EP0292877A1 - Revêtement de paroi absorbant les ondes acoustiques en milieu liquide - Google Patents

Revêtement de paroi absorbant les ondes acoustiques en milieu liquide Download PDF

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EP0292877A1
EP0292877A1 EP88108044A EP88108044A EP0292877A1 EP 0292877 A1 EP0292877 A1 EP 0292877A1 EP 88108044 A EP88108044 A EP 88108044A EP 88108044 A EP88108044 A EP 88108044A EP 0292877 A1 EP0292877 A1 EP 0292877A1
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liquid
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Etienne Rouget De Gourcez
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Vibrachoc SAS
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Vibrachoc SAS
Alstom SA
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    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/172—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general using resonance effects
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24149—Honeycomb-like

Definitions

  • the present invention relates to a wall covering absorbing acoustic waves.
  • a noise source and a rigid-walled body are placed in a fluid medium where sound waves can propagate, part of the energy carried by the waves hitting the wall is reflected by it, part is transmitted through the wall, and a small part is absorbed by the material constituting the wall or its coating.
  • the value of the ratio of the energy absorbed to the incident energy, or absorption coefficient depends on the nature of the material constituting or coating the wall, and on the frequency of the sound.
  • the ideal coating would be one that: - would cancel any reflection, even partial, of the incident waves; - would act in a wide frequency band, band which, in the case of water, includes in particular the low frequencies between 10 and 1000 Hertz.
  • Certain known coatings appear to be very insufficient when the ambient medium is constituted by a liquid, especially for low frequencies below 1000 Hz.
  • This coating has a rear face intended to be applied to a rigid base wall and a front face intended to bathe in an ambient medium, in particular a liquid, traversed by acoustic waves. It comprises : - fixed auxiliary walls perpendicular to the base wall and leaving between them elongated energy dissipation conduits in a longitudinal direction also perpendicular to this wall, these conduits being filled with a dissipating material having a kinematic viscosity greater than that of the ambient liquid so that this material dissipates energy by friction when it oscillates longitudinally in these conduits under the action of said acoustic waves, - and a clearance space at the rear of these dissipation conduits to allow this dissipative material to freely carry out such oscillations,
  • said dissipating material is a complex liquid and said clearance space is occupied by flexible enclosures swollen with a gas whose elasticity allows and conditions the oscillations of this liquid.
  • the latter must be separated from the ambient fluid by a membrane which must be both transparent to the acoustic waves to be damped, and sufficiently resistant not to be deteriorated in service. The realization of such a membrane sometimes poses problems.
  • the object of the present invention is to obtain an effective absorption of the acoustic waves in a liquid ambient medium, even at low frequencies, by means of a coating which is more robust and easy to manufacture.
  • this coating which has the above-mentioned common provisions, this coating being characterized by the fact that said dissipative material is a viscoelastic material which responds to a stress by a significant deformation with viscous friction and which responds to the stopping of 'Such a stress by a spontaneous and gradual return to its initial shape, this material adhering to said fixed auxiliary walls so that its elasticity ensures its return in place after a longitudinal displacement.
  • - Said dissipating material contains a mixture of an elastomer and a pulverulent filler, and said clearance space contains a gas.
  • - Said auxiliary walls extend in the thickness of said dissipating material and in that of said clearance space up to said base wall to which they are fixed to thereby ensure the fixing of the entire coating.
  • - Said auxiliary walls form watertight compartments for said gas in said clearance space.
  • - Said gas is enclosed in said clearance space under a pressure which may be greater than atmospheric pressure so as to prevent said dissipative material from being too deformed when the hydrostatic pressure of ambient water increases.
  • the adjacent dissipation conduits may not be completely separated from each other by the auxiliary walls; the important point according to the invention is that there are zones, the conduits, in which the dissipating material can practically deform under the influence of acoustic waves, and rigid elements which, by adhesion, cancel the movement of this material to their contact.
  • the equivalent hydraulic diameter d is equal to the diameter of the conduits if they have a circular section. If their section has a different regular shape, the equivalent hydraulic diameter can be defined as equal to four times the ratio of the area of the straight section of the duct to the wet perimeter.
  • the wet perimeter above is the length, in each cross section, of the line which constitutes the border between the immobilization zone and the zone where a limited displacement of the material is possible, this displacement increasing with the distance from the nearest border line.
  • the frequencies of the waves to be absorbed extend over a wide spectrum and often fall below around 1000 Hz.
  • an absorbent coating is placed against a base wall 1, rigid and immersed in an ambient medium consisting of water 2, comprising, in succession in the medium-wall direction, the following elements: - a metallic honeycomb 5 constituting the dissipation conduits 4; these conduits have a length of the order of 100 mm, a hexagonal section with a section close to 1 cm2 and are full of a viscoelastic material designated by the same reference number 4 and constituted for example by one of the following mixtures Polyisoprenes 100 and 2000 are defined in document FR-A 2 255 313 (GOLE).
  • the expression CBS means cyclohexyl benzothiazole sulfonamide.
  • the honeycomb 5 continues at the rear of this material up to the base wall 1 over a length of for example 60 mm to form compartments 6 which are filled with air at two or three bars and which constitute said clearance space.
  • the metal honeycomb shown in FIG. 2 is replaced by an embossed paper coated with resin delimiting, by gluing, said energy dissipation conduits.
  • the conduits containing the dissipating material are of substantially rectangular section and constituted by the stacking of ribbed plates 14.
  • the ribs 15 of these plates are of a height close to 5 mm and they delimit conduits between them 16.
  • the auxiliary walls have the form of superimposed corrugated sheets such as 20 forming between them conduits such as 22.

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Abstract

Le revêtement est immergé dans de l'eau (2). Un matériau viscoélasti­que (4) est coulé dans des conduits formés par des parois auxiliaires rigides (5) fixées à la paroi de base (1). Le fond de ces conduits (6) contient de l'air.L'invention s'applique notamment à la protection contre les bruits sous-­marins.

Description

  • La présente invention concerne un revêtement de paroi absorbant les ondes acoustiques. Lorsqu'une source de bruit et un corps à paroi rigide sont placés dans un milieu fluide où les ondes sonores peuvent se propager, une partie de l'énergie véhiculée par les ondes frappant la paroi est réfléchie par celle-ci, une partie est transmise à travers la paroi, et une faible partie est absorbée par le matériau constituant la paroi ou son revêtement.
  • La valeur du rapport de l'énergie absorbée à l'énergie incidente, ou coefficient d'absorption, est fonction de la nature du matériau constituant ou revêtant la paroi, et de la fréquence du son.
  • Dans l'air, on connaît plusieurs types de dispositifs pour obtenir de forts coefficients d'absorption :
        - Les matériaux poreux dans les interstices desquels l'énergie acoustique est transformée en chaleur par les turbulences et frottements dans ces interstices : lorsque l'onde incidente parvient à la partie rigide et pleine de la paroi, elle a perdu son énergie et la réflexion est très faible.
        - Les panneaux élastiques qui constituent un système masse-ressort : lorsque la période de vibrations de ce dispositif est du même ordre que celle de l'onde sonore, une partie de l'énergie incidente est transformée en énergie mécanique, puis dissipée en frottements internes ou déformations.
        - Les résonateurs à cavités qui jouent également comme un système masse-ressort dont la masse et l'élasticité sont celles de l'air : à la résonance, une partie de l'énergie est dissipée par la perte de charge de l'air dans le col du résonateur.
  • Dans tous les cas, la difficulté est d'obtenir une efficacité dans une bande de fréquence suffisamment large :
        - Le premier type n'a d'efficacité que pour les fréquences élevées.
        - L'inconvénient des deux derniers types est la limitation de leur efficacité à une bande de fréquence très étroite centrée sur la fréquence propre de ces systèmes.
  • Dans l'eau, le même problème se pose aussi : augmenter le coeffi­cient d'absorption d'une paroi :
        - soit pour diminuer l'énergie réfléchie par une paroi immergée à proximité de sources de bruit d'une part et de détecteurs acoustiques d'autre part. Une telle paroi est liée par exemple à une plate-forme de forage ou d'exploitation pétrolière "offshore" à positionnement dynami­que.
        - soit pour simuler des propagations d'ondes en milieu infini dans des laboratoires de mesures de bruits.
  • Le revêtement idéal serait celui qui :
        - annulerait toute réflexion, même partielle, des ondes inciden­tes ;
        - agirait dans une large bande de fréquence, bande qui, dans le cas de l'eau, comprend notamment les basses fréquences entre 10 et 1000 Hertz.
  • Certains revêtements connus apparaissent très insuffisants lorsque le milieu ambiant est constitué par un liquide, surtout pour les basses fréquences inférieures à 1000 Hz.
  • C'est pourquoi le document de brevet FR-A 2 562 699 et ses corres­pondants EP-A 0161458 et US-A 4 560 028 (Alsthom Atlantique Fo 13666) ont proposé un revêtement réalisé selon les dispositions suivantes qui sont communes, quant à certaines de leurs fonctions, à ce revêtement connu et au revêtement selon la présente invention.
  • Ce revêtement présente une face arrière destinée à être appliquée sur une paroi de base rigide et une face avant destinée à baigner dans un milieu ambiant, notamment un liquide, parcouru par des ondes acousti­ques. Il comporte :
    - des parois auxiliaires fixes perpendiculaires à la paroi de base et laissant entre elles des conduits de dissipation d'énergie allongés selon une direction longitudinale également perpendiculaire à cette paroi, ces conduits étant remplis d'un matériau dissipateur présentant une viscosité cinématique supérieure à celle du liquide ambiant pour que ce matériau dissipe de l'énergie par frottement quand il oscille longi­tudinalement dans ces conduits sous l'action desdites ondes acoustiques,
    - et un espace de débattement à l'arrière de ces conduits de dissipation pour permettre à ce matériau dissipateur d'effectuer librement de telles oscillations,
  • Dans ce revêtement connu ledit matériau dissipateur est un liquide complexe et ledit espace de débattement est occupé par des enceintes souples gonflées d'un gaz dont l'élasticité permet et conditionne les oscillations de ce liquide. Ce dernier doit être séparé du fluide ambiant par une membrane qui doit être à la fois transparente aux ondes acousti­ques à amortir, et suffisamment résistante pour ne pas être détériorée en service. La réalisation d'une telle membrane pose parfois des problèmes.
  • La présente invention a pour but d'obtenir une absorption efficace des ondes acoustiques dans un milieu ambiant liquide, même à basses fréquences, à l'aide d'un revêtement plus robuste et facile à fabriquer.
  • Et elle a pour objet un revêtement qui présente les dispositions communes précédemment énoncées, ce revêtement étant caractérisé par le fait que ledit matériau dissipateur est un matériau viscoélastique qui répond à une sollicitation par une déformation importante avec frot­tement visqueux et qui répond à l'arrêt d'une telle sollicitation par un retour spontané et progressif à sa forme initiale, ce matériau adhérant auxdites parois auxiliaires fixes de manière que son élasticité assure son retour en place après un déplacement longitudinal.
  • Selon l'invention on adopte de plus, de préférence, les disposi­tions complémentaires suivantes.
  • Lorsque le revêtement est destiné à absorber des ondes de fré­quence f (unité : s⁻¹) l'expression :
    32 x G′ x tgA x 1/d² x 6,283 x f x p₀ x C₀
    a une valeur comprise entre 0,2 et 5 environ,
    - G′ étant le module de cisaillement dudit matériau viscoélastique (uni­té : N.m⁻²),
    - tgA étant la tangente de son angle de perte, c'est-à-dire le rapport entre les composantes visqueuse et élastique de ce module,
    - l étant la longueur desdits conduits occupés par ce matériau, c'est-à-­dire l'épaisseur de ce dernier, (unité :m),
    - d étant le diamètre hydraulique équivalent de ces consuits, (uni­té :m),
    - p₀ étant la masse spécifique dudit liquide ambiant (unité :kg.m⁻³)
    - et C₀ la vitesse des ondes acoustiques dans ce liquide (unité :m.s⁻¹).
    - Ledit matériau dissipateur contient un mélange d'un élastomère et d'une charge pulvérulente, et ledit espace de débattement contient un gaz.
    - Lesdites parois auxiliaires s'étendent dans l'épaisseur dudit matériau dissipateur et dans celle dudit espace de débattement jusqu'à ladite paroi de base à laquelle elles sont fixées pour assurer ainsi la fixation de l'ensemble du revêtement.
    - Lesdites parois auxiliaires forment des compartiments étanches pour ledit gaz dans ledit espace de débattement.
    - Ledit gaz est enfermé dans ledit espace de débattement sous une pres­sion qui peut être supérieure à la pression atmosphérique de manière à éviter que ledit matériau dissipateur ne soit trop déformé lorsque la pression hydrostatique de l'eau ambiante augmente.
  • Il doit être compris que les conduits de dissipation adjacents peuvent ne pas être complètement séparés les uns des autres par les parois auxiliaires ; le point important selon l'invention est qu'il existe des zones, les conduits, dans lesquelles le matériau dissipateur peut pratiquement se déformer sous l'influence des ondes acoustiques, et des éléments rigides qui, par adhérence, annulent le déplacement de ce matériau à leur contact.
  • Le diamètre hydraulique équivalent d est égal au diamètre des conduits si ceux-ci ont une section circulaire. Si leur section présente une forme régulière différente le diamètre hydraulique équivalent peut être défini comme égal à quatre fois le rapport de l'aire de la section droite du conduit au périmètre mouillé.
  • En cas de formes irrégulières, le périmètre mouillé ci-dessus est la longueur, dans chacun section droite, de la ligne qui constitue la frontière entre la zone d'immobilisation et la zone où un déplacement limité du matériau est possible, ce déplacement augmentant avec la dis­tance à laquelle on se trouve de la ligne de frontière la plus proche.
  • Dans l'eau les fréquences des ondes à absorber s'étendent sur un large spectre et descendent souvent au-dessous de 1000 Hz environ.
  • A l'aide des figures schématiques ci-jointes on va décrire plus particulièrement ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les dispositions présentées ci-dessus comme préférées sont adoptées dans ces exemples et que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence.
    • La figure 1 représente une vue d'un premier revêtement selon l'in­vention en coupe par un plan perpendiculaire à la paroi de base.
    • La figure 2 représente une vue à échelle agrandie des parois auxi­liaires de ce revêtement, en perspective.
    • La figure 3 représente une vue à échelle agrandie des parois auxi­liaires d'un deuxième revêtement, en perspective.
    • La figure 4 représente une vue à échelle agrandie des parois auxi­liaires d'un troisième revêtement, en perspective.
  • Ces figures montrent des exemples de réalisation de dispositifs destinés à absorber des sons de basse fréquence se propageant dans l'eau.
  • Conformément à la figure 1, on place, contre une paroi de base 1, rigide et immergée dans un milieu ambiant constitué par de l'eau 2, un revêtement absorbant comprenant, en succession dans le sens milieu-paroi, les éléments suivants :
    - un nid d'abeille métallique 5 constituant les conduits de dissipa­tion 4 ; ces conduits ont une longueur de l'ordre de 100 mm, une section hexagonale de section voisine de 1 cm² et sont pleins d'un matériau viscoélastique désigné par le même numéro de référence 4 et constitué par exemple par l'un des mélanges suivants
    Figure imgb0001
     Les polyisoprènes 100 et 2000 sont définis dans le document FR-A 2 255 313 (GOLE).
    L'expression C B S signifie cyclohexyl benzothiazole sulfonamide.
  • Le nid d'abeille 5 se continue à l'arrière de ce matériau jusqu'à la paroi de base 1 sur une longueur de par exemple 60 mm pour former des compartiments 6 qui sont remplis d'air à deux ou trois bars et qui constituent ledit espace de débattement.
  • Dans une variante, le nid d'abeille en métal représenté figure 2 est remplacé par un papier gaufré enduit de résine délimitant, par col­lage, lesdits conduits de dissipation d'énergie.
  • Selon la figure 3, les conduits contenant le matériau dissipateur sont de section sensiblement rectangulaire et constitués par l'empilage de plaques nervurées 14. Les nervures 15 de ces plaques sont de hauteur voisine de 5 mm et elles délimitent entre elles de conduits 16.
  • Conformément à la figure 4 les parois auxiliaires présentent la forme de tôles ondulées superposées telles que 20 formant entre elles des conduits tels que 22.

Claims (6)

1/ Revêtement de paroi absorbant les ondes acoustiques en milieu liquide, ce revêtement présentant une face arrière destinée à être appliquée sur une paroi de base rigide (1) et une face avant destinée à baigner dans un milieu ambiant (2), notamment un liquide, parcouru par des ondes acoustiques, ce revêtement comportant
- des parois auxiliaires (5) fixes perpendiculaires à la paroi de base et laissant entre elles des conduits de dissipation d'énergie allongés selon une direction longitudinale également perpendiculaire à cette paroi, ces conduits étant remplis d'un matériau dissipateur (4) présen­tant une viscosité cinematique (V1) supérieure à celle (V0) du liquide ambiant pour que ce matériau dissipe de l'énergie par frottement quand il oscille longitudinalement dans ces conduits sous l'action desdites ondes acoustiques;
- et un espace de débattement (6) à l'arrière de ces conduits de dissipa­tion pour permettre à ce matériau dissipateur d'effectuer librement de telles oscillations,
- ce revêtement étant caractérisé par le fait que ledit matériau dissipa­teur est un matériau viscoélastique qui répond à une sollicitation par une déformation importante avec frottement visqueux et qui répond à l'arrêt d'une telle sollicitation par un retour spontané et progressif à sa forme initiale, ce matériau adhérant auxdites parois auxiliaires fixes de manière que son élasticité assure son retour en place après un déplacement longitudinal.
2/ Revêtement selon la revendication 1, destiné à absorber des ondes de fréquence f (unité : s⁻¹) et caractérisé par le fait que l'expression :
32 x G′ x tgA x 1/d² x 6,283 x f x p₀ x C₀
a une valeur comprise entre 0,2 et 5 environ,
- G′ étant le module de cisaillement dudit matériau viscoélastique (4) (unité : N.m⁻²),
- tgA étant la tangente de son angle de perte, c'est-à-dire le rapport entre les composantes visqueuse et élastique de ce module,
- l'étant la longueur desdits conduits occupés par ce matériau (4), c'est-à-dire l'épaisseur de ce dernier, (unité :m),
- d étant le diamètre hydraulique équivalent de ces conduits, (uni­ té :m),
- p₀ étant la masse spécifique dudit liquide ambiant (2) (unité :kg.m⁻³)
- et C₀ la vitesse des ondes acoustiques dans ce liquide (unité :m.s⁻¹).
3/ Revêtement selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit matériau dissipateur (4) contient un mélange d'un élastomère et d'une charge pulvérulente, et ledit espace de débattement (6) contient un gaz.
4/ Revêtement selon la revendication 3, caractérisé par le fait que lesdites parois auxiliaires (5) s'étendent dans l'épaisseur dudit maté­riau dissipateur (4) et dans celle dudit espace de débattement (6) jusqu'à ladite paroi de base (1) à laquelle elles sont fixées pour assurer ainsi la fixation de l'ensemble du revêtement.
5/ Revêtement selon la revendication 4, caractérisé par le fait que lesdites parois auxiliaires (5) forment des compartiments étanches pour ledit gaz dans ledit espace de débattement (6).
6/ Revêtement selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ledit gas est enfermé dans ledit espace de débattement (6) sous une pression propre à éviter que ledit matériau dissipateur ne soit trop déformé par la pression hydrostatique de l'eau ambiante en service.
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