NANTES 22 Novembre 23 2001 Journéesd étude BRUIT DU TRAFIC ROUTIER Journées d étude Bruitdu TraficRoutier 22-23 novem bre 2001 NANTES (France) - CITÉ DES CONGRÈS Mesures relatives au bruit de roulement dans les projets 'TEXTURE & BRUIT' et SI.R.U.US. Jean-François Hamet a, Jean-Michel Clairet a, Philippe Klein a a INRETS LTE, 25, av. François Mitterrand, F69675 Bron cedex. Tél. 04 72 14 24 02 Fax 04 72 37 68 37 Email: hamet@inrets.fr Tél. 04 72 14 24 08 Fax 04 72 37 68 37 Email: clairet@inrets.fr Tél. 04 72 14 24 06 Fax 04 72 37 68 37 Email: klein@inrets.fr Résumé :. Les mesures relatives au bruit de roulement, mises en œuvre dans le cadre des projets 'Texture & Bruit et SI.R.U.US. ont porté sur le bruit de roulement proprement dit, sur les propriétés acoustiques de la chaussée (absorption), sur les caractéristiques pouvant influencer la génération du bruit (texture), et sur certaines propriétés mécaniques du pneumatique dans la mesure où elles sont nécessaires pour les modélisations. Certaines méthodes font l'objet de présentations dans les communications de Anfosso ou de Besnard. Nous détaillons plus particulièrement ici la procédure de mesure en continu du bruit de roulement. Les possibilités offertes par les techniques d'antennes microphoniques sont indiquées. Abstract :.The tire road noise measurement methods implemented in the frame of the 'Texture & Noise' and SI.R.U.US. projects addressed the rolling noise itself, the acoustic properties of the pavement (absorption), the characteristics which have an influence on the noise generation (texture), and on some tire mechanical properties inasmuch as they are needed in the models. Some methods are presented in the communications of Anfosso or Besnard. We detail here more specifically the on board rolling noise measurement technique (called also the CPX method). The possibilities given by microphone array techniques are also indicated. INTRODUCTION Par mesures relatives au bruit de roulement, nous entendons les mesures de bruit proprement dites, les mesures de propriétés acoustiques qui influencent le bruit (absorption par exemple) ou les mesures de caractéristiques physiques auxquelles sont liées les propriétés acoustiques. LE BRUIT DE ROULEMENT Une synthèse des méthodes de mesure du bruit de roulement est donnée dans ce colloque par Besnard [1]. Nous n'aborderons ici que certains aspects. La méthode de 'référence' pour la caractérisation d'un revêtement vis à vis du bruit de trafic est aujourd'hui la méthode statistique au passage [2]. Elle utilise les véhicules du trafic et n'est donc pas applicable pour tester sur piste les performances acoustiques de sections d'essai. Deux procédures ont été utilisées dans le cadre des projets. La mesure de bruit au passage d'un véhicule maîtrisé (inspirée de la norme française [3]), la méthode du microphone embarqué (mesure en continu inspirée de la procédure CPX proposée à l'iso [4]). La mesure au passage: véhicule maîtrisé. L'objectif visé ici est de hiérarchiser les revêtements quant à leurs performances acoustiques vis à vis du bruit de roulement et du bruit moteur. Le principe de base est de faire passer un véhicule à différentes vitesses sous différents rapports de boîte. Les données mesurées sont la vitesse, le niveau de bruit au passage et le régime moteur (qui peut aussi être estimé à partir de la vitesse et du rapport de boîte). La procédure permet de décomposer le bruit mesuré en une composante bruit moteur (fonction du régime moteur) et une
composante bruit de roulement (fonction de la vitesse). Elle est régulièrement utilisée à l'inrets pour évaluer les émissions acoustiques de véhicules: les mesures (qui incluent aussi le paramètre accélération) sont par ailleurs intégrées dans une base de données 'émission des véhicules routiers' [5]. La mesure en continu La procédure en continu a été à la fois objet de recherche et outil de mesure dans le cadre de ces projets. Le principe est de relever le niveau de bruit à proximité d'un pneumatique lors du roulage. Ses avantages et inconvénients sont abordés dans [1]. Dans cette phase de recherche où les caractéristiques du système de mesure (véhicule, pneumatique, nombre et position des microphones) ne sont pas fixées, le type de véhicule retenu est le véhicule autotracté, de préférence à la remorque. L'outil de captation et d'acquisition est en conséquence réglable géométriquement. La captation est effectuée à l'aide de deux ensembles de quatre microphones, chaque ensemble formant un arc de cercle. La disposition utilisée pour les tests a été: un ensemble de quatre microphones à l'arrière, l'autre ensemble de quatre sur le côté du pneumatique (arrière droit) FIGURE 1. une vitesse choisie comme référence. Or, non seulement la vitesse du véhicule lors de la mesure sera rarement égale à la vitesse de référence, mais elle ne sera pas toujours constante et ce, d'autant moins que la longueur du tronçon sera plus importante. Des corrections doivent être effectuées sur les niveaux mesurés et pour cela, la loi d'évolution du bruit(vitesse) déterminée. Pour une section de faible longueur, cette loi peut être déterminée expérimentalement par régression statistique (niveau/ vitesse), en effectuant des passage à différentes vitesses. Pour une section de grande longueur, où un seul parcours est généralement effectué, ce n'est pas possible. Dans le cadre des projets, la procédure a été conçue et développée pour être appliquée sur des sections de faible longueur uniquement (quelques centaines de mètres). Les exemples ci-après sont donnés sur des longueurs de quelques dizaines de mètres. La procédure Les données de mesure sont la vitesse et le niveau de bruit (spectre 1/3 octave par tour de pneumatique). Des réflecteurs, collés sur la surface du revêtement, sont utilisés comme repérage des début et fin de mesure. début L fin Les vitesses de passage peuvent être réparties uniformément sur la plage étudiée ou groupées sur quelques vitesses nominales. L'illustration (FIGURE 2) correspond à trois vitesses nominales (50, 70, 90 km/h) et cinq passages par vitesse. FIGURE 1 système de mesure embarqué utilisé. On distingue les quatre microphones arrière. Les quatre microphones latéraux (à droite) sont pratiquement alignés sur la photo. Courtes et grandes longueurs Les contraintes et possibilités ne sont pas tout à fait les mêmes selon que l'on cherche à caractériser une section de quelques centaines de mètres (pour laquelle plusieurs passages peuvent être effectués) ou un réseau de plusieurs kilomètres. Dans les deux cas, un point crucial de la procédure est la prise en compte de l'effet vitesse sur le niveau de bruit: la performance du revêtement sera en effet exprimée par son niveau de bruit à FIGURE 2 exemple de vitesses de passage. Les valeurs unitaires sont repérées par un x. Les points liés correspondent à un même passage.
En laboratoire, chaque tour de roue est validé ou invalidé (s'il s'avère bruité par exemple). Les abscisses des niveaux invalidés restent repérées de façon à ne pas provoquer un décalage de position lors des tracés. L'invalidation effectuée sur un microphone est automatiquement appliquée aux autres. roue), tous passages confondus (FIGURE 6). Les pentes diffèrent d'un 1/3 octave à l'autre. FIGURE 5 régressions dans chaque 1/3 octave sur les couples [vitesse, niveaux] Pour chaque 1/3 octave et chaque niveau tour de roue on évalue alors le bruit correspondant à la vitesse de référence choisie. Les résultats FIGURE 6 sont en global db(a). FIGURE 3 Visualisation du début du signal temporel et des repères tour de roue. Le repère 1 est invalidé. Pour chaque 1/3 octave et chaque passage, on dispose ainsi de l'évolution des niveaux de bruit en fonction de la distance. Les niveaux FIGURE 4 sont des niveaux globaux db(a) relevés aux différentes vitesses de la FIGURE 2. FIGURE 6 niveaux de la FIGURE 4 ramenés à 80 km/h Ce type de tracé permet d'apprécier la qualité de la mesure et l'homogénéité de la surface. Une surface peut être très hétérogène comme le montre la FIGURE 7 FIGURE 4 niveaux db(a) mesurés au cours de différents passages. Les niveaux associés à un même passage sont liés. La loi d'évolution du bruit en fonction de la vitesse est déterminée pour chaque 1/3 octave par régression sur tous les couples validés (vitesse, niveau par tour de FIGURE 7 cas d'une surface hétérogène
La variation de niveau observé le long du parcours (FIGURE 7) se retrouve à chaque passage. Elle n'est pas attribuable à un défaut de mesure. Les résultats correspondant à une surface sont synthétisés dans une fiche technique regroupant: l'évolution du bruit (moyenne et écart type) à la vitesse de référence (ici 80 km/h) en fonction de la distance, la valeur moyenne et l'écart type de l'ensemble, la régression bruit/vitesse, le spectre de bruit à la vitesse de référence (résultant des régressions sur chaque 1/3 octave). Une illustration de fiche est donnée FIGURE 8 FIGURE 8 Mesure en continu: exemple de fiche technique Perspectives Le principe de la mesure en continu est relativement simple. La qualité des résultats obtenus ne doit pas cacher le travail qui reste à accomplir, et plus particulièrement celui de la qualification acoustique du véhicule: influence des turbulences aérodynamiques, du bruit moteur, des autres pneumatiques du véhicule,. Avec une remorque, s'ajouterait le problème de l'influence du capotage. L'étude du bruit de roulement des trains routiers reste à entreprendre. Une particularité de ce type de véhicule est que les pneumatiques ne sont pas les mêmes selon les essieux. Leurs contributions respectives ne peuvent être estimées en utilisant un simple microphone lors d'une mesure au passage. Les techniques d'antennes microphoniques devraient, sur ce point, offrir des possibilités certaines. Utilisées pour le diagnostic de trains aux grandes vitesses elles ont permis de localiser et évaluer les différentes sources de bruit (pantographe, roues, ) [6]. Les dispositions géométriques des microphones d'une antenne sont choisies en fonction de l'objectif recherché. Une disposition verticale permet de séparer les sources en hauteur [7]. Mesure embarquée, mesure au passage Pour un véhicule/ pneumatique d'essai donné, le niveau de bruit mesuré en embarqué dépend des positions des microphones utilisés. La FIGURE 9 donne une comparaison visuelle entre les niveaux mesurés par la méthode en continu (prélèvements à l'arrière, dans le dièdre pneumatique/ chaussée, à 43 cm du centre de la zone de contact et 12 cm de hauteur) et les niveaux correspondants obtenus - à 7.5 m de distance, 1.2 m de hauteur - par la méthode au passage (même véhicule, mêmes pneumatiques) sur différents revêtements (y compris des poreux). FIGURE 9 comparaison mesure en continu, mesure au passage. db 70 60 50 height (m) 1.5 1 0.5 0 0.5 5 4 3 2 1 abscissa (m) 0 1 local mean 1.5 1 0.5 0 0.5 60 70 db FIGURE 10 détermination des niveaux d'émission d'un véhicule léger en fonction de la hauteur. Une disposition horizontale permet de séparer les sources parallèlement au parcours. Elle a été appliquée au cas du tramway pour évaluer les contributions des roues et de la voie (FIGURE 11). [8] Des premières mesures sur train routier ont été effectuées en Eté 2001, en collaboration avec le Laboratoire Régional de Strasbourg et la Société Lohr., avec une disposition horizontale. Les dépouillements sont en cours à la date de rédaction de cette communication.
fréquence (Hz) km/h 38 36 34 global 2500 2000 1600 1250 1000 800 630 500 400 vitesse de passage 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 abscisse (m) 50 55 60 65 70 75 80 dba recteur_4 FIGURE 11séparation horizontale des sources de bruit d'un tramway, pour les différents 1/3 octave. L'absorption acoustique Les procédures de mesure d'absorption sont décrites par Anfosso dans une autre présentation [10]. Dans le cadre de ces recherches des mesures ont été effectuées en laboratoire avec des tubes à ondes stationnaires, et sur site en utilisant la méthode impulsionnelle inspirée de [11]. Le système utilisé par Autostrade est aménagé à bord d'un véhicule dédié à cette mesure. Les relevés se font à poste fixe (une dizaine d'impulsions par emplacement), le système est déplacé ensuite de quelques mètres jusqu'au point de mesure suivant. Des tentatives de mesures d'absorption avec le véhicule se déplacement à faible vitesse ont été aussi effectuées. LA CHAUSSEE Le profil de texture La mesure de texture est utilisée pour la caractérisation des revêtements de chaussée (ISO 13473, cf. aussi [9]) Pour les études d adhérence, la précision de l'échantillonnage spatial n'est pas trop critique, les relevés peuvent présenter des "invalidités" (pertes d'information) sans grande conséquence sur la qualité des résultats. Le relevé peut être effectué en continu à quelques dizaines de km/h. Les exigences imposées par les objectifs acoustiques sont plus contraignantes: le pas d'échantillonnage spatial doit être précis, les "invalidités" doivent être peu nombreuses. Les relevés ont donc été effectués à l aide d appareillages statiques par le LCPC et le BRRC, de préférence aux systèmes de mesure en continu. Une photographie du système statique de mesure du BRRC est donnée FIGURE 12: la mesure est effectuée sur 0.555 m, avec un pas d'échantillonnage de 1 mm. les relevés sont effectués à quelques mètres de distance. (Le même véhicule tracteur dispose par ailleurs d'un capteur embarqué pour les mesures en continu). FIGURE 13 système de mesure de l'absorption d'autostrade Les caractéristiques physiques L'absorption acoustique peut être évaluée à partir de certaines caractéristiques de la chaussée: résistance au passage de l'air, tortuosité, porosité communicante [12]. La procédure de mesure de la résistance au passage de l'air est normalisée [13]. La mesure de la porosité communicante demande encore quelques recherches. La méthode de mesure de la tortuosité reste à définir; la tortuosité est actuellement déterminée à partir de la courbe d'absorption. LE PNEUMATIQUE Les recherches présentées ici portent sur l'influence du revêtement de chaussée sur le bruit de roulement. Le pneumatique n'est pas lui même un objectif de recherches. Il fait néanmoins l'objet de modélisations [14] et donc de mesures pour déterminer les valeurs des paramètres du modèle. FIGURE 12 système statique de mesure de texture du BRRC La procédure utilisée est basée sur une mesure de mobilité Vitesse ( f )/ Force( f ) schématisée FIGURE 14:
la surface de la bande de roulement est excitée localement, la force d'excitation et la vitesse de vibration résultante au point d'application sont mesurées en fonction de la fréquence [15]. FIGURE 14 principe de la mesure de mobilité: la vibration du pneumatique est prise au point d'application de la force. Une allure type de la mobilité mesurée est donnée FIGURE 15. FIGURE 15 mobilité du pneumatique comparaison mesures/ calculs REMERCIEMENTS Les partenaires du projet PREDIT TEXTURE & BRUIT sont :INRETS, LCPC, ENPC, MICROdB, COLAS, APPIA. Les partenaires du projet SI.R.U.US. sont: AUTOSTRADE, ARGEX, BRRC, INRETS, LNEC, PAVIMENTAL, SACER. Nous remercions plus particulièrement G. Descornet (BRRC), M. Luminari (AUTOSTRADE) et M-A. Pallas (INRETS) pour leurs contributions. REFERENCES 1. F. Besnard, Synthèse des méthodes de mesure du bruit de roulement, Journées d'études 'Bruit du trafic routier', Nantes (2001). 2. ISO-11819-1. 1997. Acoustics - Method for measuring the influence of road surfaces on traffic noise - Part 1 : the Statistical Pass-By method". 3. NF-S-31-119. 1999. Caractérisation in situ des qualités acoustiques des revêtements de chaussées. Mesurages acoustiques au passage - Procédure "Véhicules Maîtrisés". 4. ISO-11819-2. 1997. Acoustics - Method for measuring the influence of road surfaces on traffic noise - Part 2 : the close-proximity method". 5. J. Lelong, M. Bérengier, Emission acoustique des transports terrestres. Constitution d'une base de données nationale INRETS/LTE 0106 (INRETS, 2001). 6. DEUFRAKO, Sources de bruit des transports guidés à grande vitesse. Rapport final (1994). 7. M.-A. Pallas, Vertical localization of noise sources on passenger cars with a microphone array, ICSV6, Copenhage, Danemark (1999). 8. M.-A. Pallas, J. Lelong, Investigation of the rolling noise sources on the tram of Nantes with a microphone array, inter.noise 2001, The Hague (2001). 9. NF-P98-216-2. 1994. Essais relatifs aux chaussées - Détermination de la macrotexture - Partie 2: méthode de mesure sans contact. 10. F. Anfosso-Lédée, Mesures d'absorption acoustique, Journées d'études 'Bruit du trafic routier', Nantes (2001). 11. ISO-13472-1. 1999. Acoustics - Procedure for measuring sound absorption properties of road surfaces in situ - Part 1: extended surface method. 12. J.-F. Hamet, Modélisation acoustique d'un enrobé drainant. Prise en compte des phénomènes de thermoconductivité dans une nouvelle formulation phénoménologique. Rapport INRETS N 159 (INRETS, 1992). 13. ISO-9053. 1991. Acoustics - Materials for acoustical applications - Determination of airflow resistance. 14. J.-F. Hamet, P. Klein, Recherches physiques sur le bruit de roulement dans les projets 'TEXTURE & BRUIT' et SI.R.U.US, Journées d'études 'Bruit du trafic routier', Nantes (2001). 15. J. Périsse, J.-M. Clairet, J.-F. Hamet, Modal testing of a smooth tire in low and medium frequency - Estimation of structural parameters, International Modal Analysis Conference XVIII, San Antonio (2000).