Qu'est-ce que le bruit, les vibrations et les secousses ?

Le bruit, les vibrations et les secousses (NVH) désignent l'étude et la gestion des sons et des vibrations que les êtres humains perçoivent lorsqu'ils interagissent avec des machines, en particulier des automobiles, ainsi que la manière dont ils perçoivent ces sons et ces vibrations. Les ingénieurs s'intéressent au bruit, aux vibrations et aux secousses car ils influencent l'expérience client et ont un impact sur la durabilité mécanique de la machine.

Le bruit, les vibrations et les secousses sont à la fois une question d'ingénierie et de psychologie. Les ingénieurs interviennent dans la prévision, la mesure et le contrôle du bruit et des vibrations. Les psychologues étudient la psychoacoustique afin de mesurer et de comprendre comment les êtres humains perçoivent le bruit et les vibrations. 

Un bon moyen de mieux comprendre le bruit, les vibrations et les secousses consiste à étudier chaque terme dans le contexte de l'automobile.

Bruit : ce que l'on entend

Le bruit désigne tout son indésirable à l'intérieur ou à l'extérieur d'un véhicule. Il peut être généré par le vent qui souffle sur la voiture, les pneus qui roulent sur la chaussée, le crissement des freins, le sifflement de l'air sortant d'une bouche de climatisation presque fermée ou encore par le moteur. Les bruits tonaux sont un sous-ensemble de bruits caractérisés par une seule fréquence, ou par plusieurs fréquences distinctes, et produisent un sifflement, un bourdonnement, un sifflement aigu ou un grondement.

Vibrations : quel est le comportement de la source et comment les êtres humains le perçoivent-ils par le toucher

Les vibrations désignent les oscillations physiques de tout objet. Elles peuvent avoir un impact sur la durabilité ou être perçues par le toucher. Il peut s'agir d'un volant qui vibre, d'un moteur qui tremble au ralenti ou d'une porte de boîte à gants qui émet des cliquetis.

Secousses : ce que l'on perçoit

Les secousses désignent la mesure subjective de la qualité d'un son. Elles tiennent compte de ce qui confère à un moteur un son puissant, à une porte qui se verrouille un son rassurant ou à un habitacle une ambiance paisible. 

Bien que le bruit, les vibrations et les secousses concernent toutes les interactions homme-machine, l'industrie automobile est tout particulièrement concernée par leur développement et leur application. Même si l'on ne parlait probablement pas encore de bruit, de vibrations et de secousses à l'époque, les premiers chars et carrosses devaient déjà faire face au problème des bruits de cliquetis et des secousses avant même que les routes n'existent. Au fil du temps, de simples ressorts en bois ont été ajoutés, certaines pièces ont été fixées et d'autres ont été renforcées afin de rendre les trajets en calèche moins pénibles.

Le domaine du bruit, des vibrations et des secousses a véritablement pris son essor lorsque les ingénieurs en ont fait une composante à part entière de l'ingénierie automobile après avoir intégré des moteurs bruyants. L'art d'améliorer l'expérience de conduite s'est alors transformé en science.  Tous les grands équipementiers automobiles (OEM) disposent de plusieurs équipes d'ingénieurs dédiées au bruit, aux vibrations et aux secousses. Dans une voiture, le bruit et les vibrations font en effet partie intégrante de l'expérience de conduite et, par conséquent, de l'image de marque. La plupart des recherches, des avancées technologiques, des outils de simulation et des processus d'essai liés au bruit, aux vibrations et aux secousses proviennent directement des efforts déployés par l'industrie automobile pour offrir une conduite plus silencieuse et plus agréable.

Cependant, d'autres secteurs s'intéressent à la manière dont les êtres humains qui interagissent avec des systèmes perçoivent le bruit et les vibrations.

Parmi les applications non automobiles les plus courantes liées au bruit, aux vibrations et aux secousses, on peut citer :

• Les appareils électroménagers tels que les lave-vaisselle et les lave-linge
• Les outils de jardinage motorisés tels que les souffleurs de feuilles et les tondeuses à gazon
• Les avions, en particulier dans les cabines passagers et les postes de pilotage, ainsi que la réduction des nuisances sonores dues au trafic aérien à proximité des aéroports
• Les outils électriques et les équipements de fabrication
• Les turbines éoliennes

Quel que soit le secteur d'activité, l'ingénierie du bruit, des vibrations et des secousses consiste à comprendre les sources de bruit et de vibrations, leurs modes de transmission, la manière dont les êtres humains les perçoivent, puis à mettre en œuvre des mesures pour les maîtriser afin de répondre aux exigences réglementaires et aux objectifs commerciaux, esthétiques, de sécurité et de durabilité. Les équipes utilisent divers outils et processus pour mener des analyses du bruit, des vibrations et des secousses et aider l'ensemble de l'équipe de développement de produits à modifier les conceptions si nécessaire. Résultat : des produits de meilleure qualité et une meilleure expérience client. 

Le bruit et les vibrations proviennent tous deux des chocs, des mouvements aléatoires ou cycliques des composants mécaniques d'un véhicule, ou encore du mouvement des fluides, généralement de l'air, à travers ou autour de ces composants. Le mouvement mécanique qui génère des vibrations ou du bruit est appelé « source de bruit ». La manière dont l'énergie du bruit ou des vibrations parvient aux passagers est appelée « voie de transmission ». Les ingénieurs étudient ces deux aspects, puis modifient la conception afin de limiter les secousses, c'est-à-dire le bruit et les vibrations perçus dans le véhicule.

Les sources les plus courantes de problèmes de bruit, de vibrations et de secousses dans les véhicules sont les suivantes :

• Groupe motopropulseur
  • Combustion du moteur : dans les moteurs à combustion interne (ICE), la principale source de bruit et de vibrations est la combustion dans les cylindres.
  • Mouvement et contact des mécanismes : le vilebrequin, les cames, les soupapes et les pistons d'un moteur à combustion interne génèrent tous des vibrations lorsqu'ils glissent et entrent en contact les uns avec les autres.
  • Moteurs électriques : les sollicitations électromagnétiques cycliques à haute fréquence au niveau du moteur électrique d'un véhicule électrique (VE) génèrent des bruits et des vibrations très différents de ceux d'un véhicule équipé d'un moteur à combustion interne.
  • Arbre de transmission : les roulements, les supports, les accouplements et autres composants mécaniques peuvent générer du bruit et des vibrations et entrer fortement en résonance à certaines fréquences critiques.
  • Transmission : les transmissions automatiques et manuelles peuvent toutes deux produire du bruit dû à l'interaction des engrenages.
• Interaction entre la route et les pneus
  • Bande de roulement des pneus : la sculpture unique de la bande de roulement de chaque pneu peut entrer en résonance à certaines vitesses, créant ainsi un bruit indésirable.
  • Texture de la chaussée : la texture locale de la chaussée, qu'il s'agisse de gravier, de béton ou d'asphalte, peut provoquer des vibrations dans les pneus qui génèrent du bruit et des vibrations.
  • Irrégularités de la chaussée : les fissures, les bosses, les joints de dilatation, les rainures et les nids-de-poule ont un impact sur les pneus et constituent une source importante de secousses.
• Charge aérodynamique
  • Turbulences externes : dans un flux d'air turbulent, les tourbillons constituent une source importante de bruit indésirable. Tout élément saillant sur un véhicule tel qu'un joint, un rétroviseur, un essuie-glace ou un montant peut créer des turbulences à l'origine de bruit. C'est ce que l'on appelle souvent le « bruit du vent ».
  • Fuites : l'air qui s'engouffre par les petites ouvertures autour des vitres ou au niveau des joints de porte peut provoquer un sifflement à haute fréquence.
  • Résonance de cavité : les vitres ouvertes peuvent provoquer une résonance de pression dans l'habitacle du véhicule, produisant un son pulsé.
  • Système d'échappement : dans les véhicules équipés d'un moteur à combustion interne, les gaz d'échappement provenant du moteur traversent le système d'échappement et les ondes de pression qui en découlent entrent en résonance, générant ainsi des vibrations et du bruit.
• Sous-systèmes auxiliaires
  • Crissement des freins : le frottement des plaquettes de frein contre le disque ou le tambour peut provoquer une résonance et produire un grincement fort et distinct.
  • Système HVAC : les systèmes de chauffage et de climatisation comportent plusieurs sources de bruit, notamment le bruit du ventilateur, les sifflements dans les conduits et les turbulences au niveau des bouches d'aération. Dans les voitures modernes, où les bruits aérodynamiques et routiers sont réduits, le système HVAC peut constituer une source dominante de bruit, en particulier pour les véhicules électriques.
  • Turbocompresseurs : la turbine et le compresseur d'un turbocompresseur génèrent tous deux un bruit à haute fréquence important à certaines vitesses.
  • Ventilateurs de refroidissement : les courroies et les ventilateurs qui assurent le refroidissement du moteur ou des batteries fonctionnent souvent lorsque le véhicule est à l'arrêt, voire lorsque le moteur est coupé.
  • Loquets : les mécanismes qui assurent la fermeture des portes, des ceintures de sécurité et des compartiments de rangement d'un véhicule génèrent tous du bruit et des vibrations lorsqu'ils s'ouvrent ou se ferment.
  • Actionneurs : les véhicules modernes comportent des dizaines d'actionneurs électriques qui émettent des bourdonnements et des sifflements lorsqu'ils actionnent les vitres, les sièges, les serrures de porte, les freins de stationnement, les essuie-glaces et d'autres composants.
  • Bourdonnements, grincements et cliquetis (BSR) : les composants mal fixés d'un véhicule, tels que les panneaux de carrosserie, les grilles de haut-parleurs, les fixations de garniture et les boucliers thermiques, peuvent entrer en résonance à hautes fréquences (bourdonnement), frotter contre d'autres pièces (grincement) ou heurter d'autres objets (cliquetis).

Voies de transmission dans l'analyse du bruit, des vibrations et des secousses

Une fois que les ingénieurs ont identifié les sources, l'étape suivante consiste à quantifier la propagation du bruit et des vibrations depuis ces sources jusqu'aux passagers. Le bruit se propage généralement dans l'air ; on parle alors de transmission aérienne. L'énergie vibratoire est transmise par les composants solides ; on parle alors de transmission structurelle. Cette distinction est importante car la voie de transmission influe sur la façon dont le passager perçoit le bruit ou les vibrations et détermine les méthodes que les ingénieurs peuvent utiliser pour contrôler les secousses. 

Les ingénieurs automobiles utilisent différents capteurs pour mesurer les vibrations et le bruit sur les prototypes et les véhicules de série. Ils ont ensuite recours à des logiciels d'analyse pour convertir les données d'essai en informations exploitables.

Les capteurs les plus couramment utilisés pour mesurer les bruits, les vibrations et les secousses sont les suivants :

• Accéléromètres : dispositifs qui mesurent simultanément le mouvement dans les trois dimensions au fil du temps, permettant ainsi de déterminer l'accélération en un point donné du véhicule.
• Transducteurs de force : instruments, souvent appelés cellules de charge, placés entre des composants pour mesurer la charge entre eux au fil du temps.
• Transducteurs de couple : capteurs qui mesurent la déformation d'un arbre et la convertissent en charge de rotation au fil du temps.
• Jauges de contrainte : dispositifs qui mesurent la distorsion de la surface d'un objet au fil du temps.
• Microphones : capteurs qui mesurent les variations de pression de l'air au fil du temps (c'est-à-dire le son).
• Vibromètres laser : systèmes optiques qui mesurent le décalage Doppler d'un faisceau laser réfléchi par une surface en vibration, ce qui permet de déterminer la déviation de cette surface au fil du temps, parallèlement au faisceau laser. 

Les ingénieurs automobiles peuvent utiliser plusieurs approches pour optimiser le bruit et les vibrations d'un véhicule afin de limiter les secousses. Les constructeurs automobiles s'efforcent de mettre en œuvre ces mesures le plus tôt possible dans le processus de conception, lorsque le coût des modifications de conception est minime.

Les ingénieurs cherchent à éliminer le signal, à réduire son énergie ou à l'adoucir. L'oscillation et l'amplitude de chaque fréquence du signal définissent une vibration ou un bruit donné. L'analyse de l'amplitude de chaque fréquence donne lieu à un spectre. Toute occurrence multiple à une fréquence spécifique crée une ou plusieurs notes audibles par l'oreille humaine. L'amplitude de ces vibrations fondamentales détermine le volume du son. Le terme correct pour désigner la perception du volume est « intensité sonore » ; celle-ci peut être estimée à l'aide de l'indicateur psychoacoustique d'intensité sonore. 

Les quatre approches les plus courantes pour réduire l'amplitude ou modifier les fréquences sont la modification de la source, l'absorption d'énergie, l'isolation et la suppression active.

Modification de la source

La première étape pour relever les défis liés au bruit, aux vibrations et aux secousses consiste à arrêter, réduire ou modifier le bruit ou les vibrations à la source. Si le signal est dû à une résonance, les ingénieurs modifient la rigidité ou la géométrie afin d'éloigner les fréquences naturelles des fréquences d'excitation ou de limiter l'énergie lors de l'excitation. Les cliquetis peuvent être atténués, voire éliminés, en fixant les composants plus solidement. Pour réduire les bruits tonaux à la source, les ingénieurs ont recours au séquençage de la hauteur tonale afin d'élargir la plage de fréquences ou modifient la vitesse de rotation (tr/min) afin de décaler les fréquences vers une plage plus agréable.

Absorption d'énergie

Une fois qu'un signal quitte sa source, les ingénieurs utilisent différentes méthodes pour convertir son énergie en chaleur, généralement par amortissement ou absorption. L'utilisation de matériaux de revêtement, d'éléments d'amortissement ou de mousse acoustique dans les panneaux de plafond en est un bon exemple. Cela permet d'absorber le bruit provenant de l'extérieur et de réduire la réflexion du bruit à l'intérieur de l'habitacle. Des matériaux absorbant l'énergie sont utilisés dans les liaisons mécaniques pour absorber les vibrations. 

Isolation

Au lieu d'absorber l'énergie d'un signal, les ingénieurs automobiles ont également recours à une autre approche consistant à empêcher la transmission de ce signal. Les concepteurs utilisent des bagues, du caoutchouc, des supports hydrauliques et des joints flexibles pour empêcher les vibrations de se propager dans le véhicule.

Suppression active

Les ingénieurs disposent d'une solution plus sophistiquée : l'utilisation d'un son amplifié à certaines fréquences, appelée « suppression active du bruit » (ANC), afin de réduire l'amplitude d'un signal par interférence destructive. L'interférence destructive utilise un signal artificiel déphasé de 180 degrés par rapport au signal que les ingénieurs souhaitent atténuer. Une autre approche de suppression active consiste à ajouter un son agréable qui masque le bruit gênant. 

C'est un principe bien connu dans le domaine du développement de produits : il est presque toujours moins coûteux d'apporter une modification dès les premières étapes de la conception. Cependant, les ingénieurs ne peuvent pas mesurer le bruit, les vibrations et les secousses tant qu'ils ne disposent pas d'un prototype ou d'un véhicule de série à tester. C'est là qu'intervient la simulation, qui fournit à l'équipe de conception des informations bien avant la fabrication de tout composant physique. Dans la plupart des cas, les équipes combinent plusieurs types de simulation pour comprendre et améliorer les performances en matière de bruit, de vibrations et de secousses.

Les ingénieurs ont d'abord recours à la dynamique structurelle pour déterminer les réponses aux vibrations naturelles et forcées des sources de bruit, de vibrations et de secousses ainsi que des voies de transmission. Une solution complète et performante telle que le logiciel Ansys Mechanical permet de réaliser un large éventail de simulations de dynamique structurelle, notamment la réponse en fréquence naturelle, les vibrations forcées, les vibrations aléatoires et la synthèse des modes de composants (CMS) pour les grands assemblages tels que la structure monocoque d'un véhicule.

Concernant les transmissions électriques, un ingénieur en simulation peut caractériser les vibrations et le bruit générés par les forces électromagnétiques à l'aide d'un outil polyvalent comme le logiciel Ansys Maxwell. Concernant plus particulièrement les moteurs électriques et les actionneurs, ils peuvent utiliser un outil de simulation ciblé tel que le logiciel Ansys Motor-CAD pour modéliser plus rapidement les sources de bruit et évaluer les solutions en matière de bruit, de vibrations et de secousses. Le logiciel Motor-CAD illustre également parfaitement la manière dont les outils de post-traitement spécifiques au bruit, aux vibrations et aux secousses peuvent accélérer le processus de simulation et fournir des informations plus pertinentes aux ingénieurs.

Ils évaluent également la transmission du signal et les BSR à l'aide d'une analyse structurelle basée sur la dynamique multicorps (MBD), avec un outil tel que le logiciel Ansys Motion. Ce type de simulation simplifie les structures et se concentre sur la manière dont les différents composants sont reliés et sur leurs déplacements dynamiques. Les simulations MBD pour le bruit, les vibrations et les secousses se concentrent généralement sur la suspension ou la transmission d'un véhicule. 

Enfin, ils utilisent des programmes de dynamique des fluides numérique (CFD) tels que le logiciel Ansys Fluent pour prédire et contrôler le bruit aérodynamique. L'analyse aéroacoustique combine la dynamique des fluides et l'acoustique pour prédire et contrôler le bruit du vent. Pour prédire le bruit aérodynamique, un facteur important consiste à modéliser avec précision la turbulence et à prédire quand et où le flux passe d'un régime laminaire à un régime turbulent. 

Une fois que les ingénieurs ont cerné les sources et la transmission du bruit et des vibrations, ils peuvent utiliser des outils tels que le logiciel Ansys Sound pour écouter le résultat du prototypage virtuel. Ils peuvent évaluer la façon dont les passagers percevront le son à l'aide d'un essai d'écoute par un jury, ou simplement estimer la gêne perçue en calculant des paramètres psychoacoustiques tels que l'intensité sonore, la tonalité et le caractère aigu. La plupart de ces critères sont conformes aux normes ANSI, DIN et ECMA. L'étape suivante consiste à modifier de manière itérative la conception dans l'environnement de simulation, en faisant varier les matériaux, la géométrie, les composants et les liaisons afin de réduire l'intensité sonore et les secousses. 

Outre ces types d'outils, les équipes ont souvent recours à une plateforme d'optimisation telle que le logiciel Ansys optiSLang pour gérer des situations complexes dans lesquelles elles doivent mettre en balance de nombreux facteurs d'entrée et de sortie. 

Dans le domaine de la gestion du bruit, des vibrations et des secousses, le changement le plus important a été l'essor des véhicules électriques et l'apprentissage de la gestion des vibrations à haute fréquence générées par les moteurs électriques. Par ailleurs, les équipes s'efforcent de remédier au fait que le bruit du moteur à combustion ne masque plus les autres sons et que ces bruits doivent désormais être identifiés et limités.

Au-delà des changements induits par les véhicules électriques, les trois principales tendances en matière d'ingénierie du bruit, des vibrations et des secousses sont les innovations en matière d'absorption acoustique, de suppression active du bruit et de design sonore actif (ASD). Les entreprises mènent des recherches sur de nouveaux matériaux et des méthodes de fabrication novatrices, telles que l'impression 3D, afin de créer des structures capables d'atténuer ou d'absorber le bruit et les vibrations. Les chercheurs se penchent également sur l'amélioration de l'edge computing embarqué, le perfectionnement des capteurs et la mise au point de générateurs de sons plus efficaces, afin de mesurer plus précisément et de réduire les bruits indésirables. Une fois le bruit réduit par des moyens passifs ou actifs, il est possible de créer de nouveaux sons. Par exemple, grâce à la technologie ASD, il est possible de créer des sons futuristes pour offrir un retour auditif sur le couple élevé d'un groupe motopropulseur électrique ou de générer des sons 3D subtils pour les alarmes des systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS). Dans les véhicules électriques, l'un des sons actifs obligatoires est le son extérieur à basse vitesse, qui correspond au système d'alerte sonore du véhicule.

Le domaine de recherche le plus prometteur est l'utilisation de l'intelligence artificielle (IA) par les équipes R&D pour comprendre et quantifier les secousses, les faisant passer d'une interprétation subjective à une grandeur objective et mesurable. 

Ressources connexes