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Le Graal du design acoustique

Thierry Mahé

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- Le bruit dans l'habitacle des automobiles baisse jusqu'à 1 dB(A) chaque année. L'objectif ultime des constructeurs reste toutefois la capacité à prédéterminer l'ambiance sonore dès la conception.

Un rêve d'ingénieur serait de créer, ex nihilo, la "couleur" sonore du véhicule, au premier stade du projet. Comme le fait déjà - c'est un peu plus simple ! - l'architecte d'un auditorium. Denis Ragot, directeur du Cetram, confirme : « Aux simples exigences de seuil sonore se surajoutent, dans les cahiers des charges, des notions qualitatives comme la rugosité ou l'acuité. Qui ont une base théorique, mais ne se recouvrent pas exactement d'un constructeur à l'autre. » On est encore loin du design sonore sur plan, mais dès aujourd'hui, Éric Landel, chef du service prestations acoustiques et vibrations de Renault, affirme : « 80 à 90 % des problèmes sont identifiés dès le stade prototype. » Et les méthodes pour corriger les défauts s'éloignent à grand pas de l'empirisme, témoin ce brevet (méthode des raccordements acoustiques) codéposé par PSA et l'école d'ingénieurs Estaca.

Pourquoi le design sonore tarde-t-il à pousser la porte des mondes virtuels et des maquettes numériques ? D'abord parce que l'étude du bruit résiste au "tout calcul" (voir encadré page 55). Et aussi en raison du nombre d'acteurs industriels impliqués dans une auto, du constructeur au simple fournisseur... pas forcément au même stade de sensibilisation à cette nouvelle approche.

Deux grands axes : sources et propagation

Pour aller très vite, il y a trois grandes sources de bruit dans un véhicule. En premier lieu, l'énorme "pot vibrant" que constitue le groupe motopropulseur, auquel on peut associer toute la colonne de gaz qu'il met en branle, du filtre à air jusqu'à l'échappement. Ensuite le roulement, c'est-à-dire le bruit des pneus sur la chaussée. Enfin, le bruit aéroacoustique, celui des écoulements d'air sur la "peau" du véhicule. S'ajoutent une kyrielle d'équipements internes ou externes à l'habitacle, pompes, moteurs électriques et autres éléments de climatisation... Voilà pour les sources, dont on se doute qu'un effort constant tend à les rendre plus silencieuses... sous l'arbitrage du prix.

Mais réduire le bruit, c'est aussi en freiner la propagation. « Cette dernière s'effectuant dans la matière - transmission solidienne, basse fréquence - ou par voie aérienne, avec de constants transferts d'énergie entre les deux », explique Jacques Sarvin, de Vibratec.

Dans le premier cas se rangent toutes les techniques d'analyse modale (étude des fréquences propres) et les remèdes qui consistent, par exemple, à raidir (apport de matière) certains points de la caisse. Et, bien sûr, par des dispositifs de suspension du moteur, lesquels font même parfois intervenir des éléments semi-actifs (Paulstra).

Pour bloquer la transmission aérienne du bruit, deux maîtres mots : absorber ou refléter l'onde sonore, dans une approche globale qui joue sur les deux. C'est ici qu'interviennent les mousses plaquées sur le tablier (particulièrement au niveau des traversées entre compartiment moteur et habitacle) et d'épaisses moquettes au plancher. En lien avec des équipementiers comme Faurecia, les constructeurs utilisent même la structure des sièges pour absorber le bruit.

Les constructeurs se font aussi accordeurs de grandes orgues dans tout ce que le véhicule comporte de tubulures. En particulier au niveau de l'admission d'air où certaines fréquences sont "tuées" par des dispositifs comme des "quarts d'onde". Ou à l'échappement où pénètrent progressivement des techniques temps réel de contrôle actif.

Et l'antibruit ? Cette méthode consisterait à mettre à profit les haut-parleurs de l'habitacle. Ils permettraient de transmettre une onde tueuse de bruit, car en opposition de phase. « Très compliqué, pronostique Éric Landel, de Renault. Et on ne saurait le faire que dans une zone spatiale bien déterminée. »

Des investissements importants

Les constructeurs se sont dotés, au cours des toutes dernières années, de moyens énormes en matière de design acoustique. Renault a, par exemple, investi 25 millions d'euros en 2005 dans son centre NVH (Noise Vibration and Harshness, 80 personnes) de Lardy (Essonne). Les efforts sont payants, puisqu'une voiture d'entrée de gamme comme la Clio III (sortie en 2005, sept ans après la Clio II) a vu son bruit habitacle diminuer de moitié - 3 dB(A) à 130 km/h. Et le constructeur se flatte de placer ses véhicules à 71 dB(A) de bruit de passage (extérieur), c'est-à-dire très en dessous de la norme.

En revanche, ce gain en décibels se traduit immanquablement en kilos en plus ! On estime chez Renault que le silence de la Clio III justifie un surpoids de 17 kg. « Cette masse se retrouve dans des matières absorbantes, mais surtout dans des ajouts de matière sur la caisse », souligne Éric Landel.

Il faut ajouter que le travail des concepteurs se complique du fait qu'une voiture vieillit et voit changer son comportement acoustique. À cause de l'usure des matériaux très sollicités (supports moteurs élastiques) ou d'infimes modifications géométriques de la caisse. L'extraordinaire précision dimensionnelle qu'on apporte au ferrage des caisses est en partie justifiée par la réduction du bruit.

On pourrait imaginer qu'un moteur plus propre et d'un meilleur rendement génère moins de bruit. Tout faux ! En gros, la course au downsizing (cylindrée moindre à puissance égale, afin de limiter les pertes de frottement) et l'allégement constant ont fait des moteurs actuels de petites bombes sonores ! La forte diésélisation du marché français n'a rien arrangé sous cet angle. Mais elle est tempérée par les nouvelles techniques d'injection, qui rallongent la combustion et lissent les à-coups. En fait, beaucoup de progrès sont préjudiciables au silence. Comme la sécurité : des capots, moins agressifs pour le piéton, sont aussi moins rigides et plus bruyants. Ou la recyclabilité, qui voudrait qu'on restreigne le spectre des matériaux, au grand dam de l'acousticien.

Des moyens d'essai hors normes

Cette éradication du bruit suscite des investissements tellement énormes que les constructeurs sont amenés à les mutualiser (voir encadré page 54). Mais cela implique également que toute l'infrastructure industrielle de l'automobile se mette au diapason des constructeurs. Les grands équipementiers ont leurs propres moyens d'essai et partagent ceux des constructeurs.

Mais ces ensembliers utilisent aussi des structures comme celles qu'offrent les Critt (Centres régionaux d'innovation et de transfert de technologie) spécialisés dans la vibro-acoustique, afin d'harmoniser leur travail avec celui de leurs propres fournisseurs.

Les moyens d'essai d'acoustique mettent en oeuvre des équipements "classiques" comme des chambres réverbérantes, ou semi-anéchoïdes - le plancher tient le rôle réfléchissant de la route -, des bancs d'analyse modale, etc. Mais aussi des "moutons à cinq pattes". Tel le banc d'acyclisme de Renault, une première en Europe, qui simule exactement à l'aide d'un moteur électrique les irrégularités d'un moteur thermique comme les claquements de combustion. Ou encore au Cetram (Angoulême, Charente), ce banc à quatre rouleaux d'un diamètre de 1,60 m, indépendants les uns des autres et dont on peut modifier la granulosité. « La structure des monospaces nous conduit en effet à accorder autant d'attention au train arrière qu'au train avant », souligne Denis Ragot, son directeur.

Cela prendra fin avec le véhicule électrique, n'est-ce pas ? Faux encore ! Ce dernier est en fait un casse-tête pour les constructeurs. De l'extérieur, son silence met en défaut la prudence du piéton, qui se fie plus à son oreille qu'à ses yeux. Et, de l'intérieur, le silence du moteur fait loupe grossissante à tous les petits défauts sonores de l'habitacle, comme le moteur de la direction assistée ! Pas mieux avec les motorisations hybrides. Comme le moteur thermique le dispute en permanence au moteur électrique, on assiste en fait à des à-coups de puissance, générateurs de hautes fréquences. Denis Ragot ajoute : « C'est d'autant plus déroutant pour le conducteur que le bruit est ici décorrélé de ses décisions de conduite, puisque la gestion énergétique du véhicule se fait à son insu. » Acousticien de l'automobile : un métier d'avenir.

LA PROBLÉMATIQUE

- Dans l'automobile, la gestion du bruit est à la fois une contrainte réglementaire et un impératif marketing. - Le problème est rendu encore plus complexe par la multitude de partenaires industriels. - La réduction du bruit suscite d'énormes investissements en moyens d'essai chez les constructeurs et une sensibilisation des sous-traitants. - Grâce à ces moyens, les constructeurs éradiquent la plupart des problèmes dès les premiers prototypes.

ALLIANCE CONTRE LE BRUIT AÉROACOUSTIQUE

- Avec le Cnam (Conservatoire national des arts et métiers), Renault et PSA, groupés au sein du GIE S2A (Montigny-le-Bretonneux, Yvelines), ont inauguré en 2003 deux souffleries, l'une à échelle 1, l'autre à 2/5. Un investissement de 36 millions d'euros ! Il y va bien sûr de la réduction de la traînée, en vue d'améliorer la consommation, et aussi d'accroître la stabilité sous l'effet de vents latéraux.

Écoulement de l'air et roulement Mais le but avoué est aussi et surtout de réduire le bruit aérodynamique du véhicule, tant pour les passagers que vis-à-vis de l'extérieur. En effet, les bruits générés par l'écoulement de l'air et le roulement deviennent prédominants sur celui du moteur à partir de 130 km/h. La soufflerie à échelle 1 peut simuler un vent jusqu'à 240 km/h, même sur les monospaces.

CLIO III

-3 dB(A) +17 kg La réduction significative du niveau sonore de la Clio III par rapport à la version II se chiffre par un surpoids important.

À LA POURSUITE DU LOGICIEL UNIQUE

- Il existe trois grandes familles de modèles numériques pour l'acoustique automobile. La première touche aux vibrations basse fréquence (inférieures à 300 Hz) et met à profit les éléments finis. Une autre régit les hautes fréquences (dans l'automobile, au-delà de 2 kHz). D'autres modèles couvrent les fréquences intermédiaires. Pas de panacée numérique ? Si, en fait. Les équations hypergénérales de Navier-Stokes. Qu'on ne sait résoudre exactement que sur des volumes de quelques centimètres, et encore, souvent en 2D !

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