Atténuation du bruit - Silencieux dissipatif cylindrique à perte de charge réduite

Généralités se rapportant à l’atténuation du bruit et à la perte de charge des silencieux dissipatifs

Que ce soit dans le secteur de la construction, ou pour des applications industrielles, l’atténuation du bruit dans des réseaux de fluides est souvent réalisée au moyen de silencieux dissipatifs. La puissance des ondes sonores est alors réduite (principalement) en fonction de la distance parcourue au cours de leur trajet dans les canaux ouverts i.e. les voies d’air (avec en périphérie - et/ou sous la forme de séparateurs - un garnissage en matériaux absorbant les sons) et aussi (secondairement) à l’entrée et à la sortie du fait du changement de la section de passage du fluide.

Le complément à 1 (100 %) du taux de passage libre^[1] pour le fluide (qu’il est loisible de nommer taux de blocage) est déterminant pour le dimensionnent de tels dispositifs de réduction du bruit, puisque lors qu’il croit, croissent aussi (toutes choses égales par ailleurs):

• la performance acoustique (perte par transmission, perte par réflexion, perte d’insertion)
• la perte de charge (perte de pression totale)

La première caractéristique, qui est recherchée (la performance acoustique) ne va pas sans l’autre, qu’il est souhaitable de limiter (la perte de charge), et un compromis doit être trouvé au cas par cas.

Les enjeux concernant la perte de charge des silencieux sont variables selon le contexte, avec possiblement:

• la nécessité de ne pas trop diminuer le débit de fluide dans un réseau aéraulique ou de fluides sous pression (e.g. en maintenant le point de fonctionnement de ventilateurs, de pompes, de compresseurs) dans le secteur de la Ventilation Chauffage Conditionnement d’air (CVC) en général, avec des applications plus exigeantes parfois: systèmes de ventilation d’enceintes industrielles et de bancs d’essais, installations avec des aéroréfrigérants, des tours de refroidissement, des cheminées
• la nécessité de ne pas impacter négativement un process (e.g. à l’aspiration et à l’échappement de moteurs ou de turbomachines ainsi qu'en aval de vannes) et notamment son rendement, ainsi que son coût de fonctionnement e.g. lorsqu’il s’agit de production thermique et/ou électrique

Evaluer suffisamment précisément et minimiser la perte de charge d’un silencieux est un impératif récurrent pour un ingénieur en acoustique ou un technicien en construction, et ce d’autant plus que la vitesse du fluide considérée est grande (puisque la perte de pression totale est proportionnelle au carré de ce paramètre)^[2], tout comme évaluer suffisamment précisément et maximiser sa performance acoustique.

A cet égard, il y a lieu de ne pas perdre de vue que, pour ce qui concerne la réduction du bruit, l’efficacité d’un silencieux ne peut pas être jugée en considérant un seul indicateur de performance (l’atténuation acoustique dépend - souvent: beaucoup - de la fréquence), et qu’il est donc malaisé de formuler des généralités lorsqu’il s’agit de comparer la performance acoustique de différentes concepts de silencieux (l’expression « - en général - » utilisée dans un tel contexte dans la suite de cet article renvoie à cette réalité).

Atténuation du bruit et perte de charge des silencieux dissipatifs cylindriques ordinaires

D’assez longue date, le Module 1 du logiciel SILDIS^®[3] permet la simulation de l’atténuation du bruit et perte de charge des silencieux dissipatifs cylindriques^[4] (une telle géométrie est bien sûr particulièrement indiquée lorsque le conduit en amont et/ou en aval est lui-même de section circulaire ; elle offre une assez grande variété de combinaisons possibles des voies d’air et des sous-ensembles constituant le garnissage avec un matériau absorbant les sons) et différents perfectionnements ont été apportés au fil du temps à ses fonctionnalités dans ce domaine^[5][6] (e.g. pour réseaux d’air conditionné ou de ventilation, pour admissions d’air, lignes d’échappement de moteurs et turbines à combustion, conduits de cheminée de procédés).

Le garnissage absorbant les sons peut être pris en compte sous la forme d’une structure acoustique multicouche dont le nombre de sous-ensembles (chacun avec un medium poreux^[7], possiblement recouvert d’une part d’un surfaçage^[8] et d’autre part d’une protection perforée^[9]) est variable (de 1 à 4) selon le montage considéré (cf. fig. 1)

Figure 1 Structure acoustique multicouche (i.e. combinaison de matériaux) considérée pour la prévision des performances acoustiques des silencieux avec le Module 1 du logiciel SILDIS® - C, G, K, O : milieu poreux[7] - D, H, L, P : surfaçage[8] - E, I, M, Q : protection perforée[9]

Le schéma fonctionnel de calcul pour la prévision de la performance acoustique de silencieux avec le Module 1 du logiciel SILDIS^® est tel qu'illustré par la figure 2 dans le cas d'un garnissage avec un matériau absorbant les sons à réaction locale^[10].

Figure 2 Schéma fonctionnel de calcul pour la prévision de la performance acoustique de silencieux avec le Module 1 du logiciel SILDIS® dans le cas d’un garnissage avec un matériau absorbant les sons à réaction locale[10]

• silencieux dissipatif de section circulaire sans séparateur central (cf. fig. 3) - montage C0A -

  Figure 3 Silencieux dissipatif de section circulaire sans séparateur central - montage C0A -

  La performance acoustique est évaluée au moyen d’un calcul spécifique (méthode analytique faisant intervenir les fonctions de Bessel et Neumann à argument complexe) en prenant en compte notamment:

  • pour ce qui concerne le garnissage absorbant les sons: un modèle d’absorbeur courbe, avec possiblement les couches EDC de la structure acoustique multicouche de la figure 1 i.e. avec 1 medium poreux^[7], possiblement recouvert d’une part d’un surfaçage^[8] et d’autre part d’une protection perforée^[9] ; il est supposé qu’il s’agit d’un absorbeur à réaction locale^[10]
  • pour ce qui concerne la vitesse du fluide: son influence sur la perte par propagation (selon sa valeur et sa direction), et sur le bruit propre qui lui est lié (bruit d’écoulement)

  La performance aérodynamique est évaluée en prenant en compte notamment:

  • la perte de charge linéique variable avec la rugosité du garnissage, à l’instar de ce qui est fait pour des conduits ordinaires

  Il peut être signalé qu’avec le module 1 du logiciel SILDIS^®[3], la performance des silencieux dissipatifs cylindriques peut également être calculée en utilisant le montage C0, qui diffère du montage C0A pour ce qui concerne le calcul de la performance acoustique^[11].

• silencieux dissipatif de section circulaire avec séparateur central plein ou creux (obturé à chaque extrémité) (cf. fig. 4a et fig. 4b) - montage C1A -

  Figure 4a Silencieux dissipatif de section circulaire avec séparateur central plein - montage C1A -

  Figure 4b Silencieux dissipatif de section circulaire avec séparateur central creux (obturé à chaque extrémité) - montage C1A -

  La performance acoustique est évaluée au moyen d’un calcul spécifique (méthode analytique faisant intervenir les fonctions de Bessel et Neumann à argument complexe) en prenant en compte notamment:

  • pour ce qui concerne le garnissage absorbant les sons: un modèle d’absorbeur courbe, avec possiblement les couches EDC de la structure acoustique multicouche de la figure 1 i.e. avec 1 medium poreux^[7], possiblement recouvert d’une part d’un surfaçage^[8] et d’autre part d’une protection perforée^[9] ; il est supposé qu’il s’agit d’un absorbeur à réaction locale^[10] ; cette structure acoustique peut être différente pour le séparateur central et pour le revêtement annulaire
  • pour ce qui concerne la vitesse du fluide: son influence sur le bruit propre qui lui est lié (bruit d’écoulement)

  La performance aérodynamique est évaluée en prenant en compte notamment:

  • la perte de charge linéique variable avec la rugosité du garnissage, à l’instar de ce qui est fait pour des conduits ordinaires
  • la perte de charge singulière liée au changement de section à l’entrée et à la sortie

  En plus du cas général (quand toutes les épaisseurs de matériau absorbant les sons sont qualconques mais non nulles), plusieurs cas particuliers de géométrie de silencieux peuvent être considérés avec le montage C1A:

  • un diamètre de séparateur central nul sur la figure 4a: dans cette configuration, le montage C1A est alors équivalent au montage C0A
  • une épaisseur de revêtement absorbant les sons annulaire périphérique extérieur nul sur la figure 4b: dans cette configuration, le montage C1A permet par exemple de simuler l'insertion d'un séparateur central dans un conduit de cheminée existant pour limiter le bruit au débouché
• commentaires se rapportant aux montages C0A et C1A

  
  Comparé au montage C0A, le montage C1A dispose:

  • d’une performance acoustique (perte par transmission, perte par réflexion, perte d’insertion) - en général - supérieure (celle du montage C0A étant par nature faible, à moins que les surfaces absorbant les sons en regard soient très proches i.e. à moins que le diamètre de la section circulaire de passage du fluide soit suffisamment petit)
  • d’une perte de charge (perte de pression totale) - en général - supérieure ; cela dépend des paramètres géométriques du montage C1A, celle du montage C0A étant par nature faible du fait de l’absence d’obstacle sur le trajet du fluide

  La préférence pour l’un ou l’autre des montages (sans ou avec séparateur également appelé noyau ou corps central) dépend donc des contraintes liées à chaque projet et des possibilités de dimensionnement.

Atténuation du bruit au moyen d’un silencieux dissipatif cylindrique à perte de charge réduite

L’atténuation du bruit au moyen d’un silencieux dissipatif cylindrique à perte de charge réduite (par rapport à celle du montage C1A) présente les avantages mentionnés plus haut à propos des généralités se rapportant à la perte de charge des silencieux dissipatifs, son intérêt potentiel étant a priori d’autant plus grand que la diminution de sa performance acoustique sera moindre.

• silencieux dissipatif de section circulaire avec séparateur central creux ouvert à chaque extrémité (cf. fig. 5) - montage C1A+C0A -

  
  A partir de ce qui a été mentionné précédemment pour les montages C0A et C1A, la configuration correspondant à un silencieux dissipatif de section circulaire avec séparateur central creux ouvert à chaque extrémité - dans la nomenclature du logiciel SILDIS^® : C1A+C0A - peut être envisagée en combinant les montages C1A et C0A précédemment décrits.

  Il s’agit d’imbriquer à l’intérieur du séparateur central du montage C1A (qui n’est - par définition - pas forcément plein, quoiqu’obturé à ses deux extrémités, comme illustré par la figure 4b) l’entièreté du montage C0A en retirant les obturations d’extrémité de ce dernier (cf. fig. 5), deux fonds rigides et imperméables mitoyens des deux sous-ensembles C1A et C0A se confondant pour n’en faire qu’un (en pratique : une séparation métallique de forte épaisseur), qui fonde le calcul d’impédance des structures acoustiques avec la condition à la limite arrière recherchée.

  Figure 5 Silencieux dissipatif cylindrique à perte de charge réduite i.e. silencieux dissipatif de section circulaire avec séparateur central creux non obturé - montage C1A+C0A -. En rouge: deux fonds rigides et imperméables des deux sous-ensembles C1A et C0A qui se confondent pour n’en faire qu’un ; au delà de cette limite: montage C1A ; en deçà de cette limite: montage C0A

  Basée sur les calculs séparés (effectués simultanément par le logiciel SILDIS^®, comme mentionné préccédemment: au moyen d'une méthode analytique faisant intervenir les fonctions de Bessel et Neumann à argument complexe) correspondant aux montages C0A et C1A dont les résultats sont combinés, la performance acoustique est évaluée en prenant en compte notamment:

  • pour ce qui concerne le garnissage absorbant les sons: un modèle d’absorbeur courbe, avec possiblement les couches EDC de la structure acoustique multicouche de la figure 1 i.e. avec 1 medium poreux^[7], possiblement recouvert d’une part d’un surfaçage^[8] et d’autre part d’une protection perforée^[9] ; il est supposé qu’il s’agit d’un absorbeur à réaction locale^[10] ; cette structure acoustique peut être différente pour chacun des trois revêtements absorbant les sons annulaires
  • pour ce qui concerne la vitesse du fluide: son influence sur la perte par transmission (selon sa valeur et sa direction) seulement pour la section de passage du fluide qui est circulaire (il est donc souhaitable que le nombre de Mach dans la section annulaire soit suffisamment petit pour une précision satisfaisante des simulations) ; son influence sur le bruit propre qui lui est lié (bruit d’écoulement)

  La performance aérodynamique est évaluée en prenant en compte notamment:

  • la perte de charge linéique variable avec la rugosité du garnissage, à l’instar de ce qui est fait pour des conduits ordinaires
  • la perte de charge singulière liée au changement de section à l’entrée et à la sortie
• commentaires se rapportant aux montages C1A et C1A+C0A

  
  Comparé au montage C1A, le montage C1A+C0A dispose:

  • d’une performance acoustique (perte par transmission, perte par réflexion, perte d’insertion) pouvant - en général - être maintenue suffisamment proche de celle du montage C1A lorsque les surfaces absorbant les sons en regard au niveau de la section circulaire de passage du fluide sont suffisamment proches ; cela implique que le diamètre de la section circulaire de passage du fluide, et qu'alors l’aire de la section de passage du fluide correspondante soit suffisamment petite e.g. vis-à-vis de celle de la section de passage annulaire
  • d’une perte de charge (perte de pression totale) toujours inférieure, puisqu’en relation avec les différents termes de la formule permet le calcul de la perte de charge^[2]:
    • le coefficient de perte de charge est réduit 
    • la vitesse moyenne (possiblement différente dans la section circulaire et dans la section annulaire) est réduite

  Vis-à-vis de ce double effet, même si la quantification précise du premier est délicat par une méthode analytique (faute de disposer d’une base de données expérimentales spécifiques permettant une formulation par régression avec comme variables les données géométriques) - elle est possible par une méthode numérique^[12] - , la seule prise en compte du second est suffisante pour considérer qu’un silencieux dissipatif de section circulaire avec séparateur central creux ouvert à chaque extrémité - montage C1A+C0A - est avec une perte de charge réduite (par rapport à celle du montage C1A).

• au global

  
  Le logiciel SILDIS^®[3] permet le calcul de la performance acoustique & aérodynamique de silencieux dissipatifs cylindriques à perte de charge réduite i.e. de silencieux dissipatif de section circulaire avec séparateur central creux ouvert à chaque extrémité (montage C1A+C0A). (cf. fig. 6)

  FIgure 6 Performance acoustique de silencieux cylindriques dissipatifs avec séparateur central plein ou creux et alors obturé à chaque extrémité - montage C1A - ou creux et ouvert à chaque extrémité - montage C1A+C0A - avec pour chaque couche de matériau absorbant les sons une résistance au passage de l’air réduite égale à 3 ; pas de surfaçage pris en compte, pas de protection perforée prise en compte ; avec, dans la configuration considérée, à l’avantage du montage C1A+C0A, une augmentation (par rapport au montage C1A) de la section de passage libre du fluide de 6.2 % i.e. une diminution de la perte de charge de 12.8 % (toutes choses égales par ailleurs)

  L'amélioration de la performance aérodynamique de tels dispositifs d'atténuation du bruit sans dégradation de la performance acoustique et/ou le maintien dans une limite imposée de son encombrement hors tout sont des objectifs qui peuvent être atteints dans une perspective d'optimisation concurrentielle.

  Utilisé à bon escient, un tel concept de silencieux dissipatif cylindrique à perte de charge réduite i.e. de silencieux dissipatif de section circulaire avec séparateur central creux ouvert à chaque extrémité est de nature à permettre des applications variées dans le secteur du bâtiment ou dans le cadre de projets d’insonorisation industrielle, complétant la panoplie des montages pour lesquels de tels calculs peuvent déjà être réalisés avec le logiciel SILDIS^{®[3][13][14]}.

Conception Assistée par Ordinateur (CAO) : logiciel de calcul SILDIS^® pour l’acoustique et l’aéraulique dans le secteur de la construction (au format Excel) end faq

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^[1] rapport de la surface de passage du fluide à la surface frontale (tenant compte de l’épaisseur cumulée des couches du garnissage absorbant)

^[2] la perte de pression totale peut être calculée au moyen de l’équation ΔP = ζ * 1/2 * ρ * V² avec ΔP = perte de pression totale (Pa) ; ζ = coefficient de perte de pression totale ; ρ = densité du fluide (kg/m3) ; V = vitesse du fluide (m/s)

^[3] Sound Impact Limitation Design for Industrial Solutions Conception Assistée par Ordinateur (CAO) : logiciel de calcul SILDIS^® pour l’acoustique et l’aéraulique dans le secteur de la construction (au format Excel)

^[4] cf. SILDIS^® - Module 1 - Acoustique & aéraulique (aérodynamique) avec un logiciel de prévision de performance d'un silencieux

^[5] Silencieux - Modélisation du comportement acoustique des absorbeurs courbes

^[6] Amélioration de la prévision de la performance acoustique et aéraulique de silencieux cylindriques (avec séparateur central)

^[7] caractéristiques prises en compte: résistivité, porosité, tortuosité, longueur caractéristique thermique, longueur caractéristique visqueuse, masse volumique, épaisseur

^[8] caractéristiques prises en compte: résistance au passage de l’air, masse surfacique, épaisseur

^[9] caractéristiques prises en compte: porosité, géométrie des perforations, masse surfacique, épaisseur

^[10] une réaction locale signifie une absence de propagation sonore longitudinale (i.e. pas de propagation sonore dans l'absorbeur dans la direction de l’écoulement) est supposée, qu’elle résulte d’une résistance au passage de l’air suffisamment grande du matériau de garnissage, ou de cloisonnements transverses prévus à dessein

^[11] pour le montage C0, la performance acoustique est évaluée par extrapolation de la performance acoustique correspondant à une gaine de section carrée (elle-même: deux fois celle correspondant à une épaisseur de matériau absorbant les sons et une largeur de voie d’air données pour un conduit de section rectangulaire revêtu sur deux côtés) en prenant en compte notamment:

• pour ce qui concerne le garnissage: un modèle d’absorbeur plan, possiblement l’entièreté de la structure acoustique multicouche de la figure 1 avec selon le cas media poreux^[7], surfaçages^[8] protections perforées^[9] ; il n’est pas nécessairement supposé qu’il s’agit d’un absorbeur à réaction locale^[10], ce dernier pouvant être isotrope ou anisotrope (pour le set 1 de la structure acoustique de la figure 1)

 

^[12] cf. Simulation de la performance acoustique et aérodynamique de silencieux avec des outils de calcul CFD, FEM & BEM

^[13] silencieux dissipatif à section circulaire - montage Cn (avec 1 séparateur central plein et avec n-1 séparateurs concentriques n= 1, 1 ½, 2, 2 ½, 3, 3 ½) ; le suffixe ½, renvoie à la présence d’une demi voie d’air périphérique en plus ; l'absence de suffixe renvoie à un revêtement latéral à la place ; le montage C3 est illustré ci-dessous (cf. fig. 7)^[15]

Figure 7 Silencieux dissipatif de section circulaire - montage C3 - (avec 3 séparateurs: 1 central et 2 concentriques, et avec un revêtement absorbant les sons périphérique)^[15]

^[14] Silencieux dissipatif à section circulaire avec séparateurs non concentriques (transverses) (cf. fig. 8)^[15]

Figure 8 Silencieux dissipatif de section circulaire : avec séparateurs non concentriques (transverses)

^[15] la performance acoustique est évaluée par extrapolation de la performance correspondant à une gaine de section rectangulaire (avec les mêmes épaisseurs de séparateurs et les mêmes largeurs de voies d’air) en prenant en compte notamment:

• pour ce qui concerne le garnissage: un modèle d’absorbeur plan, possiblement l’entièreté de la structure acoustique multicouche de la figure 1 avec selon le cas media poreux^[7], surfaçages^[8] protections perforées^[9] ; cette structure acoustique est la même pour tous les sous-ensembles absorbant les sons i.e. pour le séparateur central (quand il y en a un) et pour les autres séparateurs annulaires ou transverses (et aussi, le cas échéant pour le revêtement périphérique) ; il n’est pas nécessairement supposé qu’il s’agit d’un absorbeur à réaction locale^[10], ce dernier pouvant être isotrope ou anisotrope (pour le set 1 de la structure acoustique de la figure 1)
• pour ce qui concerne la vitesse du fluide: son influence sur la perte par transmission (selon sa valeur et sa direction), et le bruit propre qui lui est lié (bruit d’écoulement)

la performance aérodynamique est évaluée par extrapolation de la performance correspondant à une gaine de section rectangulaire (avec les mêmes épaisseurs de séparateurs et les mêmes largeurs de voies d’air) en prenant en compte notamment:

• la perte de charge linéique variable avec la rugosité du garnissage, à l’instar de ce qui est fait pour des conduits ordinaires
• la perte de charge singulière liée au changement de section à l’entrée et à la sortie