HAL Id: jpa-00230614
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Submitted on 1 Jan 1990
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CONTRÔLE ACTIF DE DÉBITS INSTATIONNAIRES ET ATTÉNUATION DE BRUITS D’ÉCOULEMENT
J. Tartarin, J. Laumonier, J. Peube, M. de Coligny
To cite this version:
J. Tartarin, J. Laumonier, J. Peube, M. de Coligny. CONTRÔLE ACTIF DE DÉBITS INSTATION- NAIRES ET ATTÉNUATION DE BRUITS D’ÉCOULEMENT. Journal de Physique Colloques, 1990, 51 (C2), pp.C2-1197-C2-1200. �10.1051/jphyscol:19902281�. �jpa-00230614�
COLLOQUE DE PHYSIQUE
Colloque C2, supplément au n02 , Tome 5 1 , F é v r i e r 1990 C2-1197
1er Congrès Français d'Acoustique 1990
CONTRÔLE ACTIF DE DÉBITS INSTATIONNAIRES ET ATTÉNUATION DE BRUITS D'ÉCOULEMENT
J . TARTARIN, J . LAUMONIER, J . L . PEUBE e t M. DE COLIGNY
Laboratoire d'Etudes aérodynamiques, 40 Avenue du Recteur Pineau, F-86022 Poitiers, France
Résumé - Les systèmes anti-bruit actifs, basés sur l'utilisation de transducteurs électroacoustiques, ne peuvent être mis en oeuvre dans de nombreux secteurs industriels concernés par des bruits liés à des écoulements puisés de gaz corrosifs et/ou à hautes températures (échappements de moteurs thermiques, compresseurs ...)[1][2]. Les anti-pulsatoires passifs sont alors d'autant plus volumineux que les débits sont importants et les fréquences émises sont basses. Notre dispostif de contrôle actif de débit.basé sur le principe d'unorgane type "perte de charge singulière" dont on contrôle en temps réel la position, permet d'atténuer sensiblement le taux de pulsation du débit en aval de cet organe et d'obtenir, en conséquences, une réduction notable des niveaux sonores émis par l'embouchure des circuits d'échappement. Nous en présentons le principe, les premiers résultats phénoménologiques et les conséquences quant à son automatisation.
Abstract - Anti-sound systems, using electroacoustic transducers, are inappropriate for industrial flows of corrosive and/or high temperature gas (exhaust of internal combustion engine, compressors...).Our active flow contol, based on variable head loss, cancels the pulsatory rate downstream the singularity and then leads to attenuation up to 30 dB of the fundamental frequency acoustic pressure radiated by exhausts. We describe basic principles, phenomenon features and consequences for automatization.
I-Principe
L'analogie de Lighthill a permis à de nombreux chercheurs de formuler les relations causales entre Mécanique des fluides et Acoustique concernant les "bruits aérodynamiques". En particulier, il est bien établi qu'un écoulement puisé débouchant dans l'atmosphère est générateur d'un bruit intense à spectres de raies, où là pression acoustique Pa c est proportionnelle à l'amplitude de la fluctuation de vitesse lui :
(1)
Dans ce cas, plutôt que de générer un anti-bruit, l'idée est de "contrôler" l'instationnarité de l'écoulement en cherchant à réduire le taux de pulsation lui / u . Le dispositif, conçu et testé au Laboratoire d'Etudes Aérodynamiques, consiste en un papillon animé d'un mouvement alternatif dont on règle instantanément la position en fonction de la pulsation de l'écoulement. Ceci revient à superposer une "anti-pulsation" qui régularise le débit en aval de cette perte de charge. La faisabilité du système ayant été démontré par de nombreux tests réalisés en laboratoire dans deux configurations d'écoulements puisés (un circuit d'échappement d'un moteur quatre cylindres (2000 cm2) et un banc aéraulique instationnaire spécialement réalisé), il restait à établir les limites techniques et technologiques, la phénoménologie de ce type de contrôle actif inédit, et d'étudier en détail les possibilités d'automatisation.
La mise en équation d'un écoulement puisé est facilitée par les hypothèses couramment admises : unidimensionalité, quasi-incompressibilité (liée aux vitesses de débit relativement faibles, rencontrées dans les écoulements industriels (ù"= 50 m/s), forces de viscosité négligeables, conditions isentropiques concernant les transformations thermodynamiques. Ainsi, en tout point d'un écoulement interne, nous considérons que les grandeurs physiques s'écrivent :
Une singularité placée dans un écoulement permanent est caractérisée par son coefficient (X) de perte de charge définie à partir de la différence de pression statique entre amont et aval (Pj - P2) et de la vitesse de débit de référence (au niveau de la section de l'organe):
(2)
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19902281
C2-1198 COLLOQUE DE PHYSIQUE
Pour un papillon présentant une incidence a par rapport à l'axe de l'écoulement, le coefficient h ne dépend que de a et est un paramètre adirnensionnel universel (si la similitude géométrique est respectée). Cette relation h(a) n'est pas linéaire, mais nous avons vérifi6 qu'elle n'était pratiquement pas influencée par l'instationnarité des écoulements. En écoulement pulsé, la relation (2) permet décrire
Soit, en séparant contributions "moyenne" et "fluctuante":
En écoulement permanent, nous pouvons établir quel sera l'effet du mouvement périodique d'un papillon autour d'une incidence moyenne (E) et l'amplitude petite :
-
pl+
F;(t) -(p;+
= ( z ( a ) + ~ ( a , t ) ) .3
(ü +ü'(t)$ (5)soit, pour la contribution fluctuante : 1 - 2
Pl1(t) - F;(t) = X(E,t)
.
p u+
A@) püU'(t) (6)La superposition de ces deux configurations &coulement. (lorsque les deux fréquences fondamentaies sont identiques) conduit à :
-pü2
- -
- p i 2(7 + Pl
(t)+ Fi
(t)) -(5 + F2
(t)+ F.
(t)) = h-
2+
hpÜU(t)+
hüült)+
5- 2 (8)Le but étant d'annuler la fluctuation de vitesse en aval du dispositif; ceci se traduira localement par l'atténuation de la fluctuation de pression en aval et idéalement par :
Le coefficient de perte de charge doit donc suivre une loi temporelle définie par :
Cependant, puisque &(t) et F2(t) doivent être en opposition de phase, les hypothèses suivantes (vé@ées p q o s expériences) ont et6 émises :
- Pl(t) et Pfl(t) en phase : (à un déplacement instantané du papillon correspond une dépression en amont et supression en aval (ou inversement)).
- Z(t) et T(t) en opposition de phase et de même ordre de grandeur. En effet, bien que ces grandeurs représentent par définition une fluctuation de la vitesse de débit prise en référence au niveau de la section de mesure, cette hypothèse est localement vérifiée à proximité de l'organe.
Ainsi la loi temporelle devant conduire à une atténuation de la fluctuation de vitesse en aval est en première approximation :
U
-
Résultats et vérifications expérimentalesDans le cadre de nos tests de faisabilité, nous avions donc à valider cette loi temporelle pour les conditions optimales d'attenuation. Les figures 1 et 2 donnent un exemple d'atténuation (de l'ordre de 30 dB) du fondamental de pression acoustique rayonnée par l'embouchure. Des essais expérimentaux exhaustifs, dans une large gamme des paramètres physiques de l'écoulement pulsé (10
< ü < 50 m/s ; 10 < N < 100 Hz et O < riri / ü <15 % ) ont conduit au résultat exposé à la figure 3.
L'actionneur est constitué d'un moteur pas à pas, dont la résolution de positionnement est 1,8 O et la
vitesse maximale de démarrage 1500 paslsec, piloté par un ensemble électronique commandé par microprocesseur. Les séquences de déplacement d'allure triangulaire conduisent à une loi temporelle X(t) périodique quasi-sinusoïdale nécessaire à l'atténuation de la fréquence fondamentale de la pulsation.
Parmi d'autres aspects phénoménologiques, nous avons étudié les effets de
"contre-pression" du dispositif, analogue à la "contre-réaction" rencontrée en absorption acoustique active. En conditions d'atténation optimale, nous n'avons constaté aucun déphasage de la fluctuation de pression en amont, (confirmant que Pl(t) et Pl(t) sont en phase). L'effet & contre-pression résulte donc en une simple amplification de cette fluctuation entre les situations "avant" et "après" mise en action du dispositif (fig. 4). L'amplitude de pl(') est toujours inferieure à &(t) et dépend des conditions aérauliques en amont. En conséquences, en vue de l'automatisation du système, la commande devra être prédictive mais sera facilitée par la relation de phase simple entre le signal de pression observé en amont et le mouvement de l'actionneur.
.'
W 100 iW 4 . - . . ,50 . - - . m 100 . . . . , 150
Frequence (Hz) Frequence (Hz)
Fig. 1 : Spectre sans dispositif Fig. 2 : Spectre avec dispositif
O
O O
O 0.5 1.0 5 t+TO t+2TO t+3TO t+4TO
MOdul8tiOn de l a pression amont Temps
Fig. 3 : Vérification de la relation (10) Fig. 4 : Effets de contre-pression IH
-
Travaux en coursPlusieurs axes sont en développement :
- Amélioration de la résolution de positionnement de i'actionneur. Des premiers essais sont actuellement effectués à l'aide d'un moteur "micropas" (dont la résolution est 1,8 O 1 125, soit de l'ordre de la minute d'angle).
- Conception et réalisation d'un ensemble micro-électronique et micro-informatique autour du bus VME (standard indusmel universel), comprenant une unité centrale (microprocesseur Motorola 68000), une carte d'acquisitions (quatre voies simultanées) et de traitement du signal (micropmesseur TMS 320-10 Texas Instrument) et une carte "indexeur" nécessaire à la mise en mémoire et la génération de 128 séquences de déplacement de l'actionneur. Cette dernière carte a été conçue et développée au laboratoire.
C2-1200 COLLOQUE DE PHYSIQUE
- Simulation de déplacement par micro-pas de I'actionneur (à partir de la loi temporelle) en discrétisant la période en 64 (ou 128) séquences. Les performances (et les limites) de l'actionneur étant connues et les critères (tels que perte de charge moyenne admissible) fixés, cette simulation permet de connaitre et choisir le séquencement de la commande (nous en présentons deux exemples à partir d'un signal de pression effectivement mesuré et échantillonné en circuit d'échappement, le fondamental étant filtré (fig.5) et signal brut (fig.6). Cette simulation a déjà permis de vérifier trés précisément les ordres de grandeurs des paramètres de la commande qui ont conduit aux atténuations du fondamental effectivement réalisées à l'aide du premier prototype. La grande résolution de positionnement de l'actionneur choisi pour le nouveau prototype permet d'envisager une très bonne concordance entre mouvement réel et simulé, devant conduire "idéalement" à l'annulation de la fluctuation périodique en aval de la singularité.
O O
Grandeur d ' e t a t :
a %
Grandeur d ' e t a t :pression amont. f o
-
87 Hz.Fondamental de I a pression amont fo
-
87 HzO
s g
2 t t+TO t+2T0 t+3T0 t+4TO O O
2 i t+To t+2T0 t+3T0 t+4To
Temps Temps
_
'-~ 4 . Incidence instantannée L
s
O' ce instantannéeO . O
D> U
a . a
0 '
ln- '?
N . in N
O O
t t+To t+2To t+3To t+4To t t+To t +2To t +3To t+4To
Temps Tcnpa
Fig. 5 : Simulation avec le signal filtré Fig. 6 : Simulation avec le signal brut
-
Etude de l'automatisation en boucle ouverte pour observer les atténuations obtenues et modifier les paramètres "off-lirie". Ceci nécessite un aaitement préalable des signaux de pression (tel que filtrage passe-bas permettant de choisir le nombre d'harmoniques conservés pour le calcul de la loi de commande et compatibles avec les performances de vitesse et d'accélération de l'actionneur). Par ailleurs, la synchronisation devant être parfaite, il est nécessaire de comaitre précisément la fréquence et la phase absolue du phénomène physique. En laboratoire, un codeur optique, placé sur un axe, génére une horloge servant à i'échantiiiomage conditionnelle et à la détermination de la fréquence (par comptage) et de la phase absolue. Afin de supprimer ce codeur, nous étudions l'adaptation à notre système de techniques temporelles de aaitement du signal, basées sur le "démodulateur à oscillateur as se^ en phase" [3], pour la détermination rapide et précise de la fréquence et de la phase absolue à partir des signaux de pression échantiiiomés.-
Possibilités d'applications aux écoulements industriels: échappement de moteurs thermiques de moyennes puissances ÿusqu'à 1000 CV) afin de réduire le volume des anti-pulsatoires passifs utilisés comme silencieux, en collaboration avec la societt? BOET. Il semble également envisageable d'utiliser notre dispositif pour le contrôle actif des instabilités de flamme, où le couplage acoustique/combustion conduit parfois à des extinctions etlou expIosions (qui auraient été à l'origine de la destruction d'une fusée Ariane !)Bibliographie
[l] J.E.Ffowcs Williams : "Active control of "noisy" systems" - Inter Noise 88 - Proceedings vol.1 [2] Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique (Marseille), Ecole Centrale Lyonnaise, Laboratoire d'Etudes Aérodynamiques (Poitiers), Renault Véhicules Industriels : "Etude de la réduction du bruit d'chappement de v6hicules industriels par absorption acoustique active"
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rapport de contat no 83 158 Ministère de l'Environnement (1983)[33 H.L. Van Trees : " Detection, EstimaDon and modulation Theory"
