Modélisation de la propagation et de l’atténuation du bruit dans les réseaux aérauliques avec le logiciel SILDIS^®

La modélisation de la propagation et de l’atténuation du bruit dans les réseaux aérauliques est possible avec le logiciel SILDIS^® dans différents contextes :

• pour des installations d’air conditionné et de ventilation (pas seulement pour des applications dans le domaine de la construction de bâtiments, mais également dans le secteur du transport : automobiles, camions, trains, avions, fusées, bateaux et même : sous-marins)
• pour des circuits d’air et d’autres fluides industriels (parfois : sous pression) de process variés (e.g. en relation avec le refroidissement, le chauffage, l’évacuation de produits de combustion, l’alimentation en air comprimé d’équipements) ; dans ce domaine, les turbomachines (e.g. compresseurs, pompes mais aussi ventilateurs en tous genres : hélicoïdaux alias axiaux, centrifuges alias radiaux qui sont des composants fréquents de toutes sortes de matériels - des plus petits e.g. extracteur d’une installation de Ventilation Mécanique Contrôlée (VMC) de quelques centimètres de rayon  aux plus grands e.g. ventilateur d’une tour de refroidissement dont le diamètre peut dépasser 10 mètres) constituent un champ d’applications récurrentes, la production d’énergie basée sur des carburants fossiles (e.g. moteurs thermiques, turbines à gaz) en étant un autre, impliquant - quant à lui - des conditions de service à température ambiante (pour l’admission d’air) et à très haute température (à l’échappement, pour ce qui concerne les gaz brûlés, avec ou sans cheminée)

Il s’agit souvent de limiter l’impact sonore de tels réseaux aérauliques :

• à une ou plusieurs de leurs extrémités (orifice d’entrée d’air, débouché d’une cheminée, évent en tous genres)
• pour ce qui concerne la transmission de bruit au travers des parois des conduits ou de tuyauteries

Il est donc approprié d’évaluer, pour les différents composants de tels réseaux aérauliques, la performance en termes de limitation de la transmission du bruit, tenant compte - pour chaque élément - d’une part de l’atténuation - en dB - mais aussi du bruit propre - en général, en dB réf. 1 pW -  (qui peut, dans certains cas, être rédhibitoire vis-à-vis de l’obtention d’une perte d’insertion dynamique - en dB - significative, e.g. dans le cas d’une vitesse des gaz excessive, alors à l’origine d’un bruit d’écoulement trop important).

Tout cela dépend (comme la plupart des indicateurs de performance dans le domaine de l’acoustique) de la fréquence, ne serait-ce que parce qu’elle influe sur les conditions de propagation des ondes sonores (le mode fondamental i.e. un front d’ondes planes, se propageant seul en deça d’une fréquence de coupure, qui est fonction, pour chaque composant, de sa section transversale, de la vitesse du son et du nombre de Mach) ; même avec l’hypothèse d’ondes planes, l’atténuation de nombreux composants de circuits aérodynamique est souvent grandement variable avec la fréquence.

Parmi les composants usuels pour lesquels la modélisation de la propagation et de l’atténuation axiales du bruit dans les réseaux aérauliques avec le logiciel SILDIS^® est possible, peuvent être mentionnés (pour des sections transversales pouvant être rectangulaires, carrées ou circulaires) :

• les tronçons rectilignes, avec ou sans revêtement absorbant les sons spécifiques (silencieux dissipatifs i.e. dont l’effet - en général : à large bande - est basé sur l’interaction entre le fluide transporté et les pores d’un ou plusieurs matériau(x) plus ou moins perméables, ou résonnants i.e. avec des perforations ou des plaques, alors efficaces dans une gamme de fréquence plus restreinte) ; avec ou sans prise en compte de la transmission au travers des parois pour le calcul de la propagation sonore axiale
• les coudes (à angle droit ou avec un rayon de courbure)
• les changements de section brusques (élargissements ou rétrécissements soudains), pas seulement à l’entrée ou à la sortie de silencieux à séparateurs (baffles)
• les divisions i.e. les bifurcations
• les ajutages e.g. orifice de ventilation, bouche de climatisation, débouché d’une cheminée

Le logiciel SILDIS^® permet de modéliser la propagation et de l’atténuation du bruit de tels composants de réseaux aérauliques :

• séparément
• montés en série (pour des circuits aérodynamiques relativement simples), en calculant alors la performance cumulée

La transmission de bruit au travers des parois des conduits (pour des sections transversales pouvant être rectangulaires, carrées ou circulaires - éventuellement graduellement variables -) ou au travers de séparations de plus grandes dimensions, éventuellement multicouches, planes ou bien avec des corrugations est également possible avec le logiciel SILDIS^®.

En matière de modélisation de la propagation et de l’atténuation du bruit dans les réseaux aérauliques, le logiciel SILDIS^® présente différents avantages :

• sa polyvalence, ses différentes fonctionnalités permettant de réaliser des simulations impliquant des composants d’un réseau aéraulique très divers, pour lesquels performance acoustique et aérodynamique peuvent être évaluées
• sa puissance, lorsqu’il s’agit d’effectuer des calculs impliquant la résolution d’équations (notamment : de propagation du son dans des milieux poreux) transcendantes faisant intervenir des fonctions trigonométriques (e.g. fonctions de Bessel, Neumann) à argument complexe dont le module est variable de l’infiniment petit à l’infiniment grand, par une méthode analytique (i.e. sans recours aux calculs par éléments finis, souvent complexes à préparer et longs à terminer)
• son accessibilité, autorisant une utilisation par des personnels n’ayant pas de compétence particulière en matière de programmation informatique
• sa praticité :
  • la préparation (souvent : fastidieuse) d’un modèle de géométrie avec maillage du composant pour lequel une simulation est souhaitée n’est pas nécessaire ; les simulations peuvent être réalisées avec des moyens de calculs (en termes de processeurs & de mémoire) facilement accessibles (comparativement à ceux requis pour des calculs FEM ^[1] ou BEM ^[2] , ce pour quoi ITS est par ailleurs équipé) ; les temps de saisie des données d’entrée et les durées des calculs sont très courts (tous les changements de paramètres sont faciles et rapides). Par exemple, le calcul de la performance acoustique, sur tout l’intervalle fréquentiel 20 Hz - 20  kHz, d’une cheminée de diamètre 5 m et de hauteur 50 m avec un revêtement absorbant les sons périphérique (interne) ne prend pas plus de temps avec le logiciel SILDIS^® que le dimensionnement d’un (beaucoup plus) petit silencieux e.g. de dimensions 10, 20 ou 50 fois moindres (le temps de compte en secondes ou en minutes avec le logiciel SILDIS^®, alors qu’il en irait tout autrement avec un outil de simulation basé sur un maillage si un critère habituel de rapport de taille de cellule à longueur d’onde de 12, 10, 8 ou même seulement 6 était appliqué : les temps de simulation avec un PC, même équipé d’un processeur multi-coeurs, se compterait alors en heures voire en jours)
  • les calculs de tous les composants d’un circuit aéraulique (ou de fluides sous pression) listés plus haut peuvent être réalisés en utilisant un fichier informatique unique, à l’exception des silencieux réactifs (rarement envisagés pour des applications liées à la ventilation, souvent utiles pour les échappements de moteurs à combustion interne), pour lequel il existe un fichier informatique séparé
  • les propriétés de l’air sec (constante adiabatique, masse volumique, vitesse du son, viscosité dynamique, chaleur massique, conductivité thermique) sont calculées par le logiciel pour une large gamme de conditions thermodynamiques (la température peut varier de 200 K i.e. -73.15 °C à 1200 K i.e. 926.85 °C) ; les évaluations de telles propriétés (et aussi : de la constante individuelle du gaz) pour des mélanges gazeux sont facilités (la fraction molaire en vapeur d’eau est calculée pour l’air humide selon l’hygrométrie)
  • les propriétés de nombreux matériaux de garnissage e.g. laines fibreuses (roche, verre, basalte, céramique, polyester), mousses et de surfaçages e.g. voiles non-tissés, tissus ainsi que de protections perforées sont disponibles dans des bibliothèques, basées sur des mesurages en laboratoire (e.g. pour les media poreux : résistance au passage de l’air, porosité, tortuosité, longueurs caractéristiques thermique et visqueuse) ; de tels menus (et d’autres) sont déroulants
  • des choix de modèles sont possibles pour les étapes-clé des calculs, dès lors que des alternatives font sens (e.g. le calcul des silencieux dissipatifs peut - pour la plupart des configurations - être réalisé en considérant un garnissage soit à réaction locale, soit isotrope, soit anisotrope en considérant alors 2 directions perpendiculaires)
  • pour chacun de tels éléments d’un réseau aérodynamique, un document unique (1 page) réalise la synthèse des données prises en compte et des résultats des calculs (perte par insertion sans bruit d’écoulement, bruit propre i.e. puissance acoustique de l’écoulement, niveau de puissance acoustique en aval de l’élément considéré - lorsque le niveau de puissance acoustique amont a été entré par l’utilisateur ou a fait l’objet d’un calcul précédent pour le composant en série prévu en amont -, et lorsque cela fait sens : perte de pression totale) ; de nombreux calculs sont réalisés en bande (de fréquence) fine (1/21 d’octave) et convertis en bande de 1/3 d’octave et de 1/1 octave - la performance globale en dB(A) par rapport à un spectre de référence choisi par l’utilisateur  est possible aussi - ; les résultats sont disponibles sous la formes de tableaux de valeurs numériques et de graphiques
  • de nombreux indicateurs de performance obtenus avec le logiciel SILDIS^® sont comparables avec des mesurages standardisés, lorsqu’ils existent e.g. pour un silencieux, les résultats des calculs sont comparables avec 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
• sa précision et sa fiabilité
  • des résultats de mesurages (e.g. en laboratoire) ont été utilisés pour l’évaluation de certaines composantes d’indicateurs de performance (e.g. pour ce qui concerne les silencieux dissipatifs : correction de contournement, perte par réflexion, bruit propre i.e. puissance acoustique de l’écoulement, perte de pression totale)
  • des centaines de comparaisons entre résultats de simulation avec le logiciel SILDIS^® et données bibliographiques (e.g. résultats de mesurages, de calculs par d’autres approches) ont été conduites au cours du processus de validation

Exemple de dépendance de la performance acoustique d’un silencieux dissipatif vis-à-vis de la résistance au passage de l'air de son garnissage, en termes de perte par propagation i.e. d’atténuation longitudinale (dB/m), telle que pouvant être évaluée avec le logiciel SILDIS®

Proposée en mode ASP ^[3] ou pouvant être effectuée (dans le cadre de missions d’ingénierie) par la ressource humaine de ITS, la modélisation de la propagation et de l’atténuation du bruit dans les réseaux aérauliques avec le logiciel SILDIS^® constitue une aide à la décision et un outil de dimensionnement de dispositifs d’insonorisation très appréciables pour de nombreux projets (dans le secteur de la construction comme dans l’industrie).

^[1] Acronyme anglais qui peut être traduit par Méthode des Eléments Finis
^[2] Acronyme anglais qui peut être traduit par Méthode des Eléments Frontière
^[3] Acronyme anglais qui peut être traduit par Fourniture d’une Application Hébergée