Acoustique des chaudières hybrides : optimisation et contrôle par une approche qualité sonore

Acoustics of Hybrid Boilers : Optimization and Control Using a Sound Quality Approach

• Auteur / Autrice : Carine Au
• Direction : Sofiane Khelladi, Bénédicte Haÿne Lecocq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 15/12/2016
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Dynamique des Fluides (Paris) - Laboratoire de Dynamique des Fluides
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Tébec
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sofiane Khelladi, Bénédicte Haÿne Lecocq, Marc Trela
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Serge Lewy, José Roberto França Arruda De

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chaudières

Acoustique

Mots clés libres

Acoustique

Qualité sonore

Bruit

Ventilateur

Pompe à chaleur

Acoustics

Sound quality

Noise

Fan

Heat pump

Résumé

Les constructeurs se préoccupent de plus en plus du bruit généré par leurs produits, que ce soit dans le domaine de l’automobile, de l’aéronautique ou récemment de l’électroménager, à cause des réglementations beaucoup plus strictes en termes de niveau sonore. Mais au-delà du bruit, la demande des utilisateurs ou de la population, concerne encore davantage la qualité sonore.Dans l’équipement électroménager, la chaudière hybride innovante développée par e.l.m. leblanc est un produit très intéressant sur le plan énergétique, puisqu’à la chaudière à gaz à condensation est associée une pompe à chaleur dans un encombrement réduit. Cette dernière a un coefficient de performance de 3,7 (3,7 kW/h fourni pour une consommation d’1kW/h électrique), elle permet ainsi une grande économie sur la facture de l’utilisateur.Cependant, son niveau sonore élevé empêche son installation dans des pièces de vie, comme la cuisine, limitant ainsi la conquête d’un plus vaste marché. Il faudrait que son bruit soit environ 40 fois moins fort pour répondre au niveau réglementaire. La conception d’une nouvelle génération de chaudière hybride a été l’occasion de lancer cette étude visant non seulement à réduire le niveau sonore, mais également à sculpter le son, afin de le rendre moins gênant.Une nouvelle approche, appelée Acoustique Prévisionnelle des SYstèmes Dynamiques (APSYD), a été utilisée et a servi de fil conducteur à notre étude. Elle permet de prendre en compte les critères acoustiques, vibratoires et également ceux de la qualité sonore, très en amont dans la conception d’un produit, ce qui évite de coûteuses modifications, ou même le rejet du produit fini, s’il est jugé trop bruyant.Dans ce travail de thèse, des mesures acoustiques et vibratoires sur les chaudières hybrides existantes ont été réalisées et analysées pour identifier les modifications optimales susceptibles de diminuer le bruit. Des solutions ont été proposées et leurs effets ont été évalués par des mesures. Le niveau sonore réglementaire a été atteint avec les dispositions que nous avons proposées.Pour intégrer la composante qualité sonore dans la conception, des tests d’écoute ont été réalisés pour identifier la cible sonore de la nouvelle chaudière hybride. Des analyses statistiques (ACP, AFC, ANOVA) ont permis de faire ressortir les paramètres qui interviennent, parfois de manière très fine, sur le ressenti sonore. Nous avons également testé l’effet de l’insertion d’une sonorité musicale et nous avons trouvé une corrélation entre l’agrément du bruit de l’appareil et ce paramètre.Ce constat a orienté la thèse vers le développement d’une méthode originale permettant de définir les paramètres physiques d’un ventilateur pour qu’il génère une sonorité musicale donnée. Pour cela, nous avons proposé une nouvelle démarche semi-expérimentale permettant de prédire le spectre de raies d’une roue, et employé un algorithme d’optimisation, afin de rechercher les paramètres géométriques optimaux de la roue. Elle a été validée sur deux bancs d’expérimentation. Cette nouvelle méthode permet de sculpter le son tonal d’un ventilateur, d’une turbomachine, ou plus largement d’une machine tournante.

Manufacturers increasingly care about noise made by their products, whether it is in car, in aeronautics, or recently in home appliances industry, because of much more restricting regulations regarding noise level. But beyond noise, users and population’s demand concerns more about sound quality.Among domestic equipment, the innovate hybrid boiler developed by e.l.m. leblanc is an interesting product energetically speaking as the condensing gas boiler is combined with a heat pump in a limited space. The performance coefficient of the heat pump is 3.7 (3.7 kW/h provided for an electric consumption of 1 kW/h), resulting in large savings on users’ bills.However, its high noise level prevents its installation in living spaces, such as kitchen, restricting the conquest of a larger market. His noise should be 40 times lower to meet regulatory level. The design of a new generation of hybrid boiler has been the opportunity to start this study aiming not only to reduce noise level, but also to carve sound in order to make it less annoying.A new approach, called Projected Acoustics of Dynamic Systems (PADS), has been used and has acted as a thread for our study. It takes into account acoustic, vibrating criteria and also those from sound quality well upstream from product design stage, thus avoiding expensive modifications or even rejection of the finished product if the latter is considered noisy.Acoustic and vibration measurements have been carried out on existing hybrid boilers and they have been analyzed in order to identify optimal modifications that may reduce noise. Solutions have been suggested and their effects have been evaluated by measurements. The regulatory noise level is reached with suggested measures.To integrate sound quality component into design, listening tests have been carried out to identify the sound target of the new hybrid boiler. Statistical analysis (PCA, FCA, Variance Analysis) brought out parameters impacting on noise perception, sometimes very subtly. We have tested the effect of the integration of musical tone and a correlation between noise pleasantness and this parameter was observed.This observation has concentrated this thesis on the development of an original method that can define the physical parameters of a fan so it makes a given musical tone. To do so, we have suggested a new semi-experimental approach that can predict line spectrum of a fan and we have used an optimization algorithm in order to find the optimum geometrical parameters. This new method has been validated with two test benches. It can be used to curve tonal noise of a fan, a turbomachine, or more generally a rotating machine.