pour obtenir une résonance en vibration parallèle à l'axe de l'embase sur la composante harmonique dominante La vibration de la paroi sur laquelle est fixée l'embase 1 va exciter, via la liaison du diaphragme 4 au moyeu 14, le système résonnant qui va vibrer parallèlement à l'axe de l'embase 1, avec une amplitude qui, compte tenu des amortissements, va être proportionnelle à l'amplitude d ' excitation. La largeur de la fente au repos est réglée de telle sorte que l'amplitude maximale de vibration de l'anneau de masse 3 amène sa tranche inférieure 31 juste au contact du joint torique 2. On comprend que les oscillations de largeur de la fente 20 entraînent des oscillations inverses du débit de gaz sous pression qui s'échappe par cette fente, avec pour résultante l'émission dans l'air ambiant d'un son à la fréquence de la composante harmonique dominante. De plus, lorsque l'amplitude de vibration de l'anneau de masse 3 provoque, en crête, une occlusion de la fente 20, les déformations du joint torique 2, en résultat de la pression de gaz ou de l'impact de la tranche 31 de l'anneau de masse, viennent amortir la vibration. Des calculs de conditions vibratoires, qui font intervenir l'équation différentielle du second ordre classique des systèmes vibrants montrent que la phase du son émis par l'organe générateur est en opposition de phase avec le son émis directement par la paroi vibrante sur laquelle l'organe générateur est attaché. Et l'expérience montre que, lorsque le système résonnant est bien accordé sur la composante harmonique dominante 'de la vibration de paroi, le réglage de la pression de gaz admis dans la chambre 33 permet d'obtenir, dan:j l'axe de l'organe, un minimum de bruit net. Pour améliorer le rendement de l'organe générateur, le rebord Il de l'embase 1 et la tranche inférieure 31 de l'anneau 3 sont usinés avec un profil sensiblement exponentiel, de façon que la fente s'évase selon une loi exponentielle, pour optimiser les variations d'impédance entre la partie étranglée de la fente et le milieu ambiant. Si l'on se reporte à la figure 3, l'organe générateur de son représenté comporte les mêmes pièces essentielles que le dispositif représenté aux figures 1 et 2, ces pièces portant le; mêmes références. Toutefois on remarquera que le bouchon de serrage 5 présente une couronne 50 d'étendue axiale supérietre, tandis que l'écrou borgne 6 est muni d'une prolongation axiale, sous forme d'une. tige filetée 62, bloquée par un contre-écrou 62. Un diaphragme auxiliaire 7 de raideur inférieure à celle du diaphragme 4, repose par sa périphérie sur la tranche supérieure de la couronne 50 du bouchon 5, et présente en son centre un trou où passe la tige filetée 62. Un ensemble d'écrou 63 et de contre-écrou 63a sollicite le diaphragme 7 en déformation, et, par l'intermédiaire de la couronne 50, précontraint le diaphragme principal 4 dans le sens qui restreint la largeur de la fente 20. On comprendra que le vissage ou le dévissage de l'écrou 63 viendra accroître ou décroître la raideur de l'ensemble des diaphragmes 4 et 7, et permettre donc un ajutage fin de la résonance du système vibrant. On notera par ailleurs que l'accroissement de masse de l'ensemble anneau 3-bouchon 5 est compensé par l'accroissement de raideur apporté par le diaphragme 7, de sorte que, pour des dimensions en plan comparables, les organes générateurs des figures 2 et 3 présenteront des fréquences de résonance comparables. La figure 4 montre schématiquement un transformateur de puissance 100 dans son ensemble dont les parois de cuve sont équipées d'organes générateurs de son 101-105, 111-114, 121-12 Comme on le voit sur la face représentée dans le plan de l'image, les organes sont disposés aux noeuds d'un réseau à maille en triangle isocèle. Le côté de maille représente approximativement un quart de la longueur d'onde dans l'air d'un son à 100 Hz, soit 0,85 m environ. On sait que la magnétostriction des tôles du circuit magnétique du transformateur, et les forces électromagnétiques dans les bobinages provoquent des vibrations harmoniques des structures, avec une dominante à deux fois la fréquence du secteur. Un réseau d'organes générateurs de son, avec une maille non supérieure à 1/4 d'onde, produit, à une distance de quelques mètres, une surface d'onde qui reproduit approximativement la surface d'onde engendrée par la paroi de cuve de transtlDrmat:c!llr. Pour insonoriser le transformateur, on établit un diagramme approché de rayonnement sonore de la cuve, avant la mise en place des organes générateurs. On en déduit les emplacements préférentiels des organes générateurs de son, ainsi que l'ordre de grandeur de la puissance qu'ils devront fournir. On met en place les organes générateurs grossièrement accordés, et on parfait l'accord de chacun des organes. On établit la pression d'air dans un réseau de distribution, et on ajuste individuellement le débit en fonction de la puissance à fournir, par exemple à l'aide d'une vanne pointeau dans la dérivation du circuit de gaz sous pression. On achève l'insonorisation par retouches successives des différents organes générateurs de son. On appréciera que l'invention permet d'obtenir une insonorisation efficace d'appareillages qui émettent des bruits à composante harmonique dominante, comme des transformateurs et des machines tournantes synchrones, de façon simple, sans avoir à constituer des chaînes complexes de capteurs, amplificateurs et transducteurs électro-acoustiques. On remarquera que l'insonorisation d'appareillages électriques de puissance grâce à l'invention ne nécessite, comme installation de puissance, que des groupes compresseurs d'air, et que de tels groupes compresseurs sont des auxiliaires normaux de tels appareillage: Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits, et notamment aux composantes harmoniques dominantes à 100 Hz, mais en embrasse toutes les variantes d'exécution, dans le cadre des revendications. C)n comprendra que le dispositif mécanique résonnant doit être accordé sur la fréquence du son à atténuer, ce qui peut être effectué, selon la constitution du dispositif, soit en jouant seulement sur leurs caractéristiques mécaniques, c'est-à-dire sur raideur ou précontrainte des diaphragmes, sur la grandeur ou la position des masses, soit aussi dans une certaine mesure sur les volumes des cavités et les sections de passage des fentes entre les cavités et I'extérieur, pour associer l'élasticité du gaz contenu à la raideur des diaphragmes. On peut concevoir aussi un ajustage fin, réglable en permanence des fréquences de résonnance, faisant intervenir une contre-réaction globale de tous les organes, par la régulation en température du gaz sous pression admis dans les chambres, l'élasticité du gaz étant fonction de la température. REVENDICATIONS 1. Procédé pour réduire le bruit rayonné par une paroi externe d'un appareilage vibrant (100) présentant une composante harmonique dominante, où l'on émet en des emplacements localisés, à proximité de cette paroi, des sons de même fréquence que le bruit rayonné, en opposition de phase locale avec celui-ci, caractérisé en ce que l'on dispose, en des emplacements appropriés de ladite paroi, des générateurs (101-105, 111-115, 121-125) accordés sur ladite composante harmonique dominante, aptes à être excités mécaniquement par la vibration de la paroi aux emplacements respectifs où ils sont disposés. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on dispose les générateurs suivant un réseau dont la maille est d'au plus un quart de la longueur d'onde dans l'air de ladite composante harmonique. 3. Dispositif pour réduire le bruit rayonné par une paroi externe d'un appareillage vibrant (100) présentant une composante harmonique dominante, comportant une multiplicité d'organes répartis à proximité de la paroi et aptes à émettre des sons de même fréquence que le bruit rayonné, en opposition de phase locale avec celui-ci, caractérisé en ce que chaque organe comporte une embase (1) rendue solidaire de la paroi, et une chambre (33) susceptible d'être alimentée en gaz sous pression, avec une fente d'échappement (20)comprise entre l'embase (1) et une masse mobile (3,5) au moins perpendiculairement à la paroi, cette masse (3,5) étant reliée à l'embase (1) par un diaphragme (4) d'élasticité réglée telle qu'elle définisse avec la masse mobile (3,5) un système vibrant accordé sur ladite composante harmonique dominante. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite fente d'échappement (20) va s 'évasant vers l'extérieur, suivant une loi approximativement exponentielle. 5. Dispositif selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la fente d'échappement (20) est garnie d'un joint en élastomère (2), propre à amortir des mouvements excessifs de la masse mobile. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le diaphragme élastique (4) s'étend sensiblement parallèlement à la paroi. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit organe présente une symétrie générale de révolution autour d'un axe perpendiculaire à la paroi. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'embase (1) est en forme générale de disque, avec un rebord périphérique (11) et un moyeu central (14) sur lequel est pincé en son centre le diaphragme (4) en forme de couronne, tandis que la masse mobile (3,5) est un anneau tubulaire où se pince la périphérie du diaphragme (4), l'anneau tubulaire (3,5) s'étendant jusqu'à proximité du rebord (11) d'embase pour former conjointement avec ce rebord ladite fente (20), ainsi circulaire. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit organe comporte en outre un diaphragme (7) auxiliaire qui repose par sa périphérie sur la tranche supérieure de l'anneau tubulaire (5) et est sollicité en son centre par un moyen réglable (6) vers le moyeu d'embase (14), la sollicitation du diaphragme auxiliaire (7) étant réglée pour l'accord exact sur ladite composante harmonique dominant:c > . 10. Dispositif selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que le moyeu d'embase (14) présente un canal central (16) qui débouche dans la chambre par des orifices radiaux (15), et qui est relié à un ajutage disposé latéralement sur l'embase (1) par un passage radial (17) dans celle-ci. 11. Dispositif pour réduire le bruit rayonné par une paroi externe d'un appareillage vibrant présentant une composante harmonique dominante, comportant une multiplicité d'organes répartis à proximité de la paroi et aptes à émettre des sons de même fréquence que le bruit rayonné, en opposition de phase locale avec celui-ci, caractérisé en ce qu'il comporte une embase (1) rendue solidaire de la paroi et entraînée par elle en vibration et un système résonnant accordable, associant des masses (3,5), des lames élastiques (4,7) et des cavités acoustiques (33) et couplé à l'embase (1) en sorte de moduler en largeur une fente (20), définie par une face de l'embase (1) et une face en regard du système résonnant, les cavités acoustiques (33) communiquant par cette fente avec l'extérieur et étant adaptées à être alimentées en gaz sous pression.