Modélisation du bruit ferroviaire dû à l’interaction roue/rail

Modélisation du bruit ferroviaire dû à l’interaction roue/rail

Il existe différents types de bruit généré par l’interaction mobile entre la roue et le rail. La classification naturellement utilisée, de nos jours, est celle initialement adoptée par P. Remington [48] : le bruit de roulement, le bruit d’impact et le bruit de crissement. Les deux premiers sont causés par les irrégularités sur les surfaces de la roue et du rail ; le bruit de crissement est dû aux phénomènes de frottement en courbes de faible rayon de la voie (virages). L’ensemble des travaux présentés dans cette thèse considère un problème de voie en ligne droite. Le problème de crissement en courbe n’ est donc pas abordé.

La caractérisation et la modélisation de l’interaction roue/rail, dans le contexte du bruit de roulement, a été abordé dans une multitude de publications durant ces 30 dernières années. Plusieurs rétrospectives ont, en particulier, été publiées. L’article de KL. Knothe & SL. Grassie [31] donne un bon aperçu des techniques de modélisation du comportement dynamique de l’interaction véhicule/voie jusqu’au début des années 90. L’article de D. Thompson & CJC. Jones [55], en 2000, permet d’avoir une idée de l’avancée des travaux sur le bruit de roulement, ainsi que sur l’orientation que doivent prendre les recherches pour simuler le bruit d’impact. Plus récemment, le livre de D. Thompson [65] décrit précisément les connaissances sur le bruit ferroviaire, avec une partie privilégiée sur le bruit de roulement et un état d’avancement des travaux sur le bruit d’impact.

Pour bien comprendre les étapes de modélisation du bruit de roulement et du bruit d’impact, le présent chapitre s’articule en quatre grandes parties. Les mécanismes de génération du bruit de roulement, les protocoles de sa caractérisation expérimentale et l’outil de référence pour sa prédiction sont d’abord décrits. Cette partie s’appuie sur l’analyse précise, effectuée par E. Bongini [7], concernant le bruit de roulement, ainsi que sur plusieurs autres publications. Le bruit d’impact est aussi introduit. Un état des connaissances du comportement du système roue/rail est ensuite présenté. Les différentes notions de vocabulaire sont définies dans cette partie. Le troisième paragraphe est un résumé détaillé des différents modèles utilisés dans la simulation de l’interaction roue/rail. Enfin, la dernière partie est consacrée aux techniques de résolution adoptées en général. Ce chapitre permet d’émettre plusieurs hypothèses de modélisation. Il conduit également à l’exposé des différents besoins en caractérisation expérimentale du comportement de l’interaction roue/rail, en situation réelle.

Le bruit de roulement ferroviaire

Le thème principal des travaux de thèse de E. Bongini [7] concerne la création d’un outil de synthèse sonore du bruit au passage d’un véhicule ferroviaire. Le bruit de roulement étant une source principale, les travaux de E. Bongini contiennent une rétrospective des mécanismes de génération de celui-ci, de la caractérisation expérimentale du bruit au passage et du logiciel de prédiction TWINS.

Mécanismes de génération du bruit de roulement 

Lorsque la roue roule sur le rail, la rugosité (défauts microscopiques) présente sur les surfaces des deux structures génère un déplacement imposé lors du contact roue/rail. Des ondes de flexion sont alors engendrées dans la roue, dans le rail et par transmission, dans les traverses.

Les traverses vibrent en basses fréquences, jusqu’à environ 500 Hz. La contribution vibratoire principale du rail se situe autour de 1000 Hz. La roue résonne sur ses modes propres, dont les fréquences sont principalement situées au delà de 1500 Hz. Le rayonnement acoustique total dans l’environnement est égal à la somme des contributions de la roue, du rail et des traverses. Le bruit de roulement couvre donc un large intervalle fréquentiel (typiquement entre 100 et 5000 ou 8000 Hz [7, 65]).

Caractérisation expérimentale du bruit au passage

Les mesures par antennerie acoustique permettent de caractériser les différentes sources de bruit au passage d’un véhicule [7]. Une antenne acoustique est un système de mesure consistant en un ensemble de microphones disposés suivant une géométrie particulière, et dont l’acquisition de données est synchrone. Le principe des différentes méthodes de traitement des données est expliqué dans [7]. Généralement, la source de bruit de roulement est localisée au niveau du contact roue/rail, quelle que soit la fréquence analysée. Or, il a été démontré que le rail est la principale contribution du bruit de roulement en-dessous de 1500 Hz environ et qu’à plus hautes fréquences, le bruit dû à la roue est prépondérant. Les travaux de T. Kitagawa [30] montrent en particulier les limites de cette approche pour mesurer la contribution du rail. L’hypothèse d’une source monopolaire introduite dans les algorithmes de traitement d’antenne conduit à localiser une source globale, probablement égale à la somme de sources non monopolaires. Les travaux sur la mesure du bruit au passage par antennerie acoustique se poursuivent actuellement à la SNCF .

La norme Européenne NF-EN-ISO 3095 [2] est le document de référence qui spécifie les conditions de mesure de bruit au passage de véhicules ferroviaires, à vitesse constante. Elle définit en particulier le type de matériel à utiliser, l’environnement requis, les positions du ou des microphones et les conditions relatives au véhicule et à la voie, pour mesurer le bruit de roulement. Elle définit ensuite le protocole de mesures selon la situation analysée. Une procédure de mesure de la rugosité du rail ainsi qu’un spectre limite de celui-ci sont également présentés. Elle fournit, de plus, un tableau reprenant les résultats d’une étude de variabilité des niveaux de bruit au passage en fonction de différents paramètres. Outre la rugosité de la roue et du rail, plusieurs paramètres ont une influence significative. La vitesse du train, les paramètres dynamiques de la semelle sous rail (raideur et facteur d’amortissement), le type et la distance entre les traverses sont les paramètres les plus influents.

Deux Specifications Techniques d’Interopérablité (STI) sont définies au niveau Européen, pour limiter le bruit des véhicules ferroviaires circulant à vitesse conventionnelle [27] et à grande vitesse [28]. Elles apportent de plus des compléments techniques à la norme NF-EN-ISO 3095 ainsi que les caractéristiques d’une voie de référence, nécessaire pour pouvoir évaluer les niveaux acoustiques émis par rapport aux limites imposées par la STI. En particulier, une méthode de mesure ainsi que des spectres limites de rugosité et de taux de décroissance vertical et latéral de la voie sont spécifiés. Ces spectres limites sont spécifiés de façon à assurer que la contribution acoustique de la voie, dans le bruit de roulement, sera faible ou au moins inférieure à celle du véhicule. Ces spécifications servent à l’homologation acoustique de nouveaux véhicules ferroviaires.

Table des matières

Introduction
Chap. 1 Modélisation du bruit ferroviaire dû à l’interaction roue/rail
1 Le bruit de roulement ferroviaire
1.1 Mécanismes de génération du bruit de roulement
1.2 Caractérisation expérimentale du bruit au passage
1.3 Le logiciel TWINS (Track Wheel Interaction Noise Software)
1.4 Le bruit d’impact
2 Description et comportement physique du système roue/rail
2.1 Le véhicule et la roue ferroviaire
2.1.1 Description des composants du véhicule et de la roue
2.1.2 Le comportement physique du véhicule et de la roue
2.2 La voie ferrée
2.2.1 Description des composants de la voie
2.2.2 Le comportement physique de la voie
2.3 Le contact roue/rail
2.3.1 Caractérisation de la rugosité de la roue et du rail
2.3.2 Caractérisation expérimentale du contact roue/rail
2.3.3 Hypothèses sur le contact roue/rail
2.4 Les défauts de surface sur le rail et la roue
3 Simulation de l’interaction entre la roue et le rail
3.1 Modélisation du véhicule et de la roue
3.2 Modélisation de la voie
3.2.1 Modélisation du rail
3.2.2 Modélisation des supports
3.3 Modélisation du contact
3.3.1 Contact normal
3.3.2 Contact tangent
3.3.3 Modèles d’excitation et données d’entrée
3.3.4 Prise en compte des défauts de surface
3.4 Techniques de résolution du problème d’interaction roue/rail
3.4.1 Techniques de résolution fréquentielle
3.4.2 Techniques de résolution temporelle
3.4.3 Conditions aux limites absorbantes
4 Conclusions
Chap. 2 Caractérisation acoustique et vibratoire de l’interaction roue/rail
1 Dispositif expérimental
1.1 Description du site de l’essai
1.1.1 Voie ferrée sélectionnée
1.1.2 Equipement du site Long Rail Soudé (LRS)
1.2 Composition du train d’essai
1.3 Mesures au passage du train
1.4 Procédure d’analyse des résultats expérimentaux de l’essai
1.4.1 Niveaux de bruit équivalents
1.4.2 Analyse spectrale
1.4.3 Corrélation
2 Analyse des mesures de rugosité
2.1 Rugosité du rail
2.1.1 Protocole de mesure
2.1.2 Résultats
2.2 Rugosité de la roue
2.2.1 Protocole de mesure
2.2.2 Rugosité de la roue de référence
2.2.3 Rugosité de la roue avec un méplat
2.2.4 Rugosité de la roue avec un AEL (Apparition d’Ecrasement Localisé)
2.2.5 Rugosité de la roue avec un faux-rond
2.3 Fréquences d’excitation dues à la rugosité
2.4 Comparaison des mesures de rugosité
3 Caractéristiques dynamiques de la voie
3.1 Protocole de mesure
3.2 Caractéristiques dynamiques de la voie dans la direction verticale
3.3 Caractéristiques dynamiques de la voie dans la direction latérale
4 Mesures au passage sur le site LRS
4.1 Accélération de la voie au passage
4.1.1 Accélération de la voie au passage total du train et au passage de la roue
de référence
4.1.2 Accélération de la voie au passage des roues avec des défauts
4.1.3 Bilan
4.2 Méthode de détection de défauts à partir de mesures vibratoires
4.3 Bruit au passage
4.3.1 Niveaux équivalents de bruit au passage
4.3.2 Bruit au passage total du train et au passage de la roue de référence
4.3.3 Bruit au passage des roues avec des défauts identifiés
4.3.4 Bilan
4.4 Méthode de détection de défauts à partir de mesures acoustiques
5 Conclusions générales sur l’exploitation des mesures de l’essai
5.1 Validation des hypothèses de modélisation
5.2 Outil de détection de défauts sur la roue à partir de mesures en bord de voie
Chap. 3 Le modèle d’excitation et de contact roue/rail
1 Définition de la rugosité relative
1.1 Traitement des données de rugosité du rail et de la roue
1.1.1 Traitements préalables
1.1.2 Rugosité relative
1.2 Comparaison de la rugosité relative et de la rugosité combinée
2 Modèle d’interaction roue /rail
2.1 Modèles de contact roue/rail
2.1.1 Modèle de contact de Hertz non linéaire
2.1.2 Calcul de la force d’interaction entre la roue et le rail
2.2 Modèle de roue
2.3 Modèle simplifié de voie
3 Validation du traitement des données de rugosité
3.1 Résolution numérique du problème
3.1.1 Technique de résolution temporelle
3.1.2 Conversion fréquentielle
3.1.3 Paramètres de simulation
3.2 Résultats
3.2.1 Cas de surfaces lisses
3.2.2 Cas de profils de rugosité sinusoïdaux artificiels
4 Extension du modèle de contact en 3 dimensions
4.1 Calcul de la force d’interaction sur la surface de contact totale
4.2 Résultats de simulation avec le modèle de contact 3D
4.2.1 Données d’entrée
4.2.2 Simulation de l’interaction roue/rail
5 Conclusions
Conclusion

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