Acoustique pour un habitacle plus silencieux

— Du mécanisme d’absorption à Thinsulate, puis à l’étude de cas Mazda sur la réduction du bruit de roulement —

Introduction

Ces dernières années, le silence de l’habitacle est devenu un facteur clé du confort. Avec la baisse du bruit moteur et la diffusion des véhicules électriques, le bruit de roulement — dû à l’interaction pneu/chaussée et riche en basses fréquences — ressort davantage.

Cet article présente, dans l’ordre : ① la théorie de l’absorption, ② le matériau absorbant haute performance Thinsulate, et ③ une étude de cas Mazda sur la réduction du bruit de roulement.

① Mécanisme d’absorption — relation entre vitesse particulaire et pression acoustique

1) Nature du son et « dissipation d’énergie »

Le son est une onde longitudinale se propageant par alternances de compressions et de raréfactions des particules d’air. Un absorbant convertit l’énergie cinétique du mouvement particulaire en chaleur via la viscosité et la conduction thermique internes, dissipant ainsi l’énergie acoustique. Image utile : les tétrapodes le long des côtes n’annulent pas la vague par une « contre-vague » ; ils brisent et ralentissent l’écoulement, jusqu’à « épuiser » l’onde.

2) Onde stationnaire au mur rigide et déphasage d’un quart de longueur d’onde

Un mur rigide crée une onde stationnaire :

• Au mur : pression maximale, vitesse particulaire nulle.
• À λ/4 du mur : ventre de vitesse (vitesse maximale), pression minimale.

Ainsi, placer un absorbant poreux là où la vitesse particulaire est élevée maximise la dissipation. Pour une fréquence cible ( f ) et une lame d’air ( d ) :

3) Paroi souple / ouverture : onde progressive en phase

Avec une paroi souple ou sans paroi, la réflexion est faible et l’onde progressive domine : pression et vitesse particulaire sont en phase ; la règle du λ/4 ne s’applique pas.

4) Champ 3D et importance de l’axe Z

Dans un champ quasi diffus comme un habitacle, la vitesse particulaire selon Z (hauteur) tend à être faible aux basses fréquences. Concevoir des structures qui génèrent de la vitesse en Z est donc crucial pour l’absorption BF.

5) Stratégie BF : penser « deux couches »

Les basses fréquences ont de grandes longueurs d’onde ; augmenter fortement l’épaisseur est souvent irréaliste. On recourt alors à des systèmes deux couches / masse-ressort-amortissement pour accroître la vitesse et donc la dissipation :

• (a) Poreux + plaque perforée : air des trous = masse, cavité arrière = ressort, poreux = amortissement.
• (b) Dalle acoustique : multitude de petits résonateurs → bande plus large.
• (c) Résonateur de Helmholtz : col = masse, cavité = ressort ; ciblage BF.
• (d) Absorbeur à panneau : panneau = masse, cavité arrière = ressort ; absorption surfacique.

Tous créent un maximum de vitesse par résonance ; l’amortissement convertit le mouvement en chaleur.

② Thinsulate — microfibres pour une absorption efficace

Thinsulate (3M) est un non-tissé de microfibres polyester :

• Grande surface spécifique → plus de contact air/fibre → pertes visqueuses élevées.
• Forte porosité → résistance à l’écoulement et pertes thermiques accrues.

Résultat : forte absorption en moyennes/hautes fréquences tout en restant fin et léger ; adapté aux ciels de toit et garnitures de porte.

③ Étude de cas Mazda — maîtriser le bruit de roulement par une structure bi-couche

Expérience ① : essai type « tube d’impédance »

Fig. 1 : montage — haut-parleur, absorbeur, micro pression, terminaison rigide. Avec L = 43 cm, l’absorption mesurée dépasse la prédiction. Interprétation : la grande épaisseur du matériau, combinée à l’air arrière, agit comme deux couches, formant des ventres de vitesse BF et augmentant la dissipation.

Fig. 2 : résultats du tube — en 43 cm, la ΔSPL observée surpasse le modèle mono-couche homogène ; un effet bi-couche est suggéré.

Expérience ② : habitacle virtuel bi-couche

Fig. 8–9 : extension au modèle cabine bi-couche ; analyse de la vitesse particulaire de surface et de la pression. Réductions SPL autour de 250–500 Hz, montrant que la redistribution de la vitesse de surface contribue à l’absorption BF.

Application véhicule : baisse du bruit de roulement

Fig. 12, 14, 17 : implémentation d’un ciel de toit bi-couche. Mesures de vitesse particulaire et vibrométrie laser : réduction du bruit de roulement confirmée. Un ciel de toit plus souple (A), offrant mobilité + amortissement, induit plus de vitesse de surface → plus de dissipation interne → SPL plus bas, surpassant un montage plus rigide (B) aux basses fréquences.

Conclusions

• Théorie : avec mur rigide, la relation λ/4 s’applique ; placer un poreux au ventre de vitesse maximise l’absorption. Mais l’épaisseur requise devient irréaliste en BF.
• Conception : privilégier des structures bi-couches / masse-ressort-amortissement pour générer de la vitesse et viser les basses fréquences avec des épaisseurs modestes.
• Matériaux : les non-tissés microfibres comme Thinsulate sont efficaces et légers en médium/aigu.
• Validation : Mazda montre qu’une paroi souple + bi-couche peut générer de la vitesse selon Z et réduire le bruit de roulement en véhicule.

Références

• Frank Fahy, Foundations of Engineering Acoustics, Academic Press (2000)
• David Thompson, ISVR, University of Southampton, Noise and Vibration Control I (notes de cours)
• Naoko Yorozu, Chie Fukuhara, Takanobu Kamura, « Development of an Absorption Technique for Road Noise », Mazda Technical Review (2008)
• Fiches techniques 3M Thinsulate

Vidéo complémentaire

Pour une explication visuelle, voir la vidéo d’accompagnement :