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Article

1 - CONTEXTE

  • 1.1 - Contexte réglementaire (directives européennes)
  • 1.2 - Contexte technique

2 - RAPPELS FONDAMENTAUX D’ACOUSTIQUE

3 - DESCRIPTION DES SILENCIEUX

4 - CARACTÉRISATION DES SILENCIEUX

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

7 - SYMBOLES

Article de référence | Réf : BM6116 v1

Rappels fondamentaux d’acoustique
Transmission de puissance pneumatique - Caractérisation acoustique des silencieux d’échappement

Auteur(s) : Xavier CARNIEL, Said CHABANE, Sylvie SESMAT

Date de publication : 10 nov. 2020

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NOTE DE L'ÉDITEUR

Cet article est un hommage de la profession des transmissions pneumatiques à Daniel HUBERT †, qui en avait rédigé une première ébauche. Les auteurs se sont efforcés d’en conserver l’esprit.

23/11/2020

RÉSUMÉ

Cet article traite de la caractérisation acoustique des silencieux utilisés dans les systèmes de transmission de puissance pneumatique pour réduire le niveau sonore des échappements. L’un des critères de choix du silencieux est de ne pas détériorer les performances de la machine sur laquelle il est monté. Pour cette raison, les méthodologies décrites dans cet article et ayant conduit à la norme NF ISO 20145 reposent sur une caractérisation acoustique conjointe à la caractérisation en débit du silencieux. Les rappels d’acoustique nécessaires, ainsi que le rôle et la technologie des différents types de silencieux, sont donnés. Enfin, des exemples de caractérisation de différents silencieux illustrent le propos.

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Auteur(s)

  • Xavier CARNIEL : Docteur en acoustique, - Cetim, Senlis, France

  • Said CHABANE : Docteur en mécanique des fluides, - Fluide MECA, Nantes, France

  • Sylvie SESMAT : Docteure ingénieure en transmissions pneumatiques, - Laboratoire Ampère, INSA Lyon, Villeurbanne, France

INTRODUCTION

Dans les systèmes de transmission de puissance pneumatique, la puissance est transmise par de l’air ou un gaz sous pression dans un circuit qui permet le fonctionnement de machines simples ou complexes. Les niveaux de bruit excessifs associés à l'utilisation d'air comprimé sont en général causés par la détente d'air sous pression dans l'atmosphère. Les sources de bruit les plus courantes sont donc les échappements pneumatiques et les jets d'air comprimé. Les échappements pneumatiques sont prévus sur une large gamme de machines et d'outils uniquement dans le but de dissiper l'air comprimé après que celui-ci ait effectué son travail. Bien que certains échappements pneumatiques soient en fonctionnement continu (par exemple ceux des meules à main), la majorité d'entre eux travaillent sur une base intermittente dictée par le cycle de fonctionnement de la machine ou de l'outil.

La réduction des niveaux sonores des échappements pneumatiques se fait principalement par l’utilisation de silencieux installés sur les machines. En effet, le bruit des échappements d’air est dû aux fortes zones de turbulence qui sont créées dans le jet d’air à la sortie de l’orifice en raison de la grande différence de pression avec l'air ambiant. Les silencieux ont justement pour fonction de rendre cette transition plus régulière en réduisant cet écart de pression, mais sans générer une contre-pression trop importante en amont dans le dispositif pneumatique.

Les directives européennes concernant le bruit industriel, d’une part réglementent les aspects présentant des risques pour la santé dont ceux liés au bruit, à prendre en compte par les fabricants lors de la conception d’une machine et, d’autre part fixent des prescriptions minimales permettant l’amélioration du milieu de travail, comme notamment des valeurs limites d’exposition sonore quotidienne. Cependant, les silencieux pneumatiques ne sont pas directement soumis aux directives, et il existe très peu d’informations disponibles sur leurs performances acoustiques.

C’est ainsi qu’il est apparu nécessaire de fournir aux fabricants de silencieux un cadre commun pour l’évaluation des niveaux de pression acoustique des silencieux d’échappement pneumatiques, et que la norme ISO 20145 a vu le jour. Son but est d’éclairer les fabricants de machines dans le choix des silencieux d’échappements pneumatiques et d’aider à l’évaluation de l’exposition au bruit des opérateurs.

Il est à noter que, lors de l'installation de silencieux pneumatiques, il faut rester attentif à l'effet que ceux-ci auront sur le flux d'air, de façon à ne pas réduire la capacité de travail de l'air comprimé, en raison de la contre-pression introduite. C’est pourquoi, conjointement à la caractérisation acoustique, il est proposé que la caractérisation en débit des silencieux soit effectuée dans les mêmes conditions expérimentales sur des bancs de mesures communs.

Le plan thématique retenu pour cet article permet dans une première partie de rappeler le contexte réglementaire concernant les émissions acoustiques, ainsi que le contexte technique aboutissant à l’utilisation de silencieux. Puis, dans un but didactique, les fondamentaux d’acoustique sont rappelés, ainsi que la description des différents bruits apparaissant lors de l’échappement d’air comprimé sous la forme de jets libres supersoniques sous-détendus. La troisième partie est consacrée à la description technique des silencieux, ainsi qu’aux critères permettant leur choix. Enfin, les méthodes de caractérisation acoustique et pneumatique sont introduites et illustrées avec des résultats expérimentaux concernant différents types de silencieux, qui permettent de mettre en évidence la difficulté de caractérisation de certains types particuliers.

Le lecteur trouvera en fin d'article un sommaire et un tableau des symboles utilisés.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-bm6116


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2. Rappels fondamentaux d’acoustique

2.1 Le son

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2.1.1 Phénomène physique

L’acoustique fait appel aux phénomènes ondulatoires et à la mécanique vibratoire. Le son est en effet une onde de pression provenant des compressions et décompressions successives du milieu dans lequel il se propage (figure 1). Dans le cas de l’air, une source vibrante met en mouvement les molécules de gaz à proximité, et ce mouvement est transmis aux couches d’air successives. La pression atmosphérique oscille autour de 105 Pa, et ce sont les petites variations de cette pression qui sont détectées par nos oreilles. On appelle pression acoustique la différence entre la pression instantanée et la pression atmosphérique moyenne.

Si les particules d’air ne se déplacent que de quelques micromètres autour de leur position d’équilibre, c’est l’énergie vibratoire qui est propagée et qui constitue l’onde sonore.

La première caractéristique d’un son est sa fréquence. Elle correspond à la cadence des variations, au nombre d’oscillations par seconde et est exprimée en hertz (Hz). L’oreille humaine n’est sensible qu’aux fréquences comprises entre 20 Hz (son grave) et 20 kHz (son aigu). Un son n’est en général pas composé d’une unique fréquence, mais d’un très grand nombre de fréquences.

Notre oreille ressent la fréquence de manière relative ; un changement de fréquence de 100 à 200 Hz est perçu comme identique à un changement de 1 000 à 2 000 Hz. L’échelle linéaire des fréquences n’est donc pas adaptée à une description claire des phénomènes liés à notre audition. Une échelle logarithmique de base 2, dite en octave, est alors utilisée. Cela signifie qu’une octave représente un doublement de fréquence.

L’amplitude de l’onde est la caractéristique déterminant si un son est fort ou faible. La plus petite variation de pression perceptible par l’homme à la fréquence de 1 000 Hz, appelée la pression de référence, est de 20 µPa alors qu’une variation de plusieurs dizaines de Pa peut endommager...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - DONALDSON (C.D.), SNEDEKER (R.S.) -   A study of free jet impingement. Part 1. Mean properties of free and impinging jets.  -  Journal of Fluid Mechanics, vol. 45, part 2, p. 281-319 (1971).

  • (2) - TANNA (H.K.) -   An experimental study of jet noise, part 2. shock associated noise.  -  Journal of Sound and Vibration, 50(3) : p. 429-444 (1977).

  • (3) - HENRY (C.) -   Prediction of Broadband Shock-Associated Noise in Static and Flight Conditions.  -  PhD thesis Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique, UMR CNRS 5509 École Centrale de Lyon (in english) (2012).

  • (4) - CHABANE (S.), SESMAT (S.), HUBERT (D.), GAUTIER (D.), WARTELLE (C.), BIDEAUX (E.) -   Reynolds number-dependent mass flow rate calculation for pneumatic pipes.  -  Proc IMechE Part I : J Systems and Control Engineering, p. 1-10 (2015).

  • (5) - TROMPETTE (N.), VAUQUELIN (E.), PEPIN (H.), CARNIEL (X.) -   Determination of acoustic characteristics of pneumatic exhaust silencers : a new procedure.  -  Internoise...

1 Réglementation

Directive 2006/42/CE du Parlement européen et du conseil du 17 mai 2006, relative aux machines et modifiant la directive 95/16/CE.

Directive 2003/10/CE du Parlement européen et du conseil du 6 février 2003, concernant les prescriptions minimales de sécurité et de santé relatives à l'exposition des travailleurs aux risques dus aux agents physiques (bruit).

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2 Normes et standards

NF EN ISO 11200 (juillet 2014), Acoustique – Bruit émis par les machines et équipements – Guide d'utilisation des normes de base pour la détermination des niveaux de pression acoustique d'émission au poste de travail et en d'autres positions spécifiées.

NF EN ISO 11201 (décembre 2010), Acoustique – Bruit émis par les machines et équipements – Détermination des niveaux de pression acoustique d'émission au poste de travail et en d'autres positions spécifiées dans des conditions approchant celles du champ libre sur plan réfléchissant avec des corrections d'environnement négligeables.

NF EN ISO 11202 (décembre 2010), Acoustique – Bruit...

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