Confort vibratoire acoustique et mécanique

Confort vibratoire acoustique et mécanique

 Mesurer la perception du confort vibratoire acoustique et/ou mécanique est absolument fondamental lors d'un développement de produit.

Sensibilité de l'homme aux vibrations mécaniques et acoustiques 

Introduction

La sensibilité de l'homme aux vibrations mécaniques et acoustiques dépend de l'amplitude et de la fréquence. Lorsque nous sommes en contact avec un solide en état vibratoire, nous pouvons percevoir une vibration mécanique, transmise par voie solidienne. Si la vibration est transmise à l'air et reçue par notre tympan, nous pouvons percevoir une vibration acoustique, donc un son. Dans les deux cas, notre perception dépendra de plusieurs facteurs, comme l'amplitude et la fréquence. Les variables physiques liées à l’amplitude ou à la fréquence des vibrations n’interviennent pas seules dans la perception des vibrations. La posture, les caractéristiques anthropomorphiques, la surface de contact et de nombreux autres paramètres influencent la réponse d’un individu aux vibrations.

Mécanique

La perception qu'a l'être humain de la vibration d'un corps avec lequel il est en contact dépend de quatre facteurs :

- la fréquence des accélérations,
- l'amplitude,
- la partie du corps en contact avec la vibration (les mains n'ont pas la même sensibilité que les pieds ou le dos),
- et la direction de sollicitation. 

Acoustique

L'onde sonore se caractérise par trois paramètres : la fréquence, l'amplitude et la forme du signal vibratoire. En arrivant à l'oreille, elle provoque une sensation sonore qui se caractérise par :

- la hauteur du son qui dépend de la fréquence de vibration et qui permet de distinguer un son grave d'un son aigu ;
- son intensité physiologique qui est fonction de l'amplitude de la vibration ;
- son timbre, qui dépend de la forme du signal vibratoire, c'est-à-dire de sa composition harmonique, et qui permet par exemple de distinguer les sons.

Vibrations

Les vibrations sont parfois à la source de nombreuses gênes perçues lors de l'utilisation d'un produit. Les vibrations se caractérisent généralement par leurs amplitudes, leurs fréquences (on parle également de période) et leurs amortissements.

Une vibration, c'est quoi ?

Une vibration mécanique est un mouvement oscillatoire d’un milieu fluide ou solide autour de sa position d’équilibre statique ou dynamique. Une oscillation est une variation, fonction du temps, de l’amplitude d’une valeur par rapport à une certaine référence. C’est donc une variation par rapport à une position statique (position zéro). Les déformations subies par un milieu solide mis en vibrations peuvent comporter plusieurs composantes directionnelles à la fois (grandeur vectorielle). Une vibration peut être quantifiée par la mesure de l’accélération [݉m/s2], de la vitesse [݉m/s] ou du déplacement [݉m] qu’elle entraîne. 

Fréquences

Perception acoustique
La fréquence (f) exprime le nombre de cycles complets décrits par le corps en vibration autour de sa position d'équilibre en une seconde. Elle s'exprime en hertz (Hz). L'oreille humaine perçoit les sons dans une gamme de fréquence qui va de 20 hertz (très grave) à 20 000 hertz (très aigu).

- De 20 à 200 Hz, ce sont les basses fréquences
- De 200 à 2 000 Hz, ce sont les moyennes fréquences
- De 2 000 à 20 000 Hz, ce sont les hautes fréquences

Sous 20 Hz, ce sont les infrasons. L’oreille humaine ne peut les percevoir, mais que nous pouvons les ressentir. Au-delà de 20 000 Hz, on parle d’ultrasons. L’oreille humaine n’est pas sensible de la même façon aux différentes fréquences. La perception par l'oreille n'est pas linéaire : l'oreille perçoit un doublement du volume sonore à chaque fois que le niveau de pression sonore augmente de 10 dB.

Perception mécanique
Sous les 20 Hz et au delà, nous percevons les vibrations transmises mécaniquement. La perception, et surtout le gêne qui peut être occasionnée dépend de la partie du corps qui reçoit la vibration (Par exemple, les mains n'ont pas la même sensibilité que les pieds ou le dos). Les vibrations de fréquences comprises entre 0,5 et 60 Hz sont essentiellement perçues par les "gros organes" comme les bras, les jambes, le dos, le cœur ou l'estomac. Les mouvements de caisse d'une automobile de type roulis, pompage sont bas en fréquence et sont en partie à l'origine du mal des transports.
 

Amortissement

A l'origine de toute sensation auditive, il y a généralement un corps qui vibre et constitue une source sonore. Lorsqu'un corps subit un choc, il se met à vibrer. Une vibration est un mouvement alternatif autour d'une position d'équilibre. Elle est définie par son amplitude et sa fréquence. L'amplitude correspond au niveau maximal d'une vibration. Pour une vibration mécanique, elle peut être une longueur, exprimée en mètres, ou une accélération, exprimée en m/s2. Dans l'automobile, les sollicitations peuvent être multiples. Par exemple, le moteur transmet des vibrations par voies solidiennes qui vont solliciter certaines zones du véhicule. L'air environnant de la pièce sollicitée se met lui aussi à vibrer et forme autour de la source sonore des ondes de pression. La vibration est captée par le pavillon de l'oreille, puis se propage dans le conduit auditif, fait vibrer le tympan, continue son parcours dans les osselets et enfin la cochlée. La notion de son n'a donc de sens qu'en présence d'un organe récepteur : l'oreille.

Amplitude

Le corps humain perçoit les vibrations à partir d'une amplitude de 0,015 m/s2 et les ressent comme inconfortables aux alentours de 1 m/s2. L'oreille est sensible à des pressions allant de 2.10-5 Pa (soit 0 dB) à 20 Pa (soit 120 dB). La relation entre un stimulus physique et la sensation s’exprime souvent grâce à la loi de Stevens. L’amplitude objective φ et l’amplitude subjective ψ d’un stimulus sont reliées par la relation ψ = k.φ exp n. La valeur de l’exposant ݊détermine la croissance de la sensation par rapport à celle du stimulus et dépend du type de stimulus (fréquence). ݇k dépend de l’unité de mesure employée.

La perception des vibrations

La perception d'une vibration dépend tout d'abord de deux types de facteurs objectifs : 

1 - facteurs liés à la vibration elle-même

• amplitude
• fréquence
• amortissement

2 - facteurs liés au mode de propagation et à l'organe de réception :

• propagation dans l'air ou via un solide
• perception par l'oreille, les muscles, les autres organes
• direction de propagation

3 - facteurs intrinsèques à l'individu :

• âge, sexe, taille, corpulence 
• expérience, habitudes individuelles ou culturelles
• attentes, motivations

4 - facteurs contextuels :

• position du corps
• activité au moment de la vibration

Propagation

Voie solidienne et propagation aérienne
Lorsqu'un objet vibre, il peut transmettre ses vibrations aux solides qui sont en contact avec lui. On dit alors que la vibration se propage de façon solidienne. L'objet qui vibre peut également faire vibrer l'air qui l'entoure. On parle alors de propagation aérienne.

Lorsqu'une vibration arrive au corps humain, elle peut, si son amplitude et sa fréquence correspondent au domaine de perception de l'homme, provoquer une sensation de vibration mécanique.
Lorsqu'une vibration arrive au tympan, elle peut (là encore si son amplitude et sa fréquence correspondent au domaine de perception de l'homme) provoquer une sensation auditive. 

Confort automobile

0 à 100 hz

L’étude de la sensibilité humaine aux vibrations démontre que la bande de fréquences 0 à 100 Hz est très importante. Le corps humain, d’un point de vue biomécanique est modélisé par un ensemble de systèmes masse-ressort-amortisseur dont les caractéristiques sont non linéaires. Pour certaines fréquences, les masses corporelles entrent en résonance. Par conséquent, mesurer les vibrations du plancher dans le poste de conduite n’est pas suffisant. Il faut aussi connaitre les mouvements des masses corporelles. A l’étude mécanique doit donc s’ajouter une étude biomécanique.

3 bandes de fréquences

La zone de fréquences entre 0 et 100 Hz est donc décomposée en trois bandes de fréquences :

— la première concerne les fréquences inférieures à 20 Hz, autrement dit, les vibrations basses fréquences au sens biomécanique,
— la deuxième regroupe les fréquences moyennes qui se placent entre 20 et 100 Hz,
— la troisième rassemble les phénomènes acoustiques dont les fréquences sont supérieures à 100 Hz.

Il s’avère que la plage de fréquence de 0 à 20 Hz dans laquelle le corps humain est extrêmement sensible aux vibrations verticales correspond à la plage de fonctionnement de la suspension.

Plage de fréquence 0-20 hertz

L’approche biomécanique des vibrations [Berthoz (1971)] permet donc de définir les fréquences de résonance des différents organes de l’être humain et ainsi d’identifier l’impact de la suspension sur le ressenti des passagers [ISO 5349 (1986)] [Griffin (1976)]. Cela permet également d’identifier le potentiel de la suspension en terme de confort car, même si elle joue un rôle important dans le confort verticale, au-delà d’une certaine fréquence, d’autres systèmes du véhicule entrent en action pour dégrader ou améliorer ce même confort verticale. La sollicitation des organes à des fréquences bien précises provoque des problèmes allant d’un simple mal-être jusqu’à la dégradation d’une ou plusieurs fonctions biologique [Berthoz(1967)] [BSI (1987a)] [BSI (1987b)] [Parlement Européen (2002)]. D’où l’importance d’éviter la transmission des vibrations aux régions physiologiquement sensibles. Ceci démontre l’intérêt de posséder un système de filtrage qui soit très efficace dans la plage comprenant les fréquences de résonance des organes. L’oreille interne est particulièrement sensible aux vibrations périodiques de très basses fréquences (inférieures à 1 Hz). Une exposition directe de ce type peut occasionner une cinétose plus communément appelé : "mal des transports" (altération de nature neuro-végétative). Le cœur présente une résonance à 7 Hz. De plus des douleurs analogues à celle de l’infarctus du myocarde apparaissent à 4 Hz et persistent jusqu’à 11 Hz. Des mouvements d’ensemble de la masse thoraco-abdominale sont probablement liés aux propriétés dynamiques du foie qui pèse 1,5 kg environ. Sa fréquence de résonance est située entre 4 et 8 Hz, celle de l’estomac entre 4 et 5 Hz [Griffin (1986)] [Griffin et al. (1977)]. Dans certains cas, une augmentation des troubles gastro-intestinaux (ulcères gastroduodénaux et gastrites) a été rapportée par les conducteurs de véhicules vibrants. Au-dessus et jusqu’au 6 Hz, ces effets se manifestent par une respiration et une parole compliquées. Les mouvements du rein sont maximaux entre 6 et 12 Hz, ils peuvent induire des étirements de l’uretère et modifier le péristaltisme de celui-ci (contraction des muscles pour déplacer le contenu d’un organe). Enfin des études épidémiologiques [INRS 2001] ont montrées que des douleurs lombaires, hernies discales et lésions précoces de la colonne vertébrale sont plus fréquentes en cas d’exposition prolongée de l’ensemble du corps à des vibrations dans les moyennes fréquences à partir de 10 Hz. L’être humain est donc fortement sensible aux vibrations verticales qu’il subit, c’est pourquoi  la suspension doit, entre autres, permettre de filtrer toutes les vibrations désagréables pour l’Homme [Griffin et al. (1988)]. L’exposition aux vibrations est inhérente à l’utilisation de véhicule. Lorsqu’une personne est assise sur un siège dans un véhicule roulant sur une route plus ou moins lisse, les vibrations sont transmises à l’ensemble du corps. Le risque de lésion dépend de l’intensité et de la fréquence des vibrations. C’est pourquoi il ne faut pas se contenter d’étudier le corps humain seul, mais l’Humain dans le véhicule. Ce qui nous amène à nous poser des questions sur la contribution de la structure du véhicule au filtrage des vibrations ressenties par l’être humain. Un véhicule en mouvement génère-t-il forcément des vibrations ressenties par l’être humain ? Quel rôle peut jouer la suspension sur la combinaison Homme-Véhicule ? 

Transmission par les liaisons au sol

Les vibrations à bord d’un véhicule proviennent de trois sources :
— le moteur ou intermédiaire mécanique entre le moteur et les roues ;
— le tour de roue ;
— le sol qui impose aux roues des mouvements dont la composition en fréquences, la nature et l’amplitude dépendent du profil du terrain et de la vitesse de l’engin. L’excitation par le sol est responsable de la plus grande partie des oscillations de grande amplitude dans la plage 0 à 100 Hz [Cucuz (1992)] [Vercelotti (1986)]. Les études de biomécanique humaine montrent que la fréquence à laquelle ce dernier est
le moins sensible aux vibrations verticales se trouve autour de 1 Hz. Le système "homme-caisse-suspension" entre en résonance pour une fréquence autour de 1 Hz. Ce mode n’existe que par la présence de la suspension. Par conséquent le choix du dimensionnement de la suspension est primordial de manière à placer ce mode dans la zone de fréquence la moins sensible pour l’être humain. Le système "homme-siège" possède un mode dont la fréquence de résonance est aux environs de 4 Hz [Hontschik et al. (1972)] [Hontschik et al. (1974)].

Il est possible de définir deux phénomènes : le rebond et le tassement dans la zone 2.5 à 8 Hz. Le premier correspond à un mouvement d’oscillation du conducteur d’amplitude quasi-constante autour d’une valeur moyenne. Le second apparait quand l’amplitude de ce mouvement s’accroit subitement lors d’un passage dans un grand creux par exemple. Le thorax vient alors comprimer l’abdomen. Cette zone de fréquence intégrant le mode du conducteur sur son siège correspond également à une zone particulièrement sensible en biomécanique humaine. C’est pourquoi il est très important de filtrer au maximum les vibrations provenant de la route aux fréquences comprise entre 2.5 et 8 Hz. Cette zone est dite : zone des tressautements.

Le système "suspension-roue" présente un mode propre entre 11 et 17 Hz en fonction du pneumatique. Le dimensionnement de la suspension a une réelle influence dans cette zone de fréquences puisqu’il est responsable de ce que l’on appelle le rebond de roue, ou battement de roue lorsque ce mode est mal contrôlé. Ce phénomène, présent uniquement sur les véhicules suspendus, correspond à l’entrée en résonance de la roue provoquant des vibrations dans la caisse à travers les éléments du train, aussi appelé ébranlements de trains. En effet, l’énergie de la roue doit être dissipée par un amortisseur car le pneumatique à lui seul ne suffit pas. Par conséquent, il est nécessaire de trouver d’autres éléments résistifs pouvant dissiper cette énergie avant que cette dernière n’atteigne la caisse et donc les passagers. Une solution est de traiter ce phénomène par l’amortisseur de suspension.
Le système "homme-siège-véhicule" réagit à la zone de fréquences (5 à 60 Hz) dans laquelle les vibrations sont ressenties au niveau du plancher, des sièges et du volant, c’est ce que l’on appelle : les trépidations [Dignac (2011)].

Elles sont soit dues à une excitation aléatoire entretenue provoquées par une "route bosselée de campagne" par exemple, soit à une excitation périodique de type "ondulation" souvent ressentie sur autoroute par exemple.
Deux phénomènes distincts sont présents en réalité sous ce terme :
— les modes de corps rigides qui sont des modes vibratoires où des masses indéformables
entrent en résonance sur différentes fixations élastiques (mode de moteur, mode de train avant et arrière...)
— les modes de structures où la structure elle-même se déforme, notamment sur un revêtement légèrement dégradé et donc générateur de fréquences comprises entre 10 et 40 Hz.

Si une structure présente des modes de vibrations peu amortis dans cette bande de fréquences, ces modes peuvent engendrer des vibrations importantes. C’est le cas pour certain véhicule où le mode de torsion est situé autour de 20 Hz. L’analyse vibratoire fait apparaitre un maximum vibratoire aux places arrières entre 15 et 30 Hz. Après 40 Hz et jusqu’au 200 Hz, des percussions (choc à la roue type bouche d’égout, raccord bitume, ...) sont à l’origine des vibrations et chocs sonores éprouvés par les passagers. Finalement, au-dessus de 250 Hz les vibrations se manifestent par des sons basses fréquences (bruits de roulement). 

Conclusion confort automobile

L’exposition aux vibrations est donc inhérente à l’utilisation d’un véhicule. Les vibrations les plus néfastes sont situées dans la plage de fréquences 2 à 15 Hz :

— Entre 2 et 8 Hz les organes internes peuvent entrer en résonance (zone des tressautements),
— Entre 8 et 15 Hz les vibrations sont transmises à l’ensemble du corps par le biais de la colonne vertébrale.

Malheureusement, bien que certains équipements du véhicule protègent les passagers de certaines fréquences sensibles en agissant comme un filtre (c’est le cas du siège), ces mêmes équipements couplés à l’homme ou autres masses suspendues ont leurs propres modes de résonance qui pour certains ne sont pas idéalement situés.

La suspension est un système qui permet de filtrer une partie de ces fréquences non désirables au niveau de la caisse. Il est donc important :
— en dessous de 1 Hz, de ne pas amplifier le contenu spectral des sollicitations route ;
— entre 2,5 et 8 Hz (zone fréquentielle dans laquelle la majorité des organes internes sont sollicités) et autour du mode de roue (1 Hz), de diminuer le contenu spectral des sollicitations route transmis à la caisse.

Hand Arm Vibration

Lorsque les vibrations n'affectent pas le corps dans son intégralité, nous parlons de vibrations segmentées. Cela peut être un organe ou tout autre zone précise du corps. Le type d'exposition la plus courante est l'exposition aux vibrations main-bras qui affecte comme son nom l'indique les mains et les bras. (Hand Arm Vibration)

Transmission

La transmission peut se faire lorsque l'on tient le guidon d'un vélo, la poignée d'un perceuse.  Bien évidement il existe une multitude d'objets qui sont concernés.  

Effets

Tout comme le WBV vu précédemment, les vibrations transmises aux mains et au bras peuvent être la cause d'un inconfort lors de l'utilisation d'un produit, tout comme affecter négativement les performances d'un athlète ou aller jusqu'à présenter un risque pour la santé et la sécurité. Ces vibrations peuvent affecter les nerfs, les vaisseaux sanguins, les muscles, les articulations jusqu'à entraîner une affection douloureuse et invalidante avec picotements et engourdissements dans les doigts, diminution de la force de préhension et du sens du toucher, et impacter la circulation sanguine.
 

Whole body vibration (WBV)

Le terme anglais WBV signifie Whole Body Vibration; Il se traduit par l'exposition globale du corps aux vibrations. La transmission des vibrations provoquent des mouvements et des effets dans le corps qui peuvent être divers et variés.

Quelles peuvent être l'impact des vibrations ?

Les vibrations peuvent être la cause d'un simple inconfort lors de l'utilisation d'un produit, tout comme affecter négativement les performances d'un athlète ou aller jusqu'à présenter un risque pour la santé et la sécurité. L'évaluation des risques pour la santé implique l'analyse des signaux vibratoires enregistrés. Cette analyse peut se faire dans le domaine temporel, dans le domaine fréquentiel et/ou dans le domaine temps-fréquence. 

Acoustique

Les vibrations sont parfois à la source de nombreuses gênes perçues lors de l'utilisation d'un produit. Les vibrations se caractérisent généralement par leurs amplitudes, leurs fréquences (on parle également de période) et leurs amortissements. Elles sont représentées par un signal sinusoïdal.

Quelles différences entre son et vibration ?

Lorsque la vibration est transmise par l'air et est captée ou perçue par le tympan, nous percevons des sons. Lorsque la vibration est transmise par un solide et reçue par le corps, l'individu peut percevoir une vibration mécanique. Cette perception peut varier énormément en fonction de la zone du corps. Les mains n'ont pas la même sensibilité que certaines autres parties du corps humain. 

Au fait, quelle différence entre le bruit ou le son ?

La notion de bruit est généralement associée à une sensation auditive gênante ou peu agréable ressenti par le conducteur ou les passagers d'un véhicule. Cela est bien entendu valable dans d'autres domaines que l"automobile. C'est ce qui différencie le bruit d'un son. Il existe une multitude de sources de bruits dans une automobile.

Origine des bruits

A l'origine de toute sensation auditive, il y a généralement un corps qui vibre et constitue une source sonore. Lorsqu'un corps subit un choc, il se met à vibrer. Une vibration est un mouvement alternatif autour d'une position d'équilibre. Elle est définie par son amplitude et sa fréquence. L'amplitude correspond au niveau maximal d'une vibration. Pour une vibration mécanique, elle peut être une longueur, exprimée en mètres, ou une accélération, exprimée en m/s2.

Dans l'automobile, les sollicitations peuvent être multiples. Par exemple, le moteur transmet des vibrations par voies solidiennes qui vont solliciter certaines zones du véhicule. L'air environnant de la pièce sollicitée se met lui aussi à vibrer et forme autour de la source sonore des ondes de pression. La vibration est captée par le pavillon de l'oreille, puis se propage dans le conduit auditif, fait vibrer le tympan, continue son parcours dans les osselets et enfin la cochlée. La notion de son n'a donc de sens qu'en présence d'un organe récepteur : l'oreille.

Onde et pression sonore

L'onde perçue par l'oreille correspond à des variations de pression de l'air ambiant, désignées sous le terme de pression sonore. Ces variations de pression sont dues aux mouvements alternatifs des molécules de gaz autour de leur position d'équilibre (les molécules ne suivent pas la propagation de l'onde). Les mouvements sont très petits, de l'ordre du micron. Ils provoquent, de proche en proche, des zones où les particules d'air sont comprimées et d'autres où les particules d'air sont raréfiées : c'est l'onde sonore, ou onde acoustique. La pression sonore, ou pression acoustique, est la différence entre la pression instantanée de l'air en présence d'ondes acoustiques et la pression atmosphérique (1 013 hectopascal, soit environ 1 bar, ou
10 exp 5 Pa). Cette variation de pression autour de la pression atmosphérique est très faible : pour un son relativement intense, la variation de pression est d'environ 0,1 Pa, soit 1 millionième de la pression atmosphérique. En fait, l'oreille est sensible à des pressions sonores allant du seuil d'audibilité P0 ( 2.10 exp 5 Pa) au seuil de douleur (20 Pa). Le rapport entre les deux est considérable : 1 million. 

Confort acoustique et vibratoire

Comment capter les vibrations ?


Tout mouvement périodique dont une caractéristique (élongation, vitesse, accélération) est définie par une fonction du temps peut être considéré comme la superposition de mouvements simples décrits par une fonction sinusoïdale. La mesure des vibrations s'effectue généralement en transformant l'oscillation mécanique en oscillation électrique à l'aide de transducteurs de différents types : accéléromètres, microphones, etc.

Choix des capteurs

Quelques critères à prendre en considération lors du choix des capteurs.

Sensibilité

un capteur trop sensible sera vraisemblablement saturé lors de l'essai alors que, en revanche, un capteur ayant une sensibilité trop faible risque de donner un signal difficilement différenciable du bruit de fond.

Sensibilité transverse 

C'est la mesure, donnée par le capteur dans une direction orthogonale à l'excitation, en pourcentage de la mesure maximale. C'est une notion importante car sa non prise en compte peut engendrer des erreurs de diagnostic comme l'analyse d'un mouvement transverse en fait inexistant.

Fréquence de résonance du capteur 

Cette fréquence ne doit pas être excitée sous peine de destruction du capteur. Un rapport 4 à 5 en fréquence la sépare généralement de la borne supérieure de la bande de fréquence d'utilisation.

Bande de fréquence d'utilisation

C'est la bande de fréquence dans laquelle l'utilisation du capteur donnera une valeur correcte selon un pourcentage donné par le fabricant

Mesure des vibrations et normes


Procédure d’évaluation selon la norme ISO-2631
Pour mesurer l’exposition du corps aux vibrations, des accéléromètres doivent êtres placés de manière à indiquer les vibrations au niveau de l’interface entre le corps humain et la source des vibrations. Les accéléromètres doivent être perpendiculaires les uns aux autres et doivent être aussi proches que possible. Trois zones principales peuvent être utilisées pour une personne assise dans un siège automobile : l’assise, le dossier et les pieds. Dans tous les cas, le point de mesurage doit être clairement indiqué.

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