ARCHITECTURES ET SONS DE MOTEURS

Les vibrations et sources sonores dominantes d’un moteur thermique sont liées :

- aux mouvements de rotation, dont celui du vilebrequin (signaux permanents de type harmonique et de forme sinusoïdale)

- aux mouvements alternatifs, dont celui des pistons (signaux transitoires et/ou impulsionnels de durée limitée)

Sources sonores principales et permanentes :

- bruits d'échappement et d'admission dues aux pressions pulsées, dépendants du régime et de la charge (prédominants sur moteurs à allumage commandé, avec harmoniques multiples de la fréquence du cycle), avec bruits de bouche aux extrémités des conduits avec des turbulences créant un bruit de souffle à partir d'un certain régime, et des bruits rayonnés le long des conduits

- bruits de combustion (ou d'explosion) dues aux pressions-cylindres, dépendants du régime et de la charge, rayonnés par la structure du moteur (avec plus d'amplitude et d'impulsivité sur Diesel, entraînant des vibrations sur différentes plages de hautes fréquences)

- bruits mécaniques dépendants du régime et de la charge :

   . basculement et claquement de piston sur les parois du cylindre (piston slap en anglais) dus à la combinaison des forces d'inertie et de combustion (bruit dominant et plus impulsif sur Diesel car pièces mobiles plus lourdes et montée en pression plus rapide lors de la combustion) lors des inversions d'obliquité de la bielle et de translation et rotation du piston (sur au moins 6 positions angulaires du cycle, avec pour chacune des amplitudes et durées d'impacts variables, plus importantes lors de la phase d'explosion) en fonction du jeu piston-cylindre (surtout au démarrage et ralenti à froid ou après usure) et suivant décalage ou non de l'axe de piston par rapport au cylindre ou du vilebrequin, coefficients de dilatation, géométrie, rigidité, état de surface et lubrification des pièces en contact, avec à haut régime des rebonds du piston d'un côté à l'autre du cylindre engendrant des vibrations à haute fréquence (bruit de crépitement).

   . bruits de "tic-tac" d'injecteur (sauf si alimentation par carburateur), avec plus d'amplitude et d'impulsivité si Diesel et/ou injection directe à haute pression

   . vibrations suivant forces et couples d'inertie qui s'opposent aux forces d'explosion (forces d'inertie alternatives, moments, torsion et flexion du vilebrequin), plus importantes pour une même architecture si Diesel 

- bruits mécaniques dépendants du régime :

   . distribution

   . transmissions par engrenages à taille hélicoïdale, ou à taille droite plus bruyants (par exemple sur boîtes de vitesses racing), arbre, chaîne, courroie, etc...

Autres sources sonores, permanentes ou intermittentes

- alternateur (bruits magnétiques et de ventilation)

- ventilateur(s) de refroidissement (sauf moto avec refroidissement à air), pouvant être intermittents suivant charge, vitesse, et température extérieure 

- pompe à huile (sauf 2 temps alimenté directement par mélange)

- pompe à eau (uniquement si refroidissement liquide)

- pompe à carburant (sauf motos avec réservoir au dessus du moteur)

- pompe hydraulique (direction assistée, suspension hydraulique, etc...)

- compresseur de climatisation

- claquement de la vanne EGR (exhaust gaz recirculation), celle-ci s'ouvrant au ralenti ou à faible régime et charge moteur pour réinjecter une partie des gaz d'échappement à l'admission

- vibrations et bruits aérodynamiques des turbines de suralimentation, permanents voire dominants par rapport aux harmoniques moteur, ou transitoires et dépendants du régime et/ou de la charge, avec son intermittent des valves de décharge ou de dérivation (voir article sur la suralimentation)

- bruits intermittents de crépitement ou de pétarades à l'échappement à la coupure des gaz sur moteurs à allumage commandé, par exemple lié à la nécessité de limiter le temps de réponse du turbo sur les voitures de rallye (système anti-lag), ou en fonction d'une combustion instable à charge réduite, par exemple sur moteurs de compétition ou en cas de modification du système d'échappement.

- bruits d'assistance hybride (bruit de moteur électrique, de gestion électronique, et de transmission)

Les équipements d'optimisation, de dépollution ou de protection du moteur thermique peuvent modifier sensiblement (et souvent avec effet de seuil) les bruits d'admission, de combustion et d'échappement en fonction principalement du régime et de la charge, par exemple :

- système de starter sur moteur à carburateur pour enrichissement du mélange à froid

- carburateur double corps ou à pompe de reprise

- distribution variable avec modification du temps et/ou de l'ouverture des soupapes

- régulateur de régime Diesel ou turbocompresseur modifiant les valeurs de couple sans intervention sur l'ouverture des gaz

- détecteur de cliquetis avec réduction de l'avance à l'allumage

- recyclage des gaz d'échappement EGR

- échappement à valves rotatives

- limiteur de régime entraînant une irrégularité de fonctionnement à l'atteinte du régime maxi

- désactivation de cylindres avec diminution de la fréquence d'allumage

A noter que la vitesse angulaire du vilebrequin n'est jamais constante lors d'un cycle moteur (acyclisme) avec par exemple une variation de 100 tr/min entre chaque explosion sur un 4 cylindres Diesel à 850 tr/min. Certains signaux sonores sont dits cyclostationnaires (avec des propriétés statistiques périodiques) liés à un angle déterminé du vilebrequin sur un cycle moteur et non à une valeur temporelle.

D'autres bruits aléatoires stationnaires (apériodiques) dont certains ne sont pas émis par le moteur sont présents et deviennent prépondérants suivant la vitesse du véhicule :

   . bruits de roulement au delà de 50 km/h, qui est un bruit "large bande" couvrant une une plage importante de fréquences audibles

   . bruits aérodynamiques au delà de 100 km/h avec des fréquences supérieures à 400 Hz, avec un niveau de dB pouvant être dangereux à haute vitesse en moto pour l'appareil auditif en l'absence de protection spécifique en plus du casque.

Pour information, les bruits apériodiques peuvent être des bruits colorés (bruits de souffle, par exemple bruit blanc pour une ventilation de clim, bruit rose pour la pluie ou le vent, ou bruit brun plus grave que le bruit rose, comme celui d'une chute d'eau ou d'un torrent)

Le son d'ensemble dépend du positionnement et du déplacement relatif du véhicule par rapport à la prise de son, de l'addition (et modulation) des différentes sources sonores synchronisées ou non avec la rotation du vilebrequin, avec :

- renforcement de certaines fréquences par résonance de la structure ou des conduits d'admission et d'échappement (lorsque la fréquence propre de la pièce, proportionnelle à sa raideur et inversement proportionnelle à sa masse, correspond à sa fréquence d'excitation, par exemple un carter moteur vibrant à la fréquence d'allumage du moteur, ou un vilebrequin soumis à des efforts de flexion périodique avec le cas échéant une vitesse critique lorsque la fréquence de rotation correspond à la fréquence propre du vilebrequin, d'où la présence d'un amortisseur d'harmoniques sur les 6 ou 8 cylindres en ligne)

- atténuation de certaines fréquences par isolation du bloc moteur, par silencieux d'admission ou d'échappement, ou par atténuation de structure limitant le transfert des vibrations par exemple par surdimensionnement de la structure ou choix des matériaux (bloc moteur en fonte plutôt qu'en alliage d'aluminium).

- masquage de certaines fréquences par les bruits autres que ceux du moteurs (notamment bruits de roulement et bruits aérodynamiques) en fonction du régime, de la charge moteur, de la vitesse du véhicule

- effet Doppler par déplacement relatif du véhicule par rapport à la prise de son (voir article correspondant)

- atténuation des hautes fréquences plus importante que les sons graves avec l'éloignement de la source

- augmentation de la réverbération (persistance du son) avec l'éloignement de la source