Présentation
En anglaisRÉSUMÉ
La simulation par calcul de l'environnement vibratoire et acoustique engendré par les machines et les véhicules constitue une somme d'enjeux industriels majeurs, allant de la maîtrise des problèmes de fatigue et de tenue vibratoire des équipements au confort acoustique des véhicules en passant par le contrôle des nuisances sonores. Du fait de l'étendue du spectre audible, seule la méthode d'analyse statistique énergétique (SEA) permet de construire des modèles numériques capables de le couvrir. Le cadre théorique de la SEA est présenté en partant de cas simples pour lesquels on montre que les phénomènes vibratoires peuvent s'appréhender par des équations de conservation de l'énergie entre les différents composants du système dynamique. La dérivation des coefficients d'échange qui lient les composants est explicitée ainsi que les hypothèses qui sous-tendent les modèles théoriques proposés. Lorsque la fréquence augmente, l'énergie portée par les vibrations mécaniques et acoustiques en milieu fini tend à diffuser du fait du nombre de modes de résonance. Cette diffusion, associée à une statistique des modes de vibration, engendre des algorithmes de calcul rapides et robustes qui éclairent la physique sous-jacente des environnements vibroacoustiques. Mis en œuvre dans des logiciels, ces algorithmes sont une aide au contrôle de l’environnement sonore. Une partie de ces algorithmes repose sur le couplage entre milieux infinis et la dualité fini/infini de la représentation des phénomènes vibratoires en hautes fréquences. Cette dualité est mise en lumière sur des cas concrets de modélisation (multicouches acoustiques, isolation vibratoire) simulant les traitements acoustiques et vibratoires utilisés dans les véhicules.
Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.
Lire l’articleABSTRACT
The computational simulation of vibratory and acoustic environment generated by machines and vehicles is a sum of major challenges starting from fatigue and vibratory resistance of equipment to acoustic comfort up to noise control of acoustic annoyance. Due to the wide spectral audio content, only the Statistical Energy Analysis (SEA) presently allows building numerical models which cover it. The theoretical framework of SEA is introduced stating from simple cases for which it is shown that vibratory phenomena may be translated into energy-power balanced equations between the various components of any dynamical system. The derivation of exchange coefficients which link components is explained as well as basic underlying assumptions in proposed models. When frequency increases, the energy stored in the mechanical and acoustic vibrations in a finite medium, tends to diffuse because of the large number of resonant modes. This diffusion process combined with a statistics of vibrational modes generates fast and robust computational algorithms enlightening underlying physics of vibroacoustic environments and allowing to take them over thanks to scientific software. A part of these algorithms is based on infinite medium coupling and the duality infinite/finite of the representation of vibratory phenomena in the high frequency domain. This duality is brought to the fore in practical modeling cases (acoustic multilayers, vibratory isolation) for simulating vibratory and acoustic treatments currently used in vehicles.
Auteur(s)
-
Gérard BORELLO : Docteur ingénieur en acoustique - Ingénieur d’études et gérant de la société InterAC
INTRODUCTION
L’analyse statistique énergétique des problèmes de dynamique entre sous-systèmes vibratoires couplés (Statistical Energy Analysis, SEA) est née au début des années 1960 des travaux de R.H. Lyon et G. Maïdanik. Ces travaux répondaient à la nécessité de disposer d’outils prévisionnels analytiques pour le calcul des vibrations aléatoires des lanceurs civils et militaires, développés en parallèle par l’US Navy et l’US Air Force dans le contexte trouble de la Guerre Froide. En effet, les lanceurs et leurs charges utiles sont soumis au décollage et au cours du vol atmosphérique à de très fortes sollicitations dynamiques (bruit au décollage, rafales de vent, instabilités de combustion, chocs de séparation d’étage) qui peuvent endommager structures et équipement. Une panne de la centrale inertielle qui guide le véhicule peut se traduire par une perte de contrôle et entraîner sa destruction. Dans cette période pré-informatique, disposer de formules de calcul simples pour la prévision vibratoire était donc un objectif stratégique, afin d’éviter les essais superflus et d’établir des spécifications robustes qualifiant l’ensemble des équipements embarqués.
Ces objectifs sont de nos jours devenus civils et restent d’actualité. Il est préférable de prévoir en début de projet l’environnement vibratoire résultant du mode opératoire d’une machine plutôt que d’en subir des conséquences imprévisibles nécessitant des modifications après coup, toujours coûteuses et souvent peu efficaces lorsque la conception est figée. Les méthodologies prévisionnelles vibroacoustiques se développent maintenant dans tous les domaines de l'industrie et plus particulièrement dans les industries du transport.
L’objectif affiché est le contrôle de l’environnement vibratoire dès le stade de la conception afin de réduire les étapes de prototypage et la durée des projets. L’analyse par éléments finis est l’outil clé de ces développements mais, malgré les progrès fulgurants de l’industrie informatique au cours des vingt dernières années, le calcul du bruit transmis dans l’habitacle d’une automobile ne se résout pas encore sur tout le spectre audible par cette seule méthode.
La puissance de calcul est toujours limitée au regard de la taille des problèmes discrétisés. Par ailleurs, les lois physiques peuvent évoluer avec la fréquence, nécessitant des analyses par éléments finis complexes et longues. C’est pour cela que l’analyse SEA, malgré ou grâce à ses hypothèses simplificatrices, a lentement mais sûrement trouvé sa place dans la panoplie des méthodes de calcul de l’ingénieur acousticien. La SEA est particulièrement efficace pour effectuer un diagnostic vibratoire fiable ou pour établir des spécifications d’environnement acoustique dans un projet. Il faut néanmoins en maîtriser les hypothèses et les limites, dont nous donnons un aperçu dans les pages qui suivent.
un tableau des symboles et abréviations est présenté en fin d’article.
MOTS-CLÉS
Modélisation interactions fluide-structures Moyennes et hautes fréquences Industries du transport bâtiment environnement Acoustique Vibrations vibrations aléatoires
KEYWORDS
Modelling | fluid-structure interactions | Medium and high frequencies | Transportation | building | environmental industries | acoustic | vibrations | Random vibrations
VERSIONS
- Version archivée 1 de déc. 2006 par Gérard BORELLO
DOI (Digital Object Identifier)
CET ARTICLE SE TROUVE ÉGALEMENT DANS :
Accueil > Ressources documentaires > Environnement - Sécurité > Bruit et vibrations > Vibrations en milieu industriel, mesures, surveillance et contrôle > Analyse statistique énergétique (SEA) de l’environnement vibroacoustique - SEA (Statistical Energy Analysis) > Création de la matrice des facteurs de perte
Cet article fait partie de l’offre
Mesures mécaniques et dimensionnelles
(120 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Présentation
5. Création de la matrice des facteurs de perte
5.1 Facteurs de perte par dissipation (DLF)
5.1.1 Affecter un DLF aux structures
Le facteur de perte interne η d’un oscillateur est le rapport de l’énergie perdue au cours d’une période à l’énergie mécanique totale emmagasinée sous formes cinétique et potentielle. Il indique la part d’énergie vibratoire mécanique perdue, c’est-à-dire convertie en chaleur dans un cycle de vibration. Il dépend de la répartition des contraintes exercées, et donc de la nature de l’excitation, de la forme du solide et de la fréquence. Dans la littérature anglo-saxonne, il est désigné par l'acronyme DLF (Damping Loss Factor), que nous adoptons dans la suite.
Le DLF n’est en général pas accessible par la théorie pour les structures complexes, car il dépend des conditions de montage des systèmes assemblés. Pour les coques métalliques minces, homogènes et non traitées, il est compris entre 0,01 et 0,001. On peut utiliser dans les analyses paramétrées des lois simples pour comparer l'évolution des systèmes à DLF constant.
Néanmoins, dès lors que l'on veut confronter le résultat d'une modélisation à une mesure, il est nécessaire d'introduire une loi représentative de son évolution fréquentielle qui soit réaliste. L'expression de cette loi est souvent de la forme , avec A et B deux nombres réels empiriques dépendant des types de matériau et de construction utilisés (orthotrope, sandwich…).
On la déduit également de résultats d’essais. Nous verrons que la SEA expérimentale est une procédure robuste d'estimation des DLF.
La mesure directe du DLF est souvent une étape obligée pour obtenir des corrélations calcul/essai satisfaisantes car dans le bilan dissipatif affecté au DLF se retrouve souvent l'énergie vibratoire perdue dans les parties non modélisées du système réel. Prenons l'exemple d'une modélisation SEA d'un satellite. Celui-ci se compose en général d'une structure porteuse...
Cet article fait partie de l’offre
Mesures mécaniques et dimensionnelles
(120 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Création de la matrice des facteurs de perte
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SCHROEDER (M.) - Die statistischen Parameter der Frequenz kurven von grössen Raümen - Acustica, vol. 4, p. 594 (1954).
-
(2) - WESTPHALL (W.) - Ausbreitung von koperschall in gebaude - Acustica, vol. 7, p. 335 (1957).
-
(3) - CRANDALL (S.H.) - Random Vibration - Vol 1 & 2. M.I.T. Cambridge Mass. Press (1959-1963).
-
(4) - LYON (R.H.) - Statistical analysis of power injection and response in structures and rooms - J. Acoust. Soc. Am., vol. 45, n° 3, p. 545-565 (1969).
-
(5) - LYON (R.H.) - Statistical Energy Analysis of Dynamical Systems : Theory and applications - MIT Press (1975).
-
(6) - LYON (R.H.), MAIDANIK (G.) - Power flow between Iinearly coupled oscillators - J. Acoust. Soc. Am., vol. 34, no 5, p. 623-639 (1962).
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
GSSEA-Light : Gothenburg Sound AB, Sweden
SEAM, SEAM 3D : Cambridge Collaborative Inc., USA
SEA+, SEAVirt, SEA-TEST, SEA-XP : InterAC, 10 impasse Borde-Basse, ZA La Violette, 31240 L’Union, France ou LMS Engineering, Interleuvenlaan 68, Researchpark Haasrode Z1, 3001 Belgium
VA One : ESI Group, 99 Rue des Solets, Parc d'affaires SILIC BP 80112, 94513 RUNGIS CEDEX, France
HAUT DE PAGE
SEAlab :...
Cet article fait partie de l’offre
Mesures mécaniques et dimensionnelles
(120 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive