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u e e t acoustique q ni a c é Le pneu m t r o f n o c e L Le pneu Le confort mécanique & acoustique Editeur : Société de Technologie Michelin 23, rue Breschet, 63000 Clermont-Ferrand © Société de Technologie Michelin, 2001 Réalisation Japa - Photos : photothèque Michelin, photothèque Japa Imprimé en France Toute reproduction, même partielle, toute traduction, toute représentation, toute adaptation, quel qu’en soit le support, est interdite sans autorisation préalable. Contact : Manufacture Française des Pneumatiques Michelin Service Groupe Communication/Technique Place des Carmes Déchaux, 63040 Clermont-Ferrand Cedex 09 S o m m a i r e Le confort mécanique et acoustique 7 Introduction 20 I.5 QU’EST-CE QU’UN MODE PROPRE ? 22 ■ Les modes d’une corde tendue Pour en savoir plus… 24 sur les modes propres des milieux élastiques et homogènes I Les vibrations 9 Pour en savoir plus… 25 sur les modes propres d’une corde tendue 26 ● Les conditions aux limites 27 Les vibrations : ce qu’il faut retenir… 12 I.1 QU’EST-CE QU’UNE VIBRATION ? 13 I.2 QU’EST-CE QUE LE BRUIT ? 29 II La perception humaine 13 ■ Qu’est-ce que le son ? 14 ■ La pression sonore 14 ■ Le décibel 30 II.1 SENSIBILITÉ HUMAINE AUX VIBRATIONS … 14 ■ Le niveau d’intensité acoustique 30 ■ … mécaniques Pour en savoir plus… 15 sur l’intensité acoustique 30 ■ … acoustiques Pour en savoir plus… 15 sur le niveau d’intensité acoustique Pour en savoir plus… 15 sur le niveau de pression sonore 15 ■ Atténuation du niveau d’intensité en fonction de la distance 31 II.2 INFLUENCE DE LA FRÉQUENCE SUR 16 Pour en savoir plus…sur l’influence de la distance sur l’intensité LA PERCEPTION HUMAINE DES VIBRATIONS acoustique 32 II.3 INFLUENCE DE L’AMPLITUDE SUR 17 I.3 CARACTÉRISTIQUES D’UNE VIBRATION, LA PERCEPTION HUMAINE DES VIBRATIONS… UNITÉS ET NOTATIONS 32 ■ … acoustiques 17 ■ Amplitude 32 ■ … mécaniques Pour en savoir plus… 17 sur l’expression en dB des niveaux d’accélération 18 ■ Période et fréquence 33 II.4 SENSIBILITÉ DE L’HOMME AUX VIBRATIONS 18 ■ Amortissement ACOUSTIQUES 33 ■ Le champ de l’audition 33 ■ Le décibel A ou dB(A) 19 I.4 VIBRATIONS SIMPLES,VIBRATIONS COMPLEXES 34 ■ Les émergences PPaaggee 33 35 II.5 SENSIBILITÉ DE L’HOMME AUX VIBRATIONS 51 III.4 LES CHEMINS DE PROPAGATION MÉCANIQUES 51 ■ Propagation solidienne vers les passagers 37 Pour en savoir plus…sur les filtres et leur application 52 ■ Propagation solidienne vers les riverains au confort automobile 52 ■ Propagation aérienne vers les passagers et les riverains 38 La perception humaine : ce qu’il faut retenir… 53 Le pneu : un filtre à vibrations : ce qu’il faut retenir… Lepneuboitl’obstacle III Le pneu : un filtre à vibrations IV Les mécanismes générateurs 39 55 de gêne vibratoire 41 III.1 LE PNEU :UN SYSTÈME DÉFORMABLE 41 ● Rigidités directionnelles 56 IV.1 LES SECOUSSES SUR ROUTES BOSSELÉES 56 ■ Fréquences d’excitation 57 ■ Modes propres des véhicules équipés d’une suspension 42 III.2 LE RÔLE DU PNEU DANS LE CONFORT 58 ● Le tangage et le pompage 59 ■ Influence du pneumatique sur les niveaux de vibration Pour en savoir plus… 60 sur la fréquence propre des masses 44 III.3 LES COMPORTEMENTS VIBRATOIRES DU PNEU suspendues et non-suspendues 44 III.3.1 En-dessous de 30 Hz :comportement de type ressort 44 ■ Caractérisation de la rigidité radiale du pneu au passage d’un obstacle 61 IV.2 LES IMPACTS SUR OBSTACLES ISOLÉS 45 III.3.2 Entre 30 et 250 Hz :les modes propres du pneu 61 ■ Le mécanisme 62 ■ La réponse forcée 45 ■ Mise en évidence des modes propres du pneu 63 ● Le pneu boit l’obstacle 46 ■ Modes radiaux 63 ■ En roulage : la réponse du pneumatique 46 ■ Modes transverses 64 ■ Influence du pneumatique sur les niveaux de vibration 47 ■ Modes entiers et demi-entiers 50 III.3.3 Au-delà de 250 Hz :vibrations de part et d’autre de l’aire de contact 65 IV.3 LES NON-UNIFORMITÉS DE L’ENSEMBLE MONTÉ 50 ■ Mise en évidence de la réponse du pneu 65 ■ Non-uniformités de masse 66 ● Le principe de l’équilibrage 67 ■ Non-uniformités de forme Page 4 S o m m a i r e 68 ■ Non-uniformités de rigidité Pour en savoir plus… 83 sur le bruit de macrorugosité à l’intérieur 69 ■ Fréquences de sollicitation de l’habitacle Pour en savoir plus… 70 sur le battement 84 ■ Vibration de l’air de gonflage 71 ■ Les causes de non-uniformités 71 ● Le flat spot Pour en savoir plus… 85 V.3 EXCITATION PAR LA SCULPTURE 72 sur le matching, ou appariement 85 V.3.1 Impact des pains de gomme sur le sol Pour en savoir plus… 85 sur les vibrations subies par la ceinture 73 IV.4 LE CONFORT MÉCANIQUE DES VÉHICULES SANS du pneu à l’entrée de l’aire de contact SUSPENSION 86 ■ Le sirènement 73 ■ Engins de génie civil 88 ● Le bouclage 75 ■ Engins agricoles 89 ■ La modulation d’amplitude, ou battement 76 Les mécanismes générateurs de gêne vibratoire : ce qu’il faut retenir… 90 ■ Sirènement et battement : l’art de l’arrangement 91 ■ Niveau acoustique 93 V.3.2 Bruit de frottement de la gomme sur le sol V Les mécanismes générateurs 77 93 ■ Le chuintement 93 ■ Le crissement de gêne acoustique 95 V.3.3 Le pompage d’air 95 V.3.4 Les phénomènes amplificateurs 79 V.1 BRUIT INTÉRIEUR - BRUIT EXTÉRIEUR 95 ■ Le tuyau d’orgue 96 ■ L’effet porte-voix 80 V.2 EXCITATION PAR LE REVÊTEMENT ROUTIER 97 V.4 EFFET DE LA SCULPTURE,DE LA LARGEUR 80 V.2.1 Bruit d’impact sur obstacles isolés DU PNEU ET DE SON ARCHITECTURE SUR LE NIVEAU 80 ■ Potentiels de gain sur le bruit d’impact perçu à l’intérieur DE BRUIT EXTÉRIEUR de l’habitacle 80 V.2.2 Bruit de macrorugosité 98 V.5 INFLUENCE DU REVÊTEMENT ROUTIER SUR Pour en savoir plus… 81 sur la rugosité des sols LE BRUIT EXTÉRIEUR 82 ■ Vibration de la structure du pneu 99 Les mécanismes générateurs de gêne acoustique : 83 ■ Potentiels de gain sur le bruit de macrorugosité perçu à l’intérieur ce qu’il faut retenir… de l’habitacle Page 5 VI Les essais de confort mécanique 101 115 ■ Mesures du bruit moteur coupé : la nouvelle directive européenne 2001/43/CE et acoustique Pour en savoir plus… 116 sur le calcul du niveau sonore pneu-chaussée moteur coupé Pour en savoir plus… 116 sur la correction en température 103 VI.1 TESTS SUR MACHINES ANALYTIQUES 103 ■ Tests d’impact sur obstacles isolés (confort mécanique et acoustique) 104 ■ Mesure de la fonction de transfert d’un véhicule VII Le prototypage virtuel 117 105 ■ Mesures intensimétriques de bruit 106 VI.2 MESURES SUR PISTES AVEC VÉHICULES INSTRUMENTÉS Annexe 121 Les contrôles d’uniformité en fabrication 106 ■ Mesures simplifiées de secousses sur route bosselée Pour en savoir plus… 106 sur le calcul des index RMS et RSS 107 ■ Mesure de bruit à l’intérieur de l’habitacle : bruit de macrorugosité A, B, C… et bruit de sculpture Index 123 108 VI.3 ÉVALUATION DE LA GÊNE VIBRATOIRE ET ACOUSTIQUE PAR ESSAYEUR Bibliographie 109 ● L’étalonnage de la perception des essayeurs 128 110 VI.4 RÉGLEMENTATION EN MATIÈRE DE BRUIT ÉMIS PAR LES VÉHICULES 110 ■ Mesures du bruit en pleine accélération : la directive européenne 92/97 113 ■ Mesures en accélération à l’aide de véhicules insonorisés 115 ■ Projets de mesures de bruit des véhicules en pleine accélération et à vitesse stabilisée Page 6 L e c o n f o r t Le confort mécanique & acoustique S’il ne pleuvait jamais, on pourrait construire des Le confort est aujourd'hui tellement intégré dans On pressent déjà que le potentiel de progrès est routes parfaitement lisses et des pneus sans notre vie quotidienne qu'on a parfois du mal à ima- considérable. En 1920, c'est la naissance des gros sculpture. Le roulage des pneumatiques sur la giner la complexité de la notion même de confort. pneus basse pression ; en 1930, le premier brevet chaussée produirait beaucoup moins de bruit et Pourtant, comprendre les causes d’une gêne, puis sur le bruit de sculpture ; en 1946, le Radial aux de vibrations. imaginer des solutions techniques et prévoir ce qui flancs souples boit encore mieux l’obstacle. sera ressenti par le corps humain fait appel à des A l’origine de la gêne connaissances multiples, comme celles de la phy- Dans le même temps, le réseau routier s'améliore, les sique, de la physiologie, de la psycho-acoustique, véhicules filtrent de mieux en mieux les vibrationset Seulement voilà, l'adhérence sur sols mouillés exige ou de la modélisation. s'insonorisent. des routes "rugueuses" et des pneus sculptés pour évacuer l'eau et retrouver un contact sec avec le Lorsqu'on parle de confort routier, trois acteurs Or, chaque fois que l'automobile progresse, alors revêtement routier. sont en présence : le pneu, la route et le véhicule. même que le bruit produit par le pneu diminue, sa Par ailleurs, les routes présentent toujours certains Le confort routier est donc un sujet pluridisciplinaire part dans le bruit global du véhicule augmente… obstacles, comme des bosses, des bouches d'égouts, dans lequel pneumaticiens, constructeurs automobile C'est pourquoi le pneu, source réelle de confort, est des joints de revêtement ou des ralentisseurs. De et constructeurs de routes sont étroitement associés. aujourd'hui étudié comme une source potentielle son côté, le pneu est un objet souple, qui n'est d’inconfort. jamais parfaitement rond et qui doit se déformer Le pneu, facteur-clé d’un siècle de progrès pour épouser le sol. Nous allons voir que pour limiter les vibrations, A la fin du XIXe siècle, le pneu apparaît comme le il faut non seulement travailler à la source, mais Dans l'aire de contact, toutes ces déformations et sauveur d’une invention - l’automobile - bridée également minimiser la transmission en optimisant irrégularités agissent comme autant de petits chocs dans son développement par de graves problèmes l'intégration de chaque élément dans le système qui peuvent faire vibrer le pneu, le véhicule et l'air de… confort. Au-delà de 30 km/h, les véhicules (le véhicule) afin de minimiser la transmission des environnant, produisant des vibrations mécaniques "s’autodétruisent" sous la violence des secousses ; vibrations. Pour cela, il faut comprendre et maîtriser et acoustiques. Lorsqu'elles se propagent jusqu'aux le sort des passagers n’est guère plus enviable. La les interactions pneus-chaussée-véhicule. occupants des véhicules et aux riverains, ces vibrations faute en revient à la roue rigide, incapable de filtrer peuvent être sources de gêne et de fatigue. les irrégularités du sol. Le pneu apporte la solution. Le présent ouvrage fait le point sur tous ces méca- nismes, après un rappel des principes fondamentaux Améliorer le confort consiste donc à concevoir des Dès 1895, la preuve est faite que le pneu "boit qui régissent les vibrations (Chap. I) et leur perception pneus qui absorbent les irrégularités du sol et qui l’obstacle". En 1898, le mur des 100 km/h est fran- par l'homme (Chap.II). produisent moins de bruit, afin de diminuer la gêne chi par une automobile équipée de pneus Michelin, des passagers et des riverains, de donnerplus d'agré- la Jamais Contente. Avis au lecteur : ment de conduite aux conducteurs et, en diminuant Si la mécanique vibratoire, la pression sonore, le décibel la fatigue, d'améliorer la sécurité. et les modes propres n'ont aucun secret pour vous, passez directement au chapitre II. Si la perception humaine des vibrations vous est familière, passez au chapitre III. Page 7 Page 8 L e c o n f o r t I Les vibrations Qu'il s'agisse de confort mécanique ou de confort acoustique, les phénomènes que nous étudierons sont de même nature : il s'agit de vibrations de structures et de vibrations d'air, produites par des chocs, des frottements et des phénomènes de compression d'air dans le contact pneu-chaussée. Pour mieux comprendre ces vibrations complexes, observons tout d'abord quelques systèmes vibratoires élémentaires. Page 9