Bienvenue sur ce site qui présente les différents sons d'échappement des anciennes machines à vapeur à pistons, en particulier celles des locomotives, et locomobiles (dont tracteurs agricoles).
Contrairement aux moteurs à combustion interne qui nécessitent un régime minimal pour fonctionner et donnent une perception de son continu avec des fréquences harmoniques variables (en fonction du mode de combustion, du cycle de fonctionnement, du nombre de cylindres, des différents calages d'allumage et de la géométrie d'échappement), les machines à vapeur mobiles à pistons peuvent démarrer à une vitesse nulle avec une entraînement direct des roues motrices, mais ont une cadence d'aller et retour des pistons beaucoup plus limitée (nombre de tours de roue ou de rotations de 360° pour les machines à bielles, par exemple 321 tr/min sur une locomotive 141R à vitesse maxi de 100 km/h avec des roues de diamètre 1,65 m) qui produit à chaque cycle des "coups" d'échappement proches d'un bruit brun intermittent, avec différents motifs rythmiques :
- 2 coups d'échappement équidistants à 180°
- 4 coups d'échappement non équidistants à 60°-120°-60°-120°
- 4 coups d'échappement équidistants à 90°
- 6 coups d'échappement équidistants à 60°
Ces différents motifs rythmiques dépendent :
- du nombre de course(s) motrice(s) pour un aller/retour de piston (à double effet sauf premières machines)
- du décalage dans le fonctionnement de plusieurs cylindres produisant des coups d'échappement, c'est à dire tous les cylindres de même type avec simple expansion, ou uniquement ceux de plus basse pression avec système compound (expansion multiple sur plusieurs cylindres en série à des niveaux de pression différents permettant d'augmenter le rendement), ce qui correspond pour les machines à transmission directe par bielles au calage angulaire entre manetons des roues où des essieux où sont articulées les bielles des cylindres concernés
Ces motifs rythmiques sont surtout perceptibles à une cadence comprise entre :
- 100 battements par minute (soit le tempo d'un rythme musical assez rapide)
et
- 600 battements par minute (soit le rythme d'explosion d'un monocylindre 4 temps à un ralenti de 1200 tr/min, ou 2 temps semi-Diesel à 600 tr/min, ce qui correspond à moins de 50% de la cadence maxi d'une locomotive 141R à vapeur produisant 4 battements par cycle)
En négligeant les variations éventuelles de bruit entre les cylindres (réglage de la distribution de vapeur, usure et niveau d'étanchéité des pistons, etc...) et autres bruits mécaniques, et sans tenir compte de la cadence, on peut même considérer qu'il n'y a que 2 motifs rythmiques avec soit :
- des coups d'échappement équidistants
- des coups d'échappement non équidistants avec 2 intervalles alternés dont le rapport de durée est de 1/2 mais pouvant être perçus comme des double coups d’échappement à intervalles équidistants si la durée du coup est proche de l'intervalle le plus faible et que ce dernier n'est plus perceptible par l'oreille humaine lorsque la cadence s’accélère
Voir articles et liens associés suivant menu à droite (ou bouton ≡ en haut sur smartphone)
avec exemples de machines partageant soit :
- des caractéristiques communes :
. expansion simple ou multiple (compound)
. nombre de cylindres (à simple effet le cas échéant)
. décalage des cylindres ou des manivelles de bielles (avec si nécessaire des précisions sur la position et le type de cylindres associés)
- le même rythme d'échappement
Sur les machines à vapeur à pistons, les pulsations ou coups d'échappement sont dominants à forte charge et faible vitesse, mais sont plus ou moins masqués à vitesse plus élevée et charge plus réduite par les bruits mécaniques, les bruits de roulement pour les machines mobiles et bruits aérodynamiques si grande vitesse, le motif rythmique ne devenant plus perceptible comme avec les moteurs à combustion interne dont la succession des pulsations d'échappement est beaucoup plus rapide malgré un seul temps moteur sur 2 ou 4 courses de piston (un moteur 4 cylindres 4 temps au ralenti à 900 tr/min produit 1800 pulsations d'échappement par minute alors qu'une machine à vapeur à cadence maximale et avec 4 battements par tour de roue n'atteint qu'environ 70% de cette valeur).
Sur les locomotives à vapeur, un essieu peut être entraîné par 2 à 4 bielles motrices avec des manivelles dans des positions angulaires différentes pour permettre à la fois un démarrage dans n'importe quelle position, une répartition optimale du couple moteur et le meilleur équilibrage possible, avec des cylindres positionnés :
- par paire à l'extérieur du châssis avec une bielle sur chaque roue de l'essieu
- par paire à l'intérieur du châssis avec 2 bielles sur un essieu coudé à 2 manetons
- seul à l'intérieur du châssis avec une bielle sur un essieu coudé à un seul maneton, uniquement si 3 cylindres entraînant le même essieu (avec une paire extérieure entraînant chaque roue)
Chaque essieu directement entraîné par les bielles motrices entraîne à son tour un ou plusieurs essieu(x) moteur(s) par l'intermédiaire de bielles d'accouplement des roues (pour un total de roues motrices de même diamètre pouvant aller jusqu'à 10 sur un même châssis, voire 12 ou 14 sur certains prototypes).
Il existe des locomotives articulées comprenant plusieurs trucks moteurs avec leur propres cylindres et transmission, ce qui nécessite des conduits de vapeur avec articulation à rotules sphériques lorsque la chaudière n'est pas solidaire du truck.
La disposition de l'ensemble des essieux est définie (suivant le système francais de l'époque) par une suite de chiffre donnant le nombre d'essieux porteurs-moteurs-porteurs par groupe en partant de l'avant de la machine, avec un T majuscule si absence de tender, par exemple une 030 T avec seulement 3 essieux moteurs.
Avec une seule paire de cylindres à double effet (course motrice des pistons dans chaque sens), les manivelles sont toujours décalées de 90°, ce qui donne pour un système à simple expansion, 4 coups d'échappement successifs à intervalles égaux pour chaque rotation d'essieu, le plus souvent sur une même cheminée.
Sonagramme montrant l'évolution des fréquences dans le temps (de gauche à droite) d'une locomotive 141R à 2 cylindres à simple expansion, avec une superposition à intervalles de temps égaux de plusieurs fréquences réparties en dessous de 4000 Hz, ce qui est proche d'un bruit brun intermittent.
Avec 4 coups d'échappement par tour de roue, la durée en secondes entre battements
est égale à : distance parcourue par un quart de rotation / vitesse
= [Pi x Diamètre de bandage en m / 4) x 3600] / [vitesse en km/h x 1000]
soit durée en s entre battements = 2,827 x (D en m) / (V en km/h)
Exemple : intervalle entre battements de 0,15 s avec un diamètre de roue de 1,65 m à 31 km/h,
ce qui correspond à 400 battements par minute et à une vitesse de rotation des roues de 100 tr/min.
Si la machine à vapeur est "compound", c'est à dire à expansion multiple, la vapeur se détend en série sur plusieurs cylindres de pression différente pour améliorer le rendement (mais contrairement aux navires, sur 2 niveaux seulement avec des cylindre(s) haute pression HP et basse pression BP) avec, comme sur une machine à simple expansion, une fluctuation de couple et de vitesse et un équilibrage dépendant du décalage des manivelles, avec en plus une régulation et distribution pouvant être spécifique sur cylindres BP et HP notamment lors du démarrage avec par exemple une alimentation directe des cylindres BP.
Avec le système compound, l'échappement de vapeur qui a une influence sur le tirage de la cheminée et le fonctionnement de la chaudière n'est réalisé que par le ou les cylindre(s) de plus basse pression.
La surchauffe est une autre amélioration des machines à vapeur permettant l'augmentation du rendement et la diminution du risque de condensation (nécessitant de purger les cylindres, l'eau n'étant pas compressible), ce qui a parfois remis en cause (suivant les compagnies et notamment aux USA) le système compound, plus complexe à la conduite et d'un entretien plus coûteux.
On a donc seulement 2 coups d'échappement équidistants par tour de roue avec système compound à 2 ou 3 cylindres dont un seul est BP.
Les cylindres et pistons BP étant de plus gros diamètre et plus lourds que les HP, les locomotives compound ayant un piston de type différent de chaque côté sont qualifiées de "boîteuse" du fait d'un déséquilibre dynamique accru par cette différence de masse, chaque cylindre étant en revanche dimensionné pour produire un couple sensiblement identique en marche normale.
On a 4 coups d'échappement équidistants avec 3 ou 4 cylindres dont 2 BP décalés de 90°, comme pour les locomotives à simple expansion à 2 ou 4 cylindres, la différence étant que les machines à 4 cylindres accouplés sont généralement équilibrées par un calage en opposition (à 180°) des 2 cylindres d'un même côté de la machine ce qui donne avec simple expansion des coups d'échappement produits simultanément par 2 des 4 cylindres identiques, au lieu d'un seul cylindre BP à la fois si double expansion.
L'avantage des 3 cylindres compound avec un seul cylindre HP intérieur est d’être plus simple que 4 cylindres tout en permettant une plus forte puissance car l'essieu coudé est plus robuste avec une forme plus simple à un seul maneton.
On a également 4 coups d'échappement équidistants sur chaque truck d'une machine articulée (à simple expansion ou compound), avec 2 cylindres de même type calés à 90° sur chaque truck, mais avec un rythme global d'échappement qui dépend du décalage de distribution entre les trucks mécaniquement indépendants.
On 4 coups d'échappements non équidistants à 60°-120°-60°-120° si compound à 3 cylindres dont 2BP avec un décalage égal des bielles de 120° donnant le meilleur équilibrage.
On a 6 coups d'échappement équidistants par tour de roue si simple expansion à 3 cylindres avec décalage égal des bielles de 120°.
Le compromis entre équilibrage et régularité du couple en fonction du calage respectif de l'ensemble des cylindres et les différences d'échappement entre système à simple ou double expansion permettent aux machines à vapeur à 3 cylindres de présenter à elles seules les 3 différents motifs rythmiques d'échappement les plus courants des locomotives à vapeur, avec des coups d'échappement non équidistants uniquement sur les machines compound à 3 cylindres décalés de 120°.
Pour avoir une idée de la différence percue entre coups d'échappement à intervalles équidistants ou non, écoutez ci-après cette simulation de machine à vapeur à 4 coups d'échappement par tour de roue, réalisée suivant le mode programmation de l'application Tone Generator pour Android, avec du bruit brun (fréquences inférieures à 4000 Hz) intermittent avec 4 impulsions de durée 0,17 s et d'amplitude légèrement différente, avec des intervalles :
- d'abord équidistants de 0,3 sec qui correspondent par exemple à chaque course motrice successive à chaque 90° de rotation d'essieu d'une locomotive à simple expansion à 2 cylindres égaux avec 50 cycles de piston par minute, soit 200 coups d'échappements par minute
-
puis ensuite alternés de 0,2 et 0,4 sec qui correspondent au motif rythmique des machines compound avec 3 cylindres à 120° dont 2 BP fournissant les coups d'échappement à intervalles non équidistants de 60°-120°-60°-120° mais pouvant être perçus comme des double coups d’échappement à intervalles équidistants de 180°-180° lorsque la cadence s’accélère
Si on reprend le même motif rythmique à 4 coups d'échappement équidistants par cycle mais en divisant les durées et intervalles de temps par 10 (sans modifier les fréquences du bruit brun), on passe de 200 à 2000 battements par minute et on obtient le son d'un moteur à combustion interne de type 4 cylindres 4 temps à un ralenti de 1000 tr/min, lors d'un démarrage à froid ou avec combustion de type Diesel (avec des claquements de pistons et bruits d'injection se caractérisant par du bruit réparti sur une large plage de fréquences).
Voir également documents et vidéo ci-après :
https://www.tassignon.be/trains/legein/legein_2.htm#_%3CH3%3E1._Locomotives_%C3%A0
Le monde de la vapeur partie 3 - Le mécanisme - France - Chaîne YouTube GREAT RAILWAYS
Pour les sons de moteurs à combustion interne, voir mon site :