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Submitted on 1 Jan 1990
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DÉTECTION ACOUSTIQUE DE LA CAVITATION D’UNE HÉLICE
M. Grenie
To cite this version:
M. Grenie. DÉTECTION ACOUSTIQUE DE LA CAVITATION D’UNE HÉLICE. Journal de
Physique Colloques, 1990, 51 (C2), pp.C2-81-C2-84. �10.1051/jphyscol:1990220�. �jpa-00230516�
COLLOQUE D E PHYSIQUE
Colloque C2, supplément au n02, Tome 51, Février 1990 ler Congrés Français d'Acoustique 1990
M. GRENIE
Institut de Phonétique, Université de Provence, 29 avenue R. Schuman, F-13621 Aix-en-Provence Cedex, France
RESUME
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En tournant. les hélices des navires engendrent des variations de pression qui provoquent I'apparition de biilles gazeuses à la surface des pales ou s u r le moyeu des hélices.Ce phenomène qui est appele cavitation érode les hélices. augmente la trainée des navire e t produit u n son qui est d'autant plus intense que les performances propulsivrs des hélices sont dégradées. Cet& &tude est motivee p a r l a volonté d'industriels qui construisent des navires de parvenir à moyen terme A quantifier et detecter la chute de rendement el l a dégradation des hélices en fonction des caracteristiques acoustiques de la cavitation. Ce sont l'apparition, le rebond e t l a disparition des bulles de cavitation qui sont responsables du bruit émis. D'un point de vue acoustique. deux types de cavitation peuvent étre distinguées celles qui correspondent à des modulations large bande de frequence-et d'intensité. e t celles qui sont liées à la présence de transitions spectrales a bande étroite. IJne analyse spectrale evolutive est utilisée pour caractériser les transitions acoustiques produites par plusieurs navires. Les résultats obtenus montrent qu'il n'y a pas d'invariant spectral que l'on puisse associer ce second type de cavitation. La localisation fréquentielle des transitions leur étendue et leur forme varient d'un navire &l'autre. Selon les cas, des transitions montantes. descendantes ou complexes sont mises e n évidence. Plusieurs hypotheses sont formulées pour expliquer l'origine de ces transitoires
ABSTRACT - The propellers of boats produce cavitation noise This noise is due to local variations i n pressure caused by t h e ri>ta&ion of the propeiier i n t h e trater The acoiistic radiation of t h e collapses and rebounds of transient cavitation buhbles produces cavitation noise The aim of this study was to analyze some of the acoustic correlates of cavitation noise caused by the propeller We used digital signal processing techniques to quantify the dynamic structure of t h e cavitation produced by many ships Consistent differences were observed between ships as to position, bandwith. and rate of spectral transitions We found that there a r e no invariant cues across ships for cavitation noise Some rising, fafling o r complex transitions were found It seems that the rotation speed of the propeller cannot explain these differences Several original hypotheses a r e proposed to explain these findings INTRODUCTION
La cavitation produite p a r le déplacement des hélices dans le milieu liquide a pour conséquence une dégradation de l'état de surface de l'hélice sous forme de piqures dont l'importance peut être nkgigeable ou etre beaucoup plus profonde e t e n t r a î n e r la rupture. La cavitation est &galement associée à une chute -notable des performances propulsives de l'hélice. Différentes techniques d'analyse photographique rapides ou stroboscopiques ont et& d6veloppées pour caracLkriser l'apparition de ces phénomenes. Mais leur fiabilité n'est ,pas totale à cause des caractéristiques optiques du milieu marin e t des contraintes liées au déplacement des navires. De plus. la iiaissance de la cavitation s'accompagne des le début de la présence d'un bruit et ce n'est que plus tari! lorsque la cavitation devient plus importante que les bulles de cavitation deviennent visibles L'analyse acoustique du bruit de cavitation d'une hélice peut donc fournir des indications utiles pour détecter le plus iôt possible l'apparition de l a cavitation. C'est pourquoi nous avons appliqué aux enregistremenls acoustiques de navires les méthodes éprouvées s u r le traitement, l'analyse et la reconnaissance automatique de la parole.
L'analyse sonagraphique est traditionnellement l'analyse la plus couramment utilisée pour les études s u r la parole. Dans cette communication nous présentons les résultats obtenus e n dépouillant à l'aide de spectrogrammes des enregistrements réels de navire dont les hélices cavitent. De nombreaiv modéles théoriques ont été proposes par des physiciens ou des acousticiens pour expliquer les p h h o m e n e s à l'origine de l a cavitation L'objectif de cette présentation est de montrer qu'une démarche inverse qui consiste B dépouiller des enregistremenk réels e n recherchant l'explication physique des phénomenes observes peut f o u r n i r des indications intéressantes s u r les mécanismes hydrodynamiques mis e n jeu. Après des brefs rappels s u r les origines de i a cavitation. les résultats des analyses acoustiques sont présentés puis discutés.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1990220
c2-82 COLLOQUE DE PHYSIQUE
1.
LA
CAVITAI IONLa cavitation correspond'& u n changement de phase qui se produit dans u n milieu liquide ou s u r une surface de séparation liquide/solide. Ce phénomène est dil au fait que la pression statique Locale décroit brutalement e t devient inférieure à l a pression de vapeur salurante, c'est-à-dire à l a limite de pression e n t r e l a phase liquide e t la phase gazeuse du corps considéré. Cette variation de pression provoque l'apparition de bulles gazeuses macroscopiques au sein du liquide.
Nke dans un milieu non homogene e t instable, l a cavitation se développe principalement selon deux mécanismes:
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Cavitation par accélération du liquide : u n e accélération suffisante induit une baisse de l a pression statique en dessous de la pression de vapeur saturante.- Cavitation de VORTEX : u n vortex est u n flux tournant résultant du mouvement d'un solide dans u n liquide. Il prend naissance dans le liquide même alors que le ph6nomèn.e précédent se produit à u n e frontière liquide/solide. C'est u n e source de cavitation e n raison de la chute de pression liée à la force centrifuge qui diminue la pression au centre du tourbillon.
La cavitation peut prendre plusieurs formes :
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Casitation par BULLES : elle se produit au contact de parois solides oIi le gradient de pression est modéré (partie centrale de l'hélice par exemple). Les bulles sont d'abord isolées puis s'agglutinent e n nuages. Elles sont emportées dans I'écoulement e t l e u r duree de vie est trPs limitée- Cavitation par LAMES : elle se forme ai contacts de parois solides à forts gradients de pression. La lame grossit puis se détache de la paroi pour laisser place à une autre lame qui se détache à son tour..
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Cavitation par TOURBILLON : elle apparaît sous forme de tourbillons dont le centre constitue une zone de cavitation privilégiée où règne une faible pressionLa cavitation peut apparaître ail niveau de la coque e t au niveau des hélices. La cavitation d'hélice est de loin celle qui produit l'énergie acoustique la plus importante ; elle découle de l a combinaisan de plusieurs phénomènes au sein du vortex. L'hélice peut donner naissance à des vortex de cavitatirin au niveau du moyeu e t des extrémites de pales mais ces vortex n e donnent en général pas lieu à des frequences remarquables s u r le spectre du bâtiment. C'est l a çavilation de surface de pale qui constitue l a source dominante du bruit issu de l'helice car la dépression présente s u r la face de succion d'une pale donne facilement naissance, dans certaines configuratinns, a une cavite qui se résorbe rapidement lorsque le déplacement de la pale change les conditions de pression. L'intensité acoustique de la cavitation de ISh6lice dépend de la vitesse du navire. de la technologie de l'hélice et du profil hydrodynamique de la carène.
2. ANALYSE DE TRANSITOIRES LIES A LA CAVITATION 2.1. CHOIX DES MATERIAUX ET PHMEDURE EXPERIMENTALE
L'écoute d'un grand nombre d'enregistrements de cavitations de navires permet d'isoler. pour iin certain nombre d'entre eux. u n critère acoustique lié semble-t-il à la cavitation. Pliisieurs enregistrements de navires qui présentent de maniére certaine ce critere ont constitue le corpus de cette étude. Des techniques de traitement numérique du signal ont eté mises en oeuvre à l'aide de VES (logiciel de Visualisation e t d'fdition de Signal développe s u r MASSCOMP p a r R . Espesserj pour analyser ces signaux et pour quantifier les parametres acoustique de ce critère.
2
.z.
KESULTATSIl semble que le critt?re acoustique isolé puisse systt5matiquement etre associe à la presence de transitions spectrales quasi periodiques. Le schéma de la figure 1 présente Ies types de tracés relevés siir les sonagrammes. De maniere génbrale. le correlat graphique de ces transitions parait htre ilne forme simple ou complexe relativement intense. La forme des transitions varie de maniére notable selon les navires puisque l'on observe des transitions de type montant, descendant, montant- descendant et descendant-montant. La largeur de bande e t la fréquence de ces transitirins varie egalement de facon importante selon les enregistrements. D'autre part. comme l'illiistre la figure 2 . ces transitions varient pour u n méme navire e n fonction du temps. Aucun invariant spectral n e peut donc Btre associe à ce critère audiophonique
La première question qui se pose à propos de ces transitions spectrales concerne leur parente eventuelle avec la cavitation. Il semble peu probable qire ces formes résultent de prriductions particulieres de bulles ou de lames d'air car. comme l'illustre l'analyse d'un grand nombre de bruits de cavitation de navires. ces phénom8nes apparaissent toi) jours sous la forme de modulations d'amplitude et de modulations de fréquence tres large bande. La cavitation ne semble jamais produire de transitions à bande etroite. D'autre part. plusieurs indices suggérent que les differentes transitions spectrales observées sont produites par le même type de phénomene physique e t qu'elles sont effectivement liees à la cavitation :
- ces trünsitions ne sont relevées qu'en presence de cavitation :
- la periodicité de ces transitions correspond à celle de la cavitation. c'est-à-dire au temps que l'hélice met pour effectuer un tour :
- les largeurs de bande des transitions sont assez voisines d'un navire à l'autre :
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tous les transitoires ont une durée largement inférieure à la période (les formes simples ou complexes relevées ont une durée de 77. à 40 X de l a période compldte de rotation de l'hélice) ;-
les variations qui affectent, d'un tour B l'autre. la fréquence spectrale de ces formes sont du même ordre degrandeur. Elles indiquent, à propos de ce critère. des comportements temporels voisinsLa variabilité des transitions observées d'un tour à l'autre de l'hélice résulte très probablement du fait que le milieu marin n'est pas parfaitement homogène Quant à lavariabilité entre navires, elle a pour origine lavariation e t l a combinaison des facteurs suivants :
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caractéristiques de taille, de tonnage et de puissance des navires ;-
vitesse e t comportement des navires ;-
état e t technologie de l'hélice ;-
profondeur d'immersion de l'hélice ;-
état du milieu marin au moment de l'enregistrement ;-
composition de la chaine acoustique d'acquisition.Malheureusement. nous de disposons pas de tous ces renseignements pour chacun des enregistrements disponibles. II n e nous est donc pas possible de quantifier le rSle joué par chacun de ces facteurs dans l a variabilité o b s e d e au niveau des transitoires.
Plusieurs hypothèses paraissent vraissemblables pour expliquer l'origine des ces transitions
. -
Ces transitions ne sont n'est nullement liées à la production de builes mais elles résultent de l'interaction d'une lame avec une cavitation existante Le passage d'une pale ou du gouvernail au sein du nuage de bulles de cavitation qui se déplace dans le sillage du navire serait responsable de la production de ces transitions acoustiques. S'il s'agit d'une pale. sa géométrie et sa vitesse angulaire seraient directement responsables de la forme de la transition acoustique obtenue. C'est parce que la partie qui est directement à l'attaque des bulles se déplace du centre vers l'extrémité de la pale, e n raison de la force centrifuge e t de la vitesse angulaire. que des glissandos apparaitraient. Leurs formes simples ou complexes s'expliqueraient par le profil des parties des pales qui attaquent les bulles e t par la manière dont l'avancement du navire interrompt l'interaction pale/bulles de cavitation. Une hypothèse voisine est que les transitions résulteraient d'une interaction gouvernail/bulles, la géométrie e t l'orientation du gouvernail ainsi que l a vitesse de rotation et la dimension de l'hélice seraient des facteurs dbterminants.-
Pour des hélices de grand diamètre, le passage d'une pale pres de la flottaison ou m&me hors de la surface peut produire on entraînement d'air. Les transitions acoustiques résulteraient alors de l'interaction pale/poche d'air-
Le fait que des transitions aient été relevées de manière sporadique sur certains enregistrements, suggère une dernikre hypothèse. En présence de houle une modification de l'assiette du navire due a l'incidence de la surface sur le bateau serait susceptible de produire ce type de transition sur un très petit nombre de tours à cause de la modification rapide de l'orientation du sillage de bulles et de l'interaction avec une lame.Ces trois hypothèses n e sont pas contradictoires. Elles ont e n commun de proposer une explication des transitions spectrales observées qui privilégie l'interaction entre un nuage de bulles qui se déplace e t une lame en mouvement. L'analyse prochaine d'autres enregistrements devrait permettre valider ces hypothèses et de fournir des explications plus précises sur les différents phénomènes qui interviennent lors de l'apparition de la cavitation
.
4- CONCLUSION
Cette étude montre que 1' analyse fréquence-temps-amplitude appliquée c i des signaux produits par des navires fournit des indications permettant de détecter e t de caractériser certains aspect de la cavitation. Des transitions spectrales ont été clairement mises en h i d e n c e propos d'un critére acoustique qui semble lié it la cavitation. L'interprétation de tels tracés devra être affinée. Elle impose de disposer d'un ensemble solide de connaissances dans les domaines de l a physique et des technologies. A l'inverse. une démarche purement théorique risque de n'être pas suffisante pour expliquer l'origine des signaux obtenues car les modèles retenus sont bien souvent statiques et ils ne rendent compte que trés imparfaitement de l a réelle combinaison des phbnomènes acoustiques qui apparaissent lors du déplacement d'un navire e n milieu marin.
5 . REFERENCES
Aleksandrov 1. A. (19623, Physical nature of "Rotation noise", Sur Phys. z4cousC;ri.s 8, 23.
Flynn
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COLLOQUE DE PHYSIQUE
Figure 1 Représentations sch4matiques de quelques transitions spectrales observées. Les transitions peuvent Btre simples (montantes ou descendantes) ou complexes (montant-descendant ou descendant-montant).
Figure 2 Spectrogramme du bruit de cavitation d'un cargo Le temps est reprksente e n ahscisse. les freqtlences sont e n ordonnée On distingue plus d'une dizaine de transitions spectrales descendantes dont la periode correspond a l a vitesse de rotation de l'hélice Selon les tours, l'étendue des transitions spectrales varie quelque peu Nous supposons que ces transitions resultent d'une interaction e n t r e les bulles de cavitation qui s ecoule dans le sillage du navire et u n autre élbment en deplacement tel qu'une pale ou le gouvernail
