Contrôle actif du bruit basses fréquences à l’intérieur d’un hélicoptère

Bases sur le bruit de l’hélicoptère

La principale source de bruit est le rotor principal. Il produit deux types d’excitations. La première correspond à un spectre de raie composé de fréquences proportionnelles à la vitesse de rotation du rotor et au nombre de pales (de la même façon qu’un ventilateur). La vitesse de rotation du rotor est notée Ω. Elle est habituellement comprise entre 260 et 400 tours par minutes. Le nombre de pales qui composent le rotor principal est noté B ; cette valeur est généralement comprise entre 2 et 6 (entre 3 et 5 pour les appareils produits par Eurocopter). Les appareils que nous avons étudiés (Le Dauphin N4 aussi appelé EC155 et le Super-Puma MK2+ aussi appelé EC225) avaient 5 pales. La fréquence fondamentale du bruit du rotor principal est donc égale à B×Ω avec Ω exprimé en tours par seconde. Le rotor produit en outre des harmoniques (multiples de la fondamentale) ; il est rare de trouver des appareils présentant plus de deux harmoniques liées au bruit du rotor. Le spectre de raie correspondant au bruit du rotor principal est donc composé en général de deux ou trois raies situées à BΩ, 2BΩ et le cas échéant 3BΩ. Dans le cas de l’EC155 (5 pales), le rotor a une vitesse d’environ 340 tours par minute ; ce qui donne une fréquence fondamentale de 28 Hz. Ce bruit basses fréquences est transmis à la structure de l’appareil qui, en vibrant, vient exciter la masse d’air contenue dans la cabine. Le deuxième type d’excitation provoqué indirectement par le rotor principal est dû au flux d’air qu’il projette sur le fuselage de l’appareil. Lorsque l’appareil est en vol stationnaire, seul le flux d’air dû au rotor principal vient impacter le fuselage. Lorsque l’hélicoptère avance, nous avons une action combinée du flux d’air entraîné par le rotor principal et du vent relatif. Notons que lors d’un vol `a une vitesse d’avancement suffisante, le flux d’air produit par le rotor principal n’impacte pas le fuselage. Le vortex se retrouve “soufflé” vers l’arrière. L’excitation aéroacoustique provoquée par ces deux phénomènes est large bande avec un niveau élevé dans les basses fréquences. Le bruit large bande, avec une décroissance du niveau lorsque la fréquence augmente, est caractéristique des phénomènes aéroacoustiques connus dans le domaine des transports. Ce bruit est transmis à l’intérieur de la cabine par les vitrages et les différents panneaux constituant le fuselage. Les turbines produisent un sifflement aigu au-delà de 10 kHz en plus d’un bruit de jet ; ce bruit restant peu présent à l’intérieur de la cabine puisqu’il est en grande partie atténué par des absorbants passifs tapissant les parois intérieures de l’appareil. Le rotor arrière, de par sa position et son orientation, apporte une contribution négligeable au bruit interne. Les hélices rayonnent selon une directivité dipolaire orientée de façon orthogonale par rapport au plan des pales. La cabine de l’hélicoptère est donc située dans un plan où le bruit produit par le rotor arrière est le moins énergétique.

Principe du contrôle actif du bruit

Le contrôle actif du bruit dont il est question dans la suite de ce travail est basé sur la production d’ondes acoustiques destinées à interférer avec le champ acoustique à traiter (appelé “champ primaire”). Le principe d’un tel dispositif consiste à disposer un ensemble de sources “antibruit” (appelées “sources secondaires”) à l’intérieur ou à proximité de la zone à traiter. Un contrôleur 2 électronique pilote ces sources secondaires de façon à créer un champ acoustique secondaire qui vient interférer avec le champ primaire. Pour assurer cette fonction le contrôleur utilise des informations sur l’état du champ acoustique qu’il obtient par l’intermédiaire de microphones (appelés microphones d’erreur) disposés dans la zone à traiter. Dans la plupart des cas, le contrôleur utilise un ou plusieurs signaux de référence en plus des microphones d’erreur pour calculer les commandes à envoyer aux sources secondaires. Afin de pouvoir mesurer l’effet du contrôle dans l’espace, il est courant d’ajouter des microphones d’observation dans la zone à traiter. Ces microphones d’observation ne jouent aucun rôle dans le contrôle actif et servent uniquement à la mise au point du système. Ce principe est généralisable à des systèmes composés d’un ensemble de sources secondaires et de microphones d’erreur ; on parle alors de contrôle multivoies. Les ouvrages de P.A. Nelson, S. Elliott [8] et S.M. Kuo constituent des références en matière de contrôle actif et permettent de saisir rapidement les problématiques du domaine. D’autre part, le cours d’E. Friot constitue une bonne entrée en la matière.

Contrôle vibratoire du plancher mécanique

Les essais ont été menés par l’ONERA sur une maquette de la cabine du NH907: le VASCO. L’excitation due à la BTP sur l’hélicoptère réel est modélisée par quatre pots vibrants placés sur des fixations correspondantes à celles des barres BTP .
Les pots vibrants sont attaqués par des signaux composés de raies (aux mêmes fréquences que sur le NH90) en plus d’un bruit large bande. Deux types de contrôles ont été mis en œuvre : dans le premier, les capteurs (accéléromètres) sont placés sur le même support que les actionneurs. Tous deux sont de type piézo-électrique PZT (comme dans le cas du contrôle du panneau d’habillage). On compte 10 pastilles réparties sur le plancher mécanique (10 actionneurs + 10 capteurs). Le contrôle est l`a encore assuré par une méthode IMC. Les graphiques montrent que le contrôle vibratoire est efficace jusqu’à 1 kHz et que l’on obtient une atténuation sur les microphones en dessous de 100 Hz. Au-delà on observe quelques légères augmentations du niveau dues `a l’action du contrôle (entre 1 et 3.5 kHz). Plus g´en´eralement le rapport conclue que le contrôle vibratoire est efficace mais que l’effet mesuré sur les microphones n’est pas significatif. Le second type de contrôle a été mis en œuvre par une série de tests sur le VASCO, avec des actionneurs inertiels8 disposés face aux fixations des barres BTP donnent aussi des résultats intéressants . On obtient une atténuation dans un plan à 0.5 m du plafond dans la bande 500-3000Hz avec une efficacité de 5.5 à 6.5 dB sur chaque raie . La disposition des actionneurs inertiels est choisie dans le but d’une réduction du couplage entre les barres BTP et le plancher mécanique. La qualité des résultats prouve l’existence d’un transfert structural non négligeable. Des essais se sont ensuite tenus en vol sur le Dauphin 6075. Dans la conclusion du rapport est noté le fait que le système donne de bons résultats sur le traitement vibratoire du plancher mécanique mais que l’effet sur le champ acoustique n’est pas significatif. On peut ici noter que dans le cas de l’hélicoptère réel, le chemin de transmission du bruit n’est pas limité aux barres BTP puisque le traitement vibratoire en pied de barres ne suffit pas pour réduire de façon significative le bruit présent dans la cabine.

Contrôle vibratoire des barres BTP

Un rapport d’essais décrit les résultats de cette méthode . Le contrôle des barres BTP a été mis en œuvre par Eurocopter sur le Dauphin 6001. Les actionneurs sont du type piézo-électrique inertiel et sont fixés sur les barres BTP standards. Ils agissent sur ces dernières en flexion. Les capteurs de minimisation sont soit des microphones placés en cabine, soit des accéléromètres placés en pied de barre. Le contrôleur est un NoVACS9 avec un algorithme FXLMS utilisé pour un contrôle large bande. L’incidence sur le champ acoustique est ´évaluée par quatre microphones placés à hauteur de la tête des passagers. On peut noter que la configuration la plus efficace, pour la raie la plus énergétique, est celle qui utilise les microphones comme capteurs de minimisation. On obtient une atténuation de 2 à 5 dB sur certaines des raies les plus émergentes dans la bande 500-3000Hz sur l’ensemble des microphones d’observation. Ce résultat montre à l’inverse des résultats précédents que le transfert des vibrations par voie solidienne à travers les barres BTP est prépondérant, du moins pour les excitations correspondantes `a certaines des raies les plus énergétiques. D’autres travaux se sont intéressés à cette problématique. les auteurs proposent des simulations de contrôle du bruit d’engrènement de la BTP permettant d’´étudier la sensibilité d’un système agissant sur la structure porteuse de la BTP. on trouve des essais menés en laboratoire sur une maquette de BTP, les auteurs montrent que l’action d’un système actif sur les barres BTP permet d’atténuer la vibration de plus de 40 dB et cela jusqu’à 1250 Hz.
Enfin, les auteurs présentent une stratégie de contrôle similaire agissant sur le transfert solidien en vue de réduire le bruit dans la cabine. On trouvera aussi des éléments présentant des stratégies de contrôle pour le traitement du bruit en moyennes fréquences et particulièrement du contrôle des raies BTP.

Table des matières

Introduction
1 Objectifs de la thèse
1.1 Informations préliminaires
1.1.1 Bases sur le bruit de l’hélicoptère
1.1.2 Principe du contrôle actif du bruit
1.2 Intérêt du contrôle actif du bruit dans un hélicoptère
1.2.1 Stratégies de contrôle actif déjà testées
1.2.2 Bilan des études déjà menées
1.3 Principe du système que nous proposons
1.4 Difficultés et besoins
1.4.1 Les moyens d’essais
1.4.2 Générer de forts niveaux
1.4.3 Caractériser le bruit de l’hélicoptère
2 Acquisition de la base de données sur l’hélicoptère
2.1 Acquisition des données
2.1.1 Mesures au sol, identification des fonctions de transfert
2.1.2 Mesures du champ primaire en vol
2.2 Caractérisation du bruit de l’hélicoptère
2.2.1 Contenu spectral et niveaux
2.2.2 Analyse spatiale du champ
2.2.3 Considération psychoacoustique (calcul de sonie)
3 Mise au point des moyens d’essais
3.1 Conception de la maquette CabH
3.1.1 Description générale, géométrie de la cabine
3.1.2 Comparatif entre la maquette CabH et l’EC
3.1.3 Conclusions
3.2 Conception des sources secondaires
3.2.1 Mise au point des sources TBF (Très Basses Fréquences)
3.2.2 Mise au point des sources BF (Basses Fréquences)
3.3 Méthode d’optimisation de la reproduction du bruit dans le CabH
3.3.1 Objectifs de la méthode
3.3.2 Méthode des moindres carrés
3.3.3 Méthode de minimisation en module
3.3.4 Comparaison des deux méthodes
3.3.5 Le problème de la restitution du niveau
3.3.6 Conclusions
4 Simulations de contrôle et essais sur CabH
4.1 Stratégie de contrôle et moyens de simulation
4.1.1 Principe des simulations
4.1.2 Filtre optimal de Wiener
4.2 Simulations de contrôle actif
4.2.1 Simulations de contrôle en très basses fréquences (sur EC155 et CabH)
4.2.2 Simulations du contrôle en basses fréquences (sur EC155 et CabH)
4.2.3 Conclusions
4.3 Etude de la diagonalisation de l’algorithme BF
4.4 Essais de contrôle actif expérimental sur CabH
4.4.1 Contrôle actif TBF dans le CabH
4.4.2 Contrôle actif BF dans le CabH
4.5 Conclusion
5 Essais de contrôle actif TBF sur hélicoptère réel
5.1 Dispositif expérimental
5.2 Algorithme utilisé
5.3 Déroulement des essais
5.4 Résultats
5.4.1 Fonctionnement de la source secondaire
5.4.2 Résultats des essais dans le hangars
5.4.3 Résultats des essais au point fixe
5.4.4 Résultats des essais en vol
5.5 Conclusion
Conclusion générale
Table des figures
Bibliographie
A Détails sur l’algorithme FXLMS
A.1 Algorithme monovoie monoréférence
A.2 Algorithme multivoies monoréférence
A.3 Algorithme multivoies diagonal
A.4 Algorithme multivoies multiréférences
A.5 Identification des trajets secondaires
B Détails sur l’algorithme IMC-FXLMS
B.1 Identification des trajets secondaires
B.2 Algorithme monovoie
B.3 Algorithme multivoies
C Détails sur le filtre optimal de Wiener
C.1 Système monovoie, monoréférence
C.2 Système multivoies, monoréférence
C.3 Prise en compte d’une fonction coût
C.4 Système multivoies multiréférences
D Méthode de reproduction du champ primaire
D.1 Problème
D.2 Méthode des moindres carrés
D.3 Méthode du minmodule