Simulation de la performance acoustique & aérodynamique d'un silencieux réactif avec chambre d'expansion simple avec tubes à recouvrement (EC1R2): un exemple

Le logiciel SILDIS^® (Excel) permet la simulation de la performance acoustique & aérodynamique d'un silencieux réactif avec chambre avec tubes à recouvrement, comme illustré par un exemple (numéroté 1B.4.4 dans le manuel d'utilisation). Comme une chambre d'expansion simple ordinaire, il s'agit d'un dispositif permettant d'atténuer le bruit:

• sans recours à des matériaux poreux absorbant les sons
• du fait de phénomènes de réflexions des ondes sonores liés à des changements de section des guides d'ondes (e.g. expansion, contraction soudaines) et/ou à la présence d'un fond rigide créant une inversion du flux gazeux (effet de résonateur)

La différence (et ce qui en fait la particularité) est que les tubes d'entrée et de sortie de la chambre ne sont pas alignés (il y a un décalage), et que la somme de leurs longueurs étendues est supérieure à la longueur totale de la chambre (ce qui induit un recouvrement), de sorte que le flux gazeux subit (à l'intérieur de la chambre) deux inversions (comme les autres silencieux réactifs une telle chambre d'expansion a une performance acoustique variable selon la fréquence et bien sûr, avec les conditions de service e.g. nature, température, pression et débit du gaz en question).

Enoncé du problème (application envisagée se rapportant au calcul d'un silencieux réactif avec chambre d'expansion simple avec tubes d'entrée et de sortie à recouvrement avec le logiciel SILDIS^®)

On souhaite calculer la performance acoustique et aérodynamique d'un silencieux purement réactif [1] avec chambre d'expansion simple avec recouvrement de tubes (2 inversions de flux), un tel montage étant désigné par l'acronyme EC1R2 dans le logiciel [2], avec une section circulaire, avec un diamètre d'entrée et de sortie dS=50 mm [3], un diamètre pour la chambre proprement dite dL = 200 mm [4], une longueur L = 500 mm [5] avec une longeur étendue du tube d'entrée de 350 mm [6], et une longueur étendue du tube de sortie de 250 mm [7]; les longueurs de tubes à l'extérieur de la chambre d'expansion sont considérées négligeables i.e. prises égales à zéro [8]. Il est prévu d'utiliser le silencieux avec un fluide proche de l'air propre et sec [9] avec débit de 0,01 kg/s [10] à 20 °C [11] et à une pression de 100000 Pa [12]. Le spectre de référence est supposé être de type « bruit rose » avec un niveau de puissance acoustique de 130 dB/octave [13]. La perte de charge totale est calculée avec le modèle IDE2 pour les tubes uniformes et MUN1 pour les entrées et sorties étendues [14]. Le bruit propre du silencieux est calculé selon le modèle général 3733c* [15], le modèle de correction thermodynamique 3733c [16] et le modèle de correction spectrale 3733c [17]. La rugosité des tubes est prise égale à 0.00015 m [18]. Le modèle de longueur ajoutée TCC1 est utilisé [19]. La perte par transmission "TL" est l'indicateur de performance acoustique hors bruit propre choisi [20]. La langue utilisée est le français [21].

Données d'entrée pour le calcul d'un silencieux réactif avec chambre d'expansion simple avec tubes d'entrée et de sortie à recouvrement (à saisir dans les feuilles de calcul Excel du Module 1 du logiciel SILDIS^®) 

Les données d’entrée nécessaires au calcul sont listées ci-après en référence aux informations ci-dessus (cf. chiffres entre crochets dans le § précédent, utilisés comme repères pour expliquer la sélection ci-dessous). Les cellules d’entrée sont référencées grâce à leurs coordonnées Excel (colonne / ligne) dans la partie suivante extraite du manuel d’utilisation.

Feuille [in COALA] 

Feuille [in COSIL-1B] COmputation of SILencers

Feuille [in-out CODIS-1B] COmputation DISplay

Résultats de la simulation de la performance d'un silencieux réactif avec chambre d'expansion simple avec tubes d'entrée et de sortie à recouvrement avec le Module 1B du logiciel SILDIS^®

Résultats: indicateurs clés de la performance du silencieux réactif avec chambre d'expansion simple avec tubes d'entrée et de sortie à recouvrement

Au terme des modélisations et simulations effectuées, et tous calculs faits, différents indicateurs lés de performance sont obtenus pour le silencieux.

Niveau de puissance acoustique avec silencieux 121.0 dB(A), après considération du bruit dû à la regénération qui limite l'atténuation des sons 

Perte par transmission sonore du silencieux 16.1 dB(A)

Perte de pression totale du silencieux 17 Pa

Dans le cas d'espèce, les résultats obtenus en termes de niveau de puissance acoustique avec silencieux et en termes de perte par transmission sonore - tels qu'exprimés en valeurs globale avec pondération A - ne sont pas exacts du fait de la prise en compte, pour l'évaluation de telles valeurs globales, des caractéristiques performancielles en haute fréquence - comme requis - alors que les calculs étant basés sur l'hypothèse d'ondes planes, l'adéquation des résultats de simulation avec des résultats de mesurages est - dans le cas d'une géométrie circulaire - la meilleure (en vérité: excellente) jusqu'à la fréquence f1,0 = 1.84 * c / (π.d) * √ (1- M2) (Hz) mais moins bonne autour de la fréquence  f2,0 = 3.05 * c / (π.d) * √ (1- M2) (Hz) et encore moins bonne à la fréquence f0,1 = 3.83 * c / (π.d) * √ (1- M2) (Hz), formules dans lesquelles f1,0 ,  f2,0  , f01 correspondent aux premiers modes d'ordre supérieur avec d: diamètre, c: vitesse du son et M:nombre de Mach (aux conditions de service).

A cet égard, il y a lieu de considérer qu'il n'est en général pas attendu d'un étage de silencieux réactif une performance significative en haute fréquence, laquelle est plutôt dévolue à un étage de silencieux dissipatif avec lequel elle peut être en général assez facilement obtenue.

Résultats: captures d’écran de la feuille de calcul [in-out CODIS-1B] (COmputation DISplay) du Module 1B du logiciel SILDIS^® pour le silencieux réactif avec chambre d'expansion simple avec tubes d'entrée et de sortie à recouvrement

Acoustique & Aérodynamique/aéraulique

Dans ce qui suit, les indicateurs de performance acoustique affichés sont liés par les formules Lw1 = 10 * log [10^ (0.1 * (Lw0 – ΔLi’)) + 10^ (0.1 * Lw)] ; ΔL = Lw1 - Lw0

Résultats: captures d’écran de la feuille de calcul [out EC1R2] du Module 1B du logiciel SILDIS^® pour le silencieux réactif avec chambre d'expansion simple avec tubes d'entrée et de sortie à recouvrement

Les dimensions affichées sont la conséquence des données saisies, ce qui permet une vérification de l'adéquation des données d'entrée (avec le logiciel, d'autres schémas sont disponibles se rapportant aux longueurs ajoutées et aux longueurs totales - avec longueurs ajoutées - prises en compte)

Remarques concernant les performances d'un silencieux réactif avec chambre d'expansion simple avec tubes d'entrée et de sortie à recouvrement simulées avec le Module 1B du logiciel SILDIS^®

Les données d'entrée et les données de sortie (résultats de simulation) ci-dessus sont ceux de la version du Module 1B du logiciel SILDIS^® ordinairement commercialisée; certaines cellules (e.g. choix de modèles pour différentes étapes des calculs) sont pré-remplies par défaut avec des sélections robustes (pouvant être modifiées par l'utilisateur) pour le montage de silencieux considéré. En vue de limiter les questions d'utilisateurs possiblement peu expérimentés en relation avec les données d'entrée à considérer (des explications étant fournies dans le manuel d'utilisation, et une formation est prévue pour les compléter), il est possible de restreindre les fonctionnalités du progiciel en fixant (au lieu qu'elles soient variables) certaines données d'entrée/certains modèles pour différentes étapes des calculs (selon les applications), de manière à simplifier encore l'utilisation.

Le Module 1B du logiciel SILDIS^® permet d'obtenir des résultats de la prévision de la performance de silencieux réactifs avec chambre d'expansion avec tube sd'entrée et de sortie à recouvrement:

• sans nécessairement utiliser l'anglais: l'utilisation du français est possible (y compris pour la saisie des données)
• qui peuvent être comparables à certaines normes de mesure en laboratoire, par exemple la norme NF EN ISO 7235 Acoustique - Modes opératoires de mesure en laboratoire pour silencieux en conduit et unités terminales - Perte d'insertion, bruit d'écoulement et perte de pression totale (en sélectionnant les modèles appropriés dans les menus déroulants du logiciel)
• qui peuvent être obtenus en moins d'un quart d'heure, temps de saisie des données d'entrée compris (cf. tutoriel dont le lien est en bas de la présente publication)

La performance acoustique hors bruit propre est obtenue en utilisant la méthode des matrices de transfert pour la modélisation de la transmission sonore en présence de l'écoulement du fluide considéré au travers d'une cascade d'éléments de base de silencieux, dont l'arrangement (i.e. la combinaison dans un ordre donné) est préprogrammée pour différents montages (selon les éléments devant être pris en compte pour la modélisation, à chacun desquels correspond une matrice appropriée selon son groupe^[1] pour laquelle la longueur caractéristique  - géométrique - est modifiée par une correction de longueur^[2] tenant compte de la géométrie. Ainsi, la modélisation n'est pas limitée au cas d'une chambre d'expansion simple telle qu'envisagée dans le présent exemple.

Le Module 1B du logiciel SILDIS^® permet également de prédire les performances de silencieux pour des études de cas plus complexes, comme ceux rencontrés pour certaines applications industrielles, faisant intervenir une modélisation au moyen de différents montages plus ou moins usuels^[3] pour lesquels les calculs requis sont entièrement programmés:

• impliquant jusqu'à 3 chambres d'expansion en série:
  • possiblement purement réactives comme dans le cas de l'exemple objet de la présente publication (avec éventuellement la prise en compte d'inversion(s) de sens pour le flux gazeux e.g. au moyens de tubes de connexion avec recouvrement)
  • avec possiblement une chambre dissipative^[4]
  • avec possiblement 1 ou 2 résonateurs de Helmholtz (à col court ou à col long)
  • avec possiblement 1 ou 2 résonateurs concentriques - avec tube(s) perforé(s) -    
• avec possiblement une entrée radiale pour le silencieux
• avec possiblement une sortie radiale pour le silencieux 

Avec le Module 1B du logiciel SILDIS^®, la performance acoustique hors bruit propre (ce dernier étant calculé séparément avec le même module du logiciel) peut être évaluée au moyen de différents indicateurs:

• la perte par transmission sonore TL (comme dans le présent exemple)
• la perte d'insertion (faisant intervenir une impédance de source et une impédance de charge)
• la différence de niveau de pression acoustique en des emplacements spécifiés (parfois appelée "réduction de bruit")

Ces indicateurs de performance acoustique sont évalués en utilisant une méthode analytique, l'évaluation d'autres indicateurs de performance des silencieux réactifs étant basée sur des régressions.

Synthèse de la méthodologie utilisée pour l'évaluation des indicateurs de la performance acoustique et aérodynamique de silencieux réactifs avec le Module 1B du logiciel SILDIS^®

 Pour en revenir aux silencieux réactifs avec chambre(s) d'expansion avec recouvrement des tubes d'entrée et de sortie, comme modélisés dans le contexte du présent exemple de calcul, les applications sont nombreuses dans le secteur de la production d'énergie (compresseurs, moteurs thermiques pour la propulsion ou pour la fourniture d'électricité i.e. groupes électrogènes) et pour des bancs d'essais:

• vis-à- vis de la protection de travailleurs (employés et prestataires extérieurs pour la supervision et la maintenance, ingénieurs et technicien pour des essais en laboratoire à qui des traumatismes auditifs doivent être épargnés)
• vis-à-vis de la protection de l'environnement (pour la tranquillité des voisins d'installations avec des moteurs, des pompes ou d'autres turbomachines ou avec d'autres équipements de procédés) 

Ainsi, le Module 1B du logiciel SILDIS^® permet avec un classeur Excel unique^[4], et avec une seule saisie de données, de calculer - en ayant recours à différents modèles selon le groupe d'éléments^[1] - la performance aérodynamique et la performance acoustique de silencieux réactifs, cette dernière incluant le calcul du bruit propre (dû à l'écoulement).

Dans le cas d'une chambre d'expansion simple avec tubes à recouvrement, on peut bien sûr faire varier la longueur des tubes étendus à l'entrée et à la sortie de la chambre sans en modifier la longueur totale (e.g. pour ajuster la performance vis à vis d'objectifs particuliers). Sur la figure 5 ci-dessous sont présentés les résultats suivants:

• pour la configuration "inégales" i.e. avec des longueurs étendues des tubes d'entrée et de sortie de la chambre d'expansion simple telles que mentionnée plus haut (respectivement 0.35 m et 0.25 m)
• pour la configuration "égales" i.e. avec des longueurs étendues des tubes d'entrée et de sortie de la chambre d'expansion simple non pas telles que mentionnée plus haut, mais de 0.25 m pour chacune (il n'y a alors pas de recouvrement, mais le décalage entre les axes des tubes est conservé pour la simulation); dans ce cas, il faut revoir légèrement à la hausse (un écart de 1 E-10 m suffit) la longueur totale de la chambre pour ne pas avoir pour l'élément 4 (obtenue par soustraction) une longueur nulle qui créerait une impossibilité de calcul et, consécutivement, une absence d'affichage de résultats

Il est visible que les courbes de la perte par transmission sonore selon la fréquence présentent des creux et des maximums au voisinage de fréquences très différentes (pas seulement au voisinage des fréquences 336 Hz et 630 Hz où le contraste est particulièrement remarquable), et que le choix de telles longueurs ne doit pas être laissé au hasard, selon les enjeux du dimensionnement du silencieux considérés.

En fait, la combinaison de telles fonctionnalités fait du progiciel SILDIS^® - à tout le moins - une rareté, a fortiori lorsque les possibilités de simulation offertes s'accompagnent de nombreux autres points forts :

• le Module 1B du logiciel SILDIS^® évite les tâches souvent fastidieuses (complexes, délicates, longues, coûteuses) associées à d'autres moyens de calculs, vis à vis desquels il dispose ainsi de différents avantages (en relation avec le fait que l'utilisation consiste exclusivement à remplir les cellules d'un tableau excel avec des valeurs numériques et/ou à choisir des modèles dans des menus déroulants):
  • pas de pré-requis particulier pour l'utilisateur
  • nul besoin pour l'utilisateur d'une formation lourde, la prise en mains étant aisée au terme d'une assistance initiale ultra-rapide
  • nul besoin d'importer, ou de créer la géométrie du silencieux, cette dernière étant simplement à paramétrer en sélectionnant des dimensions
  • nul besoin de maillage 
• le temps de calcul ne se compte pas en heures, ni même en minutes
• l'investissement de base est limité en tout et pour tous à une seule licence (multiposte) avec assistance initiale pour la prise en mains (une assistance avancée étant proposée en option), sans coûts annuels ultérieurs
• le coût de la licence est tel que pour son amortissement un usage même occasionnel est suffisant, a fortiori lorsqu'il s'agit d'un progiciel fournissant - notamment pour des études paramétriques - des évaluations de performances de silencieux dont l'obtention autrement serait plus onéreuse (à supposer qu'elles soient alors aussi complètes et fiables ?)

Le Module 1B du logiciel SILDIS^® (basé sur Excel), est le fruit de plusieurs décennies de développement et de validation (dans des conditions conformes aux exigences de la norme ISO 9001 relative aux systèmes de management de la qualité) dans le domaine de l'acoustique (avec une spécialisation dans la propagation et transmission sonore dans des conduits et les structures) et de l'aéraulique, par une ressource humaine à même de concilier des considérations théorique et un retour d'expérience du terrain (laboratoires, sites de mesures). C'est un outil polyvalent, convivial et fiable pour le dimensionnement des silencieux réactifs (éventuellement avec l'intégration d'un étage dissipatif^[4]) dans tous les contextes: des cas les plus simples (comme l'exemple objet de la présente publication) jusqu'aux cas plus sophitiqués de silencieux multichambres et hybrides i.e. combinants étages réactifs & dissipatifs (des personnalisations sont possibles pour un outil sur mesure, même pour les utilisateurs non spécialisés). 

La programmation, la vente, la formation et l'assistance sont assurées par une seule et même entreprise: Isolation Technologie Services (ITS). Bénéficiant d'une licence quasi perpétuelle (100 ans), le Module 1B du logiciel SILDIS^® est indispensable à toute personne souhaitant dimensionner des dispositifs d'insonorisation dans le cadre de projets d'isolation acoustique/de contrôle du bruit, pour des études d'ingénierie ainsi que pour la Recherche et le Développement (par exemple, les fabricants ou intégrateurs de silencieux, les sociétés d'ingénierie, les consultants en acoustique et les cabinets d'architectes).

[1] tubes uniformes (UT), tubes étendus (ET), tubes latéraux (ST), tubes transverses (TT), tubes variables (VT), section dissipative (DIS), résonateurs de Helmholtz (HR), tubes perforés (PT) pour résonateurs concentriques

[2] Terminaison ouverte non bridée (TOU), terminaison ouverte bridée (TOF), terminaison connectée coaxiale (TCC), terminaison connectée désalignée (TCS), terminaison connectée avec dérivation (TCB)

[3] Montages de silencieux réactifs pour lesquels des calculs sont possibles avec le logiciel SILDIS^®: cf. lien

[4] la prise en compte d'un étage dissipatif requière le calcul préalable avec le Module 1 du logiciel SILDIS^®, dont certaines données de sortie (la partie réelle et la partie imaginaire du nombre d'onde compexe dans la voie d'air) doivent être utilisées comme données d'entrée pour le module 1B