EP0490986A1 - Materiau absorbant acoustique et revetement anechoique utilisant un tel materiau - Google Patents
Materiau absorbant acoustique et revetement anechoique utilisant un tel materiauInfo
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- EP0490986A1 EP0490986A1 EP19900914193 EP90914193A EP0490986A1 EP 0490986 A1 EP0490986 A1 EP 0490986A1 EP 19900914193 EP19900914193 EP 19900914193 EP 90914193 A EP90914193 A EP 90914193A EP 0490986 A1 EP0490986 A1 EP 0490986A1
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- 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
- G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
- G10K11/162—Selection of materials
- G10K11/165—Particles in a matrix
Definitions
- the present invention relates to materials which allow the absorption of acoustic waves, more particularly the sounds propagating in the underwater environment. It also relates to anechoic coatings manufactured using such a material and which make it possible to eliminate, or at least to reduce very strongly, the echoes returned by objects provided with such a coating.
- an anechoic coating used in underwater acoustics depends essentially on the absorption of the acoustic waves in this material and on its acoustic impedance relative to that of water. So that the incident wave can be absorbed by the material, it must penetrate it. If therefore the acoustic impedance thereof is too different from that of water, a large part of the incident wave is reflected on the interface separating the water from the coating, which gives rise to an echo which is all the stronger as the reflection is greater.
- piezoelectric crystals or ceramics which have a high coupling coefficient as the electroactive element of anechoic materials
- an absorbent material is obtained whose density is important because the density of these crystals or of these ceramics is itself high.
- the acoustic impedance of the anechoic material is then very different from that of water, which limits the effectiveness of the coating as a result of the reflection due to the difference in acoustic impedances.
- the material finally obtained is of a consistency such that it is difficult to work.
- the invention provides a material.
- FIG. 1 a schematic section of a known piezoelectric polymer
- FIG. 2 a schematic section of a piezoelectric polymer according to the invention.
- a piezoelectric polymer is not a homogeneous product, but that it consists of two phases, as shown very schematically in Figure 1: an amorphous phase 10 and a crystalline phase formed of a multitude of small criteria 11 scattered in the amorphous phase.
- the crystallites have been represented by spheres when in fact they have a geometry of platelets. Only the crystallites exhibit piezoelectric effects schematized by the arrows in the figure while the amorphous phase is electrically inert. It is therefore possible to assimilate a piezoelectric polymer to a composite formed by a dispersion of crystallites in an amorphous matrix.
- this structure is formed spontaneously during the polymerization of the material and there is therefore no problem concerning the distribution of the crystallites, since these form directly within the mass of the product.
- the amorphous phase 20 in which the crystallites are dispersed is made conductive.
- the electrical voltages developed by the crystallites under the action of mechanical forces, for example from propagation of an acoustic wave inside the mass of the material give rise to currents which circulate in the amorphous phase and dissipate the energy by Joule effect inside this phase. Since the action of the acoustic waves is located at the microscopic level of each crystallite, the current coming from a crystallite will dissipate the corresponding energy around this crystallite and there will therefore be no macroscopic level compensation for the microscopic effects thus obtained . There is therefore no need according to the invention to carry out a polarization of the material which can thus be used in a massive manner without constraint on the thickness.
- the polymer or at least its amor ⁇ phe phase, conductive.
- the simplest consists of incorporating carbon powder into the mass of the polymer, for example by means of a roller calender when the material is at a stage where it is still relatively pasty without being completely liquid. At this stage the crystallites are still solid and the carbon powder will only disperse in the mass of the amorphous phase which is much more liquid.
- Another solution consists in incorporating into the basic polymer an intrinsically conductive polymer such as for example doped polypyrrole.
- This preparation will advantageously be carried out at the liquid level before the polymerization of the assembly, so as to have a completely homogeneous product.
- the crystallites themselves will be conductive in addition to the amorphous phase, which does not present any drawback. Since there is no need to polarize the material, it can be used in different ways to obtain an anechoic coating.
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Abstract
L'invention concerne les revêtements anéchoïques contre les ondes acoustiques. Elle consiste à réaliser un tel matériau avec un polymère piézoélectrique non polarisé comportant une phase amorphe (20) dans laquelle sont dispersés des cristallites (21) de même composition que la phase amorphe. Au moins la phase amorphe est rendue conductrice, soit par incorporation de poudre de carbone, soit avec un polymère intrinsèquement conducteur. La proportion de cristallites est portée par traitement thermique de préférence à une valeur au moins égale à 80 %. Elle permet de confectionner un revêtement anéchoïque par simple enduction.
Description
Matériau absorbant acoustique et revêtement anéchoïque utilisant un tel matériau
La présente invention se rapporte aux matériaux qui per¬ mettent d'absorber les ondes acoustiques, plus particulièrement les sons se propageant dans le milieu sous-marin. Elle concerne également les revêtements anéchoïques fabriqués à l'aide d'un tel matériau et qui permettent d'éliminer, ou tout au moins de diminuer très fortement, les échos renvoyés par les objets munis d'un tel revêtement.
Il est connu de fabriquer un matériau absorbant les ondes acoustiques en dispersant dans une matrice viscoélastique, formée par exemple d'un polymère, des inclusions se présentant sous la forme de particules d'un matériau dur, généralement un métal tel que le plomb ou le tungstène . L'énergie élastique des ondes acoustiques est alors dissipée par frottement visqueux dans la matrice . Les inclusions augmentant la densité, et donc l'impédance acoustique du matériau, il est également connu d'abaisser cette impédance acoustique pour se rapprocher de celle de l'eau, en dispersant également dans la matrice des microsphères creuses, par exemple en verre, dont la densité est considérablement inférieure à 1. II est aussi connu du brevet américain 4 628 490 de rempla¬ cer ces inclusions métalliques par des inclusions faites d'un matériau piézoélectrique tel que de la céramique piézoélectrique en grains fins. La matrice est rendue conductrice par incorporation de poudre de graphite. Sous l'effet d'une onde acoustique les inclusions piézoélectriques engendrent des tensions électriques qui produisent des courants dans la matrice. L'énergie acoustique se dissipe donc partiellement par effet Joule. Elle se dissipe également par diffraction et frottement visqueux selon le mécanisme décrit plus haut, et au total l'absorption est meilleure que dans le cas d'une poudre métallique .
On sait que l'efficacité d'un revêtement anéchoïque utili¬ sé en acoustique sous -marine dépend essentiellement de l'absorp¬ tion des ondes acoustiques dans ce matériau et de son impédance acoustique par rapport à celle de l'eau. Pour que l'onde incidente puisse être absorbée par le matériau, il faut qu'elle y pénètre. Si donc l'impédance acousti¬ que de celui-ci est trop différente de celle de l'eau, une grande partie de l'onde incidente est réfléchie sur l'interface séparant l'eau du revêtement, ce qui donne naissance à un écho qui est d'autant plus fort que la réflexion est plus grande.
Il faut également que la plus grande partie de l'onde qui a pénétré le matériau soit absorbée de manière à ce qu'elle ne ressorte pas dans l'eau, soit après réflexion sur l'interface séparant le matériau absorbant du support du revêtement anéchoïque soit après diffusion au sein de ce matériau.
Or l'efficacité des matériaux anéchoïques utilisant l'ef¬ fet piézoélectrique est étroitement liée au coefficient de cou¬ plage électromécanique de l'élément électroactif, puisque cette grandeur est proportionnelle à la quantité d'énergie mécanique transformée en énergie électrique.
Si on utilise des cristaux ou des céramiques piézoélectriques qui possèdent un fort coefficient de couplage comme élément électroactif des matériaux anéchoïques, on obtient un matériau absorbant dont la densité est importante parce que la densité de ces cristaux ou de ces céramiques est elle-même grande. L'impédance acoustique du matériau anéchoïque est alors très différente de celle de l'eau ce qui limite l'efficacité du revêtement par suite de la réflexion due à la différence des impédances acoustiques. On ne peut pas espérer réduire cet effet indésirable en diminuant la proportion de matériaux piézoélectriques, parce que l'absorption est maximale pour une concentration volumique en inclusions voisine de 50%, et qu'elle chute rapidement lorsque cette proportion diminue.
Avec une telle proportion d'inclusions il est encore plus difficile que dans la technique plus classique où l'on utilise des poudres métalliques, d'obtenir un mélange homogène. En outre le matériau finalement obtenu est d'une consistance telle qu'il se travaille malaisément.
Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose un matériau .
D'autres particularités et avantages de l'invention appa¬ raîtront clairement dans la description suivante présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent :
- la figure 1 une coupe schématique d'un polymère piézoélectrique connu ; et
- la figure 2 une coupe schématique d'un polymère piézoélectrique selon l'invention.
On sait qu'un polymère piézoélectrique n'est pas un pro¬ duit homogène, mais qu'il est constitué de deux phases, comme représenté de manière très schématique sur la figure 1 : une phase amorphe 10 et une phase cristalline formée d'une multitude de petits critaUites 11 dispersés dans la phase amorphe . Pour la simplicité de la figure, on a représenté les cristallites par des sphères alors qu'en fait ils possèdent une géométrie de plaquettes. Seuls les cristallites présentent des effets piézo¬ électriques schématisés par les flèches sur la figure alors que la phase amorphe est inerte électriquement. On peut donc assimi¬ ler un polymère piézoélectrique à un composite formé d'une dis¬ persion de cristallites dans une matrice amorphe. Toutefois, à l'inverse des dispersions obtenues par mélange de deux produits distincts, cette structure se constitue spontanément lors de la polymérisation du matériau et il n'y a donc aucun problème concernant la répartition des cristallites, puisque ceux-ci se forment directement au sein de la masse du produit.
On sait que le coefficient de couplage, désigné par k.,.. , d'un copolymère piézoélectrique est assez faible. Par exemple pour un copolymère P(VF2/TrFE) il est inférieur à 0, 12. Or des
expérimentations récentes ont permis de mesurer directement le coefficient de couplage des cristallites et de constater qu'il est beaucoup plus fort que celui du mélange cristallite/phase amorphe . Il peut atteindre par exemple pour ce même copolymère 0,5 à 20°.
On est par ailleurs arrivé à augmenter dans des propor¬ tions considérables le pourcentage cristallite/phase amorphe par rapport au pourcentage obtenu de manière spontanée lors de la polymérisation du produit. Pour cela, selon une technique con- nue, on soumet le matériau à des cycles thermiques répétés afin d'obtenir des recristallisations successives à l'issue desquel¬ les on peut arriver à un pourcentage de cristallites voisin de 80%. Un matériau massif tel que représenté sur la figure 1 ne présente pas de manière macroscopique des propriétés piézo- électriques, puisque la répartition aléatoire de l'orientation des cristallites conduit à ce que les tensions électriques déve¬ loppées par ceux-ci sous l'effet des contraintes extérieures se neutralisent les unes les autres. C'est la raison pour laquelle dans l'utilisation habituelle de ce genre de matériau on est conduit à leur faire subir un traitement à la fois mécanique et électrique, par exemple un laminage conduit simultanément avec l'application d'une tension électrique. On peut orienter ainsi les cristallites tous dans la même direction pour obtenir une polarisation telle que le produit final présente des propriétés piézoélectriques macroscopiques . En fait les contraintes des différents procédés utilisés amènent à obtenir le matériau sous forme de films relativement minces. Il faut ensuite veiller, lorsque l'on utilise ces films, à ne pas détruire la polarisation ainsi obtenue, ce qui entraîne d'autres difficultés de mise en oeuvre.
Selon l'invention, telle que représentée très schématique- ment sur la figure 2, on rend conducteur au moins la phase amorphe 20 dans laquelle sont dispersés les cristallites 21. Ainsi les tensions électriques développées par les cristallites sous l'action des forces mécaniques, provenant par exemple de la
propagation d'une onde acoustique à l'intérieur de la masse du matériau, donnent naissance à des courants qui circulent dans la phase amorphe et dissipent l'énergie par effet Joule à l'inté¬ rieur de cette phase. Puisque l'action des ondes acoustiques se situe au niveau microscopique de chaque cristallite , le courant provenant d'un cristallite va dissiper l'énergie correspondante autour de ce cristallite et il n'y aura donc pas au niveau macroscopique compensation des effets microscopiques ainsi obtenus . Il n'y a donc pas besoin selon l'invention de procéder à une polarisation du matériau qui peut ainsi être utilisé de manière massive sans contrainte sur l'épaisseur.
Pour rendre le polymère, ou tout au moins sa phase amor¬ phe, conducteur, on peut utiliser divers procédés . Le plus sim- pie consiste à incorporer de la poudre de carbone dans la masse du polymère, au moyen par exemple d'une calandreuse à rouleau lorsque le matériau se trouve à un stade où il est encore relati¬ vement pâteux sans être carrément liquide. A ce stade les cristallites sont encore solides et la poudre de carbone ne se dispersera que dans la masse de la phase amorphe qui elle est beaucoup plus liquide.
Une autre solution consiste à incorporer dans le polymère de base un polymère Intrinsèquement conducteur tel que par exemple le polypyrrole dopé. Cette préparation s'effectuera avantageusement au niveau liquide avant la polymérisation de l'ensemble, de manière à avoir un produit tout à fait homogène . Dans ces conditions les cristallites eux-mêmes seront conduc¬ teurs en plus de la phase amorphe, ce qui ne présente aucun inconvénient . Comme il n'y a pas besoin de polariser le matériau on peut l'utiliser de différentes manières pour obtenir un revêtement anéchoïque .
On peut ainsi à la fin de la phase d'élaboration, lorsqu'il est encore relativement liquide, le couler sous diffé- rentes formes, par exemple en plaques ou dans des moules ayant
la forme de la surface à revêtir, ou encore sous une forme mas¬ sive dans laquelle on taillera des pièces de dimensions adéquates . Une autre méthode consiste, toujours lorsque le matériau est à l'état relativement liquide ou pâteux, à enduire la sur¬ face à traiter, par exemple la coque d'un bateau, pour obtenir l'épaisseur voulue. Cette induction peut se faire par différen¬ tes méthodes, par exemple au rouleau ou avec un pistolet prévu pour les matières pâteuses. On constate ainsi que la mise en oeuvre du matériau selon l'invention est extrêmement aisée.
Claims
1. Matériau absorbant acoustique, comprenant une matrice viscoélastique conductrice et des particules piézoélectriques dispersées dans cette matrice, caractérisé en ce que la matrice est formée d'un polymère en phase amorphe (20) et que lesdites particules sont formées de cristallites (21) de ce dit polymère.
2. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cristallites sont également conducteurs .
3. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 et
2, caractérisé en ce que la proportion de cristallites est au moins égale à 80%.
4. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à
3, caractérisé en ce que le polymère est un copolymère P(VF2/TrFE) .
5. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le polymère est rendu conducteur par incorporation d'une poudre conductrice.
6. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à
4, caractérisé en ce que le polymère est rendu conducteur par incorporation d'un polymère intrinsèquement conducteur.
7. Matériau selon la revendication 6, caractérisé en ce que le polymère est un copolymère dont une composante est ledit polymère intrinsèquement conducteur.
8. Revêtement anéchoïque, caractérisé en ce qu'il est formé d'une couche massive d'un matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
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