Modéliser le bruit des éoliennes et des drones contre les nuisances

Explo­sion du nom­bre de drones de loisirs ou pro­fes­sion­nels, mul­ti­pli­ca­tion des parcs éoliens sur terre ou en mer : les sources de bruits aéro­dy­namique sont de plus en plus nom­breuses. Et celles-ci sont sus­cep­ti­bles de gên­er le grand pub­lic et la bio­di­ver­sité ani­male. Les régle­men­ta­tions se dur­cis­sent et imposent, générale­ment au niveau européen, des lim­ites sonores à ne pas dépass­er. Mais un niveau de bruit n’est pas si sim­ple à car­ac­téris­er, et la per­cep­tion de cer­tains sons est par­fois irrationnelle.

Des chercheurs avaient, en 2017, demandé à une quar­an­taine de per­son­nes d’écouter 103 sons de drones volant à dif­férentes alti­tudes et les bruits émis par dif­férents véhicules à qua­tre roues. Les audi­teurs devaient ensuite les car­ac­téris­er de « pas du tout éner­vant » à « très éner­vant ». Résul­tat, à vol­ume sonore égal, le bruit des drones gêne l’oreille humaine, bien plus que celui des voitures ou des camions¹. Sans doute parce que nous sommes habitués aux bruits de ces véhicules, avaient alors sug­géré les auteurs de l’expérience. Il en est de même pour le bruit des éoliennes. 

Com­par­a­tive­ment à de nom­breuses autres sources sonores dans l’environnement, d’origine humaine ou naturelle, les niveaux de bruit générés par un parc éolien sont mod­érés. Selon une étude du Céré­ma², ce son dépasse rarement 40 dBA à l’extérieur du loge­ment d’un riverain. À titre de com­para­i­son, les trans­ports pas­sant devant le loge­ment d’un riverain peu­vent émet­tre plus de 70 dBA, un « point noir de bruit » à ne pas dépass­er selon la loi. Les parcs éoliens situés dans des envi­ron­nements essen­tielle­ment ruraux génèrent un bruit de fond local, rel­a­tive­ment bas, mais pou­vant favoris­er la per­cep­tion du bruit. De plus, le bruit éolien com­porte des bass­es fréquences (20–200 Hz, audi­bles) ou infra­sonores (inférieures à 20 Hz, générale­ment con­sid­érées comme inaudi­bles) qui se propa­gent sur des dis­tances plus impor­tantes que des sons de fréquences supérieures. « Si la gêne due au bruit aug­mente avec le niveau d’exposition sonore, son évo­lu­tion ne suit générale­ment pas de loi sim­ple et dépend de chaque source de bruit et de ses car­ac­téris­tiques (bruit per­ma­nent ou impul­sion­nel, grave ou aigu, etc.) », explique Olivi­er Doaré, pro­fesseur à l’Unité de Mécanique (UME) de l’ENSTA Paris.

Son lab­o­ra­toire con­duit plusieurs pro­jets de recherch­es sur la mod­éli­sa­tion de dif­férentes sources de bruits, dont l’un porte sur les éoli­ennes. « Pour ces dis­posi­tifs, le niveau en déci­bels n’est pas par­lant, car le bruit n’est pas con­stant. Il est car­ac­térisé par des fluc­tu­a­tions tem­porelles d’am­pli­tude poten­tielle­ment liées à la météo, à la forme des pales, etc. »

Le lab­o­ra­toire a tra­vail­lé sur une mod­éli­sa­tion des sources de bruit aéro­dy­namique des éoli­ennes et de la prop­a­ga­tion du son dans l’atmosphère. L’objectif : pou­voir simuler, avant l’installation d’un parc, le bruit ambiant qui en résul­tera. « L’idée est d’entendre la ferme avant de la con­stru­ire, comme si l’on élab­o­rait une maque­tte non pas visuelle, mais sonore », explique Ben­jamin Cot­té, enseignant-chercheur à l’Ensta et co-auteur de l’étude, avec David Mas­caren­has, aujourd’hui ingénieur chez Capgem­i­ni. Les chercheurs ont émis l’hypothèse que dif­férents fac­teurs étaient nég­ligés dans la mesure du bruit des éoli­ennes, comme la hau­teur et la qual­ité du sol (plus ou moins absorbant) sur lequel elles sont instal­lées, ou encore l’effet de la direc­tion et des pro­fils de vent sur la prop­a­ga­tion du son. En dévelop­pant un out­il de syn­thèse du bruit éolien, par mod­éli­sa­tion physique et non par échan­til­lon­nage, ils peu­vent analyser la sen­si­bil­ité des sons. Et ce, selon de nom­breux fac­teurs : géométrie de la pale, pro­fil de vent ou de tem­péra­ture, taux de tur­bu­lence en amont. Cela per­met égale­ment de prédire la puis­sance du bruit pour chaque seg­ment de pale d’éolienne. Des syn­thès­es sonores sont ain­si réal­isées et présen­tées pour dif­férentes con­di­tions météorologiques.

Ces procédés visant à recréer un envi­ron­nement sonore (on par­le d’ « aural­i­sa­tion » du bruit éolien) peu­vent être util­isés dans des appli­ca­tions de réal­ité virtuelle. L’étude s’inscrit d’ailleurs dans le réseau européen Vir­tu­al Real­i­ty Audio for Cyber Envi­ron­ments (VRACE).

En pra­tique, le défi des con­cep­teurs et des exploitants des parcs éoliens est de dimin­uer les bruits des engins, pour éviter les plaintes des riverains. Dif­férentes pistes sont à l’étude ou déjà abouties. « Il est pos­si­ble de jouer sur la vitesse de rota­tion ou sur l’angle de calage des pales, explique Ben­jamin Cot­té. Cer­taines équipes tra­vail­lent sur des out­ils intel­li­gents qui brident automa­tique­ment les éoli­ennes, pour min­imiser le bruit tout en opti­misant la pro­duc­tion. L’une des dernières avancées est de recourir à des « peignes » ou « ser­ra­tions » (mot anglais provenant du latin ‘ser­rati’, qui sig­ni­fie ‘den­telé’). Il s’agit de pièces allongées en « dents de scie », directe­ment inspirées des ailes de chou­ettes qui arrivent à vol­er dans un silence par­fait grâce à l’écartement de leurs plumes en bout d’aile qui lais­sent pass­er l’air, réduisant ain­si les tur­bu­lences ». Ces peignes se fix­ent sur le bord de fuite des pales [Ndlr : le côté amin­ci au bout de la pale qui a pour but de réduire la traînée aéro­dy­namique et d’améliorer les per­for­mances]. Elles per­me­t­tent d’abaisser le bruit aéro­dy­namique d’en moyenne 2 à 3 déci­bels, en réduisant les tur­bu­lences créées par le frot­te­ment de l’air en bout de pale.  

Con­cer­nant les drones, d’autres recherch­es sont en cours. Le pro­jet « Aéroa­cous­tique des sys­tèmes mul­ti-propulseurs pour les drones » (APRO), en parte­nar­i­at avec l’Unité d’Informatique et d’Ingénierie des Sys­tèmes (U2IS), vise à amélior­er la com­préhen­sion et la mod­éli­sa­tion de la généra­tion de bruit, dans les sys­tèmes mul­ti-propulseurs. L’objectif étant d’en lim­iter les nui­sances sonores. La doc­tor­ante Car­o­line Pas­cal cherche, elle, à automa­tis­er l’analyse des champs acous­tiques à l’aide de mesures robo­t­isées. Aujourd’hui, son tra­vail per­met la car­ac­téri­sa­tion fine du ray­on­nement des hélices, et per­me­t­tra d’optimiser la tra­jec­toire, la vitesse et l’accélération d’un drone, afin d’en lim­iter les nuisances. 

Marina Julienne

Références :

Mas­caren­has, D., Cot­té, B., & Doaré, O. (2023). Prop­a­ga­tion effects in the syn­the­sis of wind tur­bine aero­dy­nam­ic noise. Acta Acus­ti­ca, 7, 23.

Mas­caren­has, D., Cot­té, B., & Doaré, O. (2022). Syn­the­sis of wind tur­bine trail­ing edge noise in free field. JASA Express Let­ters, 2(3).