Isolation des vibrations: ressorts, supports et efficacité de l'isolation est la pratique consistant à découpler une machine vibrante de sa structure porteuse, ou à protéger du matériel sensible contre les vibrations déjà présentes dans le sol, en plaçant des éléments élastiques entre les deux.
L'objectif n'est pas d'éliminer la vibration à la source mais de réduire la fraction qui traverse le support. Bien réalisée, l'isolation réduit le bruit transmis par la structure et les charges de fatigue sur les fondations. Mal réalisée, un isolateur peut amplifier la vibration qu'il était censé contrôler.
Les machines tournantes et alternatives génèrent des forces périodiques à la vitesse de fonctionnement et à ses harmoniques (engrènement d'engrenages, passage des pales, passage des ailettes, fréquence de combustion).
Si elles sont boulonnées rigidement à un plancher ou à un skids, ces forces se transmettent à la structure, excitant la vibration du bâtiment ou rayonnant comme du bruit basse fréquence.
L'inverse se produit aussi: des bancs optiques et d'autres équipements sensibles doivent être isolés des vibrations déjà présentes dans le sol, provenant de machines voisines ou du trafic. Les deux cas obéissent à la même physique, source et récepteur étant intervertis.
Une machine montée sur un isolateur se comporte comme un système masse-ressort avec sa propre fréquence naturelle, fn, déterminée par la raideur de l'isolateur et la masse supportée. La fréquence excitatrice, fd, est la fréquence forcée de la machine, typiquement la vitesse de rotation. Le rapport r = fd / fn fixe la quantité qui traverse le support, exprimée par la transmissibilité, T.
C'est pourquoi des isolateurs souples et basse fréquence (ressorts en acier, ressorts pneumatiques) conviennent aux machines basse vitesse, tandis que des tampons en élastomère plus rigides conviennent aux équipements à grande vitesse dont la fréquence d'excitation est déjà supérieure à la fréquence naturelle du support.
| Type d'isolateur | Déformation statique typique | Fréquence naturelle typique | Convient le mieux pour |
|---|---|---|---|
| Tampons élastomères / caoutchouc | 2 à 6 mm | 6 à 11 Hz | Ventilateurs, pompes, compresseurs au‑dessus de 1 000 à 1 500 tr/min |
| Ressorts hélicoïdaux en acier | 10 à 100 mm | 1,5 à 5 Hz | Équipements basse vitesse, gros refroidisseurs, machines montées sur toiture |
| Ressorts pneumatiques | Très souples, réglables par la pression d'air | Possibilité de descendre sous 2 Hz | Métrologie, outils pour semi‑conducteurs, laboratoires basse fréquence |
| Isolateurs à câbles métalliques | Déflexion modérée, raideur non linéaire | Variable, quelques Hz | Choc et vibration, applications marines et sites sismiques |
| Plots en liège ou en fibre de verre | 0,3 à 1 mm | 15 à 30 Hz | Équipements légers, atténuation secondaire du bruit |
Une base d'inertie est un châssis en acier rempli de béton placé entre la machine et ses ressorts, ajoutant de la masse sans augmenter la raideur.
Comme la fréquence naturelle diminue lorsque la masse augmente à raideur de ressort fixe, une base d'inertie abaisse f n et augmente r, abaisse également le centre de gravité et réduit le basculement sur ressorts souples, fréquent sur les grands ventilateurs, refroidisseurs et groupes pompes avec moteur décalé.
La fréquence naturelle est aussi directement liée à la déflexion statique, la quantité de compression d'un isolateur sous charge: grosso modo, f n (Hz) est approximativement 15,76 divisé par la racine carrée de la déflexion en millimètres (ou 3,13 divisé par la racine carrée de la déflexion en pouces).
Un support qui se déforme de 25 mm a une fréquence naturelle proche de 3,15 Hz, adaptée aux machines au‑dessus d'environ 600 à 700 tr/min. Une plus grande déflexion signifie une meilleure isolation aux basses vitesses, mais aussi plus d'oscillation latérale et un support plus haut, moins stable.
La défaillance la plus courante en isolation est le choix d'un support dont la fréquence naturelle se situe près de la vitesse de fonctionnement de la machine ou d'une vitesse de démarrage/arrêt que la machine traverse.
Les variateurs de fréquence sont particulièrement exposés: même avec une bonne transmissibilité à pleine vitesse, la machine peut passer du temps près de f n lors de la montée ou de la descente en régime, amplifiant temporairement la vibration au‑dessus du cas non isolé.
Le choix doit vérifier l'ensemble de la plage de vitesses et inclure un amortissement pour limiter l'amplitude à la résonance.
Les isolateurs ne fonctionnent comme prévu que si la machine est de niveau et chargée uniformément sur tous les supports; un chemin de charge inégal annule la fréquence naturelle calculée et peut introduire un pied mou une fois boulonné.
L' alignement de l'accouplement doit être vérifié sur les isolateurs finaux sous charge normale, car les supports souples permettent plus de mouvement d'arbre entre l'état froid et le fonctionnement que le scellement rigide.
La sévérité des vibrations doit toujours être suivie selon les critères de l'ISO 10816‑3 sur la machine elle‑même, puisque les isolateurs réduisent la transmission vers la structure mais ne diminuent pas la vibration à la source.
L'état des isolateurs (élastomère fissuré, ressorts corrodés, ressorts pneumatiques dégonflés) mérite sa propre tâche d'inspection avec un intervalle de remplacement défini, car un isolateur dégradé change la raideur et la fréquence naturelle, rapprochant silencieusement le système de la résonance.
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L'isolation commence une fois que le rapport de fréquences (fréquence excitatrice divisée par la fréquence naturelle de l'isolateur) dépasse la racine carrée de 2, soit environ 1,41. En dessous, la transmissibilité est supérieure ou égale à 1, donc le support n'apporte aucun bénéfice ou amplifie la vibration près du rapport 1. Les conceptions pratiques visent un rapport de 3 à 5 ou plus.
Les ressorts en acier obtiennent une déformation statique beaucoup plus importante que les plots élastomères sous une même charge, donnant une fréquence naturelle plus basse et atteignant le rapport de fréquences requis à une vitesse de fonctionnement plus faible. Des supports en élastomère sur une machine lente laisseraient le système près ou en dessous de la résonance.
Elle ajoute de la masse sans modifier la raideur des ressorts, abaissant la fréquence naturelle et améliorant le rapport de fréquences. Elle stabilise aussi la machine contre le basculement sur ressorts souples et répartit la charge de manière plus homogène.
Oui. Si la fréquence naturelle de l'isolateur se situe près de la vitesse de fonctionnement de la machine, ou d'une vitesse qu'elle traverse lors du démarrage, le système fonctionne près de la résonance et la transmissibilité s'élève bien au‑dessus de 1, amplifiant la vibration au lieu de la réduire.
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