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niveau du contact roue/rail [1], [2]. Le phénomène excitateur
est le déplacement imposé à la roue et au rail par les défauts
de surface de quelques microns d’amplitude présents sur les
bandes de roulement (roues et rail). On l’appelle la rugosité.
La puissance acoustique rayonnée dans l’environnement
est donc la somme des contributions issues de chaque
composant émissif : les roues du véhicule et la voie (le rail et
les traverses).
Plus précisément, le diagramme de la Figure 3 montre que les
mécanismes à l’origine du bruit de roulement peuvent susciter
deux approches complémentaires [3] :
- une distinction entre phénomène excitateur et réponse vibro-
acoustique du système ferroviaire (véhicule + infrastructure),
selon un schéma classique en mécanique,
- une distinction entre phénomènes dont l’origine est associée
soit au matériel roulant soit à l’infrastructure.
Ces deux approches se combinent pour composer 4 blocs
élémentaires, fournissant ainsi une image très précise du
processus de génération du bruit de roulement :
- l’excitation globale, dont l’origine est la rugosité combinée
des surfaces de roulement en contact, se scinde donc en
une rugosité provenant du rail et une rugosité provenant des
roues ;
- la réponse totale du système, pouvant s’écrire comme la
somme de la réponse de la voie et la réponse de la roue à
l’excitation globale.
La voie intervient dans le processus de génération du bruit de
roulement (par l’intermédiaire de la rugosité du rail) et dans sa
réponse vibratoire et acoustique à l’excitation globale.
La prise en compte du problème d’interaction véhicule/
infrastructure permet une investigation complète de l’ensemble
des phénomènes. Il n’est accessible qu’avec l’aide de la
simulation : le modèle TWINS (Track Wheel Interaction Noise
Software) [2], par exemple, qui permet d’étudier l’influence de
chacun des composants sur l’ensemble du système en terme
d’émission de bruit. Ce modèle a été validé sur une trentaine
de configurations différentes : matériel et voie, incluant la
vitesse [5].
Le résultat du calcul prédictif TWINS est caractéristique des
domaines de fréquences f dans lesquels agit principalement
chacun des composants de la voie et du matériel, comme
par exemple :
- le bruit rayonné par la traverse domine en basse fréquence ;
- le rayonnement de la roue devient dominant en haute
fréquence, à partir de 2 000 Hz et plus. En fait, le spectre
vibratoire et acoustique calculé présente de fortes émergences
à proximité de tous les modes de roue radiaux et axiaux à un
cercle nodal. Ces émergences représentent l’essentiel de
l’énergie sonore rayonnée par la roue ;
- Et, le rail est la source dominante de bruit dans les moyennes
fréquences. La limite haute de cette bande correspond à
l’apparition du premier mode radial de roue. Ensuite, cette
contribution reste importante dans les fréquences plus
élevées, même si elle est moindre que celle de la roue.
La contribution sonore de la voie dans le niveau global du
bruit émis en dB (A) va être fonction de différents paramètres
comme son type d’armement c’est-à-dire le type de rail, le type
de traverse, et les raideurs et amortissements induits par les
attaches et le ballast. Elle est également fonction de la vitesse
du train et du chargement statique du matériel roulant. Ces
deux derniers paramètres vont notamment venir modifier et
influencer la rugosité et donc avoir un impact sur l’excitation.
La contribution de la voie est généralement non négligeable
et peut même devenir prépondérante pour certaines
configurations de circulation (basses vitesses). D’où
l’importance de s’intéresser plus particulièrement à la voie
dans une optique, d’une part, de réduction du bruit émis
dans l’environnement et, d’autre part, d’homologation
acoustique des véhicules ferroviaires. En effet, la définition de
réglementations européennes limitant le bruit à l’émission des
véhicules ferroviaires a conduit à spécifier les caractéristiques
vibro-acoustiques d’une voie de référence pour l’essai
d’homologation acoustique vis-à-vis de ces limites [4], dans le
cadre des Spécifications Techniques d’Interopérabilité (STI).
La mise en équation et l’interprétation des phénomènes
physiques qui gouvernent le comportement vibratoire de la voie
puis son rayonnement acoustique dans l’environnement sont
présentées ci-dessous ainsi que l’évolution, dans un contexte
de normalisation européenne, des méthodes expérimentales
de caractérisation vibro-acoustique de la voie.
Relation entre comportement vibratoire et
rayonnement acoustique de la voie
Les modèles associés pour expliquer le
comportement vibratoire de la voie
La voie va être considérée comme une structure de longueur
infinie, dans laquelle se propagent des ondes vibratoires de
part et d’autre d’un point d’excitation.
Fig. 3 : Schéma de principe de la modélisation
du bruit de roulement
Fig. 4 : Calcul TWINS de la puissance acoustique
Caractérisation vibro-acoustique
d’une voie ferrée
Acoustique
&
Techniques n° 46-47
Approfondissons…