Vibrations sonores - Cours de Mécanique industrielle avec Maxicours

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Vibrations sonores

Il sera question dans cette étude de la terminologie propre aux vibrations sonores ainsi que de la similitude qui existe entre les mesures acoustiques et les mesures vibratoires.

1. Définitions

Voici quelques termes et expressions qui reviennent souvent dans la description des phénomènes acoustiques (l'acoustique est la partie de la physique qui traite des sons et des ondes sonores).

a. Son

Le son est défini comme toute variation de pression (dans l'air, l'eau ou tout autre milieu) pouvant être détectée par l'oreille humaine. L'instrument le plus familier pour mesurer les variations de pression est le baromètre. Cependant, les variations de la pression atmosphérique sont beaucoup trop lentes pour être perçues par l'oreille humaine.

Mais lorsque ces variations de pression atmosphérique se produisent plus rapidement, soit au moins 20 fois par seconde, vous pouvez les entendre et on les appelle "son".

La figure suivante vous montre l'effet d'une source sonore sur les particules d'air environnantes. Les branches du diapason vibrent. En vibrant, elles transmettent leur mouvement oscillatoire aux particules d'air les plus proches. L'oscillation des particules d'air se traduit alors par des variations de la pression atmosphérique qui viennent éventuellement en contact avec le tympan et le mettent à son tour en vibration.

Vibration sonore :

b. Bruit

Le son peut aussi être une source de désagrément. En effet, la musique dont raffolent certaines personnes est considérée par d'autres comme un son indésirable.

En acoustique, un son indésirable est appelé "bruit". Le son ne doit pas forcément être fort pour être gênant. Un plancher qui craque, un robinet qui fuit ou la tondeuse du voisin qui démarre juste au moment où vous alliez profiter de la tranquillité d'un fabuleux dimanche après-midi d'été peuvent gêner plus qu'un coup de tonnerre.

Le son peut aussi endommager ou détruire. Un bang sonique peut casser les vitres et faire se fissurer les murs. Dans le pire des cas, le son peut causer des dommages irréversibles au délicat instrument fait pour le percevoir : l'oreille humaine.

c. Fréquence

La fréquence d'une onde sonore (mouvement des particules d'air produit par une source sonore qui vibre) est le nombre de variations de pression par seconde exprimé en hertz (Hz). Le son possède une très large gamme de fréquences. Pour des personnes jeunes, la gamme des fréquences audibles se situe entre 20 et 20 000 Hz.

Dans les basses fréquences, les particules d'air vibrent lentement et produisent des sons graves. Dans les fréquences élevées, les particules vibrent rapidement et donnent des sons aigus.

La figure suivante vous montre la gamme des fréquences de diverses sources sonores. Vous pouvez voir que le moteur d'un gros cargo produit un son grave (contenu en basses fréquences élevé). A l'opposé, une scie circulaire coupant du bois produit un son aigu (contenu en hautes fréquences élevé). Les autres sources génèrent des sons intermédiaires dans des fréquences qui leur sont caractéristiques.

Gamme de fréquences de différentes sources sonores :

2. Niveau acoustique

Le second paramètre utilisé pour décrire le son est l'amplitude des variations de pression. Le son le plus faible que peut entendre un être humain en bonne santé a une amplitude de 20 µPa* (20  10-6 Pa) qui est considéré comme le seuil d'audition. L'oreille est capable de supporter des pressions jusqu'à un million de fois plus grandes, soit jusqu'à 100 Pa, qui est considéré comme le seuil de douleur.
• Pa : unité de pression ; le pascal = .
Tenter de représenter des écarts d'amplitudes aussi considérables sur une échelle linéaire en Pa s'avère très peu pratique. De plus, l'oreille ne réagit pas aux vibrations sonores de façon linéaire mais plutôt de façon logarithmique. C'est pourquoi la pratique courante consiste à exprimer la pression acoustique en décibels (dB) qui représente un rapport logarithmique d'une valeur mesurée à une valeur de référence.

a. Décibel (dB)

En acoustique, tout comme en vibration, le dB est un rapport entre une quantité mesurée et un niveau de référence. L'échelle en dB est logarithmique et son niveau de référence (0 dB) est le seuil d'audition de 20 µPa. Lorsqu'on multiplie la pression acoustique en Pa par 10, on additionne 20 dB au niveau en dB.

Ainsi, 200 µPa correspondent à 20 dB (réf. 20 µPa), 2000 µPa à 40 dB et ainsi de suite. L'échelle en dB comprime une échelle de 1 million de Pa en une échelle de 120 dB, c'est pourquoi le dB est préféré au Pa pour quantifier le son.

La figure suivante vous montre les niveaux de pressions acoustiques de différents bruits, exprimés en dB et en Pa. La gamme des bruits audibles s'étend du seuil d'audition à 0 dB jusqu'au seuil de douleur à 130 dB.

Niveaux de bruits caractéristiques :

Un niveau sonore supérieur à 130 dB peut provoquer des lésions auditives immédiates et permanentes.

b. Niveau dB (A)

L'oreille humaine n'a pas la même sensibilité à toutes les fréquences. Elle est plus sensible aux sons entre 2 et 5 kHz, et moins sensible aux plus hautes et aux plus basses fréquences. En acoustique, la courbe de réponse de l'oreille en fréquence est normalisée, on l'appelle "courbe de pondération A".

Les mesures des niveaux acoustiques effectuées en appliquant la courbe de pondération A sont dites mesures pondérées A. L'unité de mesure est le dB (A).

c. Niveau Leq

Les niveaux de bruit fluctuent beaucoup au cours d'une période de temps donnée. Il est alors préférable de mesurer une valeur moyenne appelée Leq. Le Leq est le niveau acoustique continu équivalent, exprimé en dB, qui produirait la même énergie acoustique que le niveau fluctuant durant la même période. Le symbole LAeq est utilisé lorsque le niveau acoustique est mesuré en dB (A).

La figure suivante vous montre comment le Leq permet d'obtenir une valeur unique pour quantifier un environnement bruyant caractérisé par des variations importantes du niveau acoustique dans le temps.

d. Filtres d'octave

Un bruit se compose de sons de toutes fréquences. Pour le décrire complètement, il est nécessaire de 20 Hz à 20 kHz de déterminer les niveaux de bruit à chaque fréquence. En acoustique, on divise la gamme des fréquences en plusieurs sections ou bandes de fréquences allant de 20 Hz à 20 kHz.

Ceci est réalisé au moyen de filtres électroniques (figure suivante) qui rejettent tout signal dont la fréquence est en dehors de la bande choisie (pensez à la syntonisation d'une bande MF/MA sur une radio). Les filtres utilisés en acoustique ont une largeur de bande d'un octave, d'où le nom filtre d'octave.

Filtre électronique :

Un octave est défini comme une bande de fréquences dont la plus haute fréquence est deux fois la plus basse. Par exemple, un filtre d'octave ayant une fréquence centrale de 1 kHz permet aux signaux dont la fréquence est comprise entre 707 et 1 414 Hz d'être mesurés, mais rejette tous les autres signaux. La largeur de bande d'un filtre d'octave est approximativement égale à 70 % de la fréquence centrale.

De plus, la gamme des fréquences audibles est divisée en dix octaves dont les fréquences centrales sont respectivement 31,5 Hz, 63 Hz, 125 Hz, 250 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 2 kHz, 4 kHz, 8 kHz et 16 kHz. La fréquence centrale de chaque filtre d'octave est égale au double de la fréquence centrale du filtre d'octave précédent (ex. : 500 = 2  250).

Quand une plus grande précision de la fréquence est requise, on a recours à des filtres de tiers d'octave. Ces filtres ont une largeur de bande trois fois plus petite.

La figure suivante montre un spectre de fréquence obtenu par une analyse en tiers d'octave (1/3 octave). Les fréquences centrales des bandes d'octave sont indiquées sur le graphique.

Spectre en tiers d'octave :

Les fréquences centrales et les largeurs de bande qui caractérisent les filtres d'octave et de tiers d'octave sont régies par des normes internationales de la Commission Électrotechnique Internationale (CEI).
3. Acoustique et vibration

L'acoustique présente plusieurs traits communs avec la vibration. En effet, la mesure d'un signal sonore s'apparente beaucoup à la mesure d'un signal vibratoire. De même, la transmission de la vibration au travers de la structure d'une machine s'apparente à la propagation du bruit dans l'environnement.

La mesure d'un signal sonore requiert un capteur pour convertir la pression acoustique en un signal électrique équivalent. Le capteur utilisé est un microphone qui joue le même rôle que l'accéléromètre en vibration. L'amplitude d'un signal sonore est définie en termes de valeur de crête ou de valeur efficace, tout comme en vibration.

Une description plus complète du phénomène s'obtient de la même façon dans les deux cas, soit par une analyse en fréquence du signal. L'analyse en fréquence d'un signal acoustique et d'un signal vibratoire se fait souvent à l'aide du même instrument.

Une seconde caractéristique importante commune à l'acoustique et à la vibration est l'origine du niveau de bruit élevé et de la vibration excessive générés par une machine.

Aussi, l'engrènement des roues dentées dans un réducteur, comme celui que montre la figure suivante, peut constituer une source importante de vibrations occasionnées, par exemple, par l'usure prématurée des dents. En effet, la vibration des paliers qui en résulte est transmise par la structure à l'ensemble de la machine.

Il se produit également une vibration des parois qui excite les particules d'air situées à proximité transformant ainsi une partie de l'énergie vibratoire en énergie sonore (bruit).

Origine commune du bruit et de la vibration :

4. Résumé sur les vibrations sonores

A la suite de cette étude, vous devriez retenir plus particulièrement les points suivants.

• Les vibrations mécaniques et acoustiques sont des phénomènes apparentés.

 La gamme des fréquences audibles est à peu de chose près la même que celle choisie pour l'analyse des vibrations sur une machine industrielle.

 L'évaluation du bruit et de la vibration se fait sensiblement de la même façon.

 Un bruit industriel trouve souvent son origine dans la vibration générée par une machine en mauvais état.

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