ventilateurs gavage

ETAT DES LIEUX DES DIFFERENTS TYPES DE
VENTILATEURS ET PISTES D’ATTENUATION DU BRUIT
Contexte et objectifs
L’élevage et le gavage des palmipèdes gras sont des activités génératrices de nuisances. Parmi celles-ci, le
bruit généré par les extracteurs d’air des salles de gavage est une des pollutions reprochées à la filière.
Cette étude a pour objectif de rechercher et d’évaluer les différents types d’écrans capables, avec un coût
limité, d’atténuer le bruit causé par les systèmes de ventilation utilisés pour l’extraction de l’air des salles de
gavage.
Les ventilateurs et le bruit
Le bruit d’un ventilateur provient en tout premier lieu des phénomènes aérodynamiques en mouvement
associés à l’interaction des pâles et des parties fixes avec l’écoulement de l’air. Les autres bruits ont pour
origine le bruit du moteur électrique et le bruit mécanique (A Guédel. 2002).
Les types de ventilateurs
Un ventilateur est un appareil transformant l’énergie cinétique qui lui est fournie par un moteur en un
déplacement d’air ou de gaz sous faible pression. Conformément à une définition de l’ISO, un ventilateur est
"une turbomachine" qui reçoit de l’énergie mécanique, et utilise à l’aide d’une ou plusieurs roues à aubes,
de manière à entretenir un écoulement continu d’air ou d’un autre gaz qui le traverse, et dont l’élévation de
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pression ne dépasse pas 30 kPa, pour une masse volumique de 1,2 Kg/m .
Au-delà de 30 kPa, la machine n’est plus un ventilateur mais une soufflante ou un compresseur. Une
classification de l’ISO répartit les ventilateurs en trois catégories :
– les ventilateurs basse pression délivrant jusqu’à 2 kPa.
– les ventilateurs moyenne et haute pression délivrant entre 2 kPa et 10 kPa.
– les ventilateurs haute pression délivrant entre 10 kPa et 30 kPa.
La très grande majorité des ventilateurs se situe dans la gamme basse et moyenne pression avec une
proportion importante dont la pression n’excède pas quelques centaines, voire quelques dizaines de Pascals
(A Guedel 2002).
Il existe quatre principaux types de ventilateurs :
– hélicoïdes (ou axiaux).
– centrifuges.
– hélico-centrifuges.
– tangentiels (ou transverses).
Dans le domaine de l’élevage des palmipèdes on ne retrouve que des ventilateurs de type hélicoïdes.
Les autres types de ventilateurs sont utilisés pour des applications de type industriel tels que les
climatisations, les souffleries qui nécessitent l’utilisation de grands débits de fluide sous moyenne et haute
pression.
Les ventilateurs hélicoïdes
Ces ventilateurs sont généralement utilisés pour véhiculer des débits relativement importants à des
pressions faibles ou moyennes.
Ils sont composés d’une virole, qui est un carter fixe autour de la roue. La roue (rotor) étant l’élément
tournant du ventilateur sur lequel sont insérées les pales. Le stator (partie fixe) correspondant au moteur
électrique dans lequel vient s’insérer l’axe de la roue comme on peut le voir sur le schéma suivant.
Ventilateur hélicoïde
Source : Techniques de l’ingénieur (A Guedel).
Le ventilateur ainsi constitué permet l’écoulement d’un fluide grâce à la vitesse de rotation de l’axe ; mais
surtout grâce à la forme de la pale. En effet la pale possède une forme caractéristique semblable à une aile
d’avion, qui permet sous un certain angle avec de la vitesse, le passage de l’air. En général les pales sont
profilées, c'est-à-dire que l’épaisseur de la section de la pale évolue le long de la corde.
Section d’une pale profilée.
Source : Techniques de l’ingénieur (A Guedel).
Les éléments essentiels caractérisant une pale sont les suivants :
– Le bord d’attaque est l’extrémité amont de la section de la pale, et correspond à la partie qui
sectionne en premier l’air dans le sens de rotation.
– Le bord de fuite est l’extrémité aval de la section de la pale, et correspond à la partie par laquelle
s’échappe l’air lors de la rotation.
– La corde correspond au segment joignant le bord d’attaque au bord de fuite. Par extension, la
corde désigne également la longueur de ce segment.
– L’extrados correspond à la face convexe de la pale (partie supérieure).
– L’intrados correspond à la face concave de la pale (partie inférieure).
– La cambrure correspond à l’angle formé par les tangentes au bord d’attaque et au bord de fuite
de la pale. C’est cet angle qui définit la concavité plus ou moins prononcée de l’intrados.
Les ventilateurs hélicoïdes simples.
Ils sont constitués d’une roue à pales profilées (Figure 12) ; mais qui peuvent être d’épaisseur constante. Le
nombre de pales est compris entre 3 et 10. Ces ventilateurs sont souvent montés en paroi. Ces types de
ventilateurs ont un rendement total pouvant s’élever jusqu’à 80 % et une pression qui n’excède pas 1 kPa.
Ils sont utilisés dans des applications nécessitant des pressions relativement modérées (ventilation de
bâtiments, refroidissement de moteurs thermiques…).
Les ventilateurs hélices.
Ils possèdent entre 2 et 7 pales. D’épaisseur constante, elles sont en général larges en périphérie avec des
formes qui peuvent aller de la simple tôle rectangulaire à des profils plus évolués, type "oreille de Mickey"
(figure 14). Ces types de ventilateurs ont un rendement total pouvant s’élever jusqu’à 60 % et une pression
qui n’excède pas 100 à 150 Pa. Ces ventilateurs sont exclusivement montés en paroi, dans des applications
requérant une faible pression et fort débit. On les trouve en particulier dans les industries du froid et du
conditionnement d’air (aéroréfrigérant, unité extérieure de climatiseur, tour de refroidissement…).
Figure 14. Ventilateur hélice.
Source : Techniques de l’ingénieur (A Guedel).
Les ventilateurs centrifuge
Sur les centrifuges, l’air entre dans la roue parallèlement à son axe de rotation et en ressort radialement
(figure 15). L’effet centrifuge apporte un supplément de pression par rapport à celle générée par les
pales. Ce système est utilisé pour véhiculer des débits relativement faibles à des pressions élevées (A
Guedel. 2002).
Ventilateur centrifuge
Source : Techniques de l’ingénieur (A Guedel).
Les ventilateurs hélico-centrifuges
Dans ce type de machine, l’air rentre axialement dans la roue et en ressort suivant une direction formant un
angle de 30 à 80° par rapport à l’axe (figure 16). On les trouve dans des applications telles que les tourelles
d’extraction de toiture, les circuits de climatisation des cabines d’avion.
Ventilateur hélico-centrifuge.
Source : Techniques de l’ingénieur (A Guedel).
Les ventilateurs tangentiels (ou transverses).
Ces ventilateurs ont une largeur de roue supérieure à celle des centrifuges. L’air rentre dans la roue de
manière radiale. Ces systèmes sont utilisés dans des applications nécessitant peu de pression et un débit
important, le débit étant directement proportionnel à la largeur de la roue. Les applications principales de ce
ventilateur sont les appareils de conditionnement d’air (unités intérieures de climatiseur) et les fours
domestiques.
Ventilateur tangentiel.
Source : Techniques de l’ingénieur (A Guedel).
L’acoustique des ventilateurs
Le bruit d’un ventilateur est dû à trois types de sources (A Guedel. 2002) :
– bruit aérodynamique.
– bruit du moteur électrique.
– bruit mécanique.
Le bruit du moteur électrique.
Les moteurs d’entraînement des ventilateurs sont principalement des moteurs à courant alternatif à
induction, monophasés pour les petites puissances et triphasés au-delà de quelques centaines de watt. On
trouve également des moteurs à courant continu, bien adaptés pour faire varier la vitesse de rotation du
ventilateur (A Guedel. 2002).
Le bruit du moteur a plusieurs origines :
– bruit de paliers (roulement à billes, à aiguilles ou lisses).
– bruit magnétique associé aux variations de forces engendrées par la variation du champ magnétique (ou
champ d’entrefer) entre le rotor et le stator. Ces forces provoquent des vibrations dans la structure du
moteur qui émet alors du bruit aérien et, le cas échéant, du bruit solidien. Dans le dernier cas, les
vibrations du moteur sont transmises à l’enveloppe du ventilateur (carter) via les bras de supports et
c’est l’enveloppe qui diffuse le bruit.
Le bruit magnétique est généralement prédominant par rapport aux autres sources de bruit du moteur.
La réduction du bruit des moteurs électriques est du ressort des fabricants de moteurs qui disposent
d’un savoir-faire basé sur l’expérience, mais la prévision du bruit dès la conception reste encore
problématique. Sur le plan pratique, on constate que le bruit de moteur peut devenir prépondérant
lorsque l’on réduit la vitesse de rotation du ventilateur.
En effet, l’évolution du niveau de bruit en fonction de la vitesse de rotation est très différente de celle du
bruit aérodynamique, ce dernier décroissant beaucoup plus vite avec la vitesse que le bruit magnétique
ou mécanique (A Guedel).
Le bruit mécanique.
Le bruit mécanique, qui peut être gênant notamment à basse vitesse de rotation, a plusieurs causes, les
principales étant :
– les vibrations induites par un balourd (mauvais équilibrage de la roue, défaut d’alignement…).
Ces vibrations se transmettent par voie solidienne au support et à l’enveloppe du ventilateur (carter), qui
peuvent alors rayonner le bruit.
– le bruit de paliers. Ceux-ci peuvent être lisses ou à roulements (billes ou aiguilles). Les paliers lisses
sont généralement assez silencieux à condition que leur lubrification soit correcte. Les paliers à roulement
sont susceptibles d’émettre du bruit si les billes ou les aiguilles sont usées.
– le bruit de la courroie de transmission dans le cas d’un entraînement indirect (cas des ventilateurs de
diamètre supérieur ou égale à 1 mètre). Là encore le bruit est plutôt d’origine solidienne, avec un risque de
rayonnement des structures métalliques entourant l’ensemble poulie-courroie lorsque des vibrations sont
générées par un défaut sur l’un de ces éléments.
Le bruit aérodynamique.
Le bruit aérodynamique des ventilateurs est le bruit résultant de mécanisme d’interaction entre l’écoulement
de l’air et les parties fixes tournantes du ventilateur. Il faut souligner que les vibrations des pales ne
participent pour ainsi dire jamais à l’émission de bruit des ventilateurs (A Guedel. 2002). Il sera fait ici une
description des sources de bruits aérodynamiques des ventilateurs hélicoïdes. En effet, ce sont les
principaux types de ventilateurs que l’on retrouve dans la filière des palmipèdes gras.
Le bruit aérodynamique correspondant à l'écoulement de l’air provient de quatre sources :
– l’interaction de l’écoulement turbulent incident avec les pales qui créent du bruit. Ces phénomènes
engendrent en effet des variations de pression dans l'air qui génèrent des ondes sonores de fréquences
variées. Il s'agit ici d'un phénomène bien connu en mécanique des fluides : un fluide (ici de l'air) circulant
autour d'un objet (ici la pale) voit son mouvement progressivement devenir aléatoire dans une zone de faible
épaisseur (que l'on nomme la couche limite). Ces perturbations se transmettent elles aussi dans l'air sous
forme de son.
– le bruit de bord de fuite constitue une source importante de bruit qui est lié à la section de l’aval de la
pale. Un biseautage des pales au bord de fuite sur l’extrados (partie supérieure de la pale) diminue le bruit
d’échappement tourbillonnaire.
– les décollements sur les pales sont liés à l’incidence trop grande du bord d’attaque dans le sens de
rotation. Le bruit généré est fonction de l’angle, plus l’angle est important plus le décollement sera grand ainsi
que le bruit généré. La cambrure doit être optimale afin de favoriser un bon débit-pression. Une cambrure
trop importante favorise le décollement de l’air sur la pale et par conséquent le bruit.
– l’écoulement turbulent dans le jeu périphérique est lié à l’espace entre l’extrémité de la pale et la virole.
L’écoulement est fortement perturbé à cause du flux résultant de la différence de pression entre l’intrados et
l’extrados. La structure tourbillonnaire générée à l’extrémité de chaque pale interagit avec la pale elle-même
ou les pales adjacentes.
Il faut noter par ailleurs que des obstacles dans l’écoulement tels que les bras support, moteur, grille de
protection, volet de protection, peuvent également contribuer à renforcer le bruit émis, que ces obstacles
soient à l’amont ou à l’aval de la roue.
Bruits et écoulement de l’air autour d’une pale.
Source : Techniques de l’ingénieur (A Guedel).
Les moyens d’atténuation du bruit des ventilateurs
La réduction du bruit en premier lieu relève des fabricants. En effet car ils possèdent les connaissances
techniques et scientifiques, nécessaires à l’appréhension du phénomène de bruit généré par ce type de
machine et donc à la conception des ventilateurs.
Les utilisateurs finaux peuvent aussi, agir sur la propagation du bruit en choisissant un type d’extracteur et
en jouant sur leurs installations, afin de minimiser les effets inhérents à leur fonctionnement. Par exemple,
on peut éviter d’encastrer un ventilateur dans des parois métalliques (bâtiments d’élevages). De
nombreuses solutions peuvent être alors envisagées dans ce domaine.
Les dispositifs d’insonorisation
Les écrans
Ils sont constitués par un mur que l’on interpose entre la source et le récepteur. Il peut être nécessaire d’en
placer dans une, deux et même trois directions. La mise en place d’un écran suppose certaines contraintes.
Pour que l’isolement acoustique de la paroi constitutive soit très élevé, d’une façon générale, il faut placer
l’écran le plus près possible de la source. Au point de vue acoustique, il n’est pas nécessaire de construire
2
l’écran en matériaux très lourd ; un minimum de 100 Kg/m suffit. Cependant, l’expérience montre qu’au
2
point de vue mécanique, un minimum de 150 Kg/m est optimum (J Matei. 1972).
On peut trouver plusieurs types de matériaux ayant chacun ses avantages et ses inconvénients.
Matériaux utilisés pour les écrans.
Matériaux
Qualité
Défauts
Prix
Parpaing creux (fig.19)
Efficace
Lourd, mise en œuvre
Peu onéreux
Léger
Réfléchissant
Cher
Laine de verre
Matériaux légers absorbants
Très efficace
Matériaux composites (lourds
et absorbant)
Très efficace
Cher
Mise en œuvre lourde
Cher
Source : Techniques de l’ingénieur (M Clerc-Renaud).
Exemple de types d’écrans.
Source : Techniques de l’ingénieur (M Clerc-Renaud).
Le capotage
Ce système consiste à mettre la source sonore dans une enceinte insonorisée dont les parois internes sont
tapissées de matériaux qui absorbent les ondes sonores. Ce procédé présente l’inconvénient d’être coûteux
et pas vraiment adapté pour les extracteurs d’air dont l’évacuation de l’air doit être la meilleure possible.
Ce genre de technique est plutôt utilisée pour isoler des moteurs ou autres engins thermiques.
Le capotage est une méthode rarement utilisée, car ce type d’installation sous-entend de tenir compte de
beaucoup de paramètres tels que :
– bonne isolation des parois ;
– absorption intérieure ;
– voie d’accès une fois le système mis en place (pour la maintenance et le nettoyage) ;
– étanchéité des joints ;
– isolation des vibrations ;
– évacuation de l’air par rapport au bruit.
Comparatif de réduction sonore des deux systèmes.
Bien que ces deux systèmes soient différents, leur efficacité de réduction sonore est pratiquement
équivalente. Ces deux méthodes ont une action identique sur la diminution des basses fréquences,
moyennes fréquences et hautes fréquences. Les écrans et les capots n’ont quasiment pas d’action sur les
basses fréquences qui ont un fort pouvoir pénétrant (A Bally 2001).
Comparatif des dispositifs d’atténuation sonore.
Capacité d’atténuation
Système
Ecran
Capot
Basse fréquence
Moyenne
fréquence
Haute fréquence
Réduction sonore
prévisible
en dB (A)
Très faible
Faible
Elevée
Elevée
Elevée
Elevée
10 à 15
15 à 30
Source : Techniques de l’ingénieur (M Clerc-Renaud).
Résultats d’essais de faisabilité (2005)
On a déjà pu réaliser des essais sur la réduction du bruit des ventilateurs grâce à l’utilisation d’écrans
pailleux.
Acoustique d’un ventilateur hélice à 4 pales en aluminium.
Sans écran
Fonctionnement
du ventilateur
(% de sa
puissance)
25
50
75
100
Avec écran
Vitesse du vent en
sortie ventilateur
(m.s-1)
Niveau acoustique
(dB (A))
Vitesse du vent en
sortie ventilateur
(m.s-1)
Niveau acoustique
(dB (A))
7,5
11,5
14,0
15,0
52,6
61,8
65,6
67,0
7,0
11,5
14,0
15,0
49,4
54,9
58,3
61,6
D’après ces résultats on peut constater dans un premier temps que la mise en place d’un écran n’a pas
d’effet sur la vitesse du vent en sortie de ventilateur.
Concernant la réduction sonore, on constate que pour un fonctionnement à 100% de la puissance de
l’extracteur, la mise en place d’un écran permet d’obtenir une réduction de 5,4 dB (A), ce qui voudrait dire
que l’installation de l’écran a permis de réduire le niveau sonore de pratiquement 6 dB (A). En d’autres
termes, c’est comme si le sonomètre avait été placé à six mètres de la source sonore. En effet, on sait que
le niveau sonore diminue de 6 dB (A) lorsque l’on double la distance entre la source et le récepteur.
On peut par ailleurs remarquer que pour un tel extracteur fonctionnant à 100% de sa puissance,
l’installation d’un écran permet d’obtenir une émission sonore équivalente à un fonctionnement de 50% de
sa puissance.
Ces premières observations mettent en évidence la diminution du niveau sonore que l’on peut obtenir
avec mise en œuvre d’un tel écran.
Concernant la qualité des ondes sonores émises, l’analyse du spectre d’un tel ventilateur, avant et après
mise en place de l’écran, permet de mesurer l’efficacité du système antibruit et la nature des ondes sonores
absorbées. En effet, si on observe les graphiques montrant les spectres en 1/3 d’octaves de l’émission
sonore, on peut se rendre compte de la réduction du bruit grâce à la mise en place de l’écran.
On peut observer d’emblée, que seules certaines ondes sonores émises avec une certaine fréquence sont
absorbées. En effet, on s’aperçoit que les sons émis à une fréquence allant de 160 Hz à 20 kHz subissent
une réduction. Les fréquences graves (de 50 à 125 Hz) ne sont pas absorbées par l’écran. On retrouve ici la
caractéristique des ondes acoustiques de basses fréquences qui ont un fort pouvoir pénétrant et donc très
difficile à arrêter.
Le tableau suivant nous donne le taux de réduction du niveau sonore dB (A) en fonction de la fréquence.
Effet de l’écran botte de paille sur l’émission sonore d’un ventilateur hélice à 4 pales en aluminium.
Tonalité
Fréquence (Hz)
Réduction moyenne
dB (A) en %
Grave
Médium
Aiguë
50-125
160-400
500-1 000
1 250-1 600
2 000-20 000
0
8
15
25
44
Ces essais de faisabilité ont été réalisés grâce à l’installation d’un système simple de balles rondes de paille
disposées devant les ventilateurs.
Les bons résultats obtenus peuvent laisser penser que l’on peut les améliorer grandement en disposant de
bottes de paille bien construites et abritées.