EP0421887B1 - Ecran d'isolation acoustique pour protéger le compartiment pour charge utile d'un lanceur. - Google Patents

Ecran d'isolation acoustique pour protéger le compartiment pour charge utile d'un lanceur. Download PDF

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EP0421887B1
EP0421887B1 EP90402764A EP90402764A EP0421887B1 EP 0421887 B1 EP0421887 B1 EP 0421887B1 EP 90402764 A EP90402764 A EP 90402764A EP 90402764 A EP90402764 A EP 90402764A EP 0421887 B1 EP0421887 B1 EP 0421887B1
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Gérard Borello
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Centre National dEtudes Spatiales CNES
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    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • 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
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    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general

Definitions

  • the present invention relates to the reduction of noise in the compartment of a launcher which contains the payload, in particular in the field of low frequencies, that is to say typically frequencies below 200 Hz.
  • a known solution for reducing noise in the launcher's payload compartment is to fill this compartment with a gas such as helium in which the speed of sound is greater than the speed of sound in air, as described for example in the article "Use of helium gas to reduce acoustic transmission” by James G. Blevins et al. (American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., 1985, p 96-101).
  • the present invention provides another solution which also uses a gas in which the speed of sound is greater than the speed of sound in air to reduce the noise level, this gas being contained in a flexible envelope inflated by means of said gas, fixed on the outside of the compartment wall and allowing free circulation of gas inside the enclosure.
  • gas means a gas or a mixture of gases.
  • such an envelope is by nature "flexible”, that is to say non-rigid in contrast to a rigid shell; for example, a metallized envelope of mylar or polyvinyl chloride is used.
  • the most suitable gas is helium as in the solution mentioned above. It is used pure or mixed. Alternatively, freon is used. These examples are not limiting: any gas having a density lower than that of air, with a sufficiently high density and propagation speed ratio may be suitable. Hydrogen might be fine, but it's too dangerous.
  • the thickness of the inflated envelope is not critical. For example, for an envelope 4 cm thick mounted on a cylinder 1 m in diameter, we reach 10 db of attenuation between 1 and 2 kHz and beyond. Increasing the thickness to 20 cm improves efficiency at low frequencies. In practice, it is preferable that the thickness of the inflated envelope is at least equal to 5% of the largest dimension of the envelope.
  • the inflation pressure is not critical provided that it is sufficient for the envelope to take its mattress shape without being too tight. If the envelope was too tight, it could indeed produce a propagation of acoustic energy in the membrane which constitutes the envelope.
  • a pressure of the order of 1 bar is generally suitable.
  • the total mass of the inflated envelope is very low, of the order of 30 kg for an area of approximately 100 m2. This allows the envelope to be released after ten seconds, which corresponds to a few tens of meters above sea level, since acoustic protection is above all useful in this very first critical phase of takeoff.
  • the acoustic efficiency has a maximum of the order of 10 to 12 dB in a diffuse acoustic noise.
  • the efficiency of 12 dB for an incidence perpendicular to the envelope increases to an incidence of 20 ° with respect to this perpendicular and beyond by 20 °, the attenuation in principle is total, the incident wave being theoretically entirely reflected but, in practice, this attenuation is limited by the evanescent pressure born from the forced movement of the membrane.
  • the invention by keeping the internal air around the payload, allows the same qualification philosophy to be maintained.
  • the elastoacoustic couplings between the air and the satellites are the same and therefore any reduction in noise measured in the cavity results in an analogous reduction in satellite vibration.
  • the launcher structure sees its vibration attenuate in the same way.
  • FIG. 1 schematically represents the part of a launcher 1 which comprises the compartment 2 for payload and on the shell 3 of which is fixed a membrane 4 in metallized mylar which constitutes an envelope and which is inflated with helium up to that the thickness of the mattress 5 thus produced is approximately 20 cm.
  • the envelope is fixed to the shell by any suitable means, for example by gluing or by a lace.
  • the envelope is inflated with helium a few hours before launch and this inflation is maintained until launch if the envelope is not sufficiently waterproof.
  • FIG. 2 represents the curve of the gross isolation (in dB) plotted on the ordinate as a function of the central frequency of one third of octaves (in Hz) plotted on the abscissa of an excitation in white noise, in the case of the air (curve C1) and in the case of an inflated envelope according to the invention (curve C2).
  • FIG. 3 shows the influence of the thickness of the swollen envelope on the reduction of noise: the curve in solid lines relates to an swollen envelope 4 cm thick and with a diameter of 1 m and the curve in dashed lines relates to an inflated envelope 20 cm thick and 1 m in diameter.
  • the frequencies (Hz) of the incident diffuse noise are plotted on the abscissa and the noise reduction (in dB) is plotted on the ordinate.
  • the screen consists of two superimposed inflated envelopes 5.5 ′ separated by an intermediate layer of air 6, whether or not filled with foam 7 or other materials capable of improving efficiency at high frequencies.

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Description

  • La présente invention concerne la réduction du bruit dans le compartiment d'un lanceur qui contient la charge utile, en particulier dans le domaine des basses fréquences, c'est-à-dire typiquement des fréquences inférieures à 200 Hz.
  • Une solution connue pour réduire le bruit dans le compartiment pour charge utile d'un lanceur consiste à remplir ce compartiment avec un gaz tel que l'hélium dans lequel la vitesse du son est supérieure à la vitesse du son dans l'air, comme décrit par exemple dans l'article "Use of helium gas to reduce acoustic transmission" de James G. Blevins et al. (Americain Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., 1985, p 96-101).
  • Cette solution particulièrement coûteuse, est efficace sur un large spectre de fréquences. mais des modifications des couplages charge utile-cavité entraînent des difficultés de qualification des charges utiles et des problèmes de vibrations, aux premières fréquences des modes acoustiques de cavité hélium. D'autre part, I'hélium peut diffuser dans es tubes à vide des composants électroniques.
  • La présente invention propose une autre solution qui utilise également un gaz dans lequel la vitesse du son est supérieure à la vitesse du son dans l'air pour réduire le niveau de bruit, ce gaz étant contenu dans une enveloppe souple gonflée au moyen dudit gaz, fixée sur la face extérieure de la paroi du compartiment et permettant une libre circulation du gaz à l'intérieur de l'enveloppe.
  • Le mot "gaz" signifie un gaz ou un mélange de gaz.
  • Typiquement, une telle enveloppe est par nature "souple", c'est-à-dire non rigide par contraste avec une coque rigide ; par exemple, on utilise une enveloppe métallisée en mylar ou en chlorure de polyvinyle.
  • Le gaz qui convient le mieux est l'hélium comme dans la solution rappelée plus haut. On l'utilise pur ou en mélange. En variante, on utilise le fréon. Ces exemples ne sont pas limitatifs : tout gaz ayant une densité inférieure à celle de l'air, avec un rapport de densité et de vitesse de propagation suffisamment élevé peut convenir. L'hydrogène pourrait convenir mais il est trop dangereux. L'épaisseur de l'enveloppe gonflée n'est pas critique. Par exemple, pour une enveloppe de 4 cm d'épaisseur montée sur un cylindre de 1 m de diamètre, on atteint 10 db d'atténuation entre 1 et 2 kHz et au-delà. L'augmentation de l'épaisseur à 20 cm permet d'améliorer l'efficacité en basse fréquence. En pratique, il est préférable que l'épaisseur de l'enveloppe gonflée soit au moins égale à 5 % de la plus grande dimension de l'enveloppe.
  • La pression de gonflage n'est pas critique pourvu qu'elle soit suffisante pour que l'enveloppe prenne sa forme de matelas sans être trop fortement tendue. Si l'enveloppe était trop tendue, il pourrait en effet se produire une propagation d'énergie acoustique dans la membrane qui constitue l'enveloppe.
  • Une pression de l'ordre de 1 bar convient généralement.
  • La masse totale de l'enveloppe gonflée est très faible, de l'ordre de 30 kg pour une surface de 100 m² environ. Ce qui permet de larguer l'enveloppe après une dizaine de secondes, ce qui correspond à quelques dizaines de mètre d'altitude, la protection acoustique étant en effet surtout utile dans cette toute première phase critique du décollage.
  • L'efficacité acoustique présente un maximum de l'ordre de 10 à 12 dB dans un bruit acoustique de type diffus.
  • Avec un bruit atteignant l'enveloppe selon une certaine incidence, l'efficacité de 12 dB pour une incidence perpendiculaire à l'enveloppe, croit jusqu'à une incidence de 20° par rapport à cette perpendiculaire et au delà de 20°, l'atténuation en principe est totale, l'onde incidente étant théoriquement entièrement réfléchie mais, en pratique, cette atténuation est limitée par la pression évanescente née du mouvement forcé de la membrane. Pour éviter l'effet de pression évanescente et bénéficier d'une bonne isolation acoustique, il est préférable d'avoir une épaisseur de l'enveloppe gonflée au moins égale à 1 cm.
  • L'invention, en gardant l'air interne autour de la charge utile permet de conserver la même philosophie de qualification. En particulier, les couplages élastoacoustiques entre l'air et les satellites sont les mêmes et donc toute réduction de bruit mesurée dans la cavité se traduit par une réduction analogue de la vibration satellite. De plus, la structure lanceur voit sa vibration atténuer de la même manière.
  • Sur le dessin joint :
    • la figure 1 est une vue de principe du compartiment pour charge utile d'un lanceur équipé d'une enveloppe de protection acoustique conforme à l'invention ;
    • la figure 2 est une courbe montrant l'efficacité de ce dispositif :
    • la figure 3 est un graphique montrant l'influence de l'épaisseur de l'enveloppe gonflée sur l'atténuation acoustique , et
    • la figure 4 est une coupe schématique montrant une variante de réalisation.
  • La figure 1 représente shématiquement la partie d'un lanceur 1 qui comporte le compartiment 2 pour charge utile et sur la coque 3 de laquelle est fixée une membrane 4 en mylar métallisé qui constitue une enveloppe et qui est gonflée à l'hélium jusqu'à ce que l'épaisseur du matelas 5 ainsi réalisé soit d'environ 20 cm. L'enveloppe est fixée à la coque par tout moyen approprié, par exemple par collage ou par un lacet.
  • On gonfle l'enveloppe à l'hélium quelques heures avant le lancement et on maintient ce gonflage jusqu'au lancement si l'enveloppe n'est pas suffisamment étanche.
  • La figure 2 représente la courbe de l'isolement brut (en dB) portée en ordonnées en fonction de la fréquence centrale des tiers d'octaves (en Hz) portée en abscisses d'une excitation en bruit blanc, dans le cas de l'air (courbe C1) et dans le cas d'une enveloppe gonflée conforme à l'invention (courbe C2).
  • On voit que l'on obtient un gain moyen d'environ 10 dB.
  • La figure 3 montre l'influence de l'épaisseur de l'enveloppe gonflée sur la réduction du bruit : la courbe en traits pleins est relative à une enveloppe gonflée de 4 cm d'épaisseur et d'un diamètre de 1 m et la courbe en tiretés est relative à une enveloppe gonflée de 20 cm d'épaisseur et d'un diamètre de 1 m.
  • Les fréquences (Hz) du bruit diffus incident sont portées en abscisses et la réduction du bruit (en dB) est portée en ordonnées.
  • L'invention n'est pas limitée à la réalisation qui a été décrite.
  • Par exemple, dans une variante de réalisation (figure 4), l'écran est constitué par deux enveloppes gonflées superposées 5,5′ séparées par une couche d'air 6 intermédiaire, remplie ou non de mousse 7 ou autres matériaux susceptibles d'améliorer l'éfficacité aux hautes fréquences.

Claims (10)

  1. Dispositif pour réduire le bruit dans le compartiment pour charge utile d'un lanceur, au moyen d'un gaz dans lequel la vitesse du son est supérieure à la vitesse du son dans l'air, caractérisé en ce que ce gaz est contenu dans une enveloppe souple (4) gonflée au moyen dudit gaz, fixée sur la face extérieure de la paroi du compartiment et dans laquelle ledit gaz peut circuler librement.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit gaz est choisi dans le groupe constitué par l'hélium et le fréon.
  3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite enveloppe (4) est en mylar ou en chlorure de polyvinyle.
  4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'enveloppe gonflée (5) a une épaisseur d'au moins 1 cm.
  5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'enveloppe gonflée a une épaisseur au moins égale à 5 % de la plus grande dimension de l'enveloppe.
  6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que l'enveloppe gonflée a une épaisseur au moins égale à 4 cm.
  7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'enveloppe gonflée a une épaisseur de la gamme 4-20 cm.
  8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte deux enveloppes surperposées (5,5′) séparées par une couche d'air intermédiaire (6).
  9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'enveloppe souple (4) entoure le compartiment (2).
  10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que l'enveloppe (4) est fixée à ladite paroi (3) de manière à pouvoir être larguée en vol.
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