Les sources turbulentes

S PL ( d B ) 1BPF 2BPF 3BPF

Bruit à large bande Bruit de raies

(a) Régime subsonique

S PL ( d B )

Multiple de la fréquence de passage des aubes

1 2 3 5 dB 1BPF 2BPF 3BPF FMR FMR FMR (b) Régime transsonique

Figure I.3 – Spectre de bruit caractéristique de la soufflante aux régimes subsonique et

BPF pour le terme générique anglophone Blade Passing Frequency. En revanche, en régime transsonique (figure I.3(b)), de nombreuses raies supplémentaires apparaissent autour de ces raies principales, correspondant aux Fréquences Multiples de Rotation du moteur, ou FMR. Ce phénomène, sur lequel nous revenons ci-après, est lié aux dispersions des ondes de choc émises par chacune des aubes du rotor.

1.2.2 Les sources périodiques

Les principaux mécanismes relatifs au bruit de raies d’une soufflante sont représentés sur la figure I.4et sont détaillés ci-après :

Interaction rotor-OGV Interaction rotor-IGV Bruit propre rotor Ondes de choc Interaction potentielle stators / rotor Interaction distorsion

stationnaire amont / rotor

Figure I.4 – Les sources de bruit de raies d’une soufflante (d’après [8]).

Le bruit d’ondes de choc : Dès approximativement 80% du régime nominal pour les mo-

teurs actuels, le nombre de Mach aux extrémités des pales du rotor passe en régime superso- nique. Des ondes de choc se forment alors au bord d’attaque (BA) de chaque pale. Les infimes irrégularités de calage des aubes respectives du rotor ont pour effet de détacher ces ondes de choc, qui se propagent alors vers l’amont du conduit jusqu’à sa sortie en suivant un chemin en forme de spirale. Le bruit d’ondes de choc, ou en anglais Buzz Saw Noise (BSN), apparait donc au décollage et son spectre acoustique est caractérisé par des FMR (cf. figureI.3(b)).

Le bruit propre du rotor : Toujours en condition de fonctionnement supersonique, les

raies correspondant à la fréquence de passage des aubes (BPF) et leurs harmoniques sont prépondérantes en régime transsonique (cf. figure I.3(b)). L’ensemble des sources présentant une périodicité égale à chaque passage d’aube sont à l’origine de ce mécanisme. On parle alors du bruit de raies du rotor isolé. Le mode principal de la première raie est le mode attaché à la soufflante, c’est-à-dire celui qui présente autant de lobes que le rotor possède d’aubes. De

façon générale, la raie d’ordre n correspond à l’excitation du mode acoustique azimutal d’ordre : m= nB, où B représente le nombre d’aubes du rotor.

Le bruit d’interaction rotor-stator : Lorsque la soufflante fonctionne en régime subso-

nique les deux mécanismes périodiques précédemment décrits ne génèrent plus de bruit. Le bruit provient dans ce cas principalement de l’interaction des sillages du rotor avec les redresseurs primaire et secondaires, appelés respectivement IGV et OGV pour leur terminologie générique anglophone Inlet and Outlet Guide Vanes. Ces sillages tournants, générés à la fréquence de pas- sage des pales, possèdent un déficit de vitesse périodique qui entraîne une variation périodique de charge des aubes du redresseur. La formule de Tyler et Sofrin [11], redémontrée en II.3.2, donne une relation entre l’ordre des modes acoustiques excités, m, le rang de la raie, n, et les nombres d’aubes du rotor, B et du stator, V :

m= nB ± kV ; k entier (I.1)

où, nB représentent les harmoniques de charge induites par les sillages du rotor. Ce mécanisme d’interaction semble contribuer essentiellement à la signature acoustique tonale du bruit de soufflante (voir figureI.3(a)). La prévision des sources acoustiques périodiques engendrées par ce mécanisme a donc fait l’objet de nombreuses recherches qui sont abordées dans la section 3 de ce chapitre.

Le bruit d’interaction d’une distorsion stationnaire de l’écoulement avec le rotor :

L’interaction d’une distorsion stationnaire de l’écoulement avec la soufflante génère également du bruit de raies à la fréquence de passage des aubes et à leurs harmoniques en régime sub- sonique. Deux phénomènes peuvent être à l’origine de ce mécanisme. Le premier concerne la distorsion stationnaire de l’écoulement d’alimentation. Cette déformation peut provenir de conditions d’essais où une soufflante statique fonctionne en mode d’aspiration, comme le sou- lignent Léwy et al. [12]. Mais elle peut également provenir des conditions de vol (tel qu’un vent de travers) ou des conditions géométriques de la manche d’entrée d’air. Un autre phénomène implique la distorsion stationnaire de l’écoulement en amont des aubes des redresseurs. Lorsque cette distorsion remonte l’écoulement elle induit des fluctuations de charges sur les aubes du rotor. On parle alors du bruit d’interaction potentielle. Les modes acoustiques excités par cette interaction sont alors également donnés par la formule de Tyler et Sofrin (équation I.1), mais la fréquence des sources est cette fois fixée par les harmoniques de charge kV .

1.2.3 Les sources turbulentes

Il a été vu que les mécanismes mis en jeu dans la génération du bruit de raies en régime transsonique présentent une forte contribution sur le niveau de bruit global de soufflante (voir figure I.3(b)). Dans le cas du bruit à large bande, les sources turbulentes demeurent de faible importance en régime transsonique car elles sont masquées par les phénomènes périodiques. Les principaux mécanismes responsables du bruit à large bande sont liés aux écoulements turbulents en régime subsonique. Ils sont présentés sur la figureI.5 et sont détaillés par la suite.

Interaction rotor-OGV Interaction rotor-IGV Bruit propre rotor Bruit de jeu Interaction turbulence amont / rotor Interaction couches limites / rotor

Figure I.5 – Les sources de bruit à large bande d’une soufflante.

Le bruit propre du rotor : Il a été vu que le rotor seul contribuait à la signature tonale de

la soufflante en régime transsonique. En outre, le rotor est également le siège d’une contribution à large bande en régime subsonique. Ce mécanisme provient de la présence des couches limites et de leurs éventuels décollements à la surface des aubes, interagissant avec la paroi dans la région du bord de fuite (BF). Plus exactement, il s’agit d’un bruit lié à l’ajustement rapide des fluctuations de vitesse de la couche limite lorsque celles-ci sont convectées à travers le bord de fuite, phénomène traduisant la condition de Kutta-Joukoswski.

Le bruit d’interaction rotor-stator : Le mécanisme d’interaction est également associé au

bruit à large bande engendré par la présence de perturbations turbulentes dans l’écoulement moyen. Plus précisément, la génération de fluctuations de vitesse turbulente dans la zone du sillage, associée à la turbulence de fond résiduelle, produit des fluctuations apériodiques de charge sur les redresseurs primaire et secondaire. Ces efforts, qui sont aléatoires, excitent toutes les fréquences et aboutissent donc à un spectre sonore à large bande. D’après Hubbard [13] et Woodward et al. [14] le mécanisme d’interaction rotor-stator est la source prépondérante du bruit de soufflante en régime d’approche, conduisant à une signature acoustique tonale et à large

bande, avec un rayonnement privilégié à l’aval. La prévision des sources acoustiques turbulentes engendrées par ce phénomène a donné lieu à de nombreuses études que nous aborderons dans la section 4 de ce chapitre.

Le bruit d’interaction de la turbulence amont avec le rotor : La turbulence atmo-

sphérique ingérée par la soufflante peut avoir un effet important sur le niveau de bruit global en mode d’aspiration. Ce phénomène est décrit par l’interaction des perturbations aléatoires présentes au sein de l’écoulement stationnaire environnant avec les aubes du rotor. En péné- trant dans le turboréacteur, les tourbillons s’allongent et lorsque leur longueur axiale devient grande devant la corde des aubes du rotor, l’interaction entre ces structures tourbillonnaires et les aubes deviennent partiellement cohérentes entre elles. Le bruit résultant est alors centré sur les fréquences de passage des aubes. Ce mécanisme est donc source de bruit à large bande avec des niveaux plus élevés aux fréquences de passage des aubes, ce qui peut donc également s’apparenter à des raies caractérisées par une base élargie.

Le bruit d’interaction des couches limites avec le rotor : Les couches limites du carter

et du moyeu participent également à la génération du bruit à large bande. Le mécanisme impliquant la couche limite du carter résulte de l’interaction de celle-ci avec la tête des aubes du rotor. Ce phénomène est facilité par l’épaisseur relativement grande de la couche limite, laquelle varie avec la longueur du conduit en amont du rotor et avec les variations de sections. Celle du moyeu interagit quant à elle avec les pieds des aubes du rotor et du redresseur primaire. Il s’agit cependant d’un mécanisme secondaire qui ne semble pas contribuer notablement au niveau global.

Le bruit de jeu : L’origine du bruit de jeu en extrémités d’aubes est relativement complexe

du fait de l’implication des mécanismes du bruit propre et du bruit d’interaction du rotor avec la couche limite du carter. En effet, ce phénomène peut se décrire en deux temps : tout d’abord la couche limite du carter interagit avec l’écoulement de jeu, générant alors un écoulement turbulent complexe, responsable d’un bruit à large bande avec des niveaux plus élevés aux fréquences des lâchés tourbillonnaires ; puis ces tourbillons interagissent avec l’aube elle-même ou les aubes avoisinantes, entrainant ainsi des fluctuations de charge, également responsables d’un bruit à large bande. Ce mécanisme compte parmi les sources principales de bruit à large bande. Cependant dans le cadre de ce projet cette source ne sera pas étudiée du fait de la difficulté liée à l’obtention précise des caractéristiques des écoulements turbulents dans ces zones de petites dimensions.