En mars 2001, à l occasion d une journée

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1 Solutions Cetiat MESURES ACOUSTIQUES TROIS NORMES POUR MESURER LE BRUIT DES MACHINES La chasse au bruit oblige les fournisseurs à tenir compte des caractéristiques acoustiques de leurs matériels de plus en plus tôt dans la phase de conception. Ils sont amenés à prouver la fiabilité des valeurs qu ils annoncent et à préciser les conditions d essais. Mieux vaut donc s appuyer sur l une des trois méthodes normalisées : en champ diffus, en champ libre ou par intensimétrie. Une petite révision s impose En mars 2001, à l occasion d une journée organisée par l Afnor sur le thème des incertitudes des mesures acoustiques, ce fut la grande désolation, se souvient François Bessac, responsable d Etudes et d Essais Acoustiques au Cetiat. Les acousticiens chez lesquels le concept d incertitude de mesure n a jamais suscité de grande passion furent pris de panique : «Mais comment faire?». Certes, le calcul de l incertitude dans le domaine de l acoustique n est pas très simple, à cause notamment de l utilisation d une échelle Pour les essais acoustiques, le Cetiat a à sa disposition quatre chambres réverbérantes. La méthode est rapide et précise, mais elle demande un investissement lourd. logarithmique et du décibel comme unité de mesure des pressions ou des puissances. «Mais il n y a pas d obstacles, à part la méconnaissance du sujet», précise M. Bessac. Avant même d aborder le calcul d incertitude et sans se limiter au milieu fermé des acousticiens, les mesures acoustiques souffrent d un manque de connaissance. Il ne suffit pas de prendre un sonomètre pour connaître le niveau sonore d une machine. Et d ailleurs qu entend-on par le niveau sonore? La puissance acoustique émise par l équipement? Ou la pression acoustique perçue par le sonomètre à 50 cm, à 3mètres, à 10 mètres? Et dans quelles conditions de fonctionnement cette mesure a-t-elle été faite? Lorsque la machine était poussée à son maximum? Ou lorsqu elle tournait en petite vitesse de croisière? Le flou est parfois entretenu par les fournisseurs qui préfèrent annoncer des caractéristiques à leur avantage, sans préciser les conditions. Pour l utilisateur «moyen», il est difficile alors de déjouer les pièges. A la journée organisée par le Cetiat en avril dernier sur la refonte des normes acoustiques pour les ventilateurs, toute la matinée fut consacrée à la présentation des notions théoriques de l acoustique et des trois normes génériques qui décrivent les méthodes d essais acoustiques pour tous les matériels bruyants. La preuve que, même pour les fabricants de ces équipements, il n est peut-être pas forcément inutile de rappeler les principes de bases. Il paraît en tout cas important d acquérir une culture générale pour tous ceux, instrumentistes, équipes des bureaux d étude, d assurance de la qualité, de maintenance de production ou des bâtiments, qui sont amenés à faire ou à faire faire des essais acoustiques. Et ils seront de plus en plus nombreux. Le bruit, de plus en plus cerné En effet, le sujet est à la mode. Le bruit fait de plus en plus parler de lui. Parfois en bien, on parle alors de qualité ou de design acoustique. Souvent en mal, on parle alors de nuisance ou de pollution sonore. Au cours de son allocution traditionnelle du 14 juillet, le Président de la République l a nommément cité comme une priorité pour l amélioration de la qualité de la vie. Recommandations des instances internationales comme l OMS ou l OCDE, réglementations, directives, législation sur le droit des travailleurs et normes diverses, les textes pleuvent. Dans l arsenal juridique, pas moins de 5 codes sont concernés pour réglementer des secteurs aussi variés tels que l urbanisme et l habitat, le bruit de voisinage, le milieu du travail, les activités industrielles et commerciales, le transport. Les directives européennes se comptent par dizaines, relatives à tous les équipements trop bruyants : matériels de chantiers, groupes électrogènes, moto compresseurs, marteaux-piqueurs, appareils domestiques (voir sur Et les nouvelles versions revoient à la baisse les niveaux sonores des équipements. Ainsi, la norme XP D qui fixe les règles de l art de la certification des chaudières a ramené, depuis le 1 er janvier 2001, de 45 db(a) à MESURES SEPTEMBRE

2 84 40 db(a) le niveau de pression acoustique maximal des appareils de chauffage individuel. La directive europé enne 200/14/CE sur le bruit des matériels destinés à être utilisés à l extérieur prévoit pour 22 types de matériels un abaissement de 2 à 3 db de la limite d émission sonore. Cette directive «Outdoor» qui entrera en vigueur le 3 jan- LES INCERTITUDES Le Comité Technique Acoustique de l Iso a considéré le thème de l incertitude comme central pour les années à venir. C est ainsi qu une partie consacrée aux incertitudes de mesure a été insérée dans les normes de base de mesure acoustique. L Iso TC43 a demandé à un groupe de travail (T28,) en charge des normes sur le mesurage et sur les spécifications du bruit des machines,d être à l avantgarde sur le sujet. La commission S30B de l Afnor est le miroir français de ce groupe de travail. Le Cetiat a développé une démarche d estimation des incertitudes des mesures acoustiques en laboratoire. Celle-ci s appuie sur l approche par le Guide pour l expression des incertitudes de mesure (le GUM ou le VIM). Évidemment, les choses sont plus simples en laboratoire dans un environnement propre qu à l extérieur où le bruit dépend de la portance du vent. vier 2002 a des conséquences directes pour les constructeurs. Selon un article paru dans la revue du Cetim (Cetim-Information, mai 2001), la validité du matériel d essais, de la formation et des essais pendant la période de production d équipements seront une condition pour l autorisation de la mise sur le marché. Pour les 22 matériels soumis à des limites, un organisme notifié interviendra pour valider la documentation technique du matériel ou pour évaluer le système d assurance qualité complet du fabricant. Pour l ensemble des produits, soit 57 au total, la réglementation souhaite responsabiliser les fabricants par l établissement d une autodéclaration. Quant à la directive 89/392 relative aux machines, bien connue du milieu industriel, elle fixe les exigences de sécurité et de santé notamment en matière de niveau de bruit (voir encadré). Une évolution a été introduite récemment, invitant expressément à préciser le bruit dans les notices d instruction. Le bruit devient donc une caractéristique à prendre en compte de plus en plus tôt dans la phase d avant-projet de conception d un matériel, au même titre que les performances ou les aspects de sécurité. Les fournisseurs auront de plus en plus à prouver la fiabilité des niveaux sonores qu ils annoncent et à préciser les conditions de mesure et d environnement. Mieux vaut donc s appuyer sur des méthodes normalisées. Il en existe trois grandes familles : la mesure en salle réverbérante, celle en champ libre et l intensimétrie. Dans tous les cas, on mesure d abord le niveau de pression acoustique Lp pour calculer ensuite le niveau de puissance acoustique Lw. «Toutes les méthodes donnent le même résultat», souligne M. Bessac (Cetiat). Le choix repose sur des questions de coût, de précision, de rapidité. Si la méthode en champ réverbéré est limitée à des essais en laboratoire, les deux autres méthodes normalisées peu- MESURES SEPTEMBRE 2001

3 Détermination du niveau d'intensité acoustique Norme NF EN Iso 9614 Principe de l'intensitométrie surface S I La puissance acoustique est la somme W = des flux d'intensité acoustique traversant I ds S une surface fictive entourant la source sonore. ds L'intensité est déterminée en mesurant un gradient de pression à l'aide d'une paire de microphones. La norme préconise soit I : vecteur d intensité un mesurage par point soit par balayage ds : surface élémentaire Mesure possible en présence de bruit de fond surface S La mesure d'intensité est une mesure vectorielle. Ainsi, la composante d'une source de bruit extérieure (le PC sur le schéma) va donc s'annuler point par point. Dans une certaine mesure Localisation des zones Le grand avantage de cette méthode est qu elle permet de localiser les sources de bruits sur un équipement. On obtient ainsi une cartographie. Caractéristiques de mesure - Taille de la cale qui définit la distance entre les deux microphones Cette taille détermine la limite haute de validité en fréquence : 10 khz pour une taille de 6 mm, 5 khz pour 12 mm... - Appairement en phase des microphones Il définit la limite basse de validité en fréquence - Environnement de type champ libre (même contrainte que pour la méthode décrite dans la norme 3744) - Surface de mesurage Il faut choisir une surface fictive dont on connaît les surfaces élémentaires. On peut prendre les mêmes formes que celles préconisées dans la norme 3744 (hémisphérique ou parallélépipédique). ou une autre forme mieux adaptée. vent aussi, en prenant certaines précautions, être utilisées pour des contrôles ou des expertises sur site. Mesure en chambre réverbérante La normes NF EN Iso de septembre 1995 décrit la détermination des niveaux de puissance acoustique en champ réverbéré. ds I L essai est réalisé dans une pièce ou une enceinte dont les parois réfléchissent la quasitotalité de l onde. Ainsi, toute l énergie incidente est restituée. Le récepteur reçoit des rayons qui proviennent statistiquement d un peu partout. L avantage du champ diffus est que le niveau acoustique est identique en tout point de l espace. Un faible nombre de points de mesure suffira donc à caractériser correctement le champ acoustique. La méthode est rapide. Le niveau de puissance (en db) est égal au niveau de pression (en db) auquel s ajoute un terme caractéristique de la salle mais indépendant de la distance entre la source et le récepteur (à condition que le microphone ne soit pas trop près de la source). La norme décrit les caractéristiques de la chambre (son volume en fonction du niveau sonore), le cœfficient d absorption des parois (α<0,006, avec 0<α<1, une chambre en béton peut répondre à ce critère), le nombre de microphones Cette méthode est particulièrement fine et précise mais elle nécessite des moyens assez lourds. Mesure en champ libre Décrite dans la norme Iso 3744 de novembre 1995, la méthode en champ libre est très largement utilisée car elle ne nécessite pas de moyens de mesure trop sophistiqués, ni d environnement trop particulier. A l inverse de la chambre réverbérante, le champ libre se caractérise par l absence de réflexion des ondes. Ceci impose de se trouver dans un espace ouvert (milieu extérieur, grand hall) ou dans une chambre anéchoïque qui absorbe les ondes. En pratique, à l aide d un microphone, on mesure la pression acoustique en différents points d une surface fictive qui enveloppe la machine. En connaissant cette surface, il est possible de calculer la puissance acoustique. La norme propose deux types de surface. Une surface hémisphérique avec 10 points de mesure ou une surface parallélépipédique avec 9 points de mesure positionnés sur deux plans MESURES SEPTEMBRE

4 Les trois méthodes normalisées Normes Méthodes Type de Classe Avantages Inconvénients mesures Iso 3743 Champ diffus - Pression Laboratoire - Rapidité, Investissement lourd, (salle réverbérante)acoustique Expertise précision (salle réverbérante isolée du bruit de fond extérieur) Iso 3744 Champ libre - Pression Laboratoire - Facile à mettre Bruit de fond (méthode de acoustique Expertise en œuvre (ne et environnement la surface nécessite pas de à maîtriser enveloppante)salle spéciale) Méthode assez longue Iso Intensimétrie - Intensité Laboratoire - Peu d influence Nécessite un acoustique Expertise du site et du bruit appareillage de fond spécifique, une Contrôle - Cartographie formation poussée (localisation des de l opérateur, un sources sonores)nombre de points de - Ne nécessite pas mesures important de salle spécifique Méthode longue parallèles. La norme préconise cette dernière pour des sources de petite taille. Les sources hémisphériques sont plutôt conseillées sur des grosses machines, notamment dans le domaine du conditionnement d air. Si les conditions de mesure ne sont pas parfaitement anéchoïques, une partie du bruit généré par la source est réfléchie par des obstacles et se superpose au niveau du micro. Ce dernier ne sait pas discriminer les deux composantes. On peut toutefois corriger en mesurant la pression acoustique d une source de référence dont on connaît la pression intrinsèque. L intensimétrie La norme NF EN Iso 9614 de juin 1995 décrit la méthode intensimétrique, très proche par son mode opératoire de celle en champ libre. Mais au lieu de mesurer la pression acoustique, la norme propose une mesure de l intensité acoustique. En fait, il s agit de la mesure d un gradient de pression, réalisée à l aide d une paire de microphones. Ce gradient définit un vecteur «intensité» dans une surface élémentaire. La puissance acoustique est obtenue ensuite par la somme des flux d intensité acoustique traversant la surface fic- 86 MESURES SEPTEMBRE 2001

5 tive globale qui entoure la source sonore. La norme propose soit un balayage de toute la surface, soit un mesurage par point. Une mesure intensimétrique est un peu plus délicate qu une simple mesure de pression acoustique. Il faut établir précisément la distance entre les deux microphones. Cette distance définit la limite haute de validité en fréquence. Ainsi, la mesure sera limitée aux hautes fréquences à 5 khz avec une cale de 12 mm (la distance entre les deux microphones), à 1,25 khz avec une cale de 50 mm. Pour couvrir une large gamme de fréquences, il est nécessaire alors de réaliser plusieurs mesures avec différentes longueurs de cales. Il faut aussi s assurer de l apairement en phase des microphones. Les formes de la surface fictive enveloppante sont les mêmes que celles préconisées dans la norme 3744 : hémisphériques pour des sources ponctuelles, parallélépipédiques pour des sources parallélépipédiques plus volumineuses. Pour une source biscornue», la norme offre la possibilité de choisir une surface plus adaptée, c est-à-dire tout aussi «biscornue». En compensation de sa lourdeur, l intensimétrie a évidemment quelques avantages. Du fait que l on travaille avec des valeurs vectorielles et non scalaires, la présence de sources parasites ne perturbe pas la mesure. Jusqu à un certain point, on peut ainsi s affranchir d un bruit de fond stationnaire ou de la présence d une autre machine. Le second intérêt est qu elle offre un cartographie géométrique du bruit. Il est alors possible de localiser les fuites sonores sur une machine. Coûteuse et sophistiquée, l intensimétrie acoustique est encore peu développée, mais c est une aide pour un diagnostic poussé des équipements. Lorsque que l on sait que le plus petit ventilateur peut avoir jusqu à 12 sources de bruits différents... MPVP De nombreux éléments techniques nous ont été fournis par François Bessac, responsable d Etudes et d Essais Acoustiques, division Aéraulique et Thermique, unité Conditionnement d air au Cetiat Ce que dit la directive Machines Au paragraphe «Risques dus au bruit» «La machine doit être conçue et construite pour que les risques résultant de l émission du bruit aérien produit soient réduits au niveau le plus bas compte tenu du progrès technique et de la disponibilité de moyens de réduction du bruit, notamment à la source». Au paragraphe «Notice d instructions» d) Toute documentation présentant la machine ne doit pas être en contradiction avec la notice d instructions en ce qui concerne les aspects de sécurité. La documentation technique décrivant la machine donnera les informations concernant l émission de bruit aérien visées au point f) et, pour les machines portatives et/ou guidées à la main, les informations concernant les vibrations visées au point 2.2. e) La notice d instructions doit donner, si nécessaire, les prescriptions relatives à l installation et au montage destinées à diminuer le bruit engendré et les vibrations produites (par exemple: l usage d amortisseurs, nature et masse du massif, etc.). f) La notice d instructions doit donner les indications suivantes concernant le bruit aérien émis par la machine, soit la valeur réelle soit une valeur établie à partir de la mesure effectuée sur une machine identique : le niveau de pression acoustique continu équivalent pondéré A, aux postes de travail, lorsqu il dépasse 70 db (A); si ce niveau est inférieur ou égal à 70 db (A), ce fait doit être mentionné, la valeur maximale de la pression acoustique instantanée pondérée C, aux postes de travail, lorsqu elle dépasse 63 Pa (130 db par rapport à 20 µpa), le niveau de puissance acoustique émis par la machine lorsque le niveau de pression acoustique continu équivalent pondéré A, aux postes de travail, dépasse 85 db (A).Lorsque la machine est de très grandes dimensions, l indication du niveau de puissance acoustique peut être remplacée par l indication des niveaux de pression acoustique continus équivalents en des emplacements spécifiés autour de la machine. Lorsque les normes harmonisées ne sont pas appliquées, les données acoustiques doivent être mesurées en utilisant le code de mesurage le plus approprié adapté à la machine. Le fabricant indiquera les conditions de fonctionnement de la machine pendant le mesurage et quelles méthodes ont été utilisées pour les mesurages. Lorsque le ou les postes de travail ne sont pas, ou ne peuvent pas être, définis, la mesure de niveau de pression acoustique doit être effectuée à 1 m de la surface de la machine et à une hauteur de 1,60 m audessus du sol ou de la plate-forme d accès. La position et la valeur de la pression acoustique maximale doivent être indiquées. g) Si le fabricant prévoit l utilisation de la machine en atmosphère explosive, la notice d instructions doit donner toutes les indications nécessaires. MESURES SEPTEMBRE