WO2006048557A1 - Resonateur de helmholtz et ligne d'echappement le comportant - Google Patents

Resonateur de helmholtz et ligne d'echappement le comportant Download PDF

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WO2006048557A1
WO2006048557A1 PCT/FR2005/002738 FR2005002738W WO2006048557A1 WO 2006048557 A1 WO2006048557 A1 WO 2006048557A1 FR 2005002738 W FR2005002738 W FR 2005002738W WO 2006048557 A1 WO2006048557 A1 WO 2006048557A1
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helmholtz resonator
transducer
impedance
resonator according
load impedance
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Christian Garabedian
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Faurecia Systemes D'echappement
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Definitions

  • the present invention relates to a Helmholtz resonator for an exhaust line, of the type comprising a closed chamber opening only by a connecting neck to a pipe.
  • the engines are, for this purpose, equipped with exhaust lines comprising exhaust silencers through which the exhaust gases flow, as well as Helmholtz resonators consisting of a closed chamber stuck on the exhaust pipe in which circulates the gases through a reduced section connecting neck through which the closed chamber of the resonator opens in the exhaust pipe.
  • the Helmholtz resonator constitutes an acoustic filter which is tuned to a particular frequency given by its dimensions.
  • the resonance frequency F 0 is given by the limit at infinity of the resonator bottom impedance brought back to the mouth of the neck.
  • Such a resonator is effective but it is only granted on a frequency initially chosen and its bandwidth is narrow. Since the engine speed is variable, the frequencies to be filtered extend over a very wide range of frequencies, which a known Helmholtz resonator is not likely to attenuate throughout its range.
  • the object of the invention is to propose a Helmholtz resonator and an exhaust line comprising it enabling the attenuation of the environmental nuisances to be reduced. produced by a heat engine over a wide range of frequencies.
  • the subject of the invention is a Helmholtz resonator of the aforementioned type, characterized in that it comprises: a transducer placed in the closed chamber and suitable for converting an acoustic energy into an electrical energy; and
  • the Heimholtz resonator comprises one or more of the following characteristics:
  • the load impedance comprises at least two elementary impedances, and it comprises means for modifying the load impedance which comprise switching means suitable for providing a selective connection of the elementary impedances across the transducer, and control means of the switching means;
  • the at least two elementary impedances are chosen from the group consisting of a negative resistance, a wire and a parallel mounting of an inductance and a capacitor;
  • the modifying means are capable of modifying the impedance according to a piecewise constant function as a function of the engine speed
  • the transducer is chosen from the group consisting of an electro-acoustic loudspeaker comprising a membrane and an electromagnet and a piezoelectric membrane element;
  • the load impedance comprises an inductance whose value is greater than 10 Henry;
  • the load capacity comprises a capacitance whose value is known as Farads.
  • the load impedance comprises a negative resistance of value equal to the opposite of the value of the resistance of the transducer.
  • the invention also relates to an exhaust line on which is stitched a Helmholtz resonator as described above.
  • FIG. 1 is a schematic view of an exhaust line equipped with a Helmholtz resonator according to the invention
  • FIG. 2 is an electrical diagram of the variable electrical impedance implemented in the Helmholtz resonator of FIG. 1; and FIG. 3 is a graph showing the attenuation in decibels of noise as a function of frequency by a resonator according to the invention.
  • FIG. 1 a motor 10 connected to an exhaust line 12.
  • This exhaust line comprises, as known per se, an exhaust duct 14 connected to the output of the engine and the length of which is provided a silencer 16 traversed from one side by the exhaust gas from an inlet 16A to an outlet 16B.
  • the exhaust line further comprises a Helmholtz resonator 18 connected to the pipe 14 through a stitch formed thereon.
  • the Helmholtz resonator comprises a closed chamber 20 formed, for example, of a metal box. This closed chamber opens only by a single neck 22 connecting to the exhaust pipe 14.
  • the chamber 20 has, for example, a cylindrical side wall closed on one side by a solid bottom and, the other side, by a solid wall through which the neck 22 opens.
  • the neck 22 is formed of a section duct much smaller than that of the chamber 20 and of predetermined length.
  • a transducer 24 is disposed in the closed chamber 20.
  • This transducer is, as known per se, adapted to transform a mechanical quantity into an electrical quantity.
  • the transducer is able to transform acoustic waves into an electric current.
  • the transducer is formed of an electro-acoustic loudspeaker comprising a membrane and an electromagnet.
  • the transducer is formed of a piezoelectric membrane element, commonly designated by the acronym PVDS for "Polyvinylidene fluoride”.
  • the Helmholtz resonator further comprises an impedance 26 electrically connected across the transducer 24 to form a closed electrical circuit.
  • This impedance 26 is preferably variable.
  • the Helmholtz resonator includes an information processing unit 28 adapted to ensure the modification of the value of the variable impedance 26.
  • This information processing unit is connected to a placed engine speed sensor 30, for example, on the crankshaft of the engine.
  • the speed sensor 30 is formed for example of a frequency / voltage converter.
  • the transducer 24 constitutes a mechanical impedance Z m expressing itself in the form:
  • f the viscous damping of the membrane
  • m mass of the membrane
  • k ⁇ stiffness the stiffness of the membrane
  • the mechanical impedance Z ' m of the transducer charged with the electrical impedance Z e is given by:
  • the mechanical impedance Z ' m can be considerably modified.
  • Case 2 transducer shorted
  • Case 3 impedance formed of a negative resistance
  • Case 4 impedance formed of a negative resistance in series with an inductance coil L ext ;
  • Case 5 impedance formed of a negative resistance in series with a capacitor of capacitance C ext ;
  • Case 6 impedance formed of a negative resistance in series with an inductor coil L ext and capacitor capacitance C ext .
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a variable impedance 26. This comprises a set of elementary impedances associated with switching means ensuring the selective connection of the elementary impedances under the control of a steering unit 32 connected to the information processing unit 28.
  • the impedance 26 comprises a module 34 consisting of an inductance connected in parallel with a capacitance.
  • the value of the inductance advantageously has a value greater than 10 Henry and preferably greater than several tens of Henry.
  • the capacitance advantageously has a value greater than 10 Farads and, preferably, greater than several tens of farads.
  • This module 34 is connected in series with a negative resistor 36 between the terminals of the transducer 24.
  • a controlled switch 38 is connected in parallel with the module 34.
  • a second negative resistor 40 associated in series with a controlled switch 42 is connected in parallel with the module 34.
  • a controlled switch 44 is connected in parallel with the negative resistor 36.
  • Negative resistors are formed, as known per se, from operational amplifiers.
  • the value of the negative resistance is the opposite of the value of the RHP resistance of the transducer.
  • the control means 32 are adapted to ensure the opening or closing of the controlled switches 38, 42, 44 as a function of the engine speed read by the sensor 30, for example according to the decoding table shown below:
  • the transducer 24 is connected from its terminals to the negative resistor 36 connected in series with the module 34 consisting of an inductor and a 'a parallel capacity. From the first switching frequency to the second frequency equal, for example, to 80 Hz, the electric load impedance of the transducer 24 is a short circuit.
  • the load impedance is formed of the negative resistance 40 connected in parallel with the module 34 constituted by an inductance and a capacitance of parallel.
  • the load impedance is formed, as for the frequencies lower than the first switching frequency, by the negative resistor 36 in series with the module 34.
  • FIG. 3 represents, on the same graph, the three acoustic attenuation curves obtained as a function of frequency with the three types of load impedance implemented under the control of the control means 32.
  • the curve 11 corresponds to the attenuation obtained when the load impedance is the negative resistance 36 in series with the module 34
  • the curve 12 corresponds to the attenuation obtained when the load impedance is short. circuit
  • the curve 13 corresponds to the attenuation obtained when the load impedance is the negative resistance 40 connected in parallel with the module 34.
  • Curve 14 illustrates the attenuation obtained by modifying the load impedance as a function of the engine speed, this switching taking place at the three switching frequencies indicated. It can be seen that the addition of variable electrical impedances switched to the desired frequencies makes it possible to raise the attenuation levels in a large proportion starting from 80 Hz.
  • the gain is 13 dB for example at about 130 Hz.
  • Such a Helmholtz resonator can be advantageously used in an exhaust line of an engine but also in a line of admission of a motor.

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Abstract

Le résonateur de Helmholtz (18) comporte une chambre close (20) s'ouvrant seulement par un col (22) de liaison à une conduite (14). Il comporte : - un transducteur (24) placé dans la chambre close (20) et propre à convertir une énergie acoustique en une énergie électrique ; et - une impédance électrique de charge (26) connectée électriquement aux bornes du transducteur (24). Application à une ligne d'échappement

Description

Résonateur de Helmholtz et ligne d'échappement le comportant.
La présente invention concerne un résonateur de Helmholtz pour une ligne d'échappement, du type comportant une chambre close s'ouvrant seu- lement par un col de liaison à une conduite.
Les véhicules automobiles à moteur thermique occasionnent, du fait du fonctionnement du moteur, des nuisances sonores. Les moteurs sont, à cet effet, équipés de lignes d'échappement comportant des silencieux d'échappement traversés par les gaz d'échappement, ainsi que des résona- teurs de Helmholtz constitués d'une chambre close piquée sur la conduite d'échappement dans laquelle circulent les gaz par l'intermédiaire d'un col de liaison de section réduite par lequel la chambre close du résonateur s'ouvre dans la conduite d'échappement.
Le résonateur de Helmholtz constitue un filtre acoustique qui est ac- cordé sur une fréquence particulière donnée par ses dimensions.
Ainsi, la fréquence d'accord Fo est donnée par alors que
Figure imgf000003_0001
sa bande passante est donnée par avec :
Figure imgf000003_0002
c = célérité du son (m/s) s = section du col du résonateur (m2) / = longueur du col du résonateur (m) V = volume du résonateur (m3) Q = coefficient de qualité.
La fréquence de résonance F0 est donnée par la limite à l'infini de l'impédance de fond du résonateur ramenée à l'embouchure du col.
Un tel résonateur est efficace mais celui-ci n'est accordé que sur une fréquence choisie initialement et sa bande passante est étroite. Or, le ré- gime moteur étant variable, les fréquences à filtrer s'étendent sur une très large gamme de fréquences, qu'un résonateur de Helmholtz connu n'est pas susceptible d'atténuer sur toute son étendue.
L'invention a pour but de proposer un résonateur de Helmholtz et une ligne d'échappement le comportant permettant d'atténuer les nuisances so- nores produites par un moteur thermique sur une large gamme de fréquen- ces.
A cet effet, l'invention a pour objet un résonateur de Helmholtz du type précité, caractérisé en ce qu'il comporte : - un transducteur placé dans la chambre close et propre à convertir une énergie acoustique en une énergie électrique ; et
- une impédance électrique de charge connectée électriquement aux bornes du transducteur.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le résonateur de HeIm- holtz comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- il comporte des moyens de recueil du régime moteur et des moyens de modification de l'impédance électrique de charge en fonction du régime du moteur ;
- l'impédance de charge comporte au moins deux impédances élé- mentaires, et il comporte des moyens de modification de l'impédance de charge qui comportent des moyens de commutation propres à assurer une connexion sélective des impédances élémentaires aux bornes du transduc- teur, et des moyens de commande des moyens de commutation ;
- les au moins deux impédances élémentaires sont choisies dans le groupe consistant en une résistance négative, un fil et un montage parallèle d'une inductance et d'un condensateur ;
- les moyens de modification sont propres à modifier l'impédance sui- vant une fonction constante par morceaux en fonction du régime du moteur ;
- le transducteur est choisi dans le groupe consistant en un haut- parleur électro-acoustique comprenant une membrane et un électro-aimant et un élément piézoélectrique à membrane ;
- l'impédance de charge comporte une inductance dont la valeur est supérieure à 10 Henry ;
- la capacité de charge comporte une capacité dont la valeur est su- périeûre εTÏ0 Farads ; et
- l'impédance de charge comporte une résistance négative de valeur égale à l'opposé de la valeur de la résistance du transducteur. L'invention a également pour objet une ligne d'échappement sur la- quelle est piqué un résonateur de Helmholtz tel que décrit ci-dessus.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux des- sins, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d'une ligne d'échappement équipée d'un résonateur de Helmholtz selon l'invention ;
- la figure 2 est un schéma électrique de l'impédance électrique varia- ble mise en œuvre dans le résonateur de Helmholtz de la figure 1 ; et - la figure 3 est un graphique montrant l'atténuation en décibels du bruit en fonction de la fréquence par un résonateur selon l'invention.
Sur la figure 1 est illustré un moteur 10 relié à une ligne d'échappe- ment 12. Cette ligne d'échappement comporte, comme connu en soi, un conduit d'échappement 14 relié à la sortie du moteur et suivant la longueur duquel est prévu un silencieux 16 traversé de part en part par les gaz d'échappement depuis une entrée 16A jusqu'à une sortie 16B. La ligne d'échappement comporte en outre un résonateur de Helmholtz 18 relié à la conduite 14 au travers d'un piquage ménagé sur celle-ci.
Le résonateur de Helmholtz comporte une chambre close 20 formée, par exemple, d'un caisson métallique. Cette chambre close s'ouvre seule- ment par un unique col 22 de liaison à la conduite d'échappement 14. La chambre 20 présente, par exemple, une paroi latérale cylindrique obturée, d'un côté, par un fond plein et, de l'autre côté, par une paroi pleine au tra- vers de laquelle débouche le col 22. Le col 22 est formé d'un conduit de sec- tion très inférieure à celle de la chambre 20 et de longueur prédéterminée.
Selon l'invention, un transducteur 24 est disposé dans la chambre close 20. Ce transducteur est, comme connu en soi, adapté pour transfor- mer une grandeur mécanique en une grandeur électrique. En l'espèce, le transducteur est propre à transformer des ondes acoustiques en un courant électrique.
Suivant un premier mode de réalisation, le transducteur est formé d'un haut parleur électro-acoustique comprenant une membrane et un élec- troaimant. Suivant un autre mode de réalisation, le transducteur est formé d'un élément piézoélectrique à membrane, couramment désigné par l'acronyme anglais PVDS pour "Polyvinylidene fluoride" .
Le résonateur de Helmholtz comporte en outre une impédance 26 reliée électriquement aux bornes du transducteur 24 pour former un circuit électrique fermé. Cette impédance 26 est, de préférence, variable.
Ainsi, le résonateur de Helmholtz comporte une unité de traitement d'informations 28 propre à assurer la modification de la valeur de l'impé- dance variable 26. Cette unité de traitement d'informations est reliée à un capteur de régime moteur 30 placé, par exemple, sur le vilebrequin du mo- teur.
Le capteur de régime 30 est formé par exemple d'un convertisseur fréquence/tension.
De manière générale, dans une telle installation, le transducteur 24 constitue une impédance mécanique Zm s'exprimant sous la forme :
Figure imgf000006_0001
où : f = l'amortissement visqueux de la membrane ; m = masse de la membrane ; k ≈ raideur ; et ω = pulsation.
L'impédance électrique du haut-parleur est donnée par ZHP = RHP + jLHPω .
L'impédance Ze résultant de l'association de l'impédance électrique du haut-parleur ZHP et de l'impédance électrique 26 dont la valeur est notée Zext est donnée par Ze = Zext + ZHP = R + jX .
L'impédance mécanique Z'm du transducteur chargé de l'impédance électrique Ze est donnée par :
Figure imgf000006_0002
ce qui nne alors :
Figure imgf000007_0001
En fonction des valeurs choisies pour l'impédance électrique 26 de valeur Zext, l'impédance mécanique Z'm peut être considérablement modifiée.
Les tableaux qui suivent illustrent plusieurs cas d'impédance électri- que associée au transducteur.
Les cas 1 à 6 correspondent aux formes suivantes pour l'impédance 26 :
Cas 1 : transducteur en boucle ouverte ;
Cas 2 : transducteur en court-circuit ; Cas 3 : impédance formée d'une résistance négative ;
Cas 4 : impédance formée d'une résistance négative en série avec une bobine d'inductance Lext ;
Cas 5 : impédance formée d'une résistance négative en série avec un condensateur de capacité Cext ; Cas 6 : impédance formée d'une résistance négative en série avec une bobine d'inductance Lext et un condensateur de capacité Cext.
Figure imgf000008_0001
Sur la figure 2 est représenté un exemple de réalisation d'une impé- dance variable 26. Celle-ci comporte un ensemble d'impédances élémentai- res associées à des moyens de commutation assurant la connexion sélec- tive des impédances élémentaires sous la commande d'une unité de pilo- tage 32 reliée à l'unité de traitement d'informations 28.
Plus précisément, l'impédance 26 comporte un module 34 constitué d'une inductance montée en parallèle avec une capacité. La valeur de l'inductance a avantageusement une valeur supérieure à 10 Henry et de préférence supérieure à plusieurs dizaines de Henry. De même, la capacité a avantageusement une valeur supérieure à 10 Farads et, de préférence supérieure à plusieurs dizaines de Farads. Ce module 34 est relié en série avec une résistance négative 36 entre les bornes du transducteur 24.
Un interrupteur commandé 38 est connecté en parallèle sur le module 34. De même, une seconde résistance négative 40 associée en série avec un interrupteur commandé 42 est montée en parallèle au module 34.
Enfin, un interrupteur commandé 44 est monté en parallèle à la résis- tance négative 36.
Les résistances négatives sont formées, comme connu en soi, à partir d'amplificateurs opérationnels. De préférence, la valeur de la résistance né- gative est égale à l'opposé de la valeur de la résistance RHP du transducteur.
Les moyens de pilotage 32 sont propres à assurer l'ouverture ou la fermeture des interrupteurs commandés 38, 42, 44 en fonction du régime moteur relevé par le capteur 30, par exemple conformément à la table de décodage figurant ci-dessous :
Figure imgf000009_0001
Table 1: Table de décodage
Ainsi, pour les fréquences inférieures à la première fréquence de commutation, par exemple égale à 20 Hz, le tr ansducteur 24 est connecté depuis ses bornes à la résistance négative 36 montée en série avec le mo- dule 34 constitué d'une inductance et d'une capacité en parallèle. De la première fréquence de commutation à la deuxième fréquence égale par exemple à 80 Hz, l'impédance électrique de charge du transduc- teur 24 est un court-circuit.
De la deuxième fréquence de commutation à la troisième fréquence de commutation, par exemple égale à 100 Hz, l'impédance de charge est formée de la résistance négative 40 montée en parallèle avec le module 34 constitué d'une inductance et d'une capacité en parallèle.
Pour les régimes moteurs supérieurs à la troisième fréquence, l'impé- dance de charge est formée, comme pour les fréquences inférieures à la première fréquence de commutation, par la résistance négative 36 en série avec le module 34.
La figure 3 représente, sur un même graphique, les trois courbes d'at- ténuation acoustique obtenues en fonction de la fréquence avec les trois types d'impédance de charge mises en œuvre sous la commande des moyens de pilotage 32.
Ainsi, la courbe 11 correspond à l'atténuation obtenue lorsque l'impé- dance de charge est la résistance négative 36 en série avec le module 34, la courbe 12 correspond à l'atténuation obtenue lorsque l'impédance de charge est un court-circuit, et la courbe 13 correspond à l'atténuation obtenue lors- que l'impédance de charge est la résistance négative 40 montée en parallèle avec le module 34.
La courbe 14 illustre l'atténuation obtenue grâce à la modification de l'impédance de charge en fonction du régime moteur, cette commutation s'effectuant lors des trois fréquences de commutation indiquées. On constate que l'adjonction d'impédances électriques variables commutées aux fréquences souhaitées permet de relever les niveaux d'at- ténuation dans une forte proportion à partir de 80 Hz. Le gain est de 13 dB par exemple à 130 Hz environ.
Un tel résonateur de Helmholtz peut être avantageusement utilisé dans une ligne d'échappement d'un moteur mais aussi dans une ligne d'ad- mission d'un moteur.

Claims

REVENDICATIONS
1.- Résonateur de Helmholtz (18) comportant une chambre close (20) s'ouvrant seulement par un col (22) de liaison à une conduite (14), caractéri- sé en ce qu'il comporte : - un transducteur (24) placé dans la chambre close (20) et propre à convertir une énergie acoustique en une énergie électrique ; et
- une impédance électrique de charge (26) connectée électriquement aux bornes du transducteur (24).
2.- Résonateur de Helmholtz selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (30) de recueil du régime moteur et des moyens de modification (28) de l'impédance électrique de charge (26) en fonction du régime du moteur (30).
3.- Résonateur de Helmholtz selon la revendication 1 ou 2, caractéri- sé en ce que l'impédance de charge (26) comporte au moins deux impédan- ces élémentaires (34, 36, 40), et en ce qu'il comporte des moyens (28) de modification de l'impédance de charge (26) qui comportent des moyens de commutation (38, 42, 44) propres à assurer une connexion sélective des impédances élémentaires (34, 36, 40) aux bornes du transducteur (24), et des moyens (32) de commande des moyens de commutation (38, 42, 44).
4.- Résonateur de Helmholtz selon la revendication 3, caractérisé en ce que les au moins deux impédances élémentaires sont choisies dans le groupe consistant en une résistance négative (36, 40), un fil et un montage parallèle (34) d'une inductance et d'un condensateur.
5.- Résonateur de Helmholtz selon la revendication 2, 3 ou 4, caracté- risé en ce que les moyens de modification (28) sont propres à modifier l'im- pédance suivant une fonction constante par morceaux en fonction du régime du moteur (30).
6.- Résonateur de Helmholtz selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le transducteur (24) est choisi dans le groupe consistant en un haut-parleur électro-acoustique comprenant une membrane et un électro-aimant et un élément piézoélectrique à membrane.
7.- Résonateur de Helmholtz selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que l'impédance de charge (26) com- porte une inductance (34) dont Ia valeur est supérieure à 10 Henry.
8.- Résonateur de Helmholtz selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que la capacité de charge (26) com- porte une capacité (34) dont la valeur est supérieure à 10 Farads.
9.- Résonateur de Helmholtz selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que l'impédance de charge (26) com- porte une résistance négative (36, 40) de valeur égale à l'opposé de la va- leur de la résistance du transducteur.
10.- Ligne d'échappement comportant une conduite d'échappement (14) sur laquelle est piqué un résonateur de Helmholtz (18), caractérisée en ce que le résonateur de Helmholtz (18) est suivant l'une quelconque des revendications précédentes.
PCT/FR2005/002738 2004-11-04 2005-11-03 Resonateur de helmholtz et ligne d'echappement le comportant WO2006048557A1 (fr)

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