Brevet FR2744689A1 — publié le 19970814

INSTALLATION POUR LA RéDUCTION DU BRUIT D'ORIGINE aERODYNaMIQUE DANS LES HABITACLES DE VEHICULES RAPIDES La présente invention concerne une installation pour la réduction du bruit d'origine aérodynamique dans les habitacles de véhicules rapides, ces véhicules comportant extérieurement des parties saillantes ou rentrantes à l'origine d'importantes fluctuations de pression pariétale dans les zones de décollement et dans les zones de recollement de l'écoulement relatif de l'air, fluctuations ellesmemes à l'origine de bruits à l'intérieur de l'habitacle. Ces véhicules rapides pourront être notamment des automobiles, des aéronefs ou des rames ferroviaires. Si l'on considere par exemple une automobile, les bruits perceptibles dans l'habitacle, et qui nuisent au confort des passagers, ont quatre composantes principales: - le bruit engendré par les moyens de propulsion, incluant le moteur, les organes de transmission et l'échappement - le bruit des contacts entre les pneumatiques et la route - le bruit de certains appareillages, comme celui de la ventilation ou celui de la climatisation - le bruit d'origine aérodynamique, le plus difficile à maitriser à grande vitesse. Le but de la présente invention est de réduire cette dernière composante du bruit, qui se manifeste de la façon suivante : l'écoulement relatif de l'air par rapport au véhicule décolle de la paroi, délimitant avec elle une bulle de décollement, puis y recolle, du fait de la présence des parties saillantes ou rentrantes extérieures du véhicule ; il en résulte d'importantes variations de la pression pariétale dans les zones décollées et tourbillonnaires de l'écoulement, surtout au voisinage des lignes de recollement. Ces variations excitent la vibration des parois de l'habitacle, engendrant du bruit à l'intérieur de ce dernier.La pression sonore à l'intérieur de l'habitacle est donc proportionnelle aux variations de la pression pariétale à l'extérieur, elles-mêmes proportionnelles au produit de la vitesse de l'écoulement par les variations locales de vitesse, d'une part, et dépend de la rigidité des parois, d'autre part. Sur les automobiles aux formes aérodynamiques les plus récentes, les zones de décollement les plus importantes se produisent au voisinage des vitres latérales avant, en aval des montants du pare-brise. Pour limiter le décollement de l'écoulement sur les vitres, on rend les jonctions entre le pare-brise et les montants et entre les montants et les vitres les plus lisses possibles, mais il est impossible d'éviter la partie saillante que constitue la forte courbure de la surface extérieure du véhicule au niveau de ces montants, et par suite on ne peut de la sorte éviter d'importants décollements de l'écoulement au niveau des vitres avant. Pour améliorer la rigidité des parois, certains constructeurs pensent augmenter l'épaisseur des vitres avant ou utiliser des doubles vitrages, ce qui effectivement permet de limiter la transmission des vibrations à l'intérieur de l'habitacle. Cette solution présente cependant l'inconvénient d'augmenter notablement le poids total du véhicule. La présente invention se propose d'atteindre le but visé par de tout autres moyens, en supprimant ou au moins en atténuant le bruit d'origine aérodynamique à sa source, ceci en évitant ou en limitant les décollements de l'écoulement relatif de l'air aux vitesses élevées, ce qui permettra accessoirement de réduire la traînée. A cet effet, une installation du type général défini au début est caractérisée en ce qu'elle comporte, en aval et/ou en amont desdites parties saillantes ou rentrantes (une partie rentrante étant une région dans laquelle la section transversale du véhicule diminue de l'avant vers l'arrière), des fentes de soufflage ou d'aspiration reliées à des gaines intérieures dans lesquelles est produit un écoulement d'air, cet écoulement pouvant être naturel ou assisté par une ventilation mécanique. Le choix entre l'aspiration et le soufflage dépendra essentiellement des caractéristiques de forme du véhicule au niveau des fentes considérées, ainsi que des résultats obtenus au cas par cas. Trois modes de fonctionnement sont en fait mis en oeuvre dans les dispositifs proposés - les fentes de soufflage en aval d'une partie saillante ont pour fonction de remplir d'air la bulle de décollement et d'éviter la formation du tourbillon et des instabilités d'écoulement associées ; - les fentes d'aspiration en amont d'une partie saillante ont pour fonction d'aspirer la couche limite de façon b éviter ou à limiter le décollement de l'écoulement et son instabilité - les fentes d'aspiration en aval d'une partie saillante ont pour fonction d'aspirer l'écoulement de recirculation de façon à diminuer l'importance de la bulle de décollement et l'instabilité de la zone de recollement. La description qui va suivre montrera, à titre d'exemples nullement limitatifs, les positionnements relatifs possibles de ces fentes par rapport aux parties saillantes ou rentrantes du véhicule, dans le cas d'un véhicule automobile. Cette description est faite avec référence aux figures du dessin ci-annexé dans lequel - la figure 1 est une vue en coupe horizontale partielle d'une carrosserie de véhicule automobile au niveau et à mi-hauteur d'un montant latéral de pare-brise - la figure 2 est une vue en perspective partielle, de 3/4 avant de cette carrosserie - la figure 3 montre une possibilité d'agencement intérieur d'une gaine reliée à une fente - la figure 4 montre schématiquement une boucle de contrôle commandant l'ouverture d'une vanne équipant une gaine - la figure 5 est une vue en coupe verticale et axiale partielle de la carrosserie au niveau du bord avant du toit, à la jonction avec le bord supérieur du pare-brise; - la figure 6 est une vue en coupe verticale et axiale partielle de la carrosserie, du bord avant du toit à sa partie médiane ; - la figure 7 est une vue en coupe transversale partielle de la carrosserie en bordure du toit, en haut des vitres avant - la figure 8 est une vue en coupe verticale et axiale partielle de la carrosserie au niveau du bord arrière du toit, à la Jonction avec le bord supérieur de la lunette arrière - la figure 9 est une vue en coupe verticale et axiale partielle de la carrosserie, montrant une fente de soufflage ou d'aspiration au pied de la lunette arrière - la figure 10 est une vue en coupe horizontale partielle de la carrosserie montrant une fente de soufflage débouchant en aval d'un montant latéral de la lunette arrière ; et - la figure 11 est une vue en coupe horizontale d'un rétroviseur extérieur de portière équipé d'une gaine de soufflage. Sur la figure 1 le pare-brise a été référencé en 1, et une vitre latérale avant en 2 ; la flèche F montre le sens de l'écoulement relatif de l'air par rapport au véhicule supposé en marche avant. Le montant qui relie le pare-brise à la vitre a été référencé en 3 et contient au moins une gaine de soufflage 4 débouchant à l'extérieur en aval du montant 3, par une fente d'éjection 5. A titre d'exemple, cette fente peut faire de l'ordre de 5 à 20 - de largeur sur 100 à 300 mm de longueur environ, un ordre de grandeur de sa section étant 10 cm2, qui est donc la section minimale de la gaine 4 dans le montant 3 ainsi qu'en amont. Le soufflage d'air à ce niveau, avec un débit et une vitesse appropriés (par exemple de 18 à 54 l/s et de 10 à 40 m/s respectivement), permet, en remplissant l'espace dépressionnaire proche de la vitre latérale, d'éviter la formation de la bulle de recirculation habituelle. Comme les variations locales de vitesse, dont il a été question plus haut, sont typiquement dix fois plus faibles dans une couche limite normalement développée que dans une zone de décollement, le potentiel de réduction du bruit à sa source est théoriquement de 20 db (20.log 10). Dans la pratique on pourra obtenir une réduction du bruit dans l'habitacle de l'ordre de 5 à 10 db. Le soufflage de l'air dans la gaine, pour produire son éJection par la fente 5 (selon la flèche f) peut être naturel, grâce à un prélèvement par une prise (28) dans une zone de pression plus élevée (surpression), située par exemple à l'avant du véhicule. De même, l'aspiration de l'air par une fente peut être naturelle si la prise d'air est située dans une zone de pression plus faible (dépression). D'une façon générale, l'écoulement d'air peut aussi être assuré par une ventilation mécanique dans les gaines. Au niveau des mêmes montants 3, on peut mettre en oeuvre une fente d'aspiration débouchant soit en amont des montants, pour y diminuer l'épaisseur de la couche limite, soit en aval pour diminuer et/ou stabiliser la recirculation dans la bulle (disposition non représentée). Les caractéristiques de l'écoulement peuvent être alors sensiblement différentes des précédentes, avec une vitesse d'aspiration inférieure - de l'ordre de 4 à 10 m/s, due à une largeur de fente plus grande, de l'ordre de 20 à 50 mm. Plutôt qu'une fente telle que la fente 5, il est également possible de mettre en oeuvre plusieurs fentes 6, 6', comme représenté à la figure 2, ces fentes, de dimensions éventuellement différentes, pouvant être alimentées par des gaines 7, 7' distinctes alimentées par des entrées d'air différentes, de sorte à optimiser la répartition des pressions et des débits notamment au voisinage des vitres avant 2. Il est encore possible, dans une disposition non représentée, de disposer des fentes de soufflage ou d'aspiration débouchant en aval du bord des vitres avant 2, entre les portières avant et arrière, en aval ou en amont d'un montant 11. On conçoit que l'écoulement de l'air dans les gaines 4 (ou 7, 7') doit lui-même être peu turbulent. C'est pourquoi, comme représenté à la figure 3, il est proposé d'équiper les gaines des dispositifs anti-turbulence usuels, référencés en 8, 9 et 10. L'installation peut fonctionner en mode passif, avec une ventilation naturelle et sans contrôle de l'écoulement dans les gaines, auquel cas les fentes 5 soufflent ou aspirent des débits préréglés optimisés en fonction de mesures du bruit interne à l'habitacle, effectuées å différentes vitesses. Cette installation peut aussi fonctionner en mode actif, par intervention sur un ventilateur ou une vanne d'ouverture, disposés dans la gaine et réglables en permanence et de façon automatique, ceci pour minimiser le parametre intéressé, le niveau de bruit aux oreilles du conducteur ou des autres passagers. Ce type de fonctionnement en mode actif apparaît particulièrement intéressant lorsque l'on considère la possibilité qu'un vent latéral se combine avec la vitesse du véhicule, ce qui donne à l'écoulement relatif de l'air un certain angle par rapport au plan de symétrie du véhicule. Le contrôle actif permet alors d'en tenir compte en commandant des débits d'air différents des deux côtés de ce véhicule. Dans la représentation schématique de la figure 4 on a référencé en 12 un microphone, placé par exemple dans un appui-tête. Le signal de ce microphone est traité par un ordinateur 13 pour régler une vanne ou un ventilateur 14 de la gaine 4, de façon à minimiser le bruit. Entre le mode actif et le mode passif on peut estimer le gain en atténuation b 5 db. Aux figures 5 et 6 on a montré la mise en oeuvre de fentes de soufflage ou d'aspiration 15 et 16 (fentes de soufflage dans le cas des figures), en aval du bord avant 17 du toit 18, ce bord pouvant lui aussi causer des zones de décollement de l'écoulement en aval. L'air peut être aspiré ou soufflé entre dix et soixante cm en arrière du bord 17, dans le cas de la fente 16, qui peut avoir de 20 à 100 mm de large, sur 300 à 600 mm de long. S'agissant d'une fente de grandes dimensions, elle sera de préférence recouverte d'une grille ou d'une paroi poreuse (non représentées). Dans la figure 7 on a représenté la mise en oeuvre possible de fentes de soufflage ou d'aspiration, telles que la fente 19 en bordure latérale du toit 18, à la jonction avec la vitre latérale avant 2. A la figure 8 on a représenté la mise en oeuvre possible d'une autre fente de soufflage ou d'aspiration 20 débouchant légèrement en arrière de la bordure du toit, à la jonction avec la lunette arrière 21, ceci pour stabiliser l'écoulement d'air le long de cette lunette. A titre complémentaire et comme représenté à la figure 9, on peut prévoir dans le même but une autre fente de soufflage ou d'aspiration 22 au pied de la lunette arrière 21. Des décollements pouvant aussi se produire derrière la lunette arrière 21, zone qui correspond à ce que l'on a appelé plus haut une partie rentrante du véhicule, on peut encore prévoir, comme représenté à la figure 10, des fentes de soufflage ou d'aspiration 23 débouchant en aval des montants arrière de l'habitacle, ou, non représentées, des fentes d'aspiration débouchant en amont des montants. Sur un véhicule automobile les rétroviseurs extérieurs de portière sont la cause de fortes turbulences, et donc d'importantes variations de pression constituant des sources de bruit supplémentaire dans l'habitacle, outre qu'ils augmentent la traînée. Ils sont souvent montés mobiles dans un support profilé 24, comme représenté à la figure 11, une fente périphérique 25 étant donc prévue pour permettre cette mobilité, entre l'extrémité de ce support et les bords du rétroviseur 26. On peut par conséquent utiliser cette fente pour le soufflage ou l'aspiration d'air autour du rétroviseur, en installant une gaine 27 à l'intérieur du support 24. Les dimensions des différentes fentes ainsi que les caractéristiques des écoulements d'air dans ces fentes (aspiration ou soufflage, débit, vitesse) seront fonction de leur disposition sur le véhicule, ainsi que des caractéristiques de forme de la carrosserie et de la vitesse de croisière de ce véhicule. Typiquement, ces fentes auront une largeur de l'ordre de 1 à plusieurs mm en cas de soufflage et de l'ordre de 1 à plusieurs cm en cas d'aspiration, avec une longueur comprise entre environ 5 et 30 cm. La vitesse de l'air traversant les fentes sera de l'ordre de 2 à 40 m/s en aspiration ou en soufflage, et leur débit maximum d'environ 1,5 m3/s sur l'ensemble des fentes, pour un véhicule se déplaçant à une vitesse de croisière de 36 m/s (130 km/h environ). Le tableau ci-annexé fournit, à titre purement illustratif et sans aucun caractère limitatif, l'indication de ces différents paramètres pour différentes fentes prévues sur un véhicule automobile classique. Dans ce tableau, 1 désigne la largeur de fente et L sa longueur. Le débit d'air est désigné D et sa vitesse v'; AV désigne l'avant du véhicule, et AR l'arrière. Nombre Implantation Type I(mm) l(mm) D(L/s) v'(m/s) de fentes Montant AV aval souffage 5 à 20 100 à 300 18 à 54 10 à 40 1 à 3 Montant AV amont aspiration 20 à 50 100 à 300 18 à 54 4 à 10 1 à 3 Toit latéral AV souffage 5 à 20 100 à 300 18 à 54 10 à 40 1 à 3 Toit latéral AV aspiration 20 à 100 100 à 300 18 à 54 2 à 10 1 à 3 Rétroviseur souffage 5 400 (pourtour) 70 à 200 40 1 ou 2 Rétroviseur aspiration 20 à 40 400 (pourtour) 70 5 à 10 1 ou 2 Toit AV transversal souffage 5 à 20 2 fois 100 à 600 2 fois 18 à 100 10 à 40 2 fois 1 à 3 Toit milieu aspiration 20 à 100 2 fois 100 à 600 2 fois 18 à 100 2 à 10 2 fois 1 à 3 Toit AR transversal souffage 5 à 20 2 fois 100 à 600 2 fois 18 à 100 10 à 40 2 fois 1 à 3 Base lunette AR aspiration 20 à 100 2 fois 100 à 600 2 fois 18 à 100 2 à 10 2 fois 1 à 3 Montant AR aval souffage 5 à 20 100 à 300 18 à 54 10 à 40 1 à 3 Montant AR amont aspiration 20 à 50 100 à 300 18 à 54 4 à 10 1 à 3 REVENDICATIONS 1. Installation pour la réduction du bruit d'origine aérodynamique dans les habitacles de véhicules rapides, ces véhicules comportant extérieurement des parties saillantes ou rentrantes à l'origine d'importantes fluctuations de pression pariétale dans les zones de décollement et dans les zones de recollement de l'écoulement relatif de l'air, fluctuations elles-mêmes à l'origine de bruits à l'intérieur de l'habitacle, caractérisée en ce qu'elle comporte, en aval d'une partie saillante, des fentes de soufflage reliées à des gaines intérieures (4, 7, 24) dans lesquelles est produit un écoulement d'air, ces fentes ayant pour fonction de remplir d'air la bulle de décollement et d'éviter la formation du tourbillon et des instabilités d'écoulement associées. 2. Installation pour la réduction du bruit d'origine aérodynamique dans les habitacles de véhicules rapides, ces véhicules comportant extérieurement des parties saillantes ou rentrantes à l'origine d'importantes fluctuations de pression pariétale dans les zones de décollement et dans les zones de recollement de l'écoulement relatif de l'air, fluctuations elles-mêmes à l'origine de bruits à l'intérieur de l'habitacle, caractérisée en ce qu'elle comporte, en amont d'une partie saillante, des fentes d'aspiration reliées à des gaines intérieures (4, 7, 24) dans lesquelles est produit un écoulement d'air, ces fentes ayant pour fonction d'aspirer la couche limite de façon à éviter ou à limiter le décollement de l'écoulement et son instabilité. 3. Installation pour la réduction du bruit d'origine aérodynamique dans les habitacles de véhicules rapides, ces véhicules comportant extérieurement des parties saillantes ou rentrantes à l'origine d'importantes fluctuations de pression pariétale dans les zones de décollement et dans les zones de recollement de l'écoulement relatif de l'air, fluctuations elles-mêmes à l'origine de bruits à l'intérieur de l'habitacle, caractérisée en ce qu'elle comporte, en aval d'une partie saillante, des fentes d'aspiration reliées à des gaines intérieures (4, 7, 24) dans lesquelles est produit un écoulement d'air, ces fentes ayant pour fonction d'aspirer l'écoulement de recirculation de façon à diminuer l'importance de la bulle de décollement et l'instabilité de la zone de recollement. 4. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit écoulement d'air est produit naturellement gracie à une prise d'air (28) située dans une région en surpression ou en dépression. 5. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit écoulement d'air est produit ou assisté par une ventilation mécanique. 6. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les gaines sont pourvues d'un organe de contrôle de débit tel qu'une vanne (14) ou un ventilateur, caractérisée en ce que ledit organe est contrôlé par un ordinateur (13) recevant ses signaux. d'entrée d'un microphone (12) disposé à l'intérieur dudit habitacle. 7. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdites gaines contiennent des dispositifs anti-turbulences (8, 9, 10). 8. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des fentes disposées en un ou plusieurs des emplacements suivants - (5) à l'avant du véhicule, notamment au niveau des montants (3) aux jonctions latérales entre le pare-brise (1) et les portières avant (2), et (15) à la jonction transversale (17) entre ledit pare-brise (1) et le toit (18) de l'habitacle - à l'arrière du véhicule, notamment (23) aux jonctions latérales entre la lunette arrière (21) et la carrosserie, et (20) à la jonction transversale entre ladite lunette (21) et ledit toit (18). 9. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des fentes disposées en un ou plusieurs des emplacements suivants - (16) dans le toit (18) de l'habitacle, en aval à quelques dizaines de cm de la jonction transversale (17) entre le pare-brise (1) et ledit toit (18) - (19) sur les côtés dudit toit (18), à la jonction latérale entre celui-ci et les vitres avant (2) - (22) au pied de la lunette arrière (21). 10. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdites fentes ont les dimensions suivantes - de l'ordre de 1 à plusieurs mm de largeur pour les fentes de soufflage, et de l'ordre de 1 à plusieurs cm de largeur pour les fentes d'aspiration - de l'ordre de 5 à 30 cm de longueur. 11. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les caractéristiques des écoulements à travers lesdites fentes sont les suivantes - vitesse de 2 à 40 m/s environ - débit total de O à 1,5 m3/s environ, pour un véhicule se déplaçant à une vitesse de croisière de l'ordre de 36 m/s. 12. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, destinée à équiper un véhicule automobile à rétroviseur latéral de portière, caractérisée en ce que le support (24) de ce rétroviseur (26) contient une gaine (27) propre à souffler ou à aspirer l'air à travers une fente (25) entourant ledit rétroviseur (26) à l'extrémité dudit support.