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DADS - Aéroélasticité et dynamique des structures

Simulation vibroacoustique

Prévision du bruit interne dans les fuselages d'avion

Le Département Aéroélasticité et dynamique des structures de l'Onera développe des outils de prévision du bruit interne dans les structures aéronautiques. Ces outils reposent d'une part sur une approche numérique dans le domaine des basses et moyennes fréquences et d'autre part sur des approches énergétiques dans le domaine des moyennes et hautes fréquences (approches SEA ou MES). L'approche numérique est basée sur une formulation par éléments finis pour la structure et les fluides internes couplée à une formulation par équation intégrale pour la prise en compte du fluide externe. Un logiciel spécifique de SEA nommé Pegase a été développé par le Département DADS de l'Onera pour les problèmes vibratoires et de vibroacoustique interne et externe.
 

Dans le cadre d'une collaboration entre Airbus/France, Dassault-Aviation et l'Onera, des mesures de bruit interne en MF et HF ont été réalisées sur une cellule nue d'un avion Falcon et sur un fuselage d'avion de type ATR. Des calculs en basses et moyennes fréquences ont été réalisés par méthodes numériques (approche éléments finis) sur la cellule du Falcon et des calculs hautes fréquences ont été conduits par la méthode SEA sur les deux fuselages.
 

La cellule du Falcon a été excitée dans la bande [0, 1250 Hz] au niveau des attaches moteur par quatre forces (figure 1). Quatre configurations de la cabine de l'ATR42 ont été testées dans la gamme [0, 3000 Hz] ; parmi lesquelles une configuration dite « avion nu » (cabine sans équipements, sans habillage commercial ni moquette ni laine de verre sur la paroi interne du fuselage) et une configuration dite « avion vert » (pour laquelle on a rajouté de la laine de verre sur la paroi du fuselage).
 

Figure 1 : excitations mécaniques appliquées à la structure
Figure 1 : excitations mécaniques appliquées à la structure


Prévision pour la bande MF par méthode numérique

Le modèle structural éléments finis de la cellule du Falcon, construit principalement à partir d'éléments poutres, coques et barres (figure 2) a été fourni par Dassault-Aviation au format NASTRAN. Il a été adapté au logiciel Adina-Onera qui permet de mener les analyses dans le domaine MF. Une modélisation de la cavité fluide par des éléments finis fluide incompressible tétraédrique a complété le modèle structural. Le modèle global comprend 54000 degrés de liberté.
 

Figure 2 : vue du demi-maillage Eléments Finis de la cellule du Falcon
Figure 2 : vue du demi-maillage Eléments Finis de la cellule du Falcon

 

Figure 3 : pression moyenne dans la cabine-passagers de la cellule du Falcon
Figure 3 : pression moyenne dans la cabine-passagers de la cellule du Falcon

 

Prévision pour la bande HF par méthode SEA


Les modélisations SEA ont été réalisées en utilisant le logiciel Pegase.


Le modèle SEA de la cellule du Falcon qui a été développé est un modèle simplifié qui comporte 7 sous-systèmes mécaniques et 2 sous-systèmes “cavité acoustique” (la cabine passagers notée CAV1 et la soute notée CAV2 – figure 4). La particularité de ce modèle est que les principaux paramètres SEA des sous-systèmes mécaniques, à savoir : la densité modale moyenne et le facteur de rayonnement puis les facteurs de perte par couplage entre sous-systèmes mécaniques ont été identifiés en s'appuyant sur une simulation numérique réalisée à l'aide de l'algorithme MF de Adina-Onera mentionné plus haut. La dissipation acoustique du modèle a été identifiée expérimentalement. Les comparaisons calculs SEA - mesures des niveaux de bruit recueillis dans les deux cavités sont présentées (figure 5). Il apparaît une chute de l'ordre de 10dB entre les niveaux des deux cavités qui provient du fait qu'une partie de l'énergie vibratoire est absorbée par la cloison de pressurisation située entre les deux cavités et ne se transmet pas à la cavité passagers. Ce phénomène est très bien traduit par le modèle SEA. La prévision par méthode SEA est bonne dans le domaine HF supérieur à 300 Hz.
 

Figure 4 : découpage de la cellule du Falcon en sous-systèmes SEA
Figure 4 : découpage de la cellule du Falcon en sous-systèmes SEA

 

Figure 5 : bruit interne dans les deux cavités de la cellule du Falcon
Figure 5 : bruit interne dans les deux cavités de la cellule du Falcon

 

Le modèle SEA du fuselage de l'ATR qui a été développé est un modèle simplifié comportant quatre sous-systèmes principaux dont la cavité cabine passagers et pour lequel tous les paramètres SEA et les facteurs de perte par couplage entre sous-systèmes sont issus de l'exploitation directe des mesures ; mesures effectuées par Airbus/France ayant permis de caractériser, dans la gamme [0, 3000 Hz], l'amortissement propre de la cavité cabine passagers, l'amortissement structural du fuselage puis les facteurs de perte par couplage entre le fuselage et la cavité cabine passagers d'une part, et le fuselage et la voilure d'autre part. La validation du modèle a été faite à la fois pour des excitations mécaniques par pots vibrants (sur le fuselage puis sur la voilure au niveau des attaches moteur) et pour des excitations acoustiques (en interne dans la cavité cabine puis en externe pour simuler l'excitation acoustique provenant des hélices). Une comparaison mesure prédiction SEA du bruit en cabine passagers pour une excitation mécanique du fuselage est présentée (figure 6), les courbes en noir concernent «l'avion nu » et celles en vert «l'avion vert ».Sur ces résultats, on constate une très nette réduction du bruit en cabine par le seul fait de la présence de la laine de verre sur le fuselage.
 


Figure 6 : pression acoustique moyenne dans la cabine-passagers de l'ATR42
Figure 6 : pression acoustique moyenne dans la cabine-passagers de l'ATR42





 

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