FR2661540A1 - METHOD FOR ATTENUATING ACOUSTIC WAVES IN A FLUID CIRCUIT. - Google Patents

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Abstract

The process involves the insertion of at least one transducer into the wall of a pipe belonging to this circuit. The transducer causes the wall to vibrate, thus creating an active moving wall whose radial displacements are in phase opposition to the local acoustic pressure. This produces a condition in which the acoustic waves are not propagated so that waves coming from the pipe towards the transducer are reflected.

Description

La présente invention concerne un nouveau procédé pour l'atténuation desThe present invention relates to a new method for the attenuation of

ondes acoustiques dans un circuit de circulation de fluide.  acoustic waves in a fluid circulation circuit.

On sait que dans un circuit de circulation d'un fluide, qu'il soit pneumatique ou hydraulique, des bruits sont crées par différents éléments, à savoir des éléments moteurs tels que pompes ou ventilateurs, des éléments structurels tels que diaphragmes, coudes ou vannes, et analogues Les ondes acoustiques ainsi générées se propagent dans lesdits circuits, jusqu'aux terminaisons o elles créent des nuisances préjudiciables au personnel Ainsi, par exemple, dans un circuit de ventilation, la transmission de ces ondes acoustiques vers l'extérieur se traduit par  We know that in a fluid circulation circuit, whether pneumatic or hydraulic, noises are created by different elements, namely motor elements such as pumps or fans, structural elements such as diaphragms, elbows or valves , and the like The acoustic waves thus generated propagate in said circuits, up to the terminations where they create nuisances harmful to the personnel. Thus, for example, in a ventilation circuit, the transmission of these acoustic waves to the outside results in

un accroissement du niveau de bruit dans la salle à ventiler ou à climatiser.  an increase in the noise level in the room to be ventilated or air conditioned.

On a donc recherché des moyens pour réduire ou contrôler les ondes S e propageant dans ce type de circuit, sans perturber l'écoulement du fluide qui y circule. Un premier type de moyen fait appel à des systèmes passifs, reposant par exemple sur l'emploi de matériaux absorbants ou de résonateurs du type HELMHOLTZ Toutefois, ces solutions reposant sur les qualités dissipatives des  We therefore sought means to reduce or control the waves S e propagating in this type of circuit, without disturbing the flow of the fluid which circulates there. A first type of means uses passive systems, based for example on the use of absorbent materials or resonators of the HELMHOLTZ type. However, these solutions based on the dissipative qualities of the

matériaux ne peuvent concerner que le domaine des fréquences élevées.  materials can only relate to the area of high frequencies.

Un second type de moyen fait appel à des systèmes actifs, c'est à dire déterminant une atténuation des ondes Pour cela, il est connu d'associer d'une part un organe de mesure des ondes se propageant dans le circuit, et d'autre part un émetteur acoustique commandé à partir des signaux recueilli par ledit organe, par exemple un microphone, de telle manière que, par cet émetteur, soit émis un train d'ondes en opposition avec le précédent, et que leur résultante soit en principe nulle. Toutefois, un tel système, séduisant dans son principe, n'assure en réalité une atténuation importante que pour des sources de bruits harmoniques; pour des bruits  A second type of means uses active systems, that is to say determining an attenuation of the waves. For this, it is known to associate on the one hand a member for measuring the waves propagating in the circuit, and on the other hand an acoustic transmitter controlled from the signals collected by said organ, for example a microphone, in such a way that, by this transmitter, a train of waves is emitted in opposition to the previous one, and that their result is in principle zero . However, such a system, attractive in principle, in reality only provides significant attenuation for sources of harmonic noise; for noises

à large bande, l'atténuation demeure faible.  broadband, attenuation remains weak.

La présente invention vise également un système actif, mais reposant sur un principe différent, à savoir celui selon lequel, si la paroi du circuit est soumise sur une certaine portion à des déformations locales correspondant à un état vibratoire dépendant de la fréquence du train d'ondes acoustiques incidentes, ces dernières se trouvent réfléchies et ne peuvent donc plus se propager dans cette portion, qui se  The present invention also relates to an active system, but based on a different principle, namely that according to which, if the circuit wall is subjected over a certain portion to local deformations corresponding to a vibratory state depending on the frequency of the train incident acoustic waves, the latter are reflected and can no longer propagate in this portion, which

trouve ainsi isolée acoustiquement.  is thus acoustically isolated.

Du fait qu'il n'y a plus de composition entre deux trains d'ondes comme dans le système antérieur rappelé ci-dessus, les limitations d'efficacité de ce dernier sont éliminées et le nouveau système selon l'invention permet une atténuation importante des ondes incidentes dans toute la gamme de fréquences Ce système  Due to the fact that there is no longer any composition between two wave trains as in the prior system mentioned above, the efficiency limitations of the latter are eliminated and the new system according to the invention allows significant attenuation. incident waves in the whole frequency range This system

représente donc un progrès très important.  therefore represents very significant progress.

On va maintenant exposer l'invention plus en détail en se référant à la  We will now describe the invention in more detail with reference to the

description suivante, illustrée par le dessin annexé, sur lequel:  following description, illustrated by the appended drawing, in which:

La figure 1 représente un schéma illustrant l'exposé théorique de l'invention; La figure 2 illustre une réalisation pratique de paroi mobile active circulaire selon l'invention; La figure 3 illustre une autre réalisation pratique de paroi mobile active circulaire; La figure 4 illustre une réalisation pratique de paroi mobile active carrée; La figure 5 illustre un exemple de montage de l'ensemble du système selon l'invention et;  FIG. 1 represents a diagram illustrating the theoretical presentation of the invention; FIG. 2 illustrates a practical embodiment of a circular active movable wall according to the invention; FIG. 3 illustrates another practical embodiment of a circular active mobile wall; FIG. 4 illustrates a practical embodiment of a square active movable wall; FIG. 5 illustrates an example of assembly of the entire system according to the invention and;

La figure 6 illustre une variante de construction du filtre actif élémentaire.  FIG. 6 illustrates a variant construction of the elementary active filter.

En se référant tout d'abord au schéma de la figure 1, on y a représenté symboliquement une portion de circuit constituée d'un tube cylindrique cde rayon R,  Referring first of all to the diagram in FIG. 1, there is symbolically represented a portion of the circuit consisting of a cylindrical tube with radius R,

supposé infiniment rigide, et dans lequel on distingue trois portions 1, 2 et 3.  assumed to be infinitely rigid, and in which there are three portions 1, 2 and 3.

La portion intermédiaire 2 comporte un élément supposé créer sur les parois du tube une condition du type impédancielle: ( 2.1) P=Z Vr PV Dans cette relation, ainsi que dans toutes celles qui vont suivre dans la présente  The intermediate portion 2 comprises an element supposed to create on the walls of the tube a condition of the impedancial type: (2.1) P = Z Vr PV In this relation, as in all those which will follow in the present

description, les différentes variables et les unités dans lesquelles elles sont  description, the different variables and the units in which they are

exprimées sont les suivantes: P: pression acoustique (en Pascals) Vr: vitesse radiale des vibrations de la paroi (en m/s) Z: impédance acoustique, homogène au produit de la masse volumique du fluide, P, par la célérité du son, c, dans le fluide (en Kg Im 2 Is) pulsation (en rd/s) k = c: nombre d'onde acoustique (en m-1) CI>: potentiel des vitesse (en mri 2/s) : admittance acoustique de la paroi et les constantes de séparation  expressed are as follows: P: acoustic pressure (in Pascals) Vr: radial speed of the wall vibrations (in m / s) Z: acoustic impedance, homogeneous to the product of the density of the fluid, P, by the speed of the sound , c, in the fluid (in Kg Im 2 Is) pulsation (in rd / s) k = c: number of acoustic waves (in m-1) CI>: velocity potential (in mri 2 / s): admittance wall acoustics and separation constants

(am Ai) sont adimensionnelles.(am Ai) are dimensionless.

Dans cette portion du circuit, il est possible de construire une solution analytique par produit de fonctions à variables séparées On ne considère ici que les composantes d'ordre nul suivant la variable angulaire, mais le raisonnement pourrait être étendu à des champs de pression non- uniformes suivant l'angle autour de l'axe du conduit, ce qu'exprime la relation: ( 2.2 l C) (Wo) = 5 l An exgpikum 2) + Bm exp&-ikom l Jo(Am i) m=O R dans laquelle:  In this portion of the circuit, it is possible to construct an analytical solution by product of functions with separate variables. We only consider here the components of zero order according to the angular variable, but the reasoning could be extended to non-pressure fields. uniforms along the angle around the axis of the conduit, which is expressed by the relation: (2.2 l C) (Wo) = 5 l An exgpikum 2) + Bm exp & -ikom l Jo (Am i) m = OR in which:

( 2.3)(2.3)

cam = f( 1 -4 a 2)cam = f (1 -4 to 2)

( 2.4)(2.4)

Arn = kam RArn = kam R

( 2.5)(2.5)

Am = Jo (A; = i Ak R Jc Au) Dans le cas o la paroi est rigide, la première constante de séparation Am est  Am = Jo (A; = i Ak R Jc Au) In the case where the wall is rigid, the first separation constant Am is

nulle, ce qui conduit à l'existence d'une onde plane.  null, which leads to the existence of a plane wave.

En écrivant la continuité de la pression et de la vitesse axiale aux interfaces entre les portions 1, 2 et 3 du circuit, il est possible d'exprimer l'amplitude de l'onde transmise dans le tube 3 en fonction de l'amplitude de l'onde incidente dans le tube 1 Il apparaît immédiatement que cette amplitude peut être annulée si le nombre a devient nul Ceci consiste en fait, à imposer une condition de non-propagation des ondes acoustiques suivant la direction z On a alors comme conséquence immédiate que la constante de séparation am est unitaire, ce qui se traduit pour l'admittance par: ( 2 6) i OI(k R) La relation ( 2 6) doit être complétée par le fait que l'admittance D doit être un nombre imaginaire pur dont la valeur doit rester strictement négative afin d'interdire l'existence d'onde quasi plane Ce type d'onde est représenté par les solutions An de l'équation ( 2 6) à partie réelle nulle et ne peut exister qu'à la condition que la  By writing the continuity of the pressure and the axial speed at the interfaces between the portions 1, 2 and 3 of the circuit, it is possible to express the amplitude of the wave transmitted in the tube 3 as a function of the amplitude of the incident wave in the tube 1 It immediately appears that this amplitude can be canceled if the number a becomes zero This consists in fact of imposing a condition of non-propagation of the acoustic waves in the direction z We then have as immediate consequence that the separation constant am is unitary, which translates for admittance by: (2 6) i OI (k R) The relation (2 6) must be supplemented by the fact that admittance D must be an imaginary number pure whose value must remain strictly negative in order to prohibit the existence of quasi-plane wave This type of wave is represented by the solutions An of equation (2 6) with zero real part and can only exist the condition that the

partie imaginaire de l'admittance soit positive ou nulle.  imaginary part of admittance either positive or zero.

Aux basses fréquences du spectre, cette seule condition portant sur le fait que l'admittance est un nombre imaginaire pur dont le signe est négatif permet d'assurer  At the low frequencies of the spectrum, this only condition relating to the fact that the admittance is a pure imaginary number whose sign is negative makes it possible to ensure

une condition de non-propagation.a non-propagation condition.

En résumé, on constate donc qu'en imposant sur la paroi du tube 2 la condition ( 2.6) il est possible d'annuler complètement l'onde transmise du tube 1 vers le tube 3 et vice et versa Cette condition traduit en fait l'absorption par la paroi de l'énergie acoustique dans le tube 2 Le vecteur d'onde est en effet orienté suivant la direction radiale. Ce principe présente divers avantages qui consistent principalement dans le fait que l'on se ramène à une condition locale liant la pression et la vitesse de déformation de la paroi induite par les vibration et que cette condition demeure vraie quelles que soient les perturbations extérieures, l'incohérence du champ de pression, les réflexions sur la terminaison, etc On peut également noter que le principe n'est pas fondé sur l'existence d'ondes planes comme le sont les systèmes 'classiques' antérieurs, mais qu'il concerne tous les types d'onde Ce système sera donc moins limité en fréquence ou du moins connaîtra des restrictions différentes A cet effet, on peut remarquer que dans la formule ( 2 6), le dénominateur s'annule pour les zéros de la fonction de Bessel ce  In summary, it is therefore found that by imposing on the wall of the tube 2 the condition (2.6) it is possible to completely cancel the wave transmitted from the tube 1 to the tube 3 and vice versa This condition actually translates the absorption by the wall of the acoustic energy in the tube 2 The wave vector is indeed oriented in the radial direction. This principle has various advantages which mainly consist in the fact that one is reduced to a local condition linking the pressure and the speed of deformation of the wall induced by the vibrations and that this condition remains true whatever the external disturbances, l incoherence of the pressure field, the reflections on the termination, etc. We can also note that the principle is not based on the existence of plane waves as are the 'classic' systems before, but that it concerns all wave types This system will therefore be less limited in frequency or at least will have different restrictions For this purpose, we can notice that in formula (2 6), the denominator is canceled out for the zeros of the Bessel function this

qui correspond aux fréquences o la paroi est placée sur un noeud de pression.  which corresponds to the frequencies where the wall is placed on a pressure node.

L'admittance est alors infinie, ce qui conduirait à imposer des déplacements de paroi d'amplitude infiniment grandes En fait, ce problème pourrait être contourné en utilisant plusieurs étages de 'filtres' de diamètres différents, mais de longueur très courte, qui fonctionneraient dans des bandes de fréquences différentes Ces filtres seront dans la pratique constitués de petits transducteurs placés sur la circonférence du tube, ainsi qu'il va être exposé maintenant à propos de plusieurs réalisations  The admittance is then infinite, which would lead to imposing wall displacements of infinitely large amplitude In fact, this problem could be circumvented by using several stages of 'filters' of different diameters, but of very short length, which would function in bands of different frequencies These filters will in practice consist of small transducers placed on the circumference of the tube, as will now be described in connection with several embodiments

pratiques, avec référence aux figures 2 à 5.  practical, with reference to Figures 2 to 5.

Si l'on désigne par "paroi mobile active' la portion 2 de la paroi de conduite jouant le rôle de 'filtre' pour un train d'onde incident, il est prévu, selon l'invention, d'utiliser, pour réaliser la condition impédancielle précitée sur cette paroi, des systèmes électro-mécaniques du type transducteur, pouvant par exemple utiliser les effets piézoélectriques, qui sont placés de telles sorte qu'ils peuvent assurer une  If the term “active movable wall” designates the portion 2 of the pipe wall playing the role of “filter” for an incident wave train, it is intended, according to the invention, to use, to carry out the above-mentioned impedance condition on this wall, electro-mechanical systems of the transducer type, which can for example use piezoelectric effects, which are placed in such a way that they can ensure a

vitesse de déformation de la paroi sur toute la périphérie de celle-ci.  rate of deformation of the wall over the entire periphery thereof.

Un moyen pour atteindre ce résultat peut consister, comme illustré à la figure 2, à insérer un transducteur 10 dans un anneau 11, dont les vibrations entraînent des  One means of achieving this result may consist, as illustrated in FIG. 2, of inserting a transducer 10 into a ring 11, the vibrations of which cause

variations uniformes du rayon.uniform variations of the radius.

Un autre moyen peut consister à répartir régulièrement des éléments transducteurs 12 du type piston tout autour de la conduit C, soit circulaire comme illustré à la figure 3, soit carrée comme illustrée à la figure 4, auquel cas les  Another means may consist in regularly distributing transducer elements 12 of the piston type all around the duct C, either circular as illustrated in FIG. 3, or square as illustrated in FIG. 4, in which case the

transducteurs sont placés respectivement équiangulairement ou sur chaque face.  transducers are placed respectively equiangularly or on each side.

D'une manière générale, tout système vibrant 12 pouvant être contrôlé par une commande électrique (électro-aimant, piézo-électrique ou analogue) peut être utilisé  In general, any vibrating system 12 which can be controlled by an electric control (electromagnet, piezoelectric or the like) can be used

pour imposer à la paroi C des vibrations induisant des déformations appropriées.  to impose on the wall C vibrations inducing appropriate deformations.

Si l'on se réfère plus spécialement à la figure 5, on y a illustré schématiquement  If we refer more particularly to FIG. 5, there is illustrated diagrammatically

un montage permettant le pilotage des éléments 12.  an assembly allowing the control of the elements 12.

Afin de permettre de pouvoir piloter convenablement les éléments 12 de la paroi mobile, il est nécessaire de connaître la composante uniforme de la pression acoustique Pour cela, on mesure les forces s'exerçant sur chaque élément  In order to allow the elements 12 of the movable wall to be properly controlled, it is necessary to know the uniform component of the acoustic pressure. To do this, the forces exerted on each element are measured.

constituant la paroi mobile, au moyen de jauges de contrainte, de quartz piezo-  constituting the movable wall, by means of strain gauges, piezo-quartz

électriques ou de microphones 13 Ces signaux de mesure fournissent une évaluation de la pression acoustique uniforme circonférenciellement qui permettent  13 These measurement signals provide an evaluation of the circumferentially uniform sound pressure which allow

d'en déduire la commande à imposer aux éléments mobiles 12.  deduce the command to be imposed on the movable elements 12.

Les signaux de pression provenant des éléments de mesure 13 sont ensuite traités par un organe de commande 14 qui en déduira les déplacements à imposer aux éléments de parois mobiles 12 La loi de pilotage est telle que l'impédance locale (rapport entre la pression et la vitesse radiale de déformée) vérifie la loi: ( 3.1) Z(k R) P = Vipcjo( k R)) ( 3.1) vr 10 (k R) Pour des raisons de faisabilité, on peut être amené à utiliser une loi Zc approchant au mieux la loi exacte donnée par la formule ( 3 1) Dans ce cas, la vitesse de déplacement à imposer aux éléments sera donnée par: p ( 3.2) r Z(k R) Ce système de commande peut utiliser des composants électroniques ou bien  The pressure signals coming from the measuring elements 13 are then processed by a control member 14 which will deduce therefrom the displacements to be imposed on the mobile wall elements 12 The control law is such that the local impedance (ratio between the pressure and the radial velocity of deformation) checks the law: (3.1) Z (k R) P = Vipcjo (k R)) (3.1) vr 10 (k R) For reasons of feasibility, we can use a similar Zc law at best the exact law given by the formula (3 1) In this case, the displacement speed to be imposed on the elements will be given by: p (3.2) r Z (k R) This control system can use electronic components or else

utiliser un principe analogique permettant de réaliser la loi ( 3 2).  use an analogical principle allowing to realize the law (3 2).

Si l'on se réfère maintenant à la figure 6, on a représenté une variante du système selon l'invention destinée à obtenir des résultats d'atténuation encore plus performants En effet, le système décrit précédemment, pour des raisons de faisabilité de la loi de commande, peut présenter des limitations de performances dans certaines bandes de fréquences, particulièrement pour celles qui annulent la fonction de BESSEL JO Dans ce cas, pour obtenir une atténuation sur la bande de fréquence complète on peut associer plusieurs filtres actifs possédant des caractéristiques de fonctionnement différentes En augmentant le rayon du filtre, il est en effet possible de décaler dans le spectre, son régime de fonctionnement En plaçant des filtres de rayons différents 12 et 12 ' dans la conduite C, on obtiendra  Referring now to Figure 6, there is shown a variant of the system according to the invention intended to obtain even more effective attenuation results Indeed, the system described above, for reasons of feasibility of the law can have performance limitations in certain frequency bands, particularly for those which cancel the BESSEL JO function In this case, to obtain attenuation on the complete frequency band, it is possible to combine several active filters having operating characteristics different By increasing the radius of the filter, it is indeed possible to shift in the spectrum, its operating regime By placing filters of different radii 12 and 12 'in line C, we will obtain

ainsi un système d'atténuation plus performant.  thus a more efficient mitigation system.

Claims (5)

REVENDICATIONS 1 Procédé pour l'atténuation des ondes acoustiques dans un circuit de circulation de fluide, caractérisé en ce qu'il consiste à insérer dans la paroi d'une conduite appartenant à ce circuit au moins un transducteur imposant à cette paroi une vibration, de manière à créer une paroi mobile active annulant par absorption de l'énergie acoustique l'onde transmise par la portion de la conduit située en amont  1 Method for attenuating acoustic waves in a fluid circulation circuit, characterized in that it consists in inserting into the wall of a pipe belonging to this circuit at least one transducer imposing on this wall a vibration, so to create an active movable wall canceling by absorption of the acoustic energy the wave transmitted by the portion of the conduit located upstream de ce transducteur vers la portion située en aval, et inversement.  from this transducer to the downstream portion, and vice versa. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les transducteurs  2 Method according to claim 1, characterized in that the transducers sont répartis de manière uniforme sur tout le pourtour d'une section de la conduite.  are distributed uniformly around the entire periphery of a section of the pipe. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la conduite étant à section circulaire, les transducteurs sont répartis équiangulairement sur son pourtour. 4 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, la conduite étant à  3 Method according to claim 2, characterized in that the pipe being of circular section, the transducers are distributed equiangularly around its periphery. 4 Method according to claim 2, characterized in that, the pipe being at section carrée, les transducteurs sont placés dans chaque face du carré.  square section, the transducers are placed in each side of the square. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce  Method according to any one of Claims 1 to 4, characterized in that que, en vue d'assurer le pilotage desdits transducteurs, il est prévu par ailleurs des moyens mesurant les forces s'exerçant sur chaque élément de la paroi mobile, ces mesures fournissant une évaluation de la pression acoustique uniforme sur le pourtour de la conduite et étant ensuite traitées par un organe de commande  that, with a view to piloting said transducers, means are also provided for measuring the forces exerted on each element of the movable wall, these measures providing an assessment of the uniform sound pressure around the periphery of the pipe and then being processed by a controller déterminant à chaque instant les déplacements à imposer aux transducteurs.  determining at all times the displacements to be imposed on the transducers. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens sont choisis entre des jauges de contrainte, des quartz piézo-électriques et des microphones.  6 Method according to claim 5, characterized in that said means are chosen between strain gauges, piezoelectric quartz and microphones. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes,  7 Method according to any one of the preceding claims, caractérisé en ce que, en vue de rendre plus performant le système d'atténuation, on  characterized in that, in order to make the attenuation system more efficient, one place côte à côte dans la conduite des transducteurs de rayons différents.  place side by side in the line of transducers of different radii.
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