Soutenance mémoire
Acoustique et vibration automobile
L’acoustique automobile s’intéresse à la fois au bruit intérieur et au bruit extérieur. Le bruit intérieur est un désagrément et une cause de fatigue pour les occupants. Il s’agit d’une prestation véhicule qui suscite environ 20% des récriminations clients. Elle joue donc un rôle central sur le niveau de satisfaction client et est à ce titre un réel enjeu industriel. Le bruit extérieur est lui une nuisance à l’environnement et fait l’objet d’une réglementation législative qui dépend du pays de commercialisation. Dans le présent travail, la cible est la réduction du bruit intérieur. Dans cette première partie du mémoire nous présentons les problématiques de l’acoustique et de la vibration automobiles. Le premier chapitre décrit tout d’abord les principales sources qui contribuent au bruit intérieur, le second chapitre présente ensuite succinctement les différents moyens classiquement mis en œuvre pour traiter les différentes sources de bruit et améliorer le confort acoustique. Enfin le dernier chapitre revient sur les enjeux du recours aux solutions de contrôle actif de bruit dans le contexte automobile et sur le cahier des charges associé à ce type de solutions.
Phénomènes physiques
Rappels d’acoustique
Notions de base
Le son est une variation de pression, qui se propage au sein d’un fluide (ici l’air) sous forme d’ondes. La grandeur de base de l’acoustique est la pression acoustique. Exprimée en Pascals (Pa), elle désigne les petites variations de pression autour de la pression atmosphérique engendrées par les ondes acoustiques. La pression acoustique la plus faible que l’oreille humaine puisse entendre est de l’ordre de 2.10⁻⁵ Pa. Le seuil de la douleur (pression acoustique la plus élevée que l’oreille peut supporter) atteint lui 20 Pa. Cette large plage justifie en partie l’utilisation d’échelles logarithmiques. La seconde raison est que ces échelles correspondent à l’impression subjective du niveau sonore. L’approche fréquentielle est particulièrement appropriée à l’étude des phénomènes ondulatoires et par la même des phénomènes acoustiques. Ainsi un outil de base de l’acoustique est la densité spectrale de puissance aussi appelée spectre. Cet outil de traitement du signal permet de visualiser la répartition fréquentielle de l’énergie contenue dans un signal. Dans le cas de l’acoustique la plage fréquentielle considérée est la plage audible (par l’oreille humaine) allant de 20 Hz à 20 kHz. Par ailleurs, on distingue en général trois types de sons en fonction de leur contenu fréquentiel. Les sons purs (contenant une seule fréquence) et les sons musicaux (sons complexes (contenant plusieurs fréquences) périodiques) sont généralement agréables à l’oreille. À l’inverse, les bruits (sons complexes non périodiques) sont des sons gênants, dont on cherche en général à atténuer l’effet.
Mécanisme de génération de bruit
Le mécanisme de génération de bruit est toujours le même. Une excitation est produite par la source de bruit, il y a ensuite une phase de transmission durant laquelle le bruit ou les vibrations engendrés par la source se propagent respectivement dans l’air (propagation aérienne) ou dans les solides (propagation solidienne). L’excitation de départ peut alors être amplifiée ou atténuée. La dernière phase du processus est l’émission du bruit vers le récepteur. Entre la source et le récepteur, l’excitation peut être amenée à traverser successivement plusieurs milieux solides ou fluides. Aux interfaces entre ces milieux plusieurs phénomènes peuvent intervenir :
− Transmission ;
− Réflexion ;
− Absorption.
Ces phénomènes complexifient l’identification des sources de bruit.
Acoustique dans les cavités
Une caractéristique importante de l’étude qui va suivre est qu’elle traite de l’acoustique dans les cavités (habitacle automobile). Les parois de la cavité sont autant d’interfaces sur lesquelles les ondes acoustiques peuvent soit être transmises, réfléchies ou absorbées. La réflexion des ondes par les parois entraine à certaines fréquences la formation d’ondes dites stationnaires. Considérons la somme de deux ondes de même fréquence et de même amplitude mais se propageant en sens inverse l’une de l’autre. L’onde résultante ne se propage pas, mais est composée d’une suite de ventres et de nœuds de pression acoustique. Sur un nœud la pression est nulle a tout instant ; elle est au contraire maximale sur un ventre. Un tel phénomène s’obtient dans une cavité lorsqu’une excitation acoustique entretenue est générée dans la cavité avec pour longueur d’onde λ égale à une des dimensions de la cavité ou un de ses multiples. Le phénomène de résonance produit par la superposition de l’onde et de sa réflexion est appelé mode acoustique. Une cavité donnée possède une infinité de modes chacun caractérisé par sa fréquence propre fn et sa déformée Ψn (dont l’expression nous informe sur la position des ventres et des nœuds de pression acoustique).
Perception humaine du bruit
L’étude de la perception du son par l’oreille humaine est un domaine d’étude à part entière appelé psychoacoustique. L’acoustique automobile est bien entendu concernée par ce domaine d’étude. Les problématiques de psychoacoustique inhérentes au contrôle actif n’ont toutefois pas été abordées dans ce travail.
Les principales sources de bruit sur une automobile
Après ces brefs rappels sur l’acoustique, nous donnons ci-dessous quelques éléments sur les principaux bruits rencontrés sur une automobile. La liste est longue et nous ne pouvons pas ici la traiter de manière exhaustive. Nous nous limitons à décrire les trois principaux bruits intervenant en roulage :
− Le bruit moteur
− Le bruit aéroacoustique
− Et le bruit de roulement .
Notons que nous détaillons le cas des véhicules thermiques. Les moteurs électriques étant bien moins bruyants que les moteurs thermiques, la hiérarchie des bruits est fortement modifiée sur un véhicule électrique.
Moteur
La première source de bruit que nous avons mentionnée est le bruit moteur. Le moteur (thermique) est en effet la principale source d’excitation vibratoire du véhicule. L’étude vibro-acoustique du moteur est un problème complexe et s’applique en général au Groupe Moto Propulseur (GMP) complet (moteur + boite de vitesse). Nous n’en donnons ici qu’une description très simplifiée. Les principaux phénomènes à l’origine du bruit moteur sont les efforts de combustion et d’inertie. En effet, la force et le couple transmis par le moteur ne sont pas constants. Les combustions successives dans chaque cylindre causent une variation autour de la valeur moyenne de la force et du couple moteur. Ces irrégularités sont sources de vibrations aux fréquences correspondant au cycle moteur et à ses harmoniques. À ces mêmes fréquences, interviennent également des irrégularités sur les forces d’inertie des masses en mouvement, qui sont également source de vibrations. En effet, les mouvements de pistons dans les divers cylindres ne se compensent jamais exactement et ce quel que soit le nombre de cylindres considéré. L’augmentation du nombre de cylindres favorise toutefois la compensation. Le bruit moteur est donc un bruit harmonique intervenant principalement en basse fréquence. L’importance relative des différentes harmoniques dépend du nombre de cylindres utilisés et de leur disposition (en ligne, en V, en W. . . ). Pour un moteur à quatre cylindres c’est la deuxième harmonique qui est prépondérante. À l’échelle du véhicule cette source de bruit est prépondérante à basse vitesse (50km.h−1 ). Son influence diminue ensuite au profit du bruit de roulement et enfin du bruit aéroacoustique.
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Table des matières
Introduction
I Acoustique et vibration automobile
1 Phénomènes physiques
1.1 Rappels d’acoustique
1.1.1 Notions de base
1.1.2 Mécanisme de génération de bruit
1.1.3 Acoustique dans les cavités
1.1.4 Perception humaine du bruit
1.2 Les principales sources de bruit sur une automobile
1.2.1 Moteur
1.2.2 Roulement
1.2.3 Aéroacoustique
2 Contrôle passif
2.1 Outils de réduction passive de bruit
2.1.1 Réduction du bruit à la source
2.1.2 Réduction de la transmission par voie solidienne
2.1.3 Réduction de la transmission par voie aérienne
2.2 Processus industriel
2.3 Possibilités et limites du contrôle passif
3 Cahier des charges du contrôle actif
3.1 Description du problème
3.2 Performance
3.2.1 Densité spectrale de puissance
3.2.2 Normes l2 et de puissance
3.2.3 Valeurs singulières
3.2.4 Normes H2 et H∞
3.3 Robustesse
3.3.1 Robustesse aux dynamiques négligées
3.3.2 Robustesse aux incertitudes
3.4 Dynamiques du régulateur
3.4.1 Stabilité forte
3.4.2 Théorème de Shannon
3.5 Performance et stabilité robuste
3.5.1 Approche multi-modèle
3.5.2 Réécriture des indicateurs
II Modélisation
4 Confidentiel
5 Confidentiel
6 Identification
6.1 Théorie des sous-espaces
6.1.1 Position du problème et notations
6.1.2 Algorithme d’identification par la méthode des sous-espaces
6.1.3 Mise en œuvre numérique
6.2 Démonstrateur IRCCyN Box
6.2.1 Multi-modèle
6.2.2 Résultats
6.2.3 Discussion sur les chemins primaire et secondaire
6.3 Démonstrateur Véhicule
6.3.1 Identifications monovariable
6.3.2 Réduction du modèle véhicule multivariable
6.3.3 Multi-modèle
6.3.4 Discussion sur les chemins primaire et secondaire
6.4 Les zéros à non minimum de phase
6.4.1 Limitations dans le cas monovariable
6.4.2 Limitations dans le cas multivariable
6.4.3 Limitations lors d’une régulation en boucle ouverte
III Stratégie de commande
7 État de l’art
7.1 FxLMS
7.1.1 Algorithme LMS
7.1.2 Du LMS au FxLMS
7.2 Commande par modèle interne
7.2.1 Au sens de Wonham
7.2.2 Au sens de Morari
7.3 Commande passive
7.4 Commande optimale et optimisation convexe
7.4.1 LQG
7.4.2 Commandes H2 et H∞
7.4.3 LMI et commande multi-objectif
7.5 Robustesse
8 Évaluation des performances robustes atteignables
8.1 Description du problème
8.2 Stratégie de commande
8.2.1 Critère
8.2.2 Robustesse aux dynamiques négligées
8.2.3 Robustesse aux incertitudes
8.2.4 Contraintes sur les pôles du régulateur
8.2.5 Multi-modèle
8.3 Méthode de résolution
8.4 Structuration du régulateur
8.4.1 Structure retour d’état observateur
8.4.2 Comparaison avec la forme modale
8.5 Initialisation
8.6 Résultats
8.6.1 Indicateurs retenus
8.6.2 Influence du nombre de capteurs et d’actionneurs
8.6.3 Comparaison feedback avec et sans feedforward
8.6.4 Comparaison critère H2 et critère H∞
9 Résolution du problème industriel
9.1 Description du problème
9.2 Stratégie de commande
9.2.1 Critère
9.2.2 Robustesse non structurée
9.2.3 Robustesse aux incertitudes
9.2.4 Contraintes sur les pôles du régulateur
9.2.5 Multi-modèle
9.3 Structuration du régulateur
9.4 Initialisation du régulateur
9.5 Résultats
9.5.1 Précisions sur les indicateurs utilisés
9.5.2 Atténuation en basse fréquence
9.5.3 Largeur de la plage et niveau d’atténuation
9.5.4 Validations expérimentales sur l’IRCCyN Box
9.5.5 Confidentiel
Conclusions
