Contribution to the modelling of vibration and acoustic comfort under multi-harmonic excitations in helicopter cabins
Contribution à la modélisation du confort vibratoire et acoustique sous excitations multi-harmoniques en cabine d'hélicoptères
Résumé
Helicopters are complex machines that generate a significant amount of noise and vibration. It is therefore important for Airbus to be able to specify the discomfort in order to offer comfortable helicopters to their customers.
The literature provides a standard for quantifying vibration comfort based on acceleration measurements (ISO2631-1). However, the comfort estimates provided by this standard do not always correspond to the evaluations given by the flight personnel. Regarding noise, internal studies at Airbus have shown that noise discomfort could be modelled by a function of loudness, acuity, tone and level in dB(G). This model is several years old and needs to be verified for stimuli including the latest helicopters in the fleet. Furthermore, the acoustic discomfort of internal noise from helicopters under hearing protection has never been studied. Finally, there is no global discomfort model linking the discomfort of simultaneous noise and vibration stimuli for application to helicopters.
Several perceptual experiments to assess the discomfort of vibratory stimuli in volunteers have been carried out. They showed that the ISO2631-1 standard provides a good estimate of vibration discomfort. A modification of this standard taking into account the amplitude modulation of accelerations allows to improve the predictive quality in the case of beating phenomena (creating amplitude modulation) which can occur in helicopters.
Similar experiments were conducted in acoustics, where participants evaluated sound stimuli with and without hearing protectors. When the noise is listened to without hearing protection, the discomfort model developed by Airbus remains valid. However, a simpler model based on loudness alone provides a better estimate of noise discomfort. With hearing protectors, the estimation of discomfort is not as direct. This is because the sound signals must first be filtered out by the attenuation of the hearing protectors. This work has shown that for helicopter sounds, the attenuation values provided by the manufacturers are too optimistic. Objective measurements of attenuation show lower values, in accordance with the recommendations of the INRS. The sound signals are therefore filtered by the attenuations of the protectors provided by the manufacturers, which are penalised according to the INRS recommendations. Thus, a model based on the loudness alone makes it possible to estimate the noise discomfort under hearing protectors. However, the coefficients of this model are different from the model obtained for listening without hearing protectors.
Finally, volunteers estimated the overall discomfort for noise and vibrations from helicopters played simultaneously. The results showed that a global discomfort model can be obtained from the noise and vibration discomfort indicators. This model is based on a linear regression to which a coupling term has been added, in the form of the absolute value of the difference between the noise and vibration indicators.
Thus, a global discomfort model has been established that allows the estimation of noise and vibration discomfort of helicopters from noise and acceleration measurements. A simplified model also allows the estimation of discomfort from noise and acceleration measurements at the feet only, for a given helicopter seat.
Les hélicoptères sont des machines complexes générant une quantité importante de bruit et de vibrations. Il est donc important pour Airbus de savoir en spécifier l'inconfort pour proposer des hélicoptères confortables à leurs clients.
La littérature propose une norme pour quantifier le confort vibratoire à partir de mesures d'accélérations (ISO2631-1). Néanmoins, les estimations de confort fournies par cette norme ne correspondent pas toujours au ressenti donné par le personnel navigant. Concernant le bruit, des études internes à Airbus ont été réalisées et ont montré que l'inconfort sonore pouvait être modélisé par une fonction de la sonie, de l'acuité, de la tonalité et du niveau en dB(G). Ce modèle date de plusieurs années et doit être vérifié pour des stimuli comprenant les derniers hélicoptères de la flotte. De plus, l'inconfort acoustique de bruit interne d'hélicoptères sous protections auditives n'a jamais été étudié. Enfin, il n'existe pas de modèle d'inconfort global liant l'inconfort de stimuli sonores et vibratoires simultanés, pour une application à l'hélicoptère.
Plusieurs expériences perceptives visant à faire évaluer l'inconfort de stimuli vibratoires à des volontaires ont été réalisées. Elles ont montré que la norme ISO2631-1 fournit une bonne estimation de l'inconfort vibratoire. Une modification de cette norme prenant en compte la modulation d'amplitude des accélérations permet d'améliorer la qualité prédictive dans le cas de phénomènes de battements qui peuvent survenir en hélicoptère.
Des expériences similaires ont été réalisées en acoustique, où des participants ont évalué des stimuli sonores avec et sans protections auditives. Lorsque le bruit est écouté sans protections auditives, le modèle d'inconfort développé par Airbus reste valable. Toutefois, un modèle plus simple basé sur la sonie uniquement permet une meilleure estimation de l'inconfort sonore. Avec protections auditives, l'estimation de l'inconfort n'est pas aussi directe. En effet, il faut au préalable filtrer les signaux sonores par les atténuations des protecteurs. Les travaux de cette thèse ont montré que pour des sons d'hélicoptères, les valeurs d'atténuations fournies par les constructeurs sont trop optimistes. Des mesures objectives d'atténuations montrent des valeurs plus faibles, en accord avec les préconisations de l'INRS. Les signaux sonores sont donc filtrés par les atténuations des protecteurs fournies par les constructeurs pénalisées selon les recommandations de l'INRS. Ainsi, un modèle à partir de la sonie seule permet d'estimer l'inconfort sonore sous protections auditives. Toutefois, les coefficients de ce modèle sont différents du modèle obtenu pour une écoute sans protections auditives.
Enfin, des volontaires ont estimé l'inconfort global pour du bruit et des vibrations d'hélicoptères joués simultanément. Les résultats ont montré qu'un modèle d'inconfort global peut être obtenu à partir des indicateurs d'inconfort sonore et des indicateurs d'inconfort vibratoire. Ce modèle est basé sur une régression linéaire à laquelle un terme de couplage a été ajouté, sous la forme de la valeur absolue de la différence entre l'indicateur sonore et l'indicateur vibratoire.
Ainsi, un modèle global d'inconfort a été établi et permet d'estimer l'inconfort sonore et vibratoire d'hélicoptères à partir de mesures de bruit et d'accélérations. Un modèle simplifié permet également d'estimer l'inconfort à partir de mesures de bruit et d'accélérations aux pieds seulement, pour un siège d'hélicoptère donné.