Prévention du bruit : la couleur du silence

Les nuisances sonores sont un problème mondial. En ville, elles sont facteur de stress et de maladie. Siemens s’efforce donc de concevoir des centrales électriques et des systèmes destinés aux voitures et aux trains aussi silencieux que possible.

« Carte sonore » de la propagation acoustique d’une centrale électrique. Les experts utilisent ces simulations pour développer des solutions anti-bruit.

Très aérodynamique, le train électrique à grande vitesse Velaro est extrêmement silencieux.

« Un jour, l’homme se battra contre le bruit aussi âprement qu’il s’est battu contre la peste et le choléra », prédisait Robert Koch, lauréat du Prix Nobel de médecine il y a un siècle. L’Histoire lui a donné raison : aujourd’hui, chez Siemens Power Generation (Erlangen, Allemagne), une équipe de six experts se consacre exclusivement à la prévention du bruit. Parmi eux figure Holger Ennes. Sur son grand écran, il simule, grâce à des logiciels spécialisés, des techniques de réduction des bruits générés par une centrale à cycle combiné de plusieurs centaines de mégawatts.

Les nuisances sonores proviennent, notamment, de la tour de réfrigération, où d’immenses ventilateurs condensent la vapeur produite par la turbine, ainsi que de la turbine à gaz, dont le bruit est comparable à celui d’un avion à réaction au décollage. Néanmoins, les experts en acoustique sont parvenus à transformer ces rugissements en un véritable murmure. «Nous pourrions installer des centrales en pleine ville : les gens ne s’en rendraient même pas compte, ils entendraient à peine ce qui se passe à l’intérieur », affirme Holger Ennes. Les experts s’intéressent aux riverains, mais aussi au personnel des centrales. Adoptant une approche structurelle, ils assemblent les nouvelles centrales, élément par élément, sur leurs ordinateurs, modélisant en 3D les tours de réfrigération, chaudières, turbines à gaz, transformateurs, pompes et ventilateurs et déterminant avec précision le niveau sonore de chacun d’eux. «La simulation requiert des données supplémentaires, telles que la distance entre la centrale et les habitations les plus proches», explique Holger Ennes.

Simulation par les couleurs

En Allemagne, la réglementation impose que le niveau sonore relevé au niveau de l’habitation la plus proche d’une nouvelle centrale électrique soit inférieur de 10 décibels au niveau sonore ambiant mesuré avant sa construction (une diminution de 10 décibels est perçue comme une réduction sonore de 50 %). Ainsi, si les bruits nocturnes atteignaient 43 dB(A) (le bruit d’une radio fonctionnant à faible volume), la nouvelle centrale électrique ne devra pas générer plus de 33 dB(A).

À cette fin, les experts en acoustique peuvent recourir aux simulations pour déterminer les exigences en termes de capacité d’atténuation acoustique de la façade et des silencieux de la turbine à gaz, de dômes anti-bruit sur les pompes, de machines et transformateurs peu bruyants et d’isolation des générateurs de vapeur à récupération de chaleur. Ces mesures anti-bruit peuvent absorber jusqu’à 5% du budget d’une centrale électrique, qui atteint souvent plusieurs centaines de millions d’euros.

Un programme additionne toutes les sources de bruit pour obtenir la propagation sonore totale. «Le calcul peut prendre jusqu’à deux jours selon la taille et la complexité de la centrale », précise Holger Ennes. Le résultat : une «cartographie sonore» indiquant le degré de pression acoustique de l’installation et des bâtiments par des zones de couleur, variant du rouge foncé (très bruyant) au vert clair (très calme). Les paramètres sont ensuite ajustés jusqu’à ce que les secteurs résidentiels voisins soient inclus dans des zones vertes, garantissant des nuits paisibles à leurs habitants.

Selon l’institut allemand Fraunhofer LBF (Résistance des structures), plus de 100 millions d’Européens souffrent du bruit : ils accusent d’abord le trafic routier, puis les voisins, les avions, les trains et les activités industrielles et commerciales. En 2004, Holger Hanselka, du LBF, s’est associé à l’université technique de Darmstadt dans le cadre d’un projet de réduction du bruit. Ce projet européen, d’un budget de 34 M ", rassemble 42 partenaires, dont Siemens Transportation Systems (TS). L’objectif est de créer des matériaux visant à rendre machines, voitures, avions et trains plus silencieux. Par exemple, des experts étudient des matériaux destinés aux ventilateurs des véhicules ferroviaires. Ceux des locomotives diesel, notamment, sont particulièrement encombrants et génèrent de bruyantes vibrations lorsqu’ils expulsent l’air chaud issu du moteur. Les matériaux à l’étude se raidiront sous l’effet de la pression, atténuant ce phénomène.

«Nous tentons depuis longtemps de réduire les nuisances sonores ferroviaires», affirme Friedrich Moninger, expert Innovations chez TS. Pour preuve, la locomotive diesel Eurorunner, étrennée en 2002, dont 180 exemplaires sont actuellement en circulation : cette machine de 80 tonnes et 2 MW affiche un niveau sonore nettement inférieur au maximum légal. Des panneaux sandwich en nid-d’abeilles aluminium ont remplacé les feuilles d’acier des parois latérales, les ventilateurs surdimensionnés tournent plus lentement, des freins à disques ont succédé aux bruyants freins à mâchoires et le compartiment moteur a été isolé phoniquement.

Le train à grande vitesse Velaro

Le Velaro, le plus récent et le plus rapide des trains électriques de transport de passagers d’Europe, ralliera bientôt Madrid à Barcelone à une vitesse de 350 km/h, parcourant ainsi les 625 km de voies ferrées qui séparent les deux villes en 2h30, contre 4h auparavant. Les développeurs de TS ont également réduit ses émissions sonores, notamment les bruits aérodynamiques.

Normalement, à cette vitesse, la moindre irrégularité entraîne des sifflements. Pour y pallier, la toiture et le pantographe du Velaro ont été dotés d’un carénage aérodynamique. En outre, les protections de roues du châssis et les tabliers installés entre le bogie et la voie participent à la réduction des bruits dus au vent. La suspension a également été modifiée : désormais, des amortisseurs limitent les oscillations du véhicule à basses fréquences (5 à 400 Hz), garantissant aux passagers un confort maximal.

Friedrich Moninger pense que les amortisseurs présentent un fort potentiel. « La tendance est aux systèmes intelligents », affirme-t-il. Les « amortisseurs de lacet » améliorent les performances en supprimant mécaniquement les oscillations survenant dans les virages. On développe actuellement des amortisseurs de lacet actifs, qui exploitent les données de capteurs et de systèmes électroniques pour s’ajuster automatiquement aux oscillations dans les courbes et éliminer les bruits. Cette technologie permettra de mieux contrôler les forces exercées dans les virages et d’optimiser la motricité.

Compacts et silencieux

Dernière contribution de Siemens à la réduction des nuisances sonores ferroviaires, Syntegra regroupe un châssis, un système d’entraînement et des freins au sein d’une seule unité, plus compacte et plus légère qu’un châssis classique. Les premiers véhicules Syntegra seront mis en service à l’été 2007, dans le métro de Munich. Ils ne possèdent pas de transmission : les roues sont entraînées directement par un moteur synchrone. Le ventilateur du moteur de traction a également été supprimé, réduisant le niveau sonore.

De son côté, Siemens VDO Automotive développe un système d’entraînement d’un nouveau type. Les experts du projet «eCorner» ont intégré le moteur, les freins et le système de direction dans un moyeu de roue – une chaîne cinématique entièrement électrique. Si le système demeure futuriste, le frein électronique à coin d’écartement, qui en fait partie, devrait, quant à lui, être produit en série dès 2010. Les voitures électroniques basées sur la technologie « eCorner » ne généreront aucun bruit de combustion, elles seront donc nettement plus silencieuses que les automobiles actuelles, même lors d’accélérations rapides.

Ces dernières années, d’importantes améliorations ont été apportées au moteur à combustion : par exemple, grâce aux systèmes d’injection haute pression avec technologie piézo, les moteurs diesel récents n’émettent plus de cognement. Cette technologie permet de multiplier le nombre d’injections de carburant : ainsi, lors de la combustion, la pression monte plus progressivement dans le cylindre, générant moins de bruit. Auparavant, on recourait principalement à la combustion explosive. «Pour nous, la prochaine étape consistera à utiliser un logiciel de gestion de la combustion pour sélectionner et réguler avec précision jusqu’à 7 injections parmi 11 possibles», explique Klaus Wenzlawski, de Siemens VDO. Nous réduirons ainsi les bruits gênants, étape par étape et décibel par décibel, apportant un peu plus de calme dans le quotidien de chacun.

Auteur : Rolf Sterbak