CFA 014 Poitiers -5 Avril 014, Poitiers Évlution de l chîne coustique CARMEN de IESTA sur des essis en phse de décollge I. Le Griffon Oner, 9 venue Division Leclerc, 930 Chtillon, Frnce ingrid.legriffon@oner.fr 1057
-5 Avril 014, Poitiers CFA 014 Poitiers IESTA «Infrstructure d Évlution de Systèmes de Trnsport Aérien» est une plte-forme de simultion et d évlution du trnsport érien conçu pr l Oner pour évluer des technologies et concepts innovnts. L ppliction Clen Airport est, entre utres, dédiée à l'évlution de l'impct coustique du trfic érien u voisinge des éroports. L objectif du module coustique CARMEN, implémenté dns IESTA, concerne l prévision de l impct coustique u sol d une flotte d vions. Ce modèle de simultion de bruit regroupe trois modules de clcul : les sources coustiques, les effets d instlltion et l propgtion tmosphérique. L modélistion des sources s ppuie sur des modèles semi-empiriques et fournit les propriétés spectrles et l directivité en chmp lointin de chque source. Le deuxième module, fondé sur l méthode des ryons, clcule l influence de l structure de l vion sur le ryonnement coustique. Enfin, l propgtion dns l tmosphère hétérogène est déterminée pr l méthode des ryons prennt en compte l bsorption tmosphérique, les grdients de vents et de tempérture. CARMEN produit de très bons résultts lors de comprisons vec les mesures en vol rélisées dns le projet européen AWIATOR, en configurtion d tterrissge, où le ryonnement coustique des systèmes hypersustentteurs étit dominnt. Cette communiction est orientée sur des prédictions u décollge où les sources de bruit liées u moteur sont prédominntes. Des modèles récents ont été implémentés pour le jet et l soufflnte, les deux contributions principles du bruit de propulsion ; et un modèle de tritement coustique fondé sur une décomposition modle du son ryonné été développé pour modéliser l bsorption coustique sur entrée d ir de l ncelle. Ces nouveux modèles sont évlués pr comprison à des mesures en vol d un A30 comprennt plusieurs configurtions de décollge. Celles ci ont été rélisées pr Airbus dns le cdre du progrmme européen SilenceR. 1 Introduction L objectif du module coustique CARMEN (Codes Acoustiques pr Ryons pour l Modélistion et l Estimtion de Nuisnces) de IESTA concerne l prévision de l impct coustique u sol d une flotte d vions, vec prise en compte de l évolution des technologies (effets d instlltion, source de type fns contr-rottifs, ), sous l contrinte d un temps de restitution rpide. Il s git d un progrmme mbitieux de prévision, complémentire u progrmme INM (Integrted Noise Model) développé pr l FAA. Pour répondre à cet objectif, le code CARMEN comprend trois modules : - L modélistion des sources de bruit de l éronef, en s ppuynt sur des modèles semi empiriques de l littérture : bruit de propulsion (soufflnte et jet) et bruit d origine érodynmique (bec, volet, trin d tterrissge) et leur confronttion vec des résultts de mesures. - Les effets d instlltion, c est-à-dire l interction des ondes émises pr les sources vec l structure de l vion pouvnt renforcer ou msquer le ryonnement. Ils sont modélisés pr une méthode des ryons, en prennt en compte l diffrction pr les rêtes (bords de fuite) et les ondes rmpntes (fuselge). - L propgtion coustique dns l bsse tmosphère depuis l vion jusqu u sol, intégrnt les grdients de vent et de tempérture pr une méthode de ryons et l prise en compte de l bsorption tmosphérique. Les modèles semi-empiriques des sources de bruit sont reclés séprément à prtir d essis en soufflerie et les effets d instlltion et de propgtion pr confronttion vec d utres méthodes et des résultts expérimentux. Une première série d évlutions pu être effectuée à l ide de mesures rélisées dns le cdre de l cmpgne d essi AWIATOR [1] qui représentit un décollge d A340 et mettit en évidence le bruit de profils hypersustentés. Dns le même esprit, l chîne de clcul CARMEN été évluée dns cette communiction sur les essis SilenceR, projet européen uquel prticipé l Oner et qui comprenit des survols d A30 effectués pr Airbus en 005 [1]. Le but de ces essis étit l évlution de solutions de réduction du ryonnement coustique du moteur à l ide de modifictions géométriques de l entrée d ir (entrée d ir biseutée). Pour l comprison vec CARMEN nous retenons les configurtions «Bseline». Ce ppier présente l étude pprofondie qui été menée sur une configurtion u décollge, à un régime moteur de 90%. A l ide de l connissnce de l trjectoire, les données moteur nécessire u clcul du bruit de jet et de soufflnte ont pu être clculées et utilisées pour limenter les modèles de CARMEN. Modèles de source moteur Dns l version ctuelle de CARMEN, les sources de bruit de jet et de bruit de soufflnte sont modélisées pr les modèles de Stone [] et de Heidmnn [3]. Tous deux dtnt des nnées 70 80, ils ne tiennent ps compte des vncées rélisées sur les moteurs d vion dernière génértion. Des modifictions ont donc dû y être pportées. En ce qui concerne les utres sources d intérêt, l implémenttion du bruit de combustion est prévue prochinement. Le modèle d hélice du turbopropulseur est implémenté [4] mis reste à être évlué sur des essis en survol. Les clculs présentés dns ce ppier sont tous bsés sur les données moteur correspondnt à l configurtion SilenceR pour un régime moteur de 90 %..1 Bruit de jet Jusqu à présent pour le bruit de jet CARMEN se bsit sur le modèle de Stone dtnt de 1983 [] corrigé près confronttion vec les essis VITAL [5]. Une nouvelle version du modèle de Stone 009 est mintennt introduite [6]. Au lieu de clculer le bruit à prtir d un jet mono-flux et de déterminer le déclge fréquentiel du niveu mximum induit pr le flux secondire, le nouveu modèle clcule séprément les composntes de bruit de mélnge à grnde, moyenne et 1058
CFA 014 Poitiers petite échelle (chque composnte étnt prédominnte dns une trnche fréquentielle différente) et le bruit de choc. Ce nouveu modèle demnde de nombreuses données supplémentires pr rpport à l version précédente, ce qui rend s mise en œuvre prtique plus difficile. Une première comprison de directivités en chmp lointin est proposée figure 1, vec l hypothèse de source compcte. Figure 1 : Prévision du bruit de jet à 100m. Old (Stone 1983) et new (Stone 009) L courbe rouge représentnt l directivité du nouveu modèle à 100 mètres est décomposée en S, L et T, correspondnt respectivement u bruit petite, grnde et moyenne échelle. L confronttion ux essis VITAL [5] vit montré que le modèle d origine sous-estimit de mnière générle le bruit ryonné. Comme on peut le constter, l nouvelle version de Stone mjore le niveu en vl de près d environ 10 db pr rpport à l version première. Pour le cs test, en chpitre 3, on mintient le premier modèle (corrigé de VITAL), mieux mîtrisé pour le moment.. Bruit de soufflnte En ce qui concerne le bruit de soufflnte, u cours des nnées précédentes des méliortions successives ont été proposées qunt u bruit lrge bnde et bruit de ries (BPF), ussi bien pr l NASA [7] que pr Rozenberg et Cnrd [8] ou Léwy [9]. Le modèle de Heidmnn, tel qu il est présenté dns [3], n est plus dpté ux moteurs à tux de dilution de plus en plus élevé. De ce fit, l NASA pu, pr comprison vec des essis sttiques sur 4 moteurs (CF6-80C, E 3, QCSEE, CFM56), modifier certins prmètres tout en grdnt le principe du modèle initil [7]. Pr exemple il est connu que, pendnt des mesures sttiques u sol, les fluctutions d écoulement en entrée d ir sont spirées dns le moteur et intergissent vec l soufflnte ce qui engendre du bruit d interction rotorturbulences prsite ([7]). On s ffrnchit de ces effets dns l nouvelle version du modèle en ppliqunt des coefficients de pondértion sur l première et l seconde BPF. D utres modifictions touchent u bruit lrge bnde en sortie d ir qui, uprvnt, présentit des niveux trop fibles. Léwy églement légèrement modifié le modèle près comprison vec des résultts de mesures provennt du projet européen RESOUND, bsées sur des données du projet européen FANPAC [9]. L distribution -5 Avril 014, Poitiers logrithmique normle des spectres du bruit lrge bnde est clculée à l ide de : 1 ln[ f /( Cf )] S ( f ) = exp( b (1) lnσ où f est l fréquence, f b l fréquence de pssge de ple, σ et C des constntes. Dns l formultion d origine C =.5 et σ =.. Un meilleur ccord vec les résultts expérimentux été trouvé vec C = 0.8 et σ =.. Les méliortions ci-dessus ne touchent ps ux fréquences multiples de rottion, qui est une source de bruit mjeure lorsque les extrémités de ple de rotor tteignent des vitesses supersoniques, ce qui est le cs pour l essi A30 u décollge. Le projet ANR-FRAE PARASOFT, de recherche en psychocoustique sur l'évlution du désgrément sonore dû ux pssges d'vions mis en évidence qu une pproche en tiers d octve étit trop grossière lorsque l on veut modéliser un bruit de soufflnte réliste qui comprend des Fréquences Multiples de l Rottion (FMR). En effet Heidmnn regroupe les FMR puis les distribue sur trois fréquences distinctes (f b /, f b /4, f b /8) vec une distribution logrithmique vec vleur mximle à f = f b /n (n =, 4, 8). Le nouveu modèle propose une représenttion en bndes fines des FMR. Etnt donné que le modèle de Heidmnn ne donne que des niveux pour les FMR en tiers d octve, on distribue de mnière equiréprtie l énergie sur les ries. A l ide de l synthèse sonore rélisée pr GENESIS, on pu évlué le rélisme du signl synthétisé, compré à l mesure. Sur l figure sont ffichés les spectres de soufflnte dns le pln horizontl de symétrie, ux qutre ngles d observtion 0, 60, 10 et 150, rmenés à une distnce de 1 mètre (0 correspond à l vnt de l vion). Figure : Spectres de bruit de soufflnte à différents ngles d observtion En turquoise sont représentés les spectres clculés à l ide de Heidmnn de 1979, correspondnt à l somme des cinq composntes (bruit lrge bnde mont et vl, bruit tonl mont et vl, et FMR) clculés en tiers d octve. En bleu sont représentés les bruits lrge bnde et tonl inclunt 1059
-5 Avril 014, Poitiers les BPF et les FMR du nouveu modèle implémenté dns CARMEN. L lrgeur vrible des brres correspondnt ux tones est due à l représenttion de l xe des bscisses sur une échelle logrithmique. On constte qu en mont le bruit lrge bnde diminue pr rpport à l ncien modèle lors que les FMR deviennent prédominntes. En vl, le niveu est globlement plus importnt qu vec le modèle Heidmnn de 1979..3 Modélistion du tritement coustique Le modèle de Heidmnn suppose que les entrées d ir de soufflnte sont à proi rigide. Cependnt, depuis quelques dizines d nnées, de considérbles progrès ont été rélisés qunt u tritement coustique des ncelles de turborécteur. Sous différentes hypothèses concernnt le mtériu bsorbnt, il est possible de clculer l tténution coustique crctéristique pr longueur de mtériu u prélble et, connissnt le type de moteur et les crctéristiques de vol, il est possible d en déduire l ensemble des modes coustiques pssnts et leur tténution respective. Le but ici est de créer dns IESTA une bse de liners recouvrnt plusieurs mtériux et nombres de Mch dns lquelle CARMEN v rechercher les données nécessires à l configurtion clculée. Selon Tylor & Sofrin nous reprenons l hypothèse que seuls les modes d interction rotor-sttor portent l énergie coustique et sont déterminés pr m = nv-jb, où n et j sont respectivement les modes xiux et rdiux. Nous supposons de plus que les mplitudes des modes pssnts sont équiréprties. Le modèle implémenté dns CARMEN est fondé sur Eversmn [10] qui effectue une décomposition modle du chmp coustique ryonné. Le nombre d onde rdil est clculé pr : M ikra(1 ) M 1 M J m+ 1( kr R) + m kr R = 0 J ( k R) m r 1 (1 M kr )( ) k où M est le nombre de Mch xil uniforme, A l réctnce du mtériu, R le ryon du conduit, k le nombre d onde totl et k r le nombre d onde rdil, inconnue que l on cherche à déterminer. Le nombre d onde xil prtir de l reltion: Avec l reltion k k z () k z qui en résulte est clculé à z = k² kr (3) = β mn + iα mn (4) le coefficient d bsorption α mn pour chque mode (m,n) correspond à l prtie imginire du nombre d onde xil. L tténution globle est ensuite clculée pr: Δp = pr 1 αmnl e N m, n où L est l longueur du conduit et N le nombre de modes pssnts. On fit l hypothèse que l présence du tritement coustique ne modifie ps l propgtion dns le conduit des modes générés à l source. De ce fit, l forme de l directivité ryonnée pr le conduit ne s en trouve ps modifiée pr rpport à l configurtion proi rigide. Le mtériu utilisé dns le cs présenté u chpitre 3 les crctéristiques d impédnce présentées figure 3 (extrit de [11]). 4 3 1 0-1 - -3-4 0 1000 000 3000 4000 5000 6000 7000 Figure 3: Impédnce du mtériu Résistnce Réctnce C est une plque micro-perforée SDOF (Single Degree Of Freedom) sur cvités en nids d beille (voir schém figure 4). En fonction des données de vol et des crctéristiques moteur, CARMEN clcule les modes pssnts et déduit les tténutions à ppliquer sur les BPF. L bsorption pr le liner est ppliquée, pour le moment, uniquement sur l fréquence de pssge de ple et ses premiers hrmoniques. Figure 4: Plque micro-perforée sur cvités en nids d beille Dns le cs de l A30, les tténutions ppliquées tteignent 3.5 db pour le fondmentl et.7 db pour le premier hrmonique. 3 Cmpgne d essis SILENCER CFA 014 Poitiers SILENCER est un projet européen comprennt u workpckge WP.1 une cmpgne d essi qui consistit de survols d A30. Le but de ces essis étit l évlution de (6) 1060
CFA 014 Poitiers -5 Avril 014, Poitiers solutions de réduction de bruit moteur à l ide de modifictions sur les entrées d ir ([1]); Différentes configurtions ont été testées, vec entrées d ir clssiques et biseutées, à différents régimes moteur, en phses d tterrissge et de décollge. 3.1 Configurtion microphones Les mesures ont été effectuées à l ide, entre utres, de microphones type B&K chmp libre, fixés sur des plques rigides plcées u sol, fin d obtenir une réflexion totle. Plusieurs microphones ont été plcés sous trce et à des distnces conformes à l certifiction (figure 5). Nous évluons dns ce chpitre principlement le microphone sous trce MS0 et celui en retrit (ML1). Pour chque point de mesure, des données mesurées sur les microphones u sol ont été fournies pr Airbus (niveux globux et spectres en tiers d octve toutes les 0,5 secondes). Seul le moteur guche fonctionnit à plein régime. Ryon Avion-mic Direction vent Figure 6 : Propgtion vec prise en compte du vent, ryon rouge 3.3 Comprison simultion mesure L figure 7 montre l trjectoire de l vion utilisée pour le clcul, vec l position du micro MS0 sous trce. Figure 7 : Trjectoire de l vion et position du microphone MS0 Figure 5 : Positionnement des microphones 3. Méthode de propgtion Durnt l mesure il souffle un vent d environ 1 nœuds à 10 mètres d ltitude, dns l direction du sud-ouest vers le nord-est (l trjectoire de l vion étnt plein nord). Pour cette cmpgne d essis nous ne disposons que de cette vleur locle concernnt le vent. De plus, l vion se déplce à une ltitude reltivement fible qui ne dépsse ps les 380 mètres. Pour le clcul CARMEN l méthode simplifiée de propgtion vec des ryons rectilignes, où les grdients de vent sont négligés, est privilégiée. Les données de tempérture, pression et humidité reltive permettent de déterminer l bsorption tmosphérique pour l propgtion coustique. Afin d estimer l erreur éventuelle induite pr cette pproche simplifiée, u prélble, nous vons effectué le clcul vec un profil de vent donné pr une loi exponentielle de l forme v (z) = v 10 (z/10 )0. suivnt les directions xile et trnsverse. L vitesse xile V 10 est de 1kts et l vitesse trnsverse est de 8 kts. L écrt de l propgtion entre l configurtion vec profil de vent négligé et profil de vent exponentiel est représenté sur l figure 6, dns le cs où l vion pproche le microphone. L écrt u sol est inférieur à 50 mètres ce qui induit un écrt de niveu inférieur à décibels. L hypothèse de milieu homogène est donc possible. Sur l figure 8 est ffiché le niveu globl en fonction de l ngle de réception u microphone; 0 correspondnt à l vion qui s pproche du microphone et 150 à l vion qui s en éloigne. Les sources sont clculées à prtir du modèle de Stone [,5] et de l nouvelle version du modèle de Heidmnn présentée u chpitre. Figure 8 : Niveu globl u microphone sous trce On constte que le clcul est en bon ccord vec l mesure, vec un écrt ne dépssnt ps db. Sur l figure 9 on détille les spectres à différents ngles d observtion. L soufflnte (en bleu) est décomposée en s contribution lrge bnde et ses ries. Pour obtenir le niveu totl en rouge, l énergie des bndes discrètes été regroupée pr tiers 1061
-5 Avril 014, Poitiers CFA 014 Poitiers d octve fin d être sommée u niveu totl lrge bnde. Ceci ugmente sensiblement le niveu totl pr rpport à l mesure qui est fite en tiers d octve seulement. On observe que, pour tous les ngles, le bruit de jet restitue prfitement l évolution spectrle en bsse fréquence. L surestimtion du niveu est principlement engendrée pr les FMR à l pproche de l vion et pr le bruit lrge bnde de l soufflnte à l éloignement. Figure 11 : Spectres à différents ngles d observtion, ML1 Figure 9 : Spectres à différents ngles d observtion, MS0 Lorsque l on nlyse les résultts sur le microphone en ltérl, à guche pr rpport à l trjectoire (figure 10), on observe à nouveu une très bonne concordnce entre clcul et mesure. Le niveu mximum est un peu déclé, mis les spectres en figure 11 montrent que les courbes suivent extrêmement bien les tendnces des mesures. 6 Conclusion L chîne de clcul CARMEN été évluée de mnière stisfisnte pr rpport à un décollge d A30, où l on disposit de nombreuses mesures coustiques synchronisées vec l trjectoire de l vion. Des méliortions ont été portées u modèle de bruit de soufflnte proposé pr Heidmnn, en prticulier vec une plus grnde richesse de FMR. Il reste mintennt à pprofondir l étude du nouveu modèle de bruit de jet [6] vec une confronttion à des mesures en décollge. Remerciements Nous remercions Airbus pour l mise à disposition des mesures rélisées dns le cdre de SilenceR, et le déprtement DCPS de l ONERA d voir fourni les données moteur. Figure 10 : Niveu globl u microphone déclé guche 106
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