EP0817164B2 - Structures d'absorption de bruit et parois constituées de ces structures - Google Patents
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Description
L'invention conceme en général des structures
d'absorption de bruit et des parois formées au
moyen de ces structures et plus particulièrement de telles
structures légères et de faible encombrement, applicables
notamment dans l'industrie aéronautique pour
l'équipement de réacteurs, de leurs nacelles et de cabines
d'avions, dans l'industrie des transports, dans l'industrie
du bâtiment, etc...
On a déjà proposé, dans la Demande de Brevet
français n° 94 00539 (publiée sous le n° 2 715 244)
des structures légères d'absorption de bruit qui comprennent
chacune un cadre de support sur lequel est
fixée et tendue une membrane étanche, et des plaques
disposées sous la membrane pour former avec elles un
amortisseur passif à laminage d'air. L'incidence d'ondes
acoustiques sur la membrane, du côté opposé auxdites
plaques, provoque une déformation vibratoire de la
membrane qui se traduit par un écoulement laminaire
d'air entre la membrane et les plaques et donc par une
absorption d'énergie. Lorsque l'impédance acoustique
d'une telle structure est correctement adaptée aux ondes
acoustiques incidentes, une grande partie de l'énergie
de ces ondes acoustiques est absorbée par la structure
dans une bande de fréquences relativement large.
La présente invention a pour but d'apporter
des perfectionnements importants à ces structures.
Elle a pour objet des structures légères du type
précité et dont les impédances acoustiques sont modifiables,
réglables ou pilotables et susceptibles de suivre
les évolutions des sources de bruit à absorber.
Elle a également pour objet des structures légères
du type précité, comprenant des moyens de modification,
de réglage ou de pilotage de leurs impédances
acoustiques, qui sont eux-mêmes pilotables par un
système de traitement de l'information.
Elle a encore pour objet des parois légères et
de faible épaisseur, réalisées par juxtaposition et assemblage
de ces structures.
Elle a encore pour objet de compenser
les influences des variations de la pression et de la température
extérieures sur la membrane de la structure
d'absorption de bruit.
Elle propose, à cet effet, une structure d'absorption
de bruit comprenant un cadre de support sur
lequel est tendue et fixée une membrane étanche dont
la face extérieure au cadre reçoit des ondes acoustiques,
un gaz tel par exemple que de l'air remplissant un
volume délimité par le cadre et la membrane, et des
moyens de dissipation d'énergie logés dans ce volume,
caractérisée en ce que les moyens de dissipation sont
du type à laminage de gaz, du type électrostatique ou
du type électromagnétique et sont modifiables, réglables
ou pilotables pour modification ou adaptation de
l'impédance acoustique de ladite structure aux caractéristiques
du bruit à absorber,
la structure précitée est fermée de façon
étanche et contient un élément volumique expansible et
contractile tel qu'un ballon ou un soufflet par exemple,
rempli d'air et communiquant avec l'extérieur par un orifice
d'égalisation de pression statique, cet élément occupant
une fraction notable du volume de ladite structure.
Les structures selon l'invention, grâce au fait
que leurs impédances acoustiques sont modifiables ou
réglables, peuvent être conçues ou réglées pour absorber
le bruit incident ou pour le dévier par réflexion, par
exemple en fonction des positions qu'elles occupent
dans une paroi d'absorption de bruit ou de protection
contre le bruit.
Dans un premier mode de réalisation, les
moyens de dissipation d'énergie sont du type à laminage
de gaz et comprennent des plaques disposées à l'intérieur
du cadre, à faible distance de la membrane, et
des moyens de modification de cette distance.
Dans un autre mode de réalisation, les moyens
de dissipation à laminage de gaz comprennent au moins
un passage d'écoulement de gaz reliant une chambre
fermée délimitée à l'intérieur du cadre par la membrane
à une autre chambre située à l'intérieur de ladite structure.
Par exemple, ce passage peut être un conduit
formé entre deux plaques superposées associées à des
moyens de modification ou de réglage de la distance
entre elles pour modification ou réglage de la section de
passage du conduit.
Selon un autre mode de réalisation, les
moyens de dissipation à laminage de gaz comprennent
des tiges portées par la membrane et s'étendant perpendiculairement
à celle-ci à l'intérieur du cadre dans
des tubes fixes qui sont fermés à leur extrémité opposée
à la membrane et qui délimitent avec les tiges des conduits
annulaires de laminage de gaz.
Selon encore un autre mode de réalisation de
l'invention, les moyens de dissipation d'énergie comprennent
des plaques électrodes disposées parallèlement
à la membrane à distance de celle-ci, et au moins
une autre électrode formée sur la membrane et reliée
avec lesdites plaques à des moyens de polarisation tels
qu'une source de courant continu associée à un circuit
électrique ou électronique comprenant des éléments de
dissipation d'énergie par effet Joule.
Par exemple, la membrane peut comporter
une ou plusieurs zones métallisées en regard des plaques
électrodes précitées, ou bien elle est réalisée en
une matière plastique chargée électriquement, auquel
cas les moyens de polarisation ne sont pas nécessaires.
Les éléments dé dissipation d'énergie par effet
Joule comprennent par exemple une résistance électrique,
avantageusement réglable, la structure selon l'invention
comprenant alors des moyens commandés de
réglage de la valeur de cette résistance pour adaptation
de l'impédance acoustique.
Selon un autre mode de réalisation, les
moyens de dissipation d'énergie sont du type electromagnétique
et comprennent des conducteurs électriques
déplacés par la membrane par rapport à des éléments
magnétiques portés par le cadre ou constitués
par celui-ci, les conducteurs électriques précités comprenant
par exemple des bobinages reliés à la membrane
ou un ou plusieurs circuits électriques imprimés ou
déposés sur la membrane.
En variante, on peut utiliser une membrane
magnétique déplaçable par rapport à un circuit électrique.
Chaque structure du type précité est destinée
à être juxtaposée et assemblée à une pluralité de structures
du même type pour former une paroi plane ou incurvée,
convexe ou concave dans laquelle les structures
ont des impédances acoustiques semblables ou différentes
pour absorber le bruit ou le dévier par réflexion
selon les cas.
Dans une telle paroi, les moyens de dissipation
d'énergie d'au moins certaines des structures sont associés
à des moyens de commande, de réglage ou de
pilotage eux-mêmes pilotables par un système de traitement
de l'information.
On peut ainsi, notamment, adapter les impédances
acoustiques de certaines parties ou de toutes
les parties d'une paroi pour tenir compte d'une modification
ou d'une évolution dans le temps des caractéristiques
du bruit à absorber.
L'invention sera mieux comprise et d'autres
caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaítront
plus clairement à la lecture de la description qui
suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés
dans lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique en perspective avec arrachement partiel d'une structure d'absorption de bruit selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue schématique en coupe selon la ligne II-II de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue schématique partielle en perspective d'une variante de réalisation ;
- les figures 4 à 13 représentent schématiquement divers modes de réalisation des moyens de dissipation d'énergie.
La structure d'absorption de bruit selon l'invention,
dont un premier mode de réalisation est représenté
à titre d'exemple aux figures 1 et 2, comprend essentiellement
une membrane 10 fine et étanche au gaz qui
est tendue et fixée sur la face supérieure d'un cadre de
support 12 dont la partie supérieure estformée avec des
cloisons perpendiculaires à la membrane et dont la partie
inférieure 16 comporte une paroi de fond 18 parallèle
à la membrane.
La membrane 10 peut être réalisée notamment
en matière plastique, en élastomère, en métal ou
en toute matière permettant de réaliser une membrane
suffisamment fine et souple pour être déformable par
des ondes acoustiques à absorber. Cette membrane
étant fragile, des moyens acoustiquement transparents
(non représentés) sont prévus pour la recouvrir et la protéger
des agressions mécaniques extérieures, ces
moyens étant par exemple constitués par une toile métallique
associée à une couche de laine de verre ou analogue.
Le cadre de support 12 est réalisé en toute matière
rigide appropriée, notamment en métal ou en matière
plastique, en fonction des applications auxquelles
la structure selon l'invention est destinée.
La membrane 10 peut être fixée sur le cadre
12 par ses bords 20 rabattus sur la périphérie de la partie
supérieure du cadre 12. Un entourage 22 peut être
rapporté sur la périphérie du cadre 12 comme représenté
schématiquement en figure 1 pour assurer la liaison
des structures entre elles, par exemple grâce à des
moyens 24 d'accrochage ou d'assemblage tels que des
tenons et des rainures en queue d'aronde.
Quand la structure selon l'invention forme une
enceinte étanche, on peut prévoir en partie inférieure
du cadre 12, comme représenté schématiquement en
figure 2, un élément 26 susceptible de se contracter et
de s'expanser en fonction des variations de la pression
statique et/ou de la température extérieures à la structure
d'absorption du bruit selon l'invention, cet élément
26 pouvant être constitué par un ballon souple ou un
soufflet relié à l'extérieur par un passage ou orifice 28
d'égalisation de pression statique, traversant par exemple
la paroi de fond 18 du cadre 12.
Cet élément 26 occupe une partie relativement
importante du volume délimité par le cadre 12 et la
membrane 10, par exemple d'environ un tiers de ce volume.
Quand la pression ou la température augmente
ou diminue à l'extérieur de la structure, la pression ou
la température du gaz augmente ou diminue de façon
correspondante à l'intérieur de l'élément 26 et compense
au moins partiellement les variations de pression à
l'intérieur de la structure, ce qui permet de rendre la
membrane 10 à peu près insensible aux variations de
pression statique et de température extérieures.
De plus, lorsque la surface interne d'un conduit
de passage de fluide comprend des structures selon l'invention
ou est formée de telles structures, les éléments
26 permettent d'adapter chaque structure à l'évolution
de la pression statique dans le conduit.
La membrane 10 peut être fixée par collage sur
la partie périphérique supérieure du cadre 12, comme
déjà indiqué, ainsi que sur les bords supérieurs des cloisons
internes 14 du cadre 12.
En variante, et comme représenté schématiquement
en figure 3, les cloisons internes 14 du cadre
12 peuvent être remplacées par des plots 30 perpendiculaires
à la membrane et sur les extrémités desquels
la membrane peut être fixée par collage.
Les plots 30 peuvent être portés par une plaque
ajourée 32, par une grille, ou par tout autre moyen
approprié.
La structure d'absorption de bruit selon l'invention
comprend également des moyens de dissipation
d'énergie dont divers modes de réalisation sont représentés
à titre d'exemple aux figures 4 à 13.
En figure 4, les moyens de dissipation d'énergie
sont du type à laminage de gaz, (par exemple d'air).
Les cloisons internes 14 du cadre 12 délimitent avec la
membrane 10 des chambres 34 fermées par une paroi
de fond 36 et qui communiquent avec le volume inférieur
du cadre 12 par un conduit 38 de section relativement
faible et de longueur relativement importante par rapport
à sa section, permettant une dissipation d'énergie
par écoulement laminaire de gaz.
Dans la variante de réalisation de la figure 5,
le conduit 38 est remplacé par un canal 40 formé en
creux dans la face supérieure de la paroi de fond 36 à
laquelle est associée une plaque de recouvrement 42
qui constitue la paroi supérieure du canal 40. Un orifice
44 de la plaque 42 relie la chambre 34 au canal 40, tandis
qu'un orifice 46 de la paroi de fond 36 relie le canal
40 au volume inférieur du cadre 12.
Comme on le voit mieux en figure 6, qui est
une vue de dessus des moyens de dissipation d'énergie
de la figure 5, le canal 40 peut être formé en spirale dans
la paroi de fond 36 de la chambre 34.
Sous l'effet de la pression des ondes acoustiques
incidentes, la membrane 10 se déforme et se comporte
comme un oscillateur très amorti dont la fréquence
centrale est une fonction de la tension de la membrane,
de sa masse volumique et de son épaisseur, entre
autres. La déformation de la membrane provoque un
écoulement laminaire de gaz dans les moyens de dissipation
d'énergie constitués par le conduit 38 ou le canal
40.
L'impédance acoustique d'une structure selon
l'invention est parfaitement adaptée aux caractéristiques
du bruit incident lorsque celui-ci est totalement absorbé,
sans réflexion par la membrane.
L'invention prévoit des moyens permettant de
modifier, de régler ou de piloter cette impédance acoustique.
Par exemple, dans le cas où les moyens de
dissipation d'énergie comprennent un canal 40 du type
représenté aux figures 5 et 6, la modification ou le réglage
de l'impédance acoustique peut être obtenu par
variation de la section transversale du canal 40. Pour
cela, comme représenté schématiquement en figure 7,
on peut former, sur la face de la plaque 42 qui est tournée
du côté de la paroi de fond 36, des nervures en
saillie 48 engagées avec un jeu faible dans le canal 40
de la plaque 36, et on prévoit des moyens 50 de modification
de la distance entre la plaque 42 et la paroi de
fond 36, ces moyens 50 étant par exemple du type à
mémoire de forme ou du type piezoélectrique, commandés
par un circuit électrique approprié.
La modification de la distance entre la plaque
42 et la paroi 36 modifie la section transversale du canal
40 et donc les conditions d'écoulement laminaire du gaz
dans ce canal, ce qui modifie en conséquence l'impédance
acoustique de la structure selon l'invention.
Lorsque les moyens de dissipation d'énergie
sont du type représenté en figure 4, on peut modifier
l'impédance acoustique de la structure en agissant sur
le volume de la partie inférieure du cadre 12 (volume
sous la paroi 36) par exemple en utilisant un élément
gonflable analogue à l'élément 26 de la figure 2, que l'on
relie à des moyens de réglage de pression.
Dans la variante de réalisation de la figure 8,
la membrane 10 porte des tiges 52 qui s'étendent à l'intérieur
du cadre de support, perpendiculairement à la
membrane, et qui sont engagées dans des tubes 54 portés
par une paroi intermédiaire 36 du cadre de support,
de telle sorte que le déplacement des tiges 52 dans les
tubes 54 provoqué par les déformations de la membrane
10 se traduise par un écoulement laminaire de gaz
dans les tubes 54 et par une dissipation d'énergie correspondante.
Dans la variante de réalisation de la figure 9,
les moyens de dissipation d'énergie sont également du
type à laminage de gaz et comprennent des plaques horizontales
56 disposées parallèlement à la membrane
10 et à faible distance de celle-ci à l'intérieur du cadre
de support, ces plaques 56 étant portées par des
moyens 58 permettant de modifier la distance d entre
la membrane 10 et les plaques 56. Par exemple, ces
moyens 58 sont portés par la paroi intermédiaire 36 et
comprennent des éléments à mémoire de forme commandés
par un circuit électrique approprié 60.
La modification de la distance d entre une plaque
56 et la membrane 10 entraíne une modification de
l'impédance acoustique de la structure selon l'invention.
Dans le mode de réalisation de la figure 10, les
moyens de dissipation d'énergie comprennent des plaques
électrodes 62 disposées à l'intérieur du cadre de
support, parallèlement à la membrane 10 et à faible distance
de celle-ci, et par exemple portées par la paroi
intermédiaire 36 du cadre support par l'intermédiaire
d'éléments diélectriques 64. La membrane 10 comporte
des électrodes associées aux plaques 62, telles par
exemple que des zones métallisées 66 de sa surface,
ces zones 66 et les plaques 62 étant reliées aux pôles
d'une source 68 de courant continu par l'intermédiaire
d'un élément de dissipation d'énergie tel qu'une résistance
électrique 70 qui est avantageusement une résistance
variable commandée par un moyen approprié 72,
la résistance 70 absorbant l'énergie par effet Joule et la
variation de sa valeur permettant de modifier l'impédance
acoustique de la structure selon l'invention.
De préférence, des trous 74 sont percés dans
les plaques électrodes 62 pour éviter tout effet de laminage
de gaz entre elles et la membrane 10.
L'attraction électrostatique exercée par les
plaques 62 sur la membrane joue le rôle d'une anti-raideur
dynamique qui s'oppose à la raideur du gaz contenu
dans la structure. Cela permet de réduire l'épaisseur
(ou hauteur) totale de la structure et donc son encombrement.
En variante, la membrane 10 et/ou les plaques
électrodes 62 pourraient être constituées d'un electret,
tel par exemple qu'une matière plastique du type polyuréthanne
ou PVDF chargée électriquement en permanence,
les moyens de polarisation des électrodes étant
alors supprimés.
Dans le mode de réalisation de la figure 11, les
moyens de dissipation d'énergie sont du type électromagnétique.
La membrane 10 est reliée, à l'intérieur du
cadre, à des bobinages électriques 76 mobiles par rapport
à des éléments magnétiques 78 constituant par
exemple la paroi intermédiaire 34 du cadre de support.
Pour éviter tout effet de laminage de gaz, les parties 78
en saillie vers la membrane peuvent être percées de
trous traversants 80.
Dans la variante de réalisation de la figure 12,
des éléments magnétiques 82 (par exemple des
aimants permanents) sont disposés sous la membrane
10 et des conducteurs électriques 84 sont portés par
cette dernière, en étant constitués par exemple par un
ou des circuits électriques imprimés ou déposés sur la
membrane. Le déplacement de ces conducteurs électriques
84 dans les lignes de champ magnétique des
éléments 80 se traduit par une dissipation d'énergie.
Dans la variante de réalisation de la figure 13,
c'est une partie du cadre support 12 qui peut être réalisée
en matière magnétique et constituer un aimant permanent
dont les lignes de champ peuvent être coupées
par les conducteurs électriques 84 de la membrane 10
pour un effet de dissipation d'énergie.
Dans une autre variante, on utilise une membrane
magnétique qui se déplace par rapport à un circuit
électrique pour dissiper de l'énergie.
Les structures élémentaires d'absorption de
bruit qui viennent d'être décrites peuvent être assemblées
les unes aux autres pour former des parois planes,
incurvées, concaves ou convexes, de grande dimension.
Par exemple, les structures élémentaires des
figures 4, 5, 8 et 9 peuvent avoir des dimensions, en
surface, de l'ordre de 5 x 5 cm2 et être associées pour
former une structure du type de celle représentée en
figure 1 ayant une surface de l'ordre de 20 x 20 cm2, les
hauteurs de ces structures étant en général comprises
entre 15 et 50 mm. Les impédances acoustiques des
structures élémentaires peuvent être réglées individuellement
ou par petits groupes de structures. Le réglage
des impédances acoustiques permet d'avoir une impédance
bien adaptée pour certaines zones de surface
d'une paroi avec une absorption maximale du bruit incident,
tandis que d'autres zones de surface de la paroi
auront des impédances différentes pour absorber partiellement
le bruit incident et le réfléchir partiellement
dans une direction déterminée.
Par ailleurs, la possibilité de réglage de l'impédance
acoustique de chaque structure élémentaire permet
d'obtenir une évolution spatiale des caractéristiques
acoustiques d'une paroi. On peut également obtenir
une paroi à impédance acoustique non localisée
lorsque les parties inférieures des structures élémentaires
sont reliées entre elles, l'impédance acoustique des
moyens de liaison étant un paramètre de réglage des
bandes de fréquences acoustiques à traiter. De plus,
comme déjà indiqué, les structures selon l'invention telles
que celles de la figure 2, s'adaptent automatiquement
aux variations de la pression statique extérieure
et par exemple à l'évolution de la pression statique dans
un conduit.
Claims (14)
- Structure d'absorption de bruit, comprenant un cadre de support (12) sur lequel est tendue et fixée une membrane étanche (10) dont la face extérieure reçoit des ondes acoustiques, un gaz tel par exemple que de l'air remplissant un volume interne délimité par le cadre (12) et la membrane (10), et des moyens de dissipation d'énergie logés dans ledit volume, caractérisée en ce que les moyens de dissipation d'énergie sont du type à laminage de gaz, du type électrostatique ou du type électromagnétique et sont modifiables, réglables ou pilotables pour modification de l'impédance acoustique de ladite structure en fonction des caractéristiques du bruit à absorber, et en ce que la structure est fermée de façon étanche et contient un élément volumique (26) expansible et contractile tel qu'un ballon ou un soufflet par exemple, rempli d'air et communiquant avec l'extérieur par un orifice (28) d'égalisation de pression statique, cet élément(26) occupant une fraction notable du volume interne de ladite structure.
- Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de dissipation du type à laminage de gaz comprennent des plaques (56) disposées à l'intérieur du cadre (12), à faible distance de la membrane (10), et des moyens (58,60) de modification de cette distance.
- Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de dissipation à laminage de gaz comprennent au moins un passage ou conduit (38) d'écoulement de gaz reliant une chambre fermée (34) délimitée à l'intérieur du cadre (12) par la membrane (10) à une autre chambre à l'intérieur de ladite structure.
- Structure selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit passage est un canal (40) formé entre deux plaques superposées (36,42).
- Structure selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (48,50) de modification de la section du canal (40) par modification de la distance entre les deux plaques superposées (36,42).
- Structure selon la revendication 1, càractérisée en ceque les moyens de dissipation à laminage de gaz comprennent des tiges (52) portées par la membrane (10) et s'étendant perpendiculairement à celle-ci à l'intérieur du cadre dans des tubes fixes (54) qui sont fermés à leur extrémité opposée à la membrane (10) et qui délimitent avec les tiges (52) des conduits annulaires de laminage de gaz.
- Structure selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que son volume interne délimité par la membrane (10), le cadre de support (12) et une paroi de fond (18) portée par le cadre (12) est réglable, par exemple au moyen d'un élément gonflable logé à l'intérieur du cadre.
- Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de dissipation du type électrostatique comprennent des plaques électrodes (62) disposées parallèlement à la membrane (10) à distance de celle-ci et au moins une autre électrode formée sur la membrane et reliée avec lesdites plaques (62) à des moyens de polarisation (68) comprenant des éléments de dissipation d'énergie tels qu'une résistance électrique (70) par exemple.
- Structure selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (72) de réglage de la valeur de la résistance électrique (70).
- Structure selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce que la membrane (10) comporte une ou plusieurs zones métallisées (66) en regard desdites plaques électrodes (62).
- Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de dissipation du type électrostatique comprennent des plaques électrodes disposées parallèlement à la membrane à distance de celle-ci et au moins une autre électrode formée par la membrane (10), celle-ci et/ou les plaques (62) étant chargées électriquement en permanence.
- Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de dissipation du type électromagnétique comprennent une membrane magnétique déplacée par rapport à un conduit électrique ou bien des conducteurs électriques déplacés par la membrane (10) par rapport à des éléments magnétiques (78,82) portés par le cadre (12) ou constitués par celui-ci, les conducteurs électriques comprenant par exemple des bobinages (76) reliés à la membrane (10) ou des circuits électriques (84) imprimés ou déposés sur la membrane.
- Structure selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisée en ce qu'elle est juxtaposée et assemblée à une pluralité de structures du même type pour former une paroi plane ou incurvée, convexe ou concave dans laquelle les structures ont des impédances acoustiques semblables ou différentes pour absorber le bruit incident ou le dévier par réflexion selon les cas.
- Paroi comprenant une pluralité de structures selon la revendication 13, caractérisée en ce que les moyens de dissipation d'énergie de certaines au moins desdites structures sont associés à des moyens de commande, de réglage ou de pilotage eux-mêmes pilotables par un système de traitement de l'information, et sont par exemple adaptables au bruit à absorber et à son évolution.
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