Brevet FR2959341A1 — publié le 20111028

Procédé de traitement des ondes acoustiques émises en sortie d'un turbomoteur d'un aéronef avec un dispositif piézoélectrique et aéronef comprenant un tel dispositif Le domaine de la présente invention est celui de l'aéronautique civile et en particulier, celui de la génération de bruit par les avions. Le bruit généré par les avions civils, notamment au décollage, est une nuisance largement connue et de nombreuses innovations ont été imaginées pour tenter de le réduire. Une des principales sources de ce bruit réside dans le jet des moteurs, qui sont utilisés à leur pleine puissance lors de la phase de décollage. Des travaux importants ont bien évidemment été conduits pour tenter de réduire le bruit du jet des réacteurs, comme par exemple des chevrons en formes en dents de scie pour la tuyère d'éjection, que ce soit pour celle des gaz chauds, en provenance du flux primaire du réacteur, ou celle des gaz dits froids qui sont issus du flux secondaire du moteur. Pour limiter les nuisances subies par les riverains des aéroports, des normes strictes ont été imposées, qui limitent le bruit que l'on peut percevoir en divers points situés autour de l'avion, à différentes distances et dans plusieurs directions par rapport à la piste d'envol. Un des points particulièrement critiques à respecter par les concepteurs d'avions, en termes de bruit maximal admissible pour obtenir la certification d'un avion, se trouve dans une position latérale par rapport à l'avion, à une distance de 450 m de la piste de décollage. La présence du pylône, c'est-à-dire du mât qui supporte le moteur en le rattachant à l'aile, génère localement, au niveau de l'éjection des gaz, des niveaux élevés de turbulence dans l'écoulement, avec pour conséquence une augmentation très significative du bruit latéral du moteur. Ce phénomène est particulièrement aigu pour les configurations où le pylône est proéminent au-delà du plan d'éjection des gaz, ce qui devient une configuration très fréquente sur les avions civils récents. Les résultats de calculs numériques ou de mesures réalisées sur maquette en soufflerie, montrent bien que les effets d'interactions entre le flux circulant autour du pylône et le pylône lui-même génèrent une augmentation notable des niveaux de turbulence et par suite, du niveau de bruit. Une modification importante du développement angulaire du jet radialement autour du pylône peut également être notée, qui tend à orienter le jet du réacteur autour du pylône, en direction de l'aile. Par ailleurs, l'expérience acquise montre que l'introduction du pylône, outre son influence sur l'augmentation du niveau sonore sur une configuration d'éjection conventionnelle, peut également réduire considérablement l'efficacité d'autres dispositifs installés pour réduire le bruit des gaz d'échappement, tels que des chevrons ou des mélangeurs installés sur les tuyères. La présence du pylône introduit ainsi, en termes d'acoustique, un accroissement du bruit d'éjection au point latéral de certification, qui peut varier entre 2 à 3,5 EPNdB (Effective Perceived Noise, ou niveau de bruit effectivement perçu, en décibels) selon le cycle moteur, la taille du pylône et les géométries d'éjection considérées. Les turbulences forment de petites structures tourbillonnaires qui grossissent et rayonnent hors du turbomoteur à basse fréquence et engendrent du bruit. Le besoin de réduire le bruit de jet étant un souci constant des motoristes on voit bien l'intérêt qu'il y a à réduire le bruit à la source, c'est-à-dire en agissant sur les écoulements turbulents locaux autour du pylône. Le potentiel de réduction de bruit apparaît même, in fine, plus important que celui apporté par la mise en oeuvre de chevrons ou de micro jets à la périphérie de la tuyère. Afin d'éliminer au moins certains de ces inconvénients, l'invention concerne un procédé de traitement des ondes acoustiques émises en sortie d'un turbomoteur d'un aéronef, l'aéronef comprenant un dispositif piézoélectrique d'émission d'ondes vibratoires comprenant un élément piézoélectrique, procédé dans lequel on applique un champ électrique à l'élément piézoélectrique dudit dispositif pour former des ondes vibratoires en direction des ondes acoustiques de manière à les atténuer. Grâce au procédé selon l'invention, on contrôle l'émission d'ondes vibratoires en appliquant un champ électrique à l'élément piézoélectrique. Les ondes vibratoires émises interagissent avec les ondes acoustiques du moteur ce qui a pour effet de les atténuer. Un dispositif piézoélectrique présente l'avantage de pouvoir être commandé de manière active pour réguler le bruit issu du turbomoteur, le dispositif étant allumé au décollage et éteint en vol. Pour un moteur monté sur une aile via un pylône, le dispositif piézoélectrique améliore la couche de cisaillement du flux d'éjection qui entre en contact avec le pylône en atténuant l'amplitude des ondes acoustiques émises par le turbomoteur. L'invention concerne également un aéronef comprenant au moins un turbomoteur émettant en sortie des ondes acoustiques et un dispositif piézoélectrique d'émission d'ondes vibratoires configuré pour émettre des ondes vibratoires de manière à atténuer les ondes acoustiques. 10 De préférence, le dispositif piézoélectrique comprend au moins une membrane et au moins un élément piézoélectrique, relié à ladite membrane, agencé pour faire vibrer ladite membrane après application d'un champ électrique audit élément piézoélectrique. La membrane permet de former des 15 ondes vibratoires de fortes amplitudes qui sont adaptées pour atténuer les ondes acoustiques du turbomoteur. Selon un aspect de l'invention, l'aéronef comprenant au moins une aile, le dispositif piézoélectrique est monté sur ladite aile. Ainsi, le dispositif permet 20 d'atténuer les ondes acoustiques d'un turbomoteur qui est monté sur ladite aile. L'atténuation étant réalisée à proximité de la source de bruit, la réduction du bruit est importante. De préférence, le dispositif est intégré en aval du moteur. De préférence, l'aile comprenant une surface supérieure et une surface 25 inférieure, l'aile comprenant des moyens de fixation, reliant le turbomoteur à ladite aile, disposés sur une desdites surfaces, le dispositif piézoélectrique est monté sur la surface de l'aile sur laquelle sont disposés les moyens de fixation. Le dispositif piézoélectrique est monté en regard du turbomoteur ce qui permet d'atténuer de manière directe les ondes acoustiques, à proximité de la source de 30 bruit. Lorsque les ondes acoustiques émises par le moteur entrent en contact avec la surface de l'aile, le dispositif piézoélectrique vibre ce qui atténue l'amplitude desdites ondes acoustiques. De préférence toujours, le dispositif piézoélectrique est intégré à ladite 35 aile de manière à ce que la surface externe de l'aile soit continue. De manière avantageuse, l'intégration du dispositif piézoélectrique ne modifie les dimensions de l'aile qui conserve ainsi ses propriétés aérodynamiques.5 Selon un autre aspect de l'invention, l'aéronef comprenant au moins une aile et un pylône reliant le turbomoteur à ladite aile, le dispositif piézoélectrique est monté sur ledit pylône. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront lors de la description qui suit faite en regard des figures annexées données à titre d'exemples non limitatifs. La figure 1 est une représentation en perspective schématique d'un 10 aéronef selon l'invention dans lequel un dispositif piézoélectrique est intégré à la surface inférieure de l'aile. La figure 2 est une vue en coupe schématique d'une aile d'un aéronef selon l'invention dans lequel un dispositif piézoélectrique est intégré à la surface 15 inférieure d'une aile de l'aéronef Un turbomoteur 1 à double flux dans lequel s'échappent en sortie du turbomoteur un flux d'air primaire, ou flux chaud, et un flux secondaire, ou flux froid, est représenté en référence à la figure 1. En particulier, le turbomoteur 1 20 comporte un capotage extérieur de la veine du flux secondaire 11, un capotage extérieur de la veine du flux primaire 12, et un cône d'échappement 13. Ce dernier délimite avec le capotage extérieur de la veine du flux primaire 12, la tuyère de flux primaire. La veine du flux secondaire est ménagée entre le capotage extérieur de la veine du flux secondaire 11 et le capotage extérieur de la 25 veine du flux primaire 12, et débouche dans la tuyère secondaire. Le turbomoteur 1 est solidarisé à une aile 3 d'un aéronef par l'intermédiaire d'un pylône 2 de support du turbomoteur 1 qui est ici monobloc. En référence à la figure 1 le pylône s'étend longitudinalement d'amont en aval 30 selon l'axe du turbomoteur et comprend une partie supérieure de fixation à l'aile 3 de l'aéronef et une partie inférieure fixation au turbomoteur 1, ladite partie de fixation à l'aéronef étant en aval de la partie de fixation au turbomoteur. Comme représenté sur la figure 1, le turbomoteur 1 est monté en amont 35 de l'aile 3 de l'aéronef, la surface inférieure de la partie amont du pylône 2 comprend des moyens de fixation au turbomoteur, du type ferrure et bielle, qui sont connus de l'homme du métier. De même, la surface supérieure de la partie aval du pylône 2 comprend des moyens de fixation à l'aile 3, du type ferrure et bielle, qui sont connus de l'homme du métier. Selon l'invention, l'aile 3 de l'aéronef comporte un dispositif piézoélectrique 4 d'émission d'ondes vibratoires configuré pour émettre des ondes vibratoires de manière à atténuer les ondes acoustiques. A titre d'exemple, en référence à la figure 2, le dispositif piézoélectrique 4 comprend une membrane 41 et deux éléments vibratoires 42, en matériau piézoélectrique, reliés à ladite membrane 41. Les éléments vibratoires 42 sont reliés à des moyens de génération d'un champ électrique de manière à appliquer auxdits éléments vibratoires 42 un champ électrique variable. De par sa nature, un élément piézoélectrique exerce une contrainte mécanique qui est fonction du champ électrique qui lui est appliqué. Ce phénomène est connu de l'homme du métier sous la désignation « effet piézoélectrique inverse ». Comme la membrane 41 est reliée auxdits éléments vibratoires 42, la membrane 4 est agencée pour vibrer à une fréquence de vibration qui est fonction de la fréquence de variation du champ électrique appliqué auxdits éléments vibratoires 42. Suite à la vibration de la membrane 41, des ondes vibratoires sont émises par le dispositif piézoélectrique 4 dont la fréquence d'oscillation est fonction de la fréquence de vibration de la membrane 41, elle-même fonction de la fréquence de variation du champ électrique. Autrement dit, en commandant la fréquence de variation du champ électrique appliqué aux éléments vibratoires 42, on commande la fréquence d'oscillation des ondes vibratoires émises par le dispositif piézoélectrique 4. Les ondes vibratoires induisent des variations de pression qui viennent limiter la formation de bruit des ondes acoustiques au contact de l'aéronef Les ondes vibratoires émises par le dispositif piézoélectrique 4 interagissent avec les ondes acoustiques émises par le turbomoteur de manière à atténuer leur amplitude ce qui a pour conséquence de limiter le bruit généré par le turbomoteur. En référence aux figures 1 et 2, le dispositif piézoélectrique 4 est intégré à la surface inférieure de l'aile 3 de l'aéronef de manière à atténuer les ondes acoustiques émises par le moteur 1 monté sous l'aile 3. Le dispositif piézoélectrique 4 est ici intégré à ladite aile 3 de manière à ce que la surface externe de l'aile 3 soit continue. Autrement dit, en référence à la figure 2, une cavité est ménagée dans l'aile 3 de manière accueillir le dispositif piézoélectrique 4 afin que la surface externe de la membrane 41 soit continue avec la surface externe de l'aile 3 de manière à conserver les propriétés aérodynamiques de l'aile 3. Le dispositif piézoélectrique 4 est, dans cet exemple, intégré à l'aile 3 mais il va de soit qu'il pourrait également être rapporté sur ladite aile 3. Le dispositif piézoélectrique 4 peut comprendre une pluralité de 10 membranes 41 dont les dimensions, la surface et l'agencement sont fonction de son emplacement sur l'aéronef De même, le nombre et les dimensions d'éléments vibratoires 42 reliés à une même membrane varie en fonction de la nature de la membrane 41 (dimensions, masse, etc.). 15 De même, le champ électrique appliqué aux éléments piézoélectriques 42 peut varier entre deux éléments 42 reliés à une même membrane 41. L'intensité du champ électrique est définie en fonction du nombre et de la nature des éléments piézoélectriques 42 ainsi que de la nature de ladite membrane 41 de manière à former les ondes vibratoires désirées. 20 Selon une forme de réalisation préférée, le dispositif piézoélectrique est configuré pour émettre des ondes vibratoires qui sont déphasées les unes par rapport aux autres de manière à atténuer les ondes acoustiques sur une large bande de fréquences. En émettant des ondes vibratoires, on limite la formation de turbulences issues du turbomoteur qui grossissent lors de leur circulation en aval. On protège alors efficacement le pylône contre les turbulences, une source de bruit importante étant supprimée. 30 Selon une forme de réalisation non représentée, le dispositif piézoélectrique 4 est monté sur le pylône 2 de l'aéronef de manière à atténuer les ondes acoustiques issues du moteur. L'influence du pylône sur le bruit généré est alors directement limitée. On protège ainsi de manière localisée les zones 35 susceptibles de générer du bruit par interaction avec le flux d'éjection du turbomoteur sans affecter les performances aérodynamiques du moteur. Il va de soi que le dispositif piézoélectrique 4 pourrait être directement intégré au pylône 2 de manière à ce que la surface externe du pylône soit continue. Autrement dit, 25 la surface externe de la membrane 41 est continue avec la surface externe du pylône 2 de manière à conserver les propriétés aérodynamiques du pylône 2. De préférence, le dispositif piézoélectrique 4 est allumé au décollage de manière à atténuer le bruit du turbomoteur afin que le niveau de bruit émis respecte les normes en vigueur. De préférence encore, pour limiter la consommation d'énergie, le dispositif piézoélectrique 4 est éteint en vol, plus particulièrement, en régime de croisière. Revendications1. Procédé de traitement des ondes acoustiques émises en sortie d'un turbomoteur (1) d'un aéronef, l'aéronef comprenant un dispositif piézoélectrique (4) d'émission d'ondes vibratoires comprenant un élément piézoélectrique (42), procédé dans lequel on applique un champ électrique à l'élément piézoélectrique (42) dudit dispositif (4) pour former des ondes vibratoires en direction des ondes acoustiques de manière à les atténuer. 2. Aéronef, pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant au moins un turbomoteur (1) émettant en sortie des ondes acoustiques et un dispositif piézoélectrique (4) d'émission d'ondes vibratoires configuré pour émettre des ondes vibratoires de manière à atténuer les ondes acoustiques. 3. Aéronef selon la revendication 2, dans lequel le dispositif piézoélectrique (4) comprend au moins une membrane (41) et au moins un élément piézoélectrique (42), relié à ladite membrane (41), agencé pour faire vibrer ladite membrane (41) après application d'un champ électrique audit élément piézoélectrique (2). 4. Aéronef selon l'une des revendications 2 à 3, dans lequel, l'aéronef comprenant au moins une aile (3), le dispositif piézoélectrique (4) est monté sur ladite aile (3). 5. Aéronef selon la revendication 4, dans lequel, l'aile (3) comprenant une surface supérieure et une surface inférieure, l'aile (3) comprenant des moyens de fixation (2), reliant le turbomoteur à ladite aile (3), disposés sur une desdites surfaces, le dispositif piézoélectrique (4) est monté sur la surface de l'aile (3) sur laquelle sont disposés les moyens de fixation (2). 6. Aéronef selon l'une des revendications 4 à 5, dans lequel, le dispositif piézoélectrique (4) est intégré à ladite aile (3) de manière à ce que la surface externe de l'aile (3) soit continue. 7. Aéronef selon l'une des revendications 2 à 3, dans lequel, l'aéronef comprenant au moins une aile (3) et un pylône (2) reliant le turbomoteur à ladite aile (3), le dispositif piézoélectrique (4) est monté sur ledit pylône (2).35