EP0138712A2 - Bloc structural d'insonorisation avec des cavités disposées en séquence - Google Patents

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EP0138712A2
EP0138712A2 EP84402051A EP84402051A EP0138712A2 EP 0138712 A2 EP0138712 A2 EP 0138712A2 EP 84402051 A EP84402051 A EP 84402051A EP 84402051 A EP84402051 A EP 84402051A EP 0138712 A2 EP0138712 A2 EP 0138712A2
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EP
European Patent Office
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cavity
wall
cavities
orifice
walls
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EP84402051A
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EP0138712B1 (fr
Inventor
Miquel C. Junger
Klaus Kleinschmidt
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KLEINDSCHMIDT KLAUS
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KLEINDSCHMIDT KLAUS
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Publication of EP0138712A3 publication Critical patent/EP0138712A3/fr
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    • E04B2001/848—Solid slabs or blocks with acoustical cavities, with or without acoustical filling the cavities opening onto the face of the element
    • E04B2001/8485—Solid slabs or blocks with acoustical cavities, with or without acoustical filling the cavities opening onto the face of the element the opening being restricted, e.g. forming Helmoltz resonators
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    • E04B2001/848—Solid slabs or blocks with acoustical cavities, with or without acoustical filling the cavities opening onto the face of the element
    • E04B2001/849—Groove or slot type openings

Definitions

  • the present invention relates to a structural block having soundproofing properties, and more specifically a soundproofing block made of a molded structural material of the general type described in US Patents Nos. 2,933,146 and 3,866,001, but with a series of internal cavities arranged in cascade and connected by internal slots to produce a multiplicity of sound absorption peaks for preset frequency values.
  • U.S. Patent No. 2,933,146 to Zaldastani and one of the Applicants, describes the general concept of forming structures, such as load-bearing walls and building ceilings, with blocks in a molded aggregate, such as concrete, blocks having one or more interior cavities which communicate with a noise source through one or more slots with substantially parallel sides.
  • the acoustic energy is dissipated mainly by a Helmholtz resonance effect and a "block body” effect resulting from the multiple reflections inside the cavity. Some dissipation may be due to a resonance absorption effect in the air "tube" from the slot to the rear wall of the associated cavity.
  • the Helmholtz resonator effect can be compared to a mass-spring system, in which mass is the air entrained in the slot and the spring is the air in the much larger volume of the cavity.
  • this acoustic resonator has a natural frequency f, for which the absorption of acoustic energy is maximum.
  • Patent No. 3,506,089 to the present Applicant and US Patent No. 3,837,426 describe improvements to the basic concept of Patent 2,933,146.
  • the configuration of the slot is designed to reduce disagreement impedance of the Helmholtz resonator and to increase the natural frequency above that obtained with a slit having a maximum dimension of the throat alone.
  • Patent 3,506,089 describes a first effort in which the slot, instead of having parallel sides, has a configuration which widens outwards.
  • Patent 3,837,426 describes another configuration of the slot, which flares inward. It also provides better response at high frequency, and also other important advantages both in terms of structural resistance (for a given natural frequency) and use.
  • US Patent 3,866,001 describes yet another improvement, in which a diaphragm, usually a thin metal foil, is placed in the cavity.
  • the diaphragm has a differential acoustic transmission, reflecting high frequency sounds in a "front” volume and transmitting low frequency sounds at a “rear” volume far from the associated slot.
  • the incident acoustic energy sees "two cavities with different volumes. This results in two or more absorption peaks for each cavity depending on the number of diaphragms used.
  • diaphragms Although these inventions have generally been found to be commercially satisfactory, there are nevertheless certain drawbacks associated with the use of diaphragms. Metal diaphragms are themselves expensive and must be introduced manually into each cavity, which increases the labor cost associated with manufacturing. In some embodiments, the diaphragms are glued to a fibrous filling material and introduced with it into a cavity. This approach involves the cost of the filling material and the diaphragm and still requires a separate assembly procedure to introduce the diaphragm-filling material assembly into the cavity.
  • Another object is to provide a soundproofing block with the above advantage, which can be formed using only conventional molding methods to form concrete blocks.
  • Another object of this invention is to provide such a block which can also absorb the acoustic energy falling on both its front wall and its rear wall.
  • Another object is to provide a soundproofing structural block with the above advantages, which is compatible with the improvements of US Patents Nos. 3,506,089, 3,837,426 and 3,866,001.
  • Another object is to provide a soundproofing structural block which can be easily manufactured and which has a favorable manufacturing cost compared to the previous blocks, with equivalent characteristics.
  • a soundproofing block of a molded structural material has a generally rectangular configuration, with an open bottom and upper, end, front side and rear side walls molded in one piece with each other. At least one of the side walls, front and rear, those which normally face the acoustic energy to be removed, contains openings, preferably elongated slots, which communicate the external surface block with an internal cavity.
  • the slit and the cavity form an Helmholtz acoustic resonator with a natural frequency f 1 as a function of the cross-sectional area A of the slit and of the volume V of the adjacent interior cavity.
  • Internal walls molded in one piece with the external walls of the block and connecting to these external walls divide the internal space of the block into a multiplicity of cavities, at least two of which are associated with each "external" slot in the block and form a sequence or a series.
  • Interior slots formed in at least one of the interior walls acoustically couple each cavity in a sequence.
  • the volume of the cavities in a sequence gradually increases from the "first" cavity adjacent to the outer slot.
  • the first slot-cavity pair in the series therefore has a natural frequency f 1 which is greater than the natural frequency f 2 of the first interior slot and its associated "second" cavity. If the block has other cavities, then f is greater than f n + 1 , n being the order of the cavity in the sequence.
  • a standard block with two cavities has two interior walls which divide each feels one of the "usual" cavities into two smaller cavities.
  • An orifice preferably in the form of an elongated slot, is formed in each of these interior walls.
  • an interior slot is made in the partition and the other two interior walls are spaced at varying distances from the exterior slots. A sequence of cavities then produces three absorption peaks.
  • a solid interior partition wall extends between the side walls, and the slotted interior walls generally extend transversely to the partition wall.
  • the interior slot is formed in a partition wall running from front to back inside the block to produce a block with only two cavities in sequence.
  • Figures 1 and 2 show, according to a first embodiment of the invention, a load-bearing and sound-absorbing masonry block 12.
  • the block 12 is manufactured using a conventional block molding installation from a curable mixture such as concrete .
  • the mixture is packed during manufacture around at least one male punch 14 of the type shown in FIG. 3.
  • the mold parts are removed before setting. After setting, there remains a hard support element with the cross section shown in Figures 1 and 2.
  • These blocks 12 can be cemented together in rows to form a structure, such as a building wall, which dissipates acoustic energy emanating from a source located on at least one side of the structure.
  • the blocks 12 can be used to form a building ceiling.
  • the block 12 has an external shape similar to a box, generally rectangular, with two closed end walls 16, 16, a third closed wall or upper wall 18 contiguous to the walls 16, 16, a fourth closed wall or rear wall 20 contiguous to the walls 16 and 18, a closed continuous partition wall 22, and a fifth wall or front wall 24 opposite the fourth wall and provided for face the source of the sound to be deleted.
  • a bottom plane 26, opposite the wall 18, is open on the interior cavities 28, 28 and 30, 30 inside the block. Of course, this opening is closed by an upper wall 18 of another block and by a layer of mortar when the blocks 12 are placed in rows to form structures.
  • the front wall 24 has holes 32, 32 in the form of elongated slots with parallel walls.
  • the punch 14 has a projection 14a with sides approaching towards the outside, which produces one of the slots 32, the main bodies 14b and 14c also with sides approaching towards the outside, which produce the cavities 28 and 30 , and a connecting part 14b similar in shape and in location to the projection 14a, which produces an interior slot 34.
  • the separation between the bodies 14b and 14c forms an interior wall 31 separating the cavities.
  • the "front” cavity 28 is in direct acoustic communication with the "outside” slot 32.
  • the “rear” cavity 30 is in direct acoustic communication with the "inside” slot 34.
  • the combination of the front cavity 28 and the slot 32 and the combination of the slot 34 and the cavity 30 each form an acoustic Helmholtz resonator which operates as described in the aforementioned US Patents.
  • the slots 32 each extend in length "vertically" from the plane E : bottom 26 towards the interior surface of the upper wall 28.
  • the width of the slot 32 at the exterior surface of the wall 24, and over the entire depth of the slot, is shown to be practically constant.
  • the slots may decrease as described in US Patents Nos. 3,506,089 or 3,837,426.
  • This embodiment of an open-ended orifice, namely a slot extending to the open plane 26, allows to form slits in a manner compatible with conventional block manufacturing techniques.
  • a main feature of the present invention is the use of interior dividing walls 31 in combination with the "interior" slots 34.
  • Each slot 34 extends from the bottom plane 26 towards the top wall 18 in one direction generally vertical and these slots 34 are moreover preferably made like the slots 32.
  • the slots 34 have practically parallel walls, although they can also have the configurations described in US Patents No. 3,506,089 or 3,837,426.
  • each slot 34 provides an acoustic coupling between the cavity 28 and the cavity 30.
  • the rear volume filled with air 30 and its associated slot 34 form a second acoustic Helmholtz resonator, the first resonator being formed by the slot 32 and the front cavity 28.
  • the two resonators use tsant through the slot as the "mass” of the resonator and the air-filled cavity as the "spring".
  • the natural frequency f of such a resonator is given by the equation and the stiffness k of the "spring" is given by
  • p is the density of air, it is the speed of sound in air
  • A is the cross-sectional area of the orifice (here a slit) facing the incident acoustic waves
  • V is the volume of the cavity
  • L is the depth of the slit in a direction perpendicular to the cross section A.
  • AL is the additional length of the entrained air mass which reacts functionally with the slit to dissipate the acoustic energy.
  • ⁇ L is proportional to A 1/2 .
  • the natural frequency of the resonator can be modified by changing either the dimension of the slot (A) or the volume of the cavity (V).
  • the system is analogous to a spring-mass mechanical system such as that shown in FIG. 3.
  • the mass M 1 corresponds to the mass of air entrained in the first slot 32
  • the mass M 2 corresponds to the mass of air entrained in the slot 34.
  • the springs S 1 and S 2 are analogous respectively to the cavities filled with air 28 and 30.
  • the sound absorption coefficient of several acoustic Helmholtz resonators are plotted as a function of the frequency of the incident acoustic energy.
  • Graph A shows the response of an uncoupled resonator of the prior art with a large cavity (3440 cm 3 ).
  • Graph B shows the response of an uncoupled resonator of the prior art with a small cavity (1344 cm 3 ).
  • Graph C shows the response of these two resonators when they are coupled in sequence according to the present invention. Chart C shows the peaks absorption both in the low frequency range and in the medium frequency range, at about 274 Hz. These measured values correspond well with the values predicted by equation (6).
  • a glass fiber pad is placed inside the cavity adjacent to the outer slot, as described in US Patent 2,933,146. This increases the friction resistance in the slot to the movement of the air mass.
  • the friction resistance should be approximately matched to the resistance to acoustic radiation from the slit, which varies as a function of A2. It has been found that slits with relatively large dimensions (i.e. a high value for A) and glass fiber fillings in the vicinity of the slits produce an overall increase in sound absorption by the block. Furthermore, this tends to widen absorption peaks at the level of natural frequencies.
  • any sequence of cavities only the "most rigid" cavity, that is to say the one with the smallest volume and the highest natural frequency f 1 , is exposed directly to the incident acoustic waves.
  • the following cavities are arranged in descending order of natural frequencies. For any cavity n, with a natural frequency f n , the immediately next cavity n + 1 will have a natural frequency f n + 1 , where f> f n + 1 . This arrangement avoids the situation in which a resonator with one natural frequency f isolates the following interior resonators from the incident acoustic energy with natural frequencies greater than f.
  • FIG. 5 shows a variant of the invention, in which the block 12 '(the identical parts in different embodiments have the same references) has only an external slot 32, and in which the partition 22 has a slot 34 of so that the laterally spaced cavities inside a single block are connected in sequence according to the present invention.
  • the wall 22 therefore functions in the same way as the interior walls 31 in the embodiment of FIGS. 1 and 2.
  • the front cavity 28 communicates directly with the slot 32 and has a smaller volume than the cavity 30 on the opposite side of the partition. 22. As discussed above, this coupling and sequence of cavities produces many absorption peaks. It should be noted that the partition 22 'is moved relative to the central line of the block 12' to produce cavities of different volumes.
  • the cavities 28 and 30 can have a relatively large volume to produce one or two absorption peaks at frequencies lower than those that could be obtained with the smaller cavities of Figures 1 and 2, other parameters such as the size of the slots being the same.
  • Figure 6 shows a block 12 "which is a variant of the embodiment of Figures 1 and 2.
  • the interior walls 31 are at different distances from the front wall 24 and there is an additional slot 34 'located in the partition wall 22 and making the cavities 30 and 30 'communicate.
  • the right cavity 30' is larger than the left cavity 30.
  • the left slot 32 therefore transmits acoustic energy to three cavities, the left cavities 28 and 30 and the right cavity 30 '.
  • the right slot 32 transmits acoustic energy only to the two right cavities 28 and 30'.
  • the additional slot 34 'in the partition 22' and the cavity right 30 ' form a third resonator in the left sequence of cavities.
  • This third resonator has a natural frequency f 3 which is lower than the natural frequencies of the two previous resonators.
  • the right cavity 30' belongs to two sequences of cavities being there eur final cavity. Of course, it is possible to remove the slot 34 '. With interior walls 31 fixed at different depths, the 12 "block still produces four absorption peaks.
  • Figure 7 shows a block 12 '' ' which has a partition 22 which extends longitudinally through the block between the end walls 16, 16 and two interior walls 31 which extend transversely from the front and rear walls to the partition wall.
  • This partition 22 is continuous and full from the upper wall 18 to the plane of the open bottom.
  • the interior walls. 31 each have a slot 34 which forms a second resonator coupled to the rear volume 30 distant from the front volume 28 and its associated external slot 32.
  • a main advantage of the block 12 '' ' is that a slot 32 is located in each of the front and rear walls, respectively 24 and 20.
  • Blocks of this design are particularly useful for constructing dividing walls between two areas, such as two chambers or two lanes of a cut-off highway.
  • a structural and sound absorbing block which is capable of producing multiple absorption peaks for preselected frequencies without using metal diaphragms or other components which must be manufactured separately from the block and then assembled. More specifically, the present invention allows efficient dissipation of incident acoustic energy with multiple absorption peaks, the block can be manufactured in a single molding operation.
  • flared wall slots provide greater energy absorption at high frequencies than those which could be obtained under comparable conditions with the slot with practically parallel walls having a width comparable to the section of the groove of the flared slot.
  • Fibrous filler materials can be used as indicated above or as indicated in the previously mentioned US Patents. It is even possible to use metal diaphragms such as those described in US Patent 3,866,001 in addition to the cavities of the present invention arranged in sequence in special cases where very large absorption peaks are required and where the he available interior space of conventional blocks limits the number of interior walls that can be created.

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Abstract

Un bloc insonorisant (12) en un matériau structural moulé a une séquence de cavités internes (28, 30) qui communiquent avec une région contenant le son à supprimer par l'intermédiaire d'une première fente allongée (32) disposée dans une paroi extérieure (24) du bloc. Les cavités internes sent délimitées par des parois intérieures (22, 31) dont au moins l'une contient également une fente allongée (34) de communication du son. Chaque fente et sa cavité associée (32,28; 34,30) définit un résonateur acoustique de Helmholtz qui dissipe l'énergie sonore tombant sur la fente avec un pic d'absorption à la fréquence naturelle fn. La valeur de fn pour chaque résonateur est inversement proportionnelle à la racine carrée du volume de la cavité. Les cavités intérieures sont disposées en cascade par ordre de rigidité décroissante en commençant au niveau de la première fente. Dans une forme, deux séquences de cavités dans un bloc utilisent une cavité finale commune. Par ailleurs, des fentes extérieures peuvent être formées dans plus d'une paroi pour absorber le son produit dans diverses régions.

Description

  • La présente invention concerne un bloc structural ayant des propriétés d'insonorisation, et de façon plus spécifique un bloc d'insonorisation en un matériau de structure moulé du type général décrit dans les Brevets US Nos 2 933 146 et 3 866 001, mais avec une série de cavités internes disposées en cascade et raccordées par des fentes internes pour produire une multiplicité de pics d'absorption des sons pour des valeurs de fréquences présélectionnés.
  • Le Brevet US N° 2 933 146, à Zaldastani et l'un des présents Demandeurs, décrit le concept général de former des structures, telles que des murs porteurs et des plafonds de bâtiments, avec des blocs en un agrégat moulé,, tel que du béton, les blocs ayant une ou plusieurs cavités intérieures qui communiquent avec une source de bruit par une ou plusieurs fentes à côtés pratiquement parallèles. L'énergie acoustique est dissipée principalement par un effet de résonance de Helmholtz et un effet de "corps de bloc" résultant des multiples réflexions à l'intérieur de la cavité. Une certaine dissipation peut être due à un effet d'absorption par résonance dans le "tube" d'air allant de la fente à la paroi arrière de la cavité associée. L'effet de résonateur de Helmholtz peut être comparé à un système masse-ressort,dans lequel la masse est l'air entraîné dans la fente et le ressort est l'air dans le volume beaucoup plus grand de la cavité. Comme avec tout résonateur de Helmholtz, ce résonateur acoustique a une fréquence naturelle f , pour laquelle l'absorption de l'énergie acoustique est maximale.
  • Le Brevet US N° 3 506 089 au présent Demandeur et le Brevet US N° 3 837 426 décrivent des améliorations au concept de base du Brevet 2 933 146. Dans ces derniers brevets, la configuration de la fente est conçue pour réduire'le désaccord d'impédance du résonateur de Helmholtz et pour augmenter la fréquence naturelle au-dessus de celle obtenue avec une fente ayant une dimension maximale de la gorge seule. Le Brevet 3 506 089 décrit un premier effort dans lequel la fente, au lieu d'avoir des côtés parallèles, a une configuration s'évasant vers l'extérieur. Le Brevet 3 837 426 décrit une autre configuration de la fente, qui s'évase vers l'intérieur. Il procure également une meilleure réponse en haute fréquence, et également d'autres avantages importants à la fois en ce qui concerne la résistance de structure (pour une fréquence naturelle donnée) et l'utilisation. Toutes ces conceptions représentées dans les Brevets 2 933 146, 3 506 089 et 3 837 426 utilisent une fente communiquant avec l'extérieur en association avec une cavité intérieure pour former un résonateur avec un pic d'absorption naturel, même si un seul bloc peut contenir plusieurs tels résonateurs.
  • Le Brevet US 3 866 001 décrit encore une autre amélioration, dans laquelle un diaphragme, habituellement une mince feuille métallique, est placé dans la cavité. Le diaphragme présente une transmission acoustique différentielle, réfléchissant les sons haute fréquence dans un volume "avant" et transmettant les sons basse fréquence à un volume" "arrière" éloigné de la fente associée. En fonction de sa fréquence, l'énergie acoustique incidente "voit" deux cavités avec des volumes différents. Il en résulte deux ou plusieurs pics d'absorption pour chaque cavité en fonction du nombre de diaphragmes utilisés. En faisant varier l'emplacement du ou des diaphragmes à l'intérieur d'une cavité, on peut accorder la réponse de fréquence pour obtenir des pics d'absorption ayant des valeurs désirées ou proches de ces valeurs.
  • Bien que ces inventions se soient généralement révélées commercialement satisfaisantes, il subsiste néanmoins certains inconvénients associés à l'utilisation de diaphragmes. Des diaphragmes métalliques sont par eux-mêmes coûteux et ils doivent être introduits manuellement dans chaque cavité, ce qui augmente le coût de main d'oeuvre associé à la fabrication. Dans certaines réalisations, les diaphragmes sont collés sur un matériau de remplissage fibreux et introduits avec dans une cavité. Cette approche implique le coût du matériau de remplissage et du diaphragme et nécessite encore une procédure d'assemblage séparée pour introduire l'ensemble diaphragme-matériau de remplissage dans la cavité.
  • C'est en conséquence un but principal de cette invention de procurer un bloc structural d'insonorisation qui permet d'obtenir une multiplicité de pics d'absorption par résonance pour des valeurs présélectionnées, mais n'utilise pas un diaphragme mécanique ou une structure équivalente.
  • Un autre but est de procurer un bloc d'insonorisation avec l'avantage précédent, qui peut être formé en utilisant seulement-ides procédés de moulage conventionnels pour former des blocs de béton.
  • Un autre but de cette invention est de procurer un tel bloc qui peut également absorber l'énergie acoustique tombant à la fois sur sa paroi antérieure et sa paroi postérieure.
  • Un autre but est de procurer un bloc structural d'insonorisation avec les avantages précédents, qui soit compatible avec les améliorations des Brevets US Nos 3 506 089, 3 837 426 et 3 866 001.
  • Un autre objet est de procurer un bloc structural d'insonorisation que l'on puisse aisément fabriquer et qui ait un coût de fabrication favorable par rapport aux blocs antérieurs, avec des caractéristiques équivalentes.
  • Un bloc d'insonorisation.en un matériau de structure moulé a une configuration généralement rectangulaire, avec un fond ouvert et des parois supérieure, terminales, latérale avant et latérale arrière moulées d'une seule pièce les unes avec les autres. Au moins l'une des parois latérales, avant et arrière, celles qui font normalement face à l'énergie acoustique à supprimer, contient des ouvertures, de préférence des fentes allongées, qui font communiquer la surface extérieure bloc avec une cavité intérieure. La fente et la cavité forment un résonateur acoustique de Helmholtz avec une fréquence naturelle f1 fonction de la surface en section transversale A de la fente et du volume V de la cavité intérieure adjacente.
  • Des parois intérieures moulées d'une seule pièce avec les parois extérieures du bloc et se reliant à ces parois extérieures divisent l'espace intérieur du bloc en une multiplicité de cavités, dont au moins deux sont associées avec chaque fente "extérieure" dans le bloc et forment une séquence ou une série. Des fentes intérieures formées dans au moins l'une des parois intérieures couplent acoustiquement chaque cavité en une séquence. Le volume des cavités dans une séquence augmente progressivement depuis la "première" cavité adjacente à la fente extérieure. La première paire fente-cavité dans la série a en conséquence une fréquence naturelle f1 qui est supérieure à la fréquence naturelle f2 de la première fente intérieure et de sa "deuxième" cavité associée. Si le bloc a d'autres cavités, alors f est supérieur à fn+1, n étant l'ordre de la cavité dans la séquence.
  • Sous une forme, un bloc standard à deux cavités (avec une cloison centrale continue pleine s'étendant de la paroi avant à la paroi arrière) a deux parois intérieures qui divisent chacune l'une des cavités "usuelles" en deux cavités plus petites. Un orifice, de préférence sous la forme d'une fente allongée, est formé dans chacune de ces parois intérieures. Dans une variante de cette réalisation, une fente intérieure est réalisée dans la cloison de séparation et les deux autres parois intérieures sont espacées à des distances variables des fentes extérieures. Une séquence de cavités produit alors trois pics d'absorption. Dans une autre forme, une cloison de séparation intérieure pleine s'étend entre les parois latérales, et les parois intérieures fendues s'étendent généralement transversalement à la cloison de séparation.Sous une autre forme, la fente intérieure est formée dans une cloison de séparation allant de l'avant à l'arrière à l'intérieur du bloc pour produire un bloc avec seulement deux cavités en séquence.
  • Ces caractéristiques et ces? buts de la présente invention seront mieux compris à la lecture de la description détaillée suivante, en liaison avec le dessin joint, sur lequel :
    • - la figure 1 est une vue en plan d'un bloc de maçonnerie selon l'invention;
    • - la figure 2 est une vue en coupe verticale prise selon la ligne II-II de la figure 1;
    • - la figure 3 est une vue en perspective d'une pièce de moule mâle utilisée dans la fabrication du bloc représenté sur la figure 1;
    • - la figure 4 est une représentation schématique d'un système mécanique ressort-masse analogue à un résonateur à deux cavités en séquence selon la présente invention;
    • - la figure 5 est une vue en plan correspondant à la figure 1 d'une variante de l'invention;
    • - la figure 6 est une vue en plan correspondant à la figure 1 d'une variante de l'invention, pouvant produire quatre pics d'absorption;
    • - la figure 7 est une vue en plan correspondant à la figure 1 d'une autre réalisation de l'invention conçue pour dissiper l'énergie acoustique provenant de côtés opposés du bloc; et
    • - la figure 8 est un graphique des coefficients d'insonorisation de trois résonateurs d'Helmholtz acoustiques, deux résonateurs antérieurs et un résonateur à cavités en séquence selon la présente invention, mesurés en fonction de la fréquence de l'énergie acoustique incidente.
  • Les figures 1 et 2 montrent, selon une première réalisation de l'invention, un bloc de maçonnerie 12 porteur et insonorisant.Le bloc 12 est fabriqué en utilisant une installation de moulage de bloc classique à partir d'un mélange durcissable tel que du béton. Le mélange est tassé à la fabrication autour d'au moins un poinçon mâle 14 du type représenté sur la figure 3. Les pièces du moule sont enlevées avant la prise. Après la prise, il reste un élément porteur dur avec la section transversale représentée sur les figures 1 et 2. Ces blocs 12 peuvent être cimentés ensemble en rangées pour former une structure, telle qu'un mur de bâtiment, qui dissipe l'énergie acoustique émanant d'une source située sur au moins undôôté de la structure. Dans une configuration modifiée, les blocs 12 peuvent être utilisés pour former un plafond de bâtiment.
  • Le bloc 12 a une forme extérieure analogue à une boîte, généralement rectangulaire, avec deux parois terminales fermées 16, 16, une troisième paroi fermée ou paroi supérieure 18 contiguë aux parois 16, 16, une quatrième paroi fermée ou paroi arrière 20 contiguë aux parois 16 et 18, une cloison de séparation continue fermée 22, et une cinquième paroi ou paroi avant 24 opposée à la quatrième paroi et prévue pour faire face à la source du son à supprimer. Un plan de fond 26, opposé à la paroi 18, est ouvert sur les cavités intérieures 28, 28 et 30, 30 à l'intérieur du bloc. Bien entendu, cette ouverture est fermée par une paroi supérieure 18 d'un autre bloc et par une couche de mortier lorsque les blocs 12 sont posés en rangées pour former des structures. La paroi avant 24 a des orifices 32, 32 sous la forme de fentes allongées à parois parallèles.
  • Le poinçon 14 a une saillie 14a avec des côtés se rapprochant vers l'extérieur, qui produit l'une des fentes 32, des corps principaux 14b et 14c également avec des côtés se rapprochant vers l'extérieur, qui produisent les cavités 28 et 30, et une pièce de liaison 14b semblable en forme et en emplacement à la saillie 14a, qui produit une fente intérieure 34. La séparation entre les corps 14b et 14c forme une paroi intérieure 31 séparant les cavités. La cavité "avant" 28 est en communication acoustique directe avec la fente "extérieure" 32. La cavité "arrière" 30 est en communication acoustique directe avec la fente "intérieure" 34. La combinaison de la cavité avant 28 et de la fente 32 et la combinaison de la fente 34 et de la cavité 30 forment chacune un résonateur de Helmholtz acoustique qui fonctionne de la manière décrite dans les Brevets US précités.
  • Les fentes 32 s'étendent chacune en longueur "verticalement" depuis le plan dE: fond 26 en direction de la surface intérieure de la paroi supérieure 28. La largeur de la fente 32 au niveau de la surface extérieure de la paroi 24, et sur toute la profondeur de la fente, est représentée pratiquement constante. Cependant, les fentes peuvent aller en diminuant comme il est décrit dans les Brevets US Nos 3 506 089 ou 3 837 426. Cette réalisation d'un orifice à extrémités ouvertes, à savoir une fente s'étendant jusqu'au plan ouvert 26, permet de former des fentes d'une manière compatible avec les techniques conventionnelles de fabrication des blocs.
  • Une caractéristique principale de la présente.invention est l'utilisation de parois de division intérieures 31 en combinaison avec les fentes "intérieures" 34. Chaque fente 34 s'étend depuis le plan de fond 26 en direction de la paroi supérieure 18 dans une direction généralement verticale et ces fentes 34 sont par ailleurs de préférence réalisées comme les fentes 32. Comme on le voit, les fentes 34 ont des parois pratiquement parallèles, bien qu'elles puissent également présenter les configurations décrites dans les Brevets US N° 3 506 089 ou 3 837 426. En tout cas, chaque fente 34 procure un couplage acoustique entre la cavité 28 et la cavité 30. Par ailleurs, le volume arrière rempli d'air 30 et sa fente associée 34 forment un deuxième résonateur de Helmholtz acoustique, le premier résonateur étant formé par la fente 32 et la cavité avant 28. Les deux résonateurs utilisent tsant à travers la fente comme la "masse" du résonateur et la cavité remplie d'air comme le "ressort". La fréquence naturelle f d'un tel résonateur est donnée par l'équation
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002
    et la raideur k du "ressort" est donnée par
    Figure imgb0003
  • Dans ces équations, p est la densité de l'air, c'est la vitesse du son dans l'air, A est la surface en section transversale de l'orifice (ici une fente) faisant face aux ondes acoustiques incidentes, V est le volume de la cavité, L est la profondeur de la fente dans une direction perpendiculaire à la section transversale A., et AL est la longueur additionnelle de la masse d'air entraînée qui réagit fonctionnellement avec la fente pour dissiper l'énergie acoustique. ΔL est proportionnelle à A1/2.
  • En combinant les équations (2) et (3) avec l'équation (1), on voit que l'absorption des pics survient à une fréquence fn où
    Figure imgb0004
  • Ainsi, pour un bloc avec une épaisseur de paroi donnée (et de ce fait L) et une configuration de fente donnée, la fréquence naturelle du résonateur peut être modifiée en changeant, soit la dimension de la fente (A), soit le volume de la cavité (V).
  • Lorsque deux tels résonateurs sont couplés en série (comme c'est le cas pour les résonateurs définis par la fente 32 et la cavité 28 et par la fente 34 et la cavité 30), le système est analogue à un système mécanique ressort-masse tel que celui représenté sur la figure 3. La masse M1 correspond à la masse d'air entraînée dans la première fente 32 et la masse M2 correspond à la masse d'air entraînée dans la fente 34. Les ressorts S1 et S2 sont analogues respectivement aux cavités remplies d'air 28 et 30. Pour la simplicité de l'analyse, si on suppose que les fentes 32 et 34 sonti.identiques (et de ce fait leurs valeurs de K, L et ΔL sont les mêmes), les fréquences naturelles des deux résonateurs, s'ils ne sont pas couplés, c'est-à-dire s'ils agissent totalement indépendamment l'un de l'autre et ne sont pas couplés en série, seraient
    Figure imgb0005
    Où les suffixes I et II désignent respectivement les résonances associées à la plus grande et à la plus petite des deux cavités.
  • Lorsque les résonateurs sont couplés, soit mécaniquement comme représenté sur la figure 3, soit acoustiquement par la fente 34 comme on le voit sur les figures 1 et 2, le système couplé présente deux nouvelles fréquences naturelles fa et fb qui sont différentes de fI ou fII. Des analyses connues d'un système mécanique analogue, on peut tirer les équations suivantes :
    Figure imgb0006
  • La production de ces deux fréquences naturelles du fait du couplage est en outre démontrée par l'exemple suivant. Pour un bloc de béton caractéristique de 20,3 cm à deux cavités (20,3 x 20,3 x 40,6 cm), les valeurs caractéristiques sont V1 = 3440 cm3, V2 = 1344 cm3, L = 1,9 cm, ΔL = 1,3 cm et A = 5,16 cm2. Avec ces valeurs, on tire de l'équation (5) : fI = 119 Hz et fII = 191 Hz. En substituant ces valeurs dans l'équation (6), on obtient fa = 110 Hz et fb = 274 Hz. En reliant cette description à la figure 1, V1 est la cavité 30, V2 est la cavité 28, fa est f2 et fb est f1. L'analyse peut être généralisée pour N fréquences naturelles fa, fb, ... fN de N résonateurs couplés, dont les fréquences naturelles à l'état non couplé seraient fI, fII, fIII ...
  • En se reportant à la figure 8, le coefficient d'absorption acoustique de plusieurs résonateurs de Helmholtz acoustiques sont tracés en fonction de la fréquence de l'énergie acoustique incidente. Le graphique A montre la réponse d'un résonateur non couplé de la technique antérieure avec une'grande cavité (3440 cm3). Le graphique B montre la réponse d'un résonateur non couplé de la technique antérieure avec une petite cavité (1344 cm3). Le graphique C montre la réponse de ces deux résonateurs lorsqu'ils sont couplés en séquence selon la présente invention. Le graphique C montre les pics d'absorption à la fois dans la plage des basses fréquences et dans la plage des fréquences moyennes, à environ 274 Hz. Ces valeurs mesurées correspondent bien avec les valeurs prévues par l'équation (6). En préparant ces graphiques, on place un tampon de fibresde verre à l'intérieur de la cavité adjacente à la fente extérieure, comme il est décrit dans le Brevet US 2 933 146. Ceci augmente la résistance par frottement dans la fente au mouvement de la masse d'air. Cependant,la résistance de frottement doit être'approximativement accordée à la résistance au rayonnement acoustique de la fente, qui varie en fonction de A2. On a trouvé que des fentes avec des dimensions relativement grandes (c'est-à-dire une valeur élevée pour A) et des remplissages de fibres de verre au voisinage des fentes produisent une élévation globale de l'absorption acoustique par le bloc. Par ailleurs, ceci tend à élargir les pics d'absorption au niveau des fréquences naturelles.
  • Dans toute séquence de cavités selon cette invention, seule la cavité "la plus rigide", c'est-à-dire celle qui a le plus petit volume et la fréquence naturelle la plus élevée f1, est exposée directement aux ondes acoustiques incidentes. Les cavités suivantes sont disposées par ordre décroissant de fréquences naturelles. Pour toute cavité n, avec une fréquence naturelle fn, la cavité immédiatement suivante n+1 aura une fréquence naturelle fn+1, où f > fn+1. Cet agencement évite la situation dans laquelle un résonateur avecoune fréquence naturelle f isole les résonateurs intérieurs suivants de l'énergie acoustique incidente avec des fréquences natu- rellessupérieures à f .
  • La figure 5 montre une variante de l'invention, dans laquelle le bloc 12' (les parties identiques dans des réalisations différentes ont les mêmes repères) a seulement une fente extérieure 32, et dans laquelle la cloison de séparation 22 a une fente 34 de sorte que les cavités espacées latéralement à l'intérieur d'un seul bloc sont raccordées en séquence selon la présente invention. La paroi 22 fonctionne donc de la même manière que les parois intérieures 31 dans la réalisation des figures 1 et 2. La cavité avant 28 communique directement avec la fente 32 et a un plus petit volume que la cavité 30 sur le côté opposé de la cloison 22. Comme discuté ci-dessus, ce couplage et cette séquence des cavités produit de nombreux pics d'absorption. On doit noter que la cloison de séparation 22' est déplacée par rapport à la ligne centrale du bloc 12' pour produire des cavités de volumes différents. Par ailleurs, en supposant que les dimensions extérieures du bloc 12' sont les mêmes que celle du bloc 12 des figures 1 et 2, les cavités 28 et 30 peuvent avoir un volume relativement important pour produire un ou deux pics d'absorption à des fréquences plus basses que celles qu'on pourrait obtenir avec les cavités plus petites des figures 1 et 2, d'autres paramètres tels que la dimension des fentes étant les mêmes.
  • La figure 6 montre un bloc 12" qui est une variante de la réalisation des figures 1 et 2. Les parois intérieures 31 sont à des distances différentes de la paroi avant 24 et il y a une fente additionnelle 34' située dans la cloison de séparation 22 et faisant communiquer les cavités 30 et 30'. Comme on le voit, la cavité droite 30' est plus grande que la cavité gauche 30. Comme discuté ci-dessus,la fente gauche 32 transmet donc l'énergie acoustique à trois cavités, les cavités gauches 28 et 30 et la cavité droite 30'. Comme on le voit,la fente droite 32 transmet l'énergie acoustique seulement aux deux cavités droites 28 et 30'. La fente additionnelle 34' dans la cloison 22' et la cavité droite 30' forment un troisième résonateur dans la séquence gauche de cavités. Ce troisième résonateur a une fréquence naturelle f3 qui est inférieure aux fréquences naturelles des.deux résonateurs précédents. Dans cette réalisation, la cavité droite 30' appartient à deux séquences de cavités en étant leur cavité finale. Bien entendu, il est possible de supprimer la fente 34'. Avec les parois intérieures 31 fixées à des profondeurs différentes, le bloc 12" produit encore quatre pics d'absorption.
  • La figure 7 montre un bloc 12' ' ' qui a une cloison de séparation 22 qui s'étend longitudinalement à travers le bloc entre les parois terminales 16, 16 et deux parois intérieures 31 qui s'étendent transversalement des parois avant et arrière à la cloison de séparation. Cette cloison 22 est continue et pleine depuis la paroi supérieure 18 jusqu'au plan du fond ouvert. Les parois intérieures.31 ont chacune une fente 34 qui forme un deuxième résonateur couplé du volume arrière 30 éloigné du volume avant 28 et de sa fente extérieure associée 32. Un avantage principal du bloc 12' ' ' est qu'une fente 32 est située dans chacune des parois avant et arrière, respectivement 24 et 20. En conséquence, le bloc 12''' peut recevoir et dissiper, pour de multiples pics d'absorption présélectiônnés,l'énergie acoustique émanant de sources dans deux régions séparées, c'est-à-dire des deux côtés du bloc. Des blocs de cette conception sont.particulièrement utiles pour construire des murs de-séparation entre deux zones, telles que deux chambres ou deux voies d'une autoroute en déblai.
  • On vient de décrire un bloc structural porteur et insonorisant, qui est capable de produire de multiples pics d'absorption pour des fréquences présélectionnées sans utiliser de diaphragmes métalliques ou autres composants qui doivent être fabriqués séparément du bloc et ensuite assemblés. De façon plus spécifique, la présente invention permet une dissipation efficace de l'énergie acoustique incidente avec de multiples pics d'absorption, le bloc pouvant être fabriqué en une seule opération de moulage.
  • Bien que l'invention ait été décrite en envisageant ces réalisations préférées, il est bien entendu que l'homme de l'art peut apporter diverses modifications à la description détaillée précédente et aux dessins joints. Par exemple, bien que l'orifice communiquant avec une cavité intérieure ait été décrit comme étant une fente allongée à extrémité ouverte, il est possible d'atteindre les résultats de la présente invention avec une ouverture ayant une forme différente, par exemple une fente horizontale, et non verticale, ou une ouverture fermée dans la paroi du bloc. Toutefois, ces configurations ne sont pas aussi compatibles avec les installations et les procédés de moulage conventionnels et, en conséquence, elles ne sont pas préférées.-De même, l'invention a été décrite en se reportant à des fentes à parois parallèles, tandis qu'il peut être souhaitable pour une application donnée d'utiliser des fentes de paroi évasées du type décrit dans les brevets US No 3 506 089 ou 3 837 426. Ces fentes de paroi évasées procurent une absorption d'énergie plus importante aux fréquences élevées que celles qu'on pourrait obtenir dans des conditions comparables avec la fente à parois pratiquement parallèles ayant une largeur comparable à la section de la gorge de la fente évasée. On peut utiliser des matériaux de remplissage fibreux comme il est indiqué ci-dessus ou comme il est indiqué dans les Brevets US mentionnés précédemment. Il est même possible d'utiliser des diaphragmes métalliques tels que ceux décrits dans leBrevet US 3 866 001 en plus des cavités de la présente invention disposées en séquence dans des cas spéciaux où l'on exige de très nombreux pics d'absorption et où l'espace intérieur disponible des blocs conventionnels limite le nombre des parois intérieures pouvant être créées. Ces modifications et d'autres .également sont prévues rester à l'intérieur de la portée des revendications jointes.

Claims (11)

1. Bloc insonorisant en matériau structural moulé, ayant une paroi avant (24), une paroi arrière (20), deux parois terminales (16, 16), une paroi supérieure (18) et une ouverture opposée à cette paroi supérieure, dans lequel au moins la surface extérieure de la paroi avant reçoit l'énergie acoustique à absorber, les parois étant d'une seule pièce les unes avec les autres pour permettre au bloc de supporter les charges et pour définir un espace intérieur, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une paroi intérieure (31) qui divise l'espace intérieur en une multiplicité de cavités disposées en séquence, comportant au moins une première cavité (28) adjacente à la paroi recevant le son (24) et une deuxième cavité (30) séparée de la première cavité par cette paroi intérieure (31), un premier orifice (32) formé dans la paroi avant (24), ce premier orifice et cette première cavité formant un premier résonateur acoustique qui dissipe l'énergie acoustique à une fréquence naturelle (fI), et un deuxième orifice (34) formé dans la paroi intérieure pour coupler acoustiquement ces cavités disposées en séquence, ce deuxième orifice et cette deuxième cavité (30) formant un deuxième résonateur acoustique qui dissipe l'énergie acoustique à une fréquence naturelle (f2), où (f1 > f2)'
2. Bloc insonorisant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier et le deuxième orifice sont chacun des fentes allongées qui s'étendent verticalement depuis liou- verture en direction de la paroi supérieure (18).
3. Bloc insonorisant selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte N parois intérieures ayant chacune l'un des deuxièmes orifices sous forme de fente allongée pour former une séquence de N+1 résonateurs couplés acoustiquement, chaque résonateur ayant une fréquence naturelle f n, et f n-1 > f n, où n = 1, 2, ... N+1, et où f1 est la fréquence naturelle associée au résonateur utilisant le premier orifice (32).
4. Bloc insonorisant selon la revendication 1 ou la révendi- cation 2, caractérisé en ce que ce bloc a une cloison de séparation continue (22) qui s'étend de l'ouverture aux parois supérieure (18), avant (24) et arrière (20) pour diviser l'espace intérieur en deux sous-espaces, en ce que chacun de ces sous-espaces contient une des parois intérieures (31), chacune avec un des seconds orifices (34), ces parois intérieures (31) s'étendant généralement transversalement à la cloison de séparation (22), et en ce que la paroi avant (24) contient deux premières fentes (32) communiquant chacune avec l'une des premières cavités (28).
5. Bloc insonorisant selon la revendication 4, caractérisé en ce que cette cloison de séparation (22') contient l'un des seconds orifices (34') faisant communiquer les deuxièmes cavités (30, 30').
6. Bloc insonorisant selon la revendication 5, caractérisé en ce que les parois intérieures (31) sont disposées pour créer des deuxièmes...cavités (30) de volumes inégaux, d'où il résulte que la fréquence naturelle f2 associée à une deuxième cavité est supérieure à la fréquence naturelle f'2 associée à l'autre deuxième cavité.
7. Bloc insonorisant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi intérieure (31) s'étend généralement dans une direction perpendiculaire à la surface extérieure et est disposée latéralement à l'intérieur du bloc de sorte que la première cavité a un volume plus petit que la deuxième cavité.
8. Bloc insonorisant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un troisième orifice (32) similaire au premier orifice et disposé dans la paroi arrière (20) pour recevoir et dissiper l'énergie acoustique tombant sur cette paroi arrière, et plusieurs parois intérieures (31) pour définir plusieurs cavités pour chacun du premier et du deuxième orifices.
9. Bloc insonorisant selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte une cloison de séparation continue (22) s'étendant entre la face ouverte (26), la paroi supérieure (18) et les parois terminales (16, 16), les parois intérieures (31) s'étendant entre la-face ouverte (26), la paroi supérieure (18), cette cloison de séparation continue (22) et les parois avant (24) et arrière (20).
10. Bloc insonorisant selon la revendication 1,caractérisé en ce que la dimension des orifices et le volume des cavités sont choisis pour accorder les fréquences naturelles, lorsque les cavités ne sont pas couplées, aux valeurs désirées selon la formule fn = (c/2π) (A/V(L+ΔL)1/2, où c est la vitesse du son dans l'air, A est la surface en coupe transversale de l'orifice, V est le volume de la cavité associée à cet orifice, L est la profondeur de l'orifice dans une direction perpendiculaire à la surface en section transversale A de l'orifice,et AL est la longueur additionnelle de la masse d'air entraînée, qui est proportionnelle à A1/2.
11. Bloc insonorisant selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un matériau insonorisant poreux disposé derrière au moins le premier orifice pour augmenter et élargir l'absorption acoustique associée pour la fréquence naturelle f1 de ce premier résonateur.
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