Brevet FR2877391A1 — publié le 20060505

La présente invention concerne un résonateur de Helmholtz pour une ligne d'échappement, du type comportant une chambre close s'ouvrant seulement par un col de liaison à une conduite de la ligne d'échappement. Les véhicules automobiles à moteur thermique occasionnent, du fait du fonctionnement du moteur, des nuisances sonores. Les moteurs sont, à cet effet, équipés de lignes d'échappement comportant des silencieux d'échappement traversés par les gaz d'échappement, ainsi que des résonateurs de Helmholtz constitués d'une chambre close piquée sur la conduite d'échappement dans laquelle circulent les gaz par l'intermédiaire d'un col de liaison de section réduite par lequel la chambre close du résonateur s'ouvre dans la conduite d'échappement. Le résonateur de Helmholtz constitue un filtre acoustique qui est accordé sur une fréquence particulière donnée par ses dimensions. Ainsi, la fréquence d'accord Fo est donnée par Fo = c 27z s alors que l.V sa bande passante est donnée par B, = Q avec: c = célérité du son (mis) s = section du col du résonateur (m2) 1= longueur du col du résonateur (m) V = volume du résonateur (m3) Q = coefficient de qualité. La fréquence de résonance Fo est donnée par la limite à l'infini de l'impédance de fond du résonateur ramenée à l'embouchure du col. Un tel résonateur est efficace mais celui-ci n'est accordé que sur une fréquence choisie initialement et sa bande passante est étroite. Or, le ré- gime moteur étant variable, les fréquences à filtrer s'étendent sur une très large gamme de fréquences, qu'un résonateur de Helmholtz connu n'est pas susceptible d'atténuer sur toute son étendue. L'invention a pour but de proposer un résonateur de Helmholtz et une ligne d'échappement le comportant permettant d'atténuer les nuisances sonores produites par un moteur thermique sur une large gamme de fréquences. 2877391 2 A cet effet, l'invention a pour objet un résonateur de Helmholtz du type précité, caractérisé en ce qu'il comporte: - un transducteur placé dans la chambre close et propre à convertir une énergie acoustique en une énergie électrique; et - une impédance électrique de charge connectée électriquement aux bornes du transducteur. Suivant des modes particuliers de réalisation, le résonateur de Helmholtz comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - il comporte des moyens de recueil du régime moteur et des moyens de modification de l'impédance électrique de charge en fonction du régime du moteur; l'impédance de charge comporte au moins deux impédances élémentaires, et il comporte des moyens de modification de l'impédance de charge qui comportent des moyens de commutation propres à assurer une connexion sélective des impédances élémentaires aux bornes du transduc- teur, et des moyens de commande des moyens de commutation; - les au moins deux impédances élémentaires sont choisies dans le groupe consistant en une résistance négative, un fil et un montage parallèle d'une inductance et d'un condensateur; - les moyens de modification sont propres à modifier l'impédance sui- vant une fonction constante par morceaux en fonction du régime du moteur; - le transducteur est choisi dans le groupe consistant en un haut-parleur électro-acoustique comprenant une membrane et un électro-aimant et un élément piézoélectrique à membrane; - l'impédance de charge comporte une inductance dont la valeur est supérieure à 10 Henry; la capacité de charge comporte une capacité dont la valeur est supérieure à 10 Farads; et - l'impédance de charge comporte une résistance négative de valeur égale à l'opposé de la valeur de la résistance du transducteur. L'invention a également pour objet une ligne d'échappement sur la-quelle est piqué un résonateur de Helmholtz tel que décrit ci-dessus. 2877391 3 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins, sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'une ligne d'échappement 5 équipée d'un résonateur de Helmholtz selon l'invention; - la figure 2 est un schéma électrique de l'impédance électrique variable mise en oeuvre dans le résonateur de Helmholtz de la figure 1; et - la figure 3 est un graphique montrant l'atténuation en décibels du bruit en fonction de la fréquence par un résonateur selon l'invention. Sur la figure 1 est illustré un moteur 10 relié à une ligne d'échappement 12. Cette ligne d'échappement comporte, comme connu en soi, un conduit d'échappement 14 relié à la sortie du moteur et suivant la longueur duquel est prévu un silencieux 16 traversé de part en part par les gaz d'échappement depuis une entrée 16A jusqu'à une sortie 16B. La ligne d'échappement comporte en outre un résonateur de Helmholtz 18 relié à la conduite 14 au travers d'un piquage ménagé sur celle-ci. Le résonateur de Helmholtz comporte une chambre close 20 formée, par exemple, d'un caisson métallique. Cette chambre close s'ouvre seule-ment par un unique col 22 de liaison à la conduite d'échappement 14. La chambre 20 présente, par exemple, une paroi latérale cylindrique obturée, d'un côté, par un fond plein et, de l'autre côté, par une paroi pleine au travers de laquelle débouche le col 22. Le col 22 est formé d'un conduit de section très inférieure à celle de la chambre 20 et de longueur prédéterminée. Selon l'invention, un transducteur 24 est disposé dans la chambre close 20. Ce transducteur est, comme connu en soi, adapté pour transformer une grandeur mécanique en une grandeur électrique. En l'espèce, le transducteur est propre à transformer des ondes acoustiques en un courant électrique. Suivant un premier mode de réalisation, le transducteur est formé 30 d'un haut parleur électro-acoustique comprenant une membrane et un électroaimant. 2877391 4 Suivant un autre mode de réalisation, le transducteur est formé d'un élément piézoélectrique à membrane, couramment désigné par l'acronyme anglais PVDS pour "Polyvinylidene fluoride" . Le résonateur de Helmholtz comporte en outre une impédance 26 reliée électriquement aux bornes du transducteur 24 pour former un circuit électrique fermé. Cette impédance 26 est, de préférence, variable. Ainsi, le résonateur de Helmholtz comporte une unité de traitement d'informations 28 propre à assurer la modification de la valeur de l'impédance variable 26. Cette unité de traitement d'informations est reliée à un capteur de régime moteur 30 placé, par exemple, sur le vilebrequin du moteur. Le capteur de régime 30 est formé par exemple d'un convertisseur fréquence/tension. De manière générale, dans une telle installation, le transducteur 24 constitue une impédance mécanique Zm s'exprimant sous la forme: Zn, =f+ j(mw K) w où : f = l'amortissement visqueux de la membrane; m = masse de la membrane; k = raideur; et w = pulsation. L'impédance électrique du haut-parleur est donnée par ZHP RHP + jLHPw. L'impédance Ze résultant de l'association de l'impédance électrique du haut-parleur ZHP et de l'impédance électrique 26 dont la valeur est notée Zext est donnée par Ze = Zex1 + ZHP = R + jX. L'impédance mécanique Z'm du transducteur chargé de l'impédance électrique Ze est donnée par: Zm = f + j(mw K)+ B212 w Ze ce qui donne alors: B212R K B212X = f + 2 + j(mw R +X w R2 +x2). En fonction des valeurs choisies pour l'impédance électrique 26 de valeur Zext, l'impédance mécanique Z', peut être considérablement modifiée. Les tableaux qui suivent illustrent plusieurs cas d'impédance électri- que associée au transducteur. Les cas 1 à 6 correspondent aux formes suivantes pour l'impédance 26: Cas 1: transducteur en boucle ouverte; Cas 2: transducteur en court-circuit; Cas 3: impédance formée d'une résistance négative; Cas 4: impédance formée d'une résistance négative en série avec une bobine d'inductance Lext; Cas 5: impédance formée d'une résistance négative en série avec un condensateur de capacité Cext; Cas 6: impédance formée d'une résistance négative en série avec une bobine d'inductance Lext et un condensateur de capacité Cext. tel O 3 4 5 6 Cas 1 2 1 j Zext = ao Zut = 0 Z ext = R Ze = R* + JLertw z e = R Ze = R + J(Lext ) est j C W ext f f f f f BZlzRHP f + 2 2 w2 RHP + LHP n n1 B212C 2 2 B l Cext 111 t 111 B212L HP 711 112 2 2 L C 0)2 1 (LHP + LeYt)CextW -1 HP ex[ 711 2 +LHP RHP K K K K+B212 B212 K K K+ (LHP + Lext) LHP Tableau 1: Différents cas généraux possibles et expressions correspondantes des paramètres mécaniques J(Lextw ) CeG1 =R O D o CL CD CD CD C1 CU C/) CD Cf) C7 C/) iv o o C â) D cn + ILexr Po B212 1- (1) RHP e = R =0 111 B21LHP (1) RH2P ln B 212 + LHP nl B212 K+ (LHP + Lezr) n1 LHPCeztw2 >->- m + B212Cext LHPCextw2 - 1 B212 K+ > LHPCestW 2 >-5- 1 , LHPCe CV 2 -e- K Lep ni --(LHP + Lit)Ctw2 r>- 1 111+B212Cext (L1,P+Lext)Cext()2 - 1 2877391 7 Sur la figure 2 est représenté un exemple de réalisation d'une impédance variable 26. Celle-ci comporte un ensemble d'impédances élémentaires associées à des moyens de commutation assurant la connexion sélective des impédances élémentaires sous la commande d'une unité de pilo- tage 32 reliée à l'unité de traitement d'informations 28. PlEus précisément, l'impédance 26 comporte un module 34 constitué d'une inductance montée en parallèle avec une capacité. La valeur de l'inductance a avantageusement une valeur supérieure à 10 Henry et de préférence supérieure à plusieurs dizaines de Henry. De même, la capacité a avantageusement une valeur supérieure à 10 Farads et, de préférence supérieure à plusieurs dizaines de Farads. Ce module 34 est relié en série avec une résistance négative 36 entre les bornes du transducteur 24. Un interrupteur commandé 38 est connecté en parallèle sur le module 34. De même, une seconde résistance négative 40 associée en série avec un interrupteur commandé 42 est montée en parallèle au module 34. Enfin, un interrupteur commandé 44 est monté en parallèle à la résistance négative 36. Les résistances négatives sont formées, comme connu en soi, à partir d'amplificateurs opérationnels. De préférence, la valeur de la résistance né- gative est égale à l'opposé de la valeur de la résistance RHF du transducteur. Les moyens de pilotage 32 sont propres à assurer l'ouverture ou la fermeture des interrupteurs commandés 38, 42, 44 en fonction du régime moteur relevé par le capteur 30, par exemple conformément à la table de décodage figurant ci-dessous: 38 42 44 avant la 1 ere commutation Ouvert Ouvert Ouvert de la 1ere à la 2nde commutation. Fermé X Fermé de la 2nde à la 3ème commutation Ouvert Fermé Fermé après la 3eme commutation Ouvert Ouvert Ouvert Table 1: Table de décodage Ainsi, pour les fréquences inférieures à la première fréquence de commutation, par exemple égale à 20 Hz, le tr ansducteur 24 est connecté depuis ses bornes à la résistance négative 36 montée en série avec le mo- dule 34 constitué d'une inductance et d'une capacité en parallèle. 2877391 8 De la première fréquence de commutation à la deuxième fréquence égale par exernple à 80 Hz, l'impédance électrique de charge du transducteur 24 est un court-circuit. De la deuxième fréquence de commutation à la troisième fréquence de commutation, par exemple égale à 100 Hz, l'impédance de charge est formée de la résistance négative 40 montée en parallèle avec le module 34 constitué d'une inductance et d'une capacité en parallèle. Pour les régimes moteurs supérieurs à la troisième fréquence, l'impédance de charge est formée, comme pour les fréquences inférieures à la première fréquence de commutation, par la résistance négative 36 en série avec le module 34. La figure 3 représente, sur un même graphique, les trois courbes d'atténuation acoustique obtenues en fonction de la fréquence avec les trois types d'impédance de charge mises en oeuvre sous la commande des moyens de pilotage 32. Ainsi, la courbe Il correspond à l'atténuation obtenue lorsque l'impédance de charge est la résistance négative 36 en série avec le module 34, la courbe 12 correspond à l'atténuation obtenue lorsque l'impédance de charge est un court-ciircuit, et la courbe 13 correspond à l'atténuation obtenue lors- que l'impédance de charge est la résistance négative 40 montée en parallèle avec le module 34. La courbe 14 illustre l'atténuation obtenue grâce à la modification de l'impédance de charge en fonction du régime moteur, cette commutation s'effectuant lors des trois fréquences de commutation indiquées. On constate que l'adjonction d'impédances électriques variables commutées aux fréquences souhaitées permet de relever les niveaux d'atténuation dans une forte proportion à partir de 80 Hz. Le gain est de 13 dB par exemple à 130 Hz environ. Un tel résonateur de Helmholtz peut être avantageusement utilisé dans une ligne d'échappement d'un moteur mais aussi dans une ligne d'admission d'un rnoteur. 2877391 9 REVENDICATIONS 1.- Résonateur de Helmholtz (18) comportant une chambre close (20) s'ouvrant seulement par un col (22) de liaison à une conduite (14), caractérisé en ce qu'il comporte: - un transducteur (24) placé dans la chambre close (20) et propre à convertir une énergie acoustique en une énergie électrique; et - une impédance électrique de charge (26) connectée électriquement aux bornes du transducteur (24). 2.- Résonateur de Helmholtz selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (30) de recueil du régime moteur et des moyens de modification (28) de l'impédance électrique de charge (26) en fonction du régime du moteur (30). 3.- Résonateur de Helmholtz selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'impédance de charge (26) comporte au moins deux impédan- ces élémentaires (34, 36, 40), et en ce qu'il comporte des moyens (28) de modification de l'impédance de charge (26) qui comportent des moyens de commutation (38, 42, 44) propres à assurer une connexion sélective des impédances élémentaires (34, 36, 40) aux bornes du transducteur (24), et des moyens (32) de commande des moyens de commutation (38, 42, 44). 4.- Résonateur de Helmholtz selon la revendication 3, caractérisé en ce que les au moins deux impédances élémentaires sont choisies dans le groupe consistant en une résistance négative (36, 40), un fil et un montage parallèle (34) d'une inductance et d'un condensateur. 5.- Résonateur de Helmholtz selon la revendication 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que les moyens de modification (28) sont propres à modifier l'impédance suivant une fonction constante par morceaux en fonction du régime du moteur (30). 6.- Résonateur de Helmholtz selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le transducteur (24) est choisi dans le groupe consistant en un haut-parleur électro-acoustique comprenant une membrane et un électro-aimant et un élément piézoélectrique à membrane. 2877391 10 7.- Résonateur de Helmholtz selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'impédance de charge (26) comporte une inductance (34) dont la valeur est supérieure à 10 Henry. 8.- Résonateur de Helmholtz selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que la capacité de charge (26) comporte une capacité (34) dont la valeur est supérieure à 10 Farads. 9.- Résonateur de Helmholtz selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'impédance de charge (26) comporte une résistance négative (36, 40) de valeur égale à l'opposé de la va- leur de la résistance du transducteur. 10.- Ligne d'échappement comportant une conduite d'échappement (14) sur laquelle est piqué un résonateur de Helmholtz (18), caractérisée en ce que le résonateur de Helmholtz (18) est suivant l'une quelconque des revendications précédentes.