EP1246162A1 - Enveloppes ou parois presentant des propriétés ajustables d'isolement et/ou d'absorption accoustique - Google Patents

Enveloppes ou parois presentant des propriétés ajustables d'isolement et/ou d'absorption accoustique Download PDF

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Publication number
EP1246162A1
EP1246162A1 EP01870065A EP01870065A EP1246162A1 EP 1246162 A1 EP1246162 A1 EP 1246162A1 EP 01870065 A EP01870065 A EP 01870065A EP 01870065 A EP01870065 A EP 01870065A EP 1246162 A1 EP1246162 A1 EP 1246162A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
air
acoustic
network
patterns
solid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01870065A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Cécile Goffaux
Pascal Magain
Fabrizio Maseri
Richard Kergen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ArcelorMittal Liege Upstream SA
Original Assignee
Cockerill Sambre SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Cockerill Sambre SA filed Critical Cockerill Sambre SA
Priority to EP01870065A priority Critical patent/EP1246162A1/fr
Priority to PCT/BE2002/000044 priority patent/WO2002077968A1/fr
Priority to EP02719573A priority patent/EP1374220A1/fr
Publication of EP1246162A1 publication Critical patent/EP1246162A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • 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
    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general

Definitions

  • the present invention relates to original structures, made up of angular patterns, allowing to combine an envelope function or separation with remarkable insulation properties and sound absorption.
  • acoustic quality is a extremely important notion that relates to different building sectors such as residential, building public or the building for professional use. To to ensure a correct quality of life in these buildings, it is essential to protect yourself from neighborhood noise, road, rail or air noise.
  • phononic crystal As explained below (see ⁇ 2), the use of a periodically structured artificial material, called phononic crystal, is a sound insulation technique which, to our knowledge, has never been used industrially.
  • the phononic crystal is an acoustic device which makes it possible, under certain conditions, to separate an air flow and an acoustic flow, like the acoustic lens.
  • the notable difference is that the acoustic flux is strongly reflected towards the emission space.
  • the sound reduction index is greatly reduced as a result of the excitation of the eigen mode and the vibration amplitude is a function of the loss factor.
  • the wall behaves like a rigid wall (6 dB / octave) but for ⁇ > ⁇ c , the sound reduction index then increases by 9 dB / octave.
  • a double wall is a wall made up of two simple walls mechanically coupled by a purely elastic material (cavity).
  • the weakening index of the wall is then given by the law of mass-density of a simple wall of surface mass equal to m 1 + m 2 .
  • the attenuation index then increases by 18 dB / octave. Obtaining a natural frequency for heavy walls is quite easy. On the other hand, when it comes to light walls, it is generally necessary to choose a significant thickness h.
  • a Helmoltz resonator can be considered as a mechanical bottle-shaped resonator whose body is of volume V and whose neck is of length 1 and of section S.
  • the empty resonator vibrates and restores the acoustic energy corresponding to the resonance frequency (reverberation) longer.
  • the resonator is filled with an absorbent material, however, there is a maximum absorption at this frequency (acoustic correction).
  • a cavity closed by a perforated panel is used which is none other than a set of Helmoltz oscillators placed in parallel. This type of panel can also be used for sound insulation.
  • An acoustic lens is also a device which can be used to facilitate speech intelligibility in noisy environments, but also to really make acoustic isolation when air exchanges have to be carried out between the emission and sound reception.
  • the lens consists of an acoustic interference reflector comprising metal and air lamellae shaped in an "optical" shape like a convex plane lens or biconvex. Due to its shape, the acoustic lens makes it possible to focus the acoustic flux at the focal point of the lens. It is easy to understand that in the home, the intelligibility of a sound emitted can be improved because the useful sound level is simply increased compared to the background noise.
  • the acoustic lens also finds a useful in the field of acoustic screens permeable to air passage (conditioning and purification of the air). Indeed, an acoustic wave, being a wave of pressure, is obviously transported by air.
  • an acoustic lens asymmetrical to separate the trajectories of the flow of air and the acoustic flux which is refracted and focused on an absorbent material located outside the axis of air flow circulation. It is therefore useful to note that the lens then acts rather as a technique of acoustic correction in the reception area and not as an acoustic isolation technique.
  • inhomogeneities of spatial extension determined and periodically distributed in a two or three dimensional network.
  • the structure obtained is called phononic crystal.
  • the judicious periodic introduction of inhomogeneities (patterns) has the effect of causing the dispersion of the waves propagating in the structure and, for certain frequency ranges, of creating destructive interference.
  • the spectrum of elastic modes can therefore have one or more frequency bands in the acoustic domain for which there is no proper vibration mode which can participate in the propagation of sound [MM SIGALAS and EN ECONOMOU, Elastic and acoustic wave band structure, Journal of Sound and Vibration 158, p.377 (1992); AA RUFFA, Acoustic wave propagation through periodic bubbly liquids, J. Acoust. Soc. Am. 91, p . 1 (1992)].
  • a broadband gap ideally a prohibited bandwidth extending over the entire spectrum audible or for all incidences, is obviously a quite spectacular spectral property, which cannot be fulfilled only for certain specific conditions.
  • the choice of spatial distributions density, propagation velocities transverse and longitudinal, symmetry, topology and pattern fill factor in the elementary mesh will have to be adapted specifically in relationship with the wavelengths involved.
  • This document discloses an apparatus for carrying out acoustic probes in underground geological formations accessible via a borehole.
  • This device has a longitudinal body carrying an acoustic transmitter and receiver working at a determined frequency. Said body presents between the transmitter and the receiver a periodic network of discontinuities which cause multiple interferences making it possible to attenuate the energy of the acoustic waves propagating along the body at the considered frequency.
  • the device described does not, however, allow it to be used as a sound filter. In fact, by its design, the waves propagate along a long steel cylinder, which makes this invention unusable in terms of insulation partition.
  • Several parameters such as adjusting the hole distribution or the adjustment of the contrasts of elastic quantities in the system were also not exploited there either.
  • the present invention aims to provide a solution to overcome the disadvantages of the state of the art.
  • the present invention aims in particular to the use of structures for the realization of walls separators intended to protect the environment, dwellings or buildings intended to receive the public against noise pollution from a noise source located in the same region of space (absorption or acoustic correction) or in the complementary region of space (sound insulation), delimited by said structure.
  • the structures targeted by this invention may also relate to insulating envelopes or cowlings spatially a source of noise or a volume at protect.
  • the object of the present invention is to propose a constructive principle allowing to realize high isolation and / or sound absorption devices, in the audible range (between 15 Hz and 20 kHz and from preferably between 100 and 5000 Hz), based on repetition two-dimensional periodic, within a basic medium, a basic cell, containing at least one motif angular geometric, itself made up of at least two sides.
  • Said devices are further characterized by a judicious choice of the juxtaposition of materials acoustic impedances (i.e., densities and / or very contrasting wave propagation speeds).
  • the angular pattern is consisting of an angle bar with equal or unequal lips, a profile, preferably H, I, U or C, cladding, tube, thick tube or a hollow or full section bar polygonal.
  • Figure 1 schematically shows a possible assembly of a first periodic panel. he consists of a set of square section steel bars arranged in a simple square array. The side of the bars is given by b on the right view and the periodicity of the network is given by a on the same view. To the left of the figure, a perspective gives the system of aligned bars compared to the network. In the middle, a rotation angle ⁇ of 30 degrees is reached. This rotation adjusts to the width of the gap (see Figure 2).
  • Figure 2 shows at the top an evolution of the frequencies delimiting the first gap in the example described in Figure 1 as a function of the angle of rotation.
  • the periodicity is 10 cm and the side of the bars is 7 cm. The larger the angle of rotation, the larger the gap.
  • an abacus represents the reduced width of the gap as a function of the angle of rotation for different filling factors f.
  • the periodicity is 10 cm.
  • Figure 3 shows schematically a assembly of profiled steel sheets (or cladding) side by side so as to form isolated air cavities which repeat periodically.
  • the periodic network is a centered rectangle network.
  • the incidence of the waves will be assumed to be perpendicular to the uniform direction.
  • each sheet has a periodicity 183 mm lateral, 20 mm high and thick 2mm.
  • Figure 4 represents on the left, the theoretical transmission spectrum of a packet of waves crossing an assembly of three periods of the centered network of sheets described in figure 3. Transmission through a full sheet containing the same mass of steel is added in dotted lines. An improvement in the attenuation is clearly visible over a wide frequency range at low frequency.
  • the same calculation was made by considering the partial filling of the largest cells with a plaster or concrete type material. There is a marked improvement for frequencies below 500 Hz. Again the comparison with a homogeneous panel whose elastic characteristics are obtained by weighting the contribution of steel and plaster is plotted.
  • FIG. 5 schematically represents a aerial view of a two-dimensional periodic structure composed of 8 mm side solid steel bars (in white), coated with a polymer (in dark gray on the drawing) 2 mm thick and arranged in a matrix epoxy (light gray) in a 13 mm square network.
  • FIG. 6 represents a theoretical transmission spectrum through four periods of an assembly as described in FIG. 5. Clear cuts in the transmission are visible at very low frequency. Again, a comparison with a uniform panel of effective density and velocities calculated as a weighted average of those of steel and polymer is given. The improvement in attenuation is again very clear.
  • the first family of devices is characterized by any type of periodic arrangement of high density angular patterns and at least two sides (L angles, square or rectangular tubes, ...), insulated relative to each other according to a network of Bravais two-dimensional (square, rectangular, hexagonal symmetry, ...), whether it is centered or not.
  • the nature of the materials used to manufacture these devices is very important.
  • the patterns must have a very high density contrast with the medium or basic material which in the present case is a gas such as, for example, air, nitrogen, hydrogen, argon, CO 2 , etc.
  • These materials can be solid or even liquid (if they are of course supported by a solid envelope structure) and advantageously be chosen provided that they have a density greater than 1000 kg.m -3 approximately.
  • As liquid let us cite in particular water or oil, or even gels.
  • metals such as, for example, steel or aluminum have a mechanical rigidity which also allows the use of a panel as a structural element.
  • Closed patterns can be full or hollow. In the latter case, sufficient thickness allows to assimilate the behavior of a hollow pattern and a pattern full, which has an economic advantage and relief of the device. For example, a thickness 2 mm steel criticism is sufficient.
  • An alternative is to replace the air contained in the inclusions by a inexpensive high density material.
  • Figure 1 shows an illustration of the first family considered. It is a set of periodic rows (three in the diagram) of square section steel bars arranged in the air in a square network.
  • the frequency of the network i.e. the center to center distance between the bars, is given by the quantity a on the sketch in figure 1 and the side of the bars by b on the same sketch.
  • the orientation of the bars relative to the square two-dimensional network is given by the angle ⁇ in FIG. 1.
  • Figure 2 shows the evolution of frequencies delimiting the gap as a function of the angle of rotation for a 10 cm period system and bars 7 cm side. The more the angle of rotation ⁇ increases and the more the gap widens.
  • the frequency median of the gap is well around 1700 Hz as provided by the law of scale (approximately 10% error).
  • Increase the size of the complete system by a factor of two (20 cm period system and 14 cm side bars) will result in the displacement of the gap to two times lower frequencies, with one frequency median at 850 Hz.
  • this decrease in frequency of the gap is interesting, the structure as well formed then becomes very bulky since its thickness Doubled.
  • FIG. 2 An abacus intended for the person skilled in the art is presented in FIG. 2 (below). It presents the evolution of the reduced width of the gap, defined as the ratio of the width of the gap to its median frequency, as a function of the angle of rotation as well as the filling factor f which in this particular case is equal to the ratio b 2 / a 2 (a value of 10 cm in the examples).
  • An advantage of phononic crystals not filled by a filler is air permeability and impermeability to sound. This is a very particular characteristic of the invention which makes it possible to constitute walls facilitating the evacuation of calories (heat exchangers) and pollutants (ventilation and hygrothermal comfort) while being impermeable to sound. In this context of application, it is again necessary to point out the existence of devices called "acoustic lenses" which are not impermeable to sound but which refract the acoustic flow while leaving the air flow unchanged.
  • the present invention therefore allows the possibility to exchange air between the two spaces separated as well as heat exchange in the air crossing the structure (exchanger systems).
  • metallic patterns such as, for example, steel or aluminum which have a high thermal conductivity, is particularly interesting.
  • this type of crystal makes it possible to obtain gaps acoustics located in the medium and high frequencies of the audible range (typically 1000-5000 Hz).
  • Non-breathable devices Assembly periodical of high contrast linked or nested patterns densities
  • the second family of devices is characterized by any type of periodic arrangement of high density angular patterns and at least two sides (L angles, square or rectangular tubes, ...) according to a two-dimensional Bravais network (square symmetry, rectangular, hexagonal, ...), whether centered or not.
  • the patterns will be linked together to form cavities or cells isolating the base medium.
  • the advantage a large density contrast has already been suggested in the previous example.
  • this contrast is good adapted, we see that it creates gaps at significantly lower frequencies than those found above.
  • bass cavities density here air
  • solid matrix here steel
  • the waves will be confined mainly in these cavities, which results in a very transmission frequency selective.
  • the gaps, established between these selective transmissions will allow isolation at very low frequency.
  • the patterns must be chosen with the same criteria as for family 1.
  • Closed patterns can be full or hollow. It can be interesting to fill in some alveoli to modify the reflection phenomenon multiple but also the elasticity properties of the structure. This is illustrated in Example 2.
  • EXAMPLE 2 centered rectangle network with honeycomb patterns obtained by assembling steel cladding in air (2.2.1) and / or by partially filling certain cells with a filler (2.2.2)
  • Figure 3 illustrates a possible assembly of profiled steel sheets placed side by side so as to form isolated air cavities that repeat periodically.
  • the periodic network is a centered rectangle network.
  • the thickness of each sheet is 2 mm.
  • Each of her has a height of 20 mm and a lateral periodicity of 183 mm.
  • Two periods constitute the panel in this diagram, which implies that the total thickness of the panel is in this case 160 mm.
  • the lateral periodicity can be significantly different.
  • the same remark can apply to the periodicity in the sense of thickness but for the sake of compactness, a value maximum of 20 mm seems indicated.
  • Figure 4 shows the theoretical results of the transmission calculated for an assembly of three periods (left part).
  • a very wide gap at low frequency ranges from 500 to 2500 Hz.
  • Comparison with a solid steel sheet of equivalent mass reflects a strong attenuation relative to the homogeneous case in this gap (98 % at 1000 Hz).
  • this gap i.e. in below 500 Hz, about 90% attenuation at 400 Hz or 80% at 200 Hz is also found.
  • the waterproof structures have a advantage inaccessible to breathable structures, know the possibility of getting very transmissions low at the lowest frequencies in the audible range for smaller wall or envelope thicknesses. This type of structure is easy to make but still remains relatively bulky.
  • Non-breathable devices Assembly periodical of isolated patterns with high speed contrast
  • the third family of devices is also characterized by any type of periodic arrangement of high density angular patterns, preferably solid, and on at least two sides (angles L, square or rectangular tubes, etc.) in a solid matrix ( filler) of lower density, according to a two-dimensional Bravais network (square, rectangular, hexagonal structure, ...), whether centered or not.
  • the patterns are coated with a greater or lesser thickness of polymer having very low propagation speeds in comparison with the inclusions (patterns) and the filler, which guarantees a high contrast of speeds within the system. This polymer could in itself also constitute the filler.
  • the nature of the materials used to manufacture these devices is very important.
  • the patterns and the filler must have very high propagation speeds compared to that of the polymer. Any sufficiently dense solid material could therefore constitute the patterns (steel, aluminum, lead, etc.). In the same way any lighter solid material could be used as filler material (epoxy, lightened concrete, plaster, ).
  • any lighter solid material could be used as filler material (epoxy, lightened concrete, plaster, ).
  • the polymer it will be chosen so as to exhibit low speeds.
  • We cite in the literature a material of very low velocities ( ⁇ 100 ms -1 ) [L. BOUSSE, E. DIJKSTRA and O. GUENAT, Technical Digest, Solid State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Island, SC, p.272 (1996)].
  • the change in nature of the polymer will consequence the change in frequency range of cuts.
  • An increase in the transverse speed of the polymer will linearly increase the frequency range. he it will then be necessary to dilate in a homothetic way the system in view of returning to a similar range.
  • FIG. 5 gives an aerial view of a two-dimensional periodic structure composed of square steel bars full of 8 mm side, coated with a polymer of 6 ms -1 of transverse speed and 23 ms -1 of longitudinal speed [ L. BOUSSE et al., Ibid.] Applied in 2 mm thickness. The bars are then arranged in an epoxy matrix according to a square network of 13 mm period.
  • This two-dimensional geometry based on three materials has the considerable advantage of being able obtain significant attenuation at very low frequency (typically 500 Hz) while maintaining a thickness of walls of centimetric dimensions.

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Abstract

La présente invention se rapporte à un dispositif d'isolement et/ou de correction acoustique dans le domaine des ondes de fréquence audible, c'est-à-dire entre 15 Hz et 20 kHz, et de préférence comprises entre 100 et 5000 Hz, caractérisé en ce qu'il présente, au sein d'un milieu de base, une répétition périodique à deux dimensions d'une cellule de base, ladite cellule comprenant au moins un motif géométrique anguleux, ledit motif étant constitué d'au moins deux côtés, pour former une structure de matériaux juxtaposés présentant de forts contrastes d'impédances acoustiques, c'est-à-dire de densités et/ou de vitesses de propagation desdites ondes. <IMAGE>

Description

Objet de l'invention
La présente invention se rapporte à des structures originales, constituées de motifs anguleux, permettant de combiner une fonction d'enveloppe ou de séparation avec des propriétés remarquables d'isolement et d'absorption acoustique.
Etat de la technique et arrière-plan scientifique
Aujourd'hui, la qualité acoustique est une notion extrêmement importante qui se rapporte à différents secteurs du bâtiment comme le résidentiel, le bâtiment public ou encore le bâtiment à usage professionnel. Afin d'assurer une qualité de vie correcte dans ces bâtiments, il est indispensable de se protéger du bruit de voisinage, du bruit routier, ferroviaire ou encore aérien.
Les techniques traditionnelles d'isolation ou d'absorption acoustique mettent en jeu des propriétés ou lois physiques bien connues comme les effets d'inertie mécanique (loi de masse-densité), les effets d'amortissement viscoélastique, les cavités rayonnantes et/ou absorbantes. Une description simplifiée est présentée ci-dessous au § 1.
Ces techniques d'isolation acoustique requièrent généralement une étanchéité à l'air maximale qui va souvent à l'encontre du confort sanitaire ou encore hygrothermique (conditionnement d'air). Toutefois, une exception à cette règle dans les domaines du conditionnement d'air ou des échangeurs de chaleurs est la mise en oeuvre de lentilles acoustiques qui permettent de séparer les trajectoires du flux d'air et du flux acoustique afin de n'absorber que ce dernier. Il est important de signaler que la lentille acoustique travaille par réfraction et de ce fait le son doit être atténué dans l'espace de réception (voir § 1.3).
Comme expliqué plus loin (voir § 2), le recours à un matériau artificiel structuré périodiquement, appelé cristal phononique, est une technique d'isolation acoustique qui, à notre connaissance, n'a jamais été exploitée industriellement. Le cristal phononique est un dispositif acoustique qui permet, sous certaines conditions, de séparer un flux d'air et un flux acoustique, à l'instar de la lentille acoustique. Ici, la différence notable est que le flux acoustique est fortement réfléchi vers l'espace d'émission.
Enfin, il faut signaler la possibilité de contrôler activement le niveau de pression acoustique en un endroit donné d'un espace en faisant interférer une onde acoustique incidente et une onde générée en opposition de phase (WO-A-89 03472, JP-A-08 069 286, SU-A-1 629 576, US-A-4 887 692, JP-A-11 093 670). L'interférence de ces deux ondes engendre l'annihilation de l'onde gênante. Ce type de problématique sort du cadre de cette invention et reste aussi assez difficile à mettre en oeuvre pour le contrôle acoustique dans une zone étendue de l'espace de réception (ce qui est précisément recherché en isolation acoustique).
1. Etat de la technique dans le domaine de l'isolation et de l'absorption en traitement acoustique
En terme de techniques classiques d'isolation acoustique, on distingue trois cas :
  • les parois simples ;
  • les parois doubles ;
  • les techniques de correction/absorption acoustique.
1.1 Isolement acoustique par parois simples
Dans le cas d'une paroi simple (un seul matériau homogène) rigide et indéformable, la paroi se comporte alors comme un piston mobile indéformable. L'indice d'affaiblissement acoustique R (exprimé en dB) correspondant n'est fonction que de la masse surfacique, de la fréquence et de l'angle d'attaque de l'onde incidente. Il est donné par la loi de masse-densité qui s'exprime comme suit : R=10.log πmν.cosρ0.c 2 où m est la masse surfacique, v la fréquence de l'onde incidente,  l'angle d'incidence mesuré par rapport à la normale à la paroi, c la vitesse de propagation du son et ρ0 la densité de l'air. Typiquement, R augmente de 6 dB par octave ou par doublement de m et diminue de manière monotone en fonction de .
Dans le cas d'une paroi simple rigide mais poreuse, la loi de masse-densité reste valable mais la porosité influence l'indice d'affaiblissement acoustique à haute fréquence.
Dans le cas réel d'une paroi simple homogène mais déformable élastiquement, on peut considérer que la plaque entre en vibration sous l'effet de l'onde de pression incidente qui peut être décrite comme la superposition de modes normaux de flexion. Pour une paroi d'épaisseur h, constituée d'un matériau de masse volumique ρ, de module d'élasticité E et de coefficient de Poisson η, la fréquence critique fondamentale est donnée par l'expression suivante : νc = c 2 2π.h 12ρ(1 - η2) E Lorsque la fréquence ν de l'onde incidente correspond à νc (phénomène de coïncidence), la paroi vibre à une amplitude maximale. L'indice d'affaiblissement acoustique s'en trouve fortement réduit, suite à l'excitation du mode propre et l'amplitude de vibration est fonction du facteur de perte. Pour ν<νc, la paroi se comporte comme une paroi rigide (6 dB/octave) mais pour ν>νc, l'indice d'affaiblissement acoustique croít alors de 9 dB/octave. Pour que le phénomène de coïncidence soit utile, il est nécessaire d'obtenir une fréquence critique aussi basse que possible (par exemple en augmentant l'épaisseur h).
1.2 Isolement acoustique par parois doubles
Une paroi double est une paroi constituée de deux parois simples couplées mécaniquement par un matériau purement élastique (cavité). Dans ce cas, le système présente une fréquence propre qui peut s'exprimer comme :
Figure 00050001
où k = E / h est la constante de rigidité du matériau élastique, h l'épaisseur de la cavité, m1 et m2 les masses surfaciques des deux parements. Pour ν<ν0, l'indice d'affaiblissement de la paroi est alors donné par la loi de masse-densité d'une paroi simple de masse surfacique égale à m1+m2. Pour ν>ν0, l'indice d'affaiblissement croít alors de 18 dB/octave. L'obtention d'une fréquence propre pour des parois lourdes est assez aisée. Par contre, lorsqu'il s'agit de parois légères, il est généralement nécessaire de choisir une épaisseur h importante.
La réflexion sur la paroi 2 des ondes acoustiques transmises par la paroi 1 est susceptible de créer des ondes stationnaires pour des fréquences νn égales à : νn = n. c 2h Il faut donc un peu déchanter car la paroi double peut rayonner au travers des modes propres de la cavité avec pour conséquence une réduction significative de l'indice d'affaiblissement acoustique (12 dB/octave contre 18 dB/octave). Ce phénomène peut être atténué par un non parallélisme des parois ou encore par l'ajout d'un matériau absorbant dans la cavité.
1.3 Isolement/correction acoustique par absorption
Il est possible de diminuer la durée de réverbération d'un local en absorbant rapidement l'énergie acoustique injectée dans la salle de réception. Ce phénomène est recherché pour améliorer l'intelligibilité de l'écoute (parole ou musique). Toutefois, il est également possible d'utiliser ces techniques, dites de correction acoustique (espace d'émission = espace de réception), pour faire de l'isolement acoustique. On connaít deux techniques particulières :
  • les résonateurs de Helmoltz ;
  • les lentilles acoustiques (JP-A-62 277 044, JP-A-04 173 420, JP-A-04 173 426, JP-A-02 267 433).
Un résonateur de Helmoltz peut être considéré comme un résonateur mécanique en forme de bouteille dont le corps est de volume V et dont le col est de longueur 1 et de section S. Dans ce cas, la fréquence de résonance de la bouteille est donnée par la relation : νréson. = c 2π S V .l où c est la vitesse du son dans l'air.
Lorsque v = ν réson., le résonateur vide vibre et restitue plus longtemps l'énergie acoustique correspondant à la fréquence de résonance (réverbération). Lorsque le résonateur est rempli d'un matériau absorbant, on a par contre une absorption maximale à cette fréquence (correction acoustique). En pratique, on utilise une cavité fermée par un panneau perforé qui n'est autre qu'un ensemble d'oscillateurs de Helmoltz mis en parallèle. Ce type de panneau peut aussi être utilisé pour faire de l'isolement acoustique.
Une lentille acoustique est aussi un dispositif qui peut être utilisé pour faciliter l'intelligibilité de la parole en milieu bruyant mais aussi pour réellement faire de l'isolement acoustique lorsque des échanges d'air doivent être réalisés entre l'espace d'émission et de réception du son. En effet, la lentille est constituée d'un réflecteur acoustique interférentiel comprenant des lamelles de métal et d'air mises en forme selon une forme "optique" comme une lentille plan convexe
ou biconvexe. De par sa forme, la lentille acoustique permet de focaliser le flux acoustique au foyer de la lentille. Il est aisé de comprendre qu'au foyer, l'intelligibilité d'un son émis peut se trouver améliorée car le niveau sonore utile est simplement augmenté par rapport au bruit de fond.
La lentille acoustique trouve également une utilité dans le domaine d'écrans acoustiques perméables au passage de l'air (conditionnement et purification de l'air). En effet, une onde acoustique, étant une onde de pression, est évidemment transportée par l'air. On peut montrer que l'utilisation d'une lentille acoustique asymétrique permet de séparer les trajectoires du flux d'air et du flux acoustique qui est réfracté et focalisé sur un matériau absorbant situé en dehors de l'axe de circulation du flux d'air. Il est donc utile de noter que la lentille agit alors plutôt comme une technique de correction acoustique dans l'espace de réception et non comme une technique d'isolement acoustique.
2. Etat de l'art scientifique dans le domaine de l'isolement acoustique par cristaux phononiques
Un matériau macroscopiquement homogène ne peut présenter des variations importantes dans le spectre de transmission des fréquences audibles. La raison profonde de cette "difficulté" doit être recherchée dans le fait que, dans cette région spectrale, les longueurs d'ondes varient avec la fréquence de manière strictement monotone et que la dispersion est complètement absente. La vitesse de propagation c est une constante, indépendante de la longueur d'onde ou de la fréquence : ω = kc = 2πλ où ω (ω = 2πν) est la pulsation, k est le nombre d'onde et λ est la longueur d'onde.
Cette relation est largement vérifiée pour tous les milieux homogènes, qu'ils apparaissent sous forme solide, liquide ou gazeuse. Le coefficient de proportionnalité est une des vitesses transverses ou longitudinale de propagation du son c. Une relation de dispersion aussi simple ne conduit qu'à des variations très lentes de la densité spectrale de modes ce qui n'offre que trop peu de marge pour ajuster l'opacité acoustique spectrale par un choix judicieux du matériau. L'épaisseur et la densité joueront toutefois leur rôle bien connu dans l'atténuation du son.
Dans la dernière décennie, on a pu voir se développer un intérêt croissant dans la recherche de matériaux artificiels présentant des propriétés physiques spéciales. Dans ce cadre, l'étude de la propagation des ondes sonores dans des structures élastiques hétérogènes a vu le jour. Elle présente un intérêt dans le contrôle de l'isolation et de l'absorption acoustique.
Pour faire apparaítre une dispersion et permettre une modulation de la réflectance et de la transmission, il est nécessaire d'introduire des inhomogénéités d'extension spatiale déterminée et distribuées périodiquement selon un réseau à deux ou trois dimensions. La structure obtenue est appelée cristal phononique. L'introduction périodique judicieuse d'inhomogénéités (motifs) a pour conséquence d'engendrer la dispersion des ondes se propageant dans la structure et, pour certaines gammes de fréquences, de créer des interférences destructives. Le spectre des modes élastiques peut donc présenter une ou plusieurs bandes de fréquence dans le domaine acoustique pour lesquelles il n'existe pas de mode de vibration propre qui puisse participer à la propagation du son [M.M. SIGALAS et E.N. ECONOMOU, Elastic and acoustic wave band structure, Journal of Sound and Vibration 158, p.377 (1992) ; A.A. RUFFA, Acoustic wave propagation through periodic bubbly liquids, J. Acoust. Soc. Am. 91, p.1 (1992)].
On parle alors de largeur de bande interdite acoustique et on utilise aussi la terminologie anglaise de "gap" acoustique. Ainsi, une onde incidente de fréquence comprise dans cette bande interdite doit être réfléchie et s'éteindre exponentiellement dans le cristal, laissant, après une profondeur suffisante, une amplitude négligeable. L'atténuation qui en résulte est remarquable. Le cristal devient donc un filtre acoustique en mode réflexion dans différentes plages fréquentielles qui peuvent être sélectionnées par un choix judicieux de la périodicité de l'assemblage.
Il y a donc un intérêt particulier à agencer périodiquement et de manière judicieuse certains matériaux afin de faire apparaítre ces gaps interdisant le transport de l'énergie acoustique. Un gap de large bande, idéalement une largeur de bande interdite s'étendant à tout le spectre audible ou pour toutes les incidences, est évidemment une propriété spectrale tout à fait spectaculaire, qui ne peut être remplie que pour certaines conditions spécifiques. Pour un tel cristal, le choix des distributions spatiales de la masse volumique, des vitesses de propagation transverses et longitudinales, de la symétrie, de la topologie et du facteur de remplissage des motifs dans la maille élémentaire devront être adaptés spécifiquement en relation avec les longueurs d'ondes mises en jeu.
A notre connaissance, seul le document EP-A-375 549 met en évidence l'utilité pratique d'une distribution périodique ou non de matériaux élastiquement différents. Ce document divulgue un appareil pour effectuer des sondages acoustiques dans des formations géologiques souterraines accessibles via un puits de forage. Cet appareil présente un corps longitudinal portant un émetteur et un récepteur acoustiques travaillant à une fréquence déterminée. Ledit corps présente entre l'émetteur et le récepteur un réseau périodique de discontinuités qui causent des interférences multiples permettant d'atténuer l'énergie des ondes acoustiques se propageant le long du corps à la fréquence considérée. Le dispositif décrit ne permet cependant pas d'être employé comme filtre sonore. En effet, de par sa conception, les ondes se propagent le long d'un long cylindre d'acier, ce qui rend inexploitable cette invention en terme de cloison d'isolation. Plusieurs paramètres comme l'ajustement de la distribution des trous
ou l'ajustement des contrastes de grandeurs élastiques dans le système n'y ont d'ailleurs pas non plus été exploités.
Buts de l'invention
La présente invention vise à fournir une solution permettant de s'affranchir des inconvénients de l'état de la technique.
La présente invention vise en particulier à l'utilisation de structures pour la réalisation de parois de séparation destinées à protéger l'environnement, des habitations ou des immeubles destinés à recevoir du public contre les nuisances acoustiques d'une source de bruit située dans la même région de l'espace (absorption ou correction acoustique) ou dans la région complémentaire de l'espace (isolation acoustique), délimitées par ladite structure. Les structures visées par cette invention peuvent aussi concerner les enveloppes ou capotages isolant spatialement une source de bruit ou encore un volume à protéger.
L'invention vise encore à proposer des parois
ou enveloppes pouvant avoir différentes fonctionnalités telles qu'à titre d'exemple :
  • une fonction d'isolation acoustique entre deux espaces (émission et réception du son) ou de correction ou d'absorption acoustique (dans le même espace) apportée par la répétition périodique de motifs géométriques constitués de matériaux divers ;
  • une fonction de séparation étanche ou non (conditionnement d'air ou évacuation/traitement de polluants) entre deux espaces ;
  • une fonction structurale éventuelle lorsque les parois participent au support d'autres parois adjacentes, au support de personnes, de mobilier, de marchandises ou de véhicules ;
  • une fonction esthétique ;
  • une fonction sécurité (anti-effraction).
I1 est entendu que les parois ou cloisons basées sur cette invention doivent aussi être compatibles avec les impératifs techniques et de sécurité en usage dans le secteur de la construction afin de proposer un produit qui puisse être mis en oeuvre par l'homme de métier.
Résumé de l'invention
L'objet de la présente invention consiste à proposer un principe constructif permettant de réaliser des dispositifs à isolement et/ou absorption acoustique élevés, dans le domaine audible (entre 15 Hz et 20 kHz et de préférence entre 100 et 5000 Hz), basés sur la répétition périodique bidimensionnelle, au sein d'un milieu de base, d'une cellule de base, contenant au moins un motif géométrique anguleux, lui même constitué d'au moins deux côtés. Lesdits dispositifs sont de plus caractérisés par un choix judicieux de la juxtaposition de matériaux d'impédances acoustiques (c.-à-d. de densités et/ou de vitesses de propagation des ondes) fort contrastées.
Il est bon de noter que le type de structures qui est proposé dans la présente invention autorise aussi l'utilisation de matériaux absorbants (matériaux poreux, fibreux,...) qui peuvent être placés dans les "cristaux", en remplaçant totalement ou partiellement le milieu de base dans les espaces entre les motifs, afin d'augmenter encore l'isolement acoustique de la structure par absorption. Toute modification en terme de nature de l'absorbant apportée aux cristaux originaux présentés dans cette invention ne constituerait en rien une innovation.
Avantageusement, le motif anguleux est constitué par une cornière à lèvres égales ou inégales, un profilé, de préférence H,I,U ou C, un bardage, un tube, un tube épais ou une barre creuse ou pleine de section polygonale.
Nous présentons maintenant trois familles de formes d'exécution préférées de ces dispositifs selon l'invention, qui répondent aux critères mentionnés ci-dessus : (a) périodicité, (b) hauts contrastes d'impédances acoustiques (contrastes de densités et/ou de vitesses de propagation) et (c) un motif géométrique anguleux à au moins deux côtés.
Description des figures
La figure 1 représente schématiquement un assemblage possible d'un premier panneau périodique. Il consiste en un ensemble de barres d'acier à section carrée disposées selon un réseau carré simple. Le côté des barres est donné par b sur la vue de droite et la périodicité du réseau est donnée par a sur la même vue. A gauche de la figure, une perspective donne le système de barres alignées par rapport au réseau. Au milieu, un angle de rotation  de 30 degrés est atteint. Cette rotation permet d'ajuster à souhait la largeur du gap (voir figure 2).
La figure 2 présente en haut une évolution des fréquences délimitant le premier gap dans l'exemple décrit à la figure 1 en fonction de l'angle de rotation. Dans ce cas, la périodicité est de 10 cm et le côté des barres est de 7 cm. Plus l'angle de rotation est important et plus le gap s'élargit. En bas, une abaque représente la largeur réduite du gap en fonction de l'angle de rotation pour différents facteurs de remplissage f. Dans ces exemples, la périodicité est de 10 cm . Les paramètres élastiques utilisés dans les calculs pour les différents matériaux sont la densité (ρ), la vitesse longitudinale (c1) et la vitesse transverse (ct) :
ρair = 1 kgm-3, cl,air = 340 ms-1, ct,air = 0 ms-1;
ρacier = 7800 kgm-3, cl,acier = 5050 ms-1, ct,acier = 3080 ms-1.
La figure 3 représente schématiquement un assemblage de tôles profilées en acier (ou bardages) mises côte à côte de manière à former des cavités d'air isolées qui se répètent périodiquement. Le réseau périodique est un réseau rectangle centré. L'incidence des ondes sera supposée perpendiculaire à la direction uniforme. Pour ce système particulier, chaque tôle possède une périodicité latérale de 183 mm, une hauteur de 20 mm et une épaisseur de 2mm.
La figure 4 représente à gauche, le spectre de transmission théorique d'un paquet d'ondes traversant un assemblage de trois périodes du réseau centré de tôles décrit à la figure 3. La transmission à travers une tôle pleine contenant la même masse d'acier est ajoutée en pointillés. Une amélioration de l'atténuation est nettement visible sur une large plage fréquencielle à basse fréquence. A droite de la figure, le même calcul a été effectué en considérant le remplissage partiel des alvéoles les plus grandes par un matériau de type plâtre ou béton. On note une nette amélioration pour des fréquences inférieures à 500 Hz. A nouveau la comparaison avec un panneau homogène dont les caractéristiques élastiques sont obtenues en pondérant la contribution de l'acier et du plâtre est tracée.
Paramètres du plâtre : ρpl = 900 kgm-3, cl,pl = 1600 ms-1, ct,pl = 1300 ms-1.
La figure 5 représente schématiquement une vue aérienne d'une structure périodique bidimensionnelle composée de barres d'acier pleines de 8 mm de côté (en blanc), enrobées d'un polymère (en gris foncé sur le dessin) de 2 mm d'épaisseur et disposées dans une matrice d'époxy (gris clair) selon un réseau carré de 13 mm.
La figure 6 représente un spectre de transmission théorique à travers quatre périodes d'un assemblage tel que décrit à la figure 5. De nettes coupures dans la transmission sont visibles à très basse fréquence. A nouveau, une comparaison avec un panneau uniforme de densité et vitesses effectives calculées comme une moyenne pondérée de celles de l'acier et du polymère est donnée. L'amélioration de l'atténuation est à nouveau très nette.
Paramètres de l'époxy : ρepoxy = 1180 kgm-3, cl,epoxy = 2535 ms-1, ct,epoxy = 1157 ms-1. Paramètres du polymère : ρpoly = 1300 kgm-3, cl,poly = 25 ms-1, ct,poly = 6 ms-1.
Description de plusieurs formes d'exécution préférées de l'invention 1. Dispositifs perméables à l'air selon la direction salle d'émission / salle de réception - Assemblage périodique de motifs isolés à haut contraste de densités 1.1 Description générale
La première famille de dispositifs est caractérisée par tout type d'agencement périodique de motifs anguleux de haute densité et à au moins deux côtés (cornières L, tubes carrés ou rectangulaires, ...), isolés les uns par rapport aux autres selon un réseau de Bravais bidimensionnel (symétrie carrée, rectangulaire, hexagonale, ...), qu'il soit centré ou non.
- Choix des dimensions caractéristiques
La connaissance des milieux périodiques permet de prédire la fréquence médiane du premier gap (sur l'échelle des fréquences) grâce à une loi d'échelle empirique reliée à la période de répétition du motif (normes des vecteurs de base désignées par a et a') , à la symétrie du réseau (via α, d'ordre de grandeur voisin de l'unité) et à la vitesse c de propagation des ondes dans le milieu de base : υ = a . c α+α' 2
Cette loi indique que plus la période de répétition du motif est grande et plus la fréquence sera faible. Augmenter la taille du système complet d'un facteur deux aura pour conséquence le déplacement du gap à des fréquences deux fois plus basses. Il faut cependant remarquer que cette augmentation de a ou de a' doit s'accompagner proportionnellement d'une augmentation de la taille des motifs afin de conserver un même facteur de remplissage f, défini par le rapport de la surface occupée par le motif à la surface de la maille. En effet, la largeur du gap acoustique et f sont intimement liés (voir exemple ci-dessous).
Cette loi nous indique aussi que plus le milieu de base possède une vitesse de propagation faible et plus le gap sera localisé à basse fréquence. Les gaz (air, hydrogène, azote, ...) sont en général les matériaux idéaux.
- Choix des matériaux
La nature des matériaux retenus pour la fabrication de ces dispositifs est très importante. Les motifs doivent présenter un très grand contraste de densités avec le milieu ou matériau de base qui est dans le cas présent un gaz comme par exemple l'air, l'azote, l'hydrogène, l'argon, le CO2, etc. Ces matériaux peuvent être solides ou même liquides (s'ils sont bien entendu supportés par une structure enveloppe solide) et de manière avantageuse être choisis pour autant qu'ils aient une densité supérieure à 1000 kg.m-3 environ. A titre d'exemple, on peut citer les métaux (fer, acier, aluminium, mercure, plomb, ...) et leurs alliages, les verres, les bétons, les plâtres, les polymères, les bois, les céramiques, etc. Comme liquide, citons notamment l'eau ou l'huile, voire les gels. Outre l'intérêt dans le domaine de l'acoustique et leur propriétés de conductivité thermique, des métaux comme par exemple l'acier ou l'aluminium possèdent une rigidité mécanique qui autorise également l'utilisation d'un panneau comme élément structurel.
- Motifs pleins ou creux - Choix de l'épaisseur
Les motifs fermés peuvent être pleins ou creux. Dans ce dernier cas, une épaisseur suffisante permet d'assimiler le comportement d'un motif creux et d'un motif plein, ce qui présente un avantage économique et un allégement du dispositif. A titre d'exemple, une épaisseur critique de 2 mm d'acier est suffisante. Une alternative est de remplacer l'air contenu dans les inclusions par un matériau bon marché de haute densité.
- Nombre de périodes
Le nombre de périodes constituant le panneau, dans la direction de propagation du son, joue un rôle déterminant dans la valeur de l'atténuation au sein d'un gap. Plus ce nombre augmente et plus le gap devient profond. L'atténuation devient presque parfaite. L'emploi de moins de 10 périodes, de préférence trois à cinq périodes, semble être un compromis raisonnable dans l'optimisation du problème atténuation-compacité.
1.2 EXEMPLE 1 : réseau carré et motifs à section carrée (a = a') - système air / acier.
La figure 1 représente une illustration de la première famille envisagée. Il s'agit d'un ensemble de rangées périodiques (trois sur le schéma) de barres d'acier à section carrée disposées dans l'air selon un réseau carré. La périodicité du réseau, c.-à-d. la distance centre à centre entre les barres, est donnée par la grandeur a sur le croquis de la figure 1 et le côté des barres par b sur le même croquis. L'orientation des barres par rapport au réseau bidimensionnel carré est donnée par l'angle  sur la figure 1.
Une étude de la transmission d'un paquet d'ondes à incidence normale à travers une telle structure montre l'apparition de plusieurs gaps. Par la loi d'échelle introduite ci-dessus, nous pouvons comprendre que le premier gap d'un système possédant une période de 10 cm sera centré sur la fréquence de : υ = 12 . 3400.1 = 1700 Hz, le facteur α étant estimé à un demi pour ce système et la vitesse du son dans l'air étant de 340 ms-1.
Cependant, la largeur du gap dépend fortement de l'angle d'orientation du motif anguleux par rapport au réseau. La figure 2 (en haut) montre l'évolution des fréquences délimitant le gap en fonction de l'angle de rotation pour un système de 10 cm de période et des barres de 7 cm de côté. Plus l'angle de rotation  augmente et plus le gap s'élargit.
L'explication de cet effet repose sur des considérations géométriques. Le contraste d'impédances acoustiques entre l'acier et l'air est si grand que les ondes sont naturellement réfléchies sur les barres. A zéro degré, l'espace libre laissé entre les barres est tellement grand que les ondes peuvent se propager dans la structure sans être arrêtées par les barres réfléchissantes. Plus l'angle augmente et plus des réflexions multiples sur les barres vont être obtenues dans la structure. Ces réflexions, multidirectionnelles, engendrent des interférences destructives de plus en plus importantes au fur et à mesure que l'angle augmente, d'où l'ouverture d'un gap de plus en plus large dans la structure périodique.
Notons que, sur la même figure, la fréquence médiane du gap se situe bien aux alentours de 1700 Hz comme prévu par la loi d'échelle (environ 10% d'erreur). Augmenter la taille du système complet d'un facteur deux (système de 20 cm de période et barres de 14 cm de côté) aura pour conséquence le déplacement du gap à des fréquences deux fois plus basses, avec une fréquence médiane située à 850 Hz. Bien que cette diminution de la fréquence du gap soit intéressante, la structure ainsi formée devient alors très encombrante puisque son épaisseur a doublé.
Une abaque destinée à l'homme de métier est présentée à la figure 2 (en bas). Elle présente l'évolution de la largeur réduite du gap, définie comme le rapport de la largeur du gap à sa fréquence médiane, en fonction de l'angle de rotation ainsi que du facteur de remplissage f valant dans ce cas particulier par le rapport b2 /a2 (a valant 10 cm dans les exemples).
Notons que pour des facteurs de remplissage supérieur à 0.5, il existe un angle critique au-delà duquel les barres rentrent en contact. Dans ce cas les inclusions ne sont plus isolées ce qui gêne considérablement la fabrication. C'est pourquoi les courbes ne sont plus dessinées au-delà de cet angle ( c ) défini par la loi suivante : cos c = f
1.3 Avantages et inconvénients
Un avantage des cristaux phononiques non remplis par un filler est la perméabilité à l'air et l'imperméabilité au son. Il s'agit d'une caractéristique tout à fait particulière de l'invention qui permet de constituer des parois facilitant l'évacuation de calories (échangeurs de chaleur) et de polluants (aération et confort hygrothermique) tout en étant imperméables au son. Dans ce cadre d'application, il faut à nouveau signaler l'existence de dispositifs appelés "lentilles acoustiques" qui ne sont pas imperméables au son mais qui réfractent le flux acoustique en laissant inchangé le flux d'air.
Pour le cas des structures perméables à l'air, la présente invention autorise donc la possibilité de réaliser des échanges d'air entre les deux espaces séparés ainsi que des échanges thermiques dans l'air traversant la structure (systèmes à échangeur). Pour cette dernière application, l'utilisation de motifs métalliques comme, par exemple l'acier ou l'aluminium qui possèdent une conductivité thermique élevée, est particulièrement intéressante.
Un autre avantage remarquable et propre aux structures perméables à motifs anguleux est d'autoriser une ajustabilité de la largeur du gap acoustique contrôlable aisément par simple rotation des motifs autour de leur axe de symétries sans devoir changer le système initial d'inclusions. L'exemple 1 en est une illustration.
Toutefois, pour des dimensions caractéristiques raisonnables (période de plusieurs centimètres), ce type de cristal permet d'obtenir des gaps acoustiques situés dans les moyennes et hautes fréquences de la gamme audible (typiquement 1000-5000 Hz).
2. Dispositifs non perméables à l'air - Assemblage périodique de motifs reliés ou imbriqués à haut contraste de densités 2.1 Description générale
La seconde famille de dispositifs est caractérisée par tout type d'agencement périodique de motifs anguleux de haute densité et à au moins deux côtés (cornières L, tubes carrés ou rectangulaires, ...) selon un réseau de Bravais bidimensionnel (symétrie carrée, rectangulaire, hexagonale, ...), qu'il soit centré ou non. Les motifs seront reliés entre eux de manière à former des cavités ou alvéoles isolant le milieu de base. L'avantage d'un grand contraste de densités a déjà été suggéré dans l'exemple précédent. De plus, si ce contraste est bien adapté, on voit qu'il permet de créer des gaps à des fréquences nettement plus basses que celles trouvées ci-dessus. Par des considérations géométriques semblables à celles présentées supra, il sera plus favorable pour l'apparition d'un large gap d'isoler des cavités de basse densité (ici de l'air) dans une matrice solide (ici l'acier). Les ondes vont être confinées principalement dans ces cavités, ce qui se traduit par une transmission très sélective en fréquence. De plus, les gaps, établis entre ces transmissions sélectives, permettront une isolation à très basse fréquence.
- Choix des dimensions caractéristiques
Ici également, la fréquence médiane du premier gap peut être obtenue avec la même loi d'échelle empirique décrite pour la famille 1 de prototypes (voir aussi les conclusions s'y référant).
- Choix des matériaux
Ici également, les motifs doivent être choisis avec les mêmes critères que pour la famille 1.
- Motifs pleins ou creux
Les motifs fermés peuvent être pleins ou creux. Il peut être intéressant de remplir certaines alvéoles afin de modifier le phénomène de réflexion multiple mais aussi les propriétés d'élasticité de la structure. Ceci est illustré dans l'exemple 2.
- Nombre de périodes
Mêmes remarques que pour le cas de la famille 1.
2.2 EXEMPLE 2 : réseau rectangle centré à motifs alvéolaires obtenus en assemblant des bardages d'acier dans de l'air (2.2.1) et/ou en remplissant partiellement certaines alvéoles au moyen d'un filler (2.2.2) 2.2.1
La figure 3 illustre un assemblage possible de tôles profilées en acier mises côte à côte de manière à former des cavités isolées d'air qui se répètent périodiquement. Ces profilés existent déjà sur le marché, ce qui rend l'invention réalisable par l'homme de métier. Le réseau périodique est un réseau rectangle centré. L'épaisseur de chaque tôle est de 2 mm. Chacune d'elle possède une hauteur de 20 mm et une périodicité latérale de 183 mm. Deux périodes constituent le panneau dans ce schéma, ce qui implique que l'épaisseur totale du panneau est dans ce cas de 160 mm. Nous allons immédiatement montrer les avantages d'une telle conception. Notons que la périodicité latérale peut être sensiblement différente. La même remarque peut s'appliquer à la périodicité dans le sens de l'épaisseur mais par souci de compacité, une valeur maximale de 20 mm semble indiquée.
La figure 4 montre les résultats théoriques de la transmission calculée pour un assemblage de trois périodes (partie gauche). Un très large gap à basse fréquence s'étend de 500 à 2500 Hz. La comparaison avec une tôle d'acier pleine d'une masse équivalente traduit une forte atténuation relative au cas homogène dans ce gap (98 % à 1000 Hz). De plus, en dessous de ce gap, c.-à-d. en dessous de 500 Hz, une atténuation d'environ 90% à 400 Hz ou encore 80 % à 200 Hz est aussi trouvée. Pour des raisons de stabilités des calculs, on a placé un fluide de plus haute densité que l'air de part et d'autre du panneau, à savoir l'eau, et de ce fait, les effets liés à la périodicité ont pu être plus facilement mis en évidence.
2.2.2
En remplissant une partie des alvéoles par un matériau filler de type plâtre, béton, voire même acier, la céramique ou toute autre substance minérale, les polymères, etc., plus dense que le milieu de base de remplissage des alvéoles (ici par exemple de l'air), une atténuation nettement plus importante à des fréquences inférieures à 500 Hz est trouvée. Ceci devient donc une propriété remarquable pour l'isolation à basse fréquence. Le remplissage d'une partie des alvéoles par le matériau filler doit cependant être réalisé de manière périodique dans le réseau. Les résultats sont présentés sur la partie droite de la figure 4. A nouveau, la transmission à travers un panneau homogène dont les caractéristiques élastiques sont obtenues par pondération entre le filler, ici du plâtre, et l'acier est tracée. La comparaison montre la grande performance de l'isolation du système périodique à basse fréquence selon l'invention.
2.3 Avantages et inconvénients
Les structures imperméables possèdent un avantage inaccessible aux structures perméables à l'air, à savoir la possibilité d'obtenir des transmissions très faibles aux plus basses fréquences du domaine audible pour des épaisseurs de parois ou enveloppes plus réduites. Ce type de structure est facile à réaliser mais reste encore relativement encombrant.
3. Dispositifs non perméables à l'air - Assemblage périodique de motifs isolés à haut contraste de vitesses 3.1 Description générale
La troisième famille de dispositifs est aussi caractérisée par tout type d'agencement périodique de motifs anguleux de haute densité, de préférence solides, et à au moins deux côtés (cornières L, tubes carrés ou rectangulaires, ...) dans une matrice solide (filler) de plus basse densité, selon un réseau de Bravais bidimensionnel (structure carrée, rectangulaire, hexagonale, ...), qu'il soit centré ou non. Les motifs sont enrobés d'une épaisseur plus ou moins grande de polymère présentant des vitesses de propagation très faibles en comparaison avec les inclusions (motifs) et le filler, ce qui garantit un haut contraste de vitesses au sein du système. Ce polymère pourrait en soi aussi constituer le filler.
Par l'exemple 1, il est aisé de comprendre que l'emploi d'un matériau solide entourant les inclusions solides isolées va induire l'existence d'un gap à des fréquences nettement plus élevées puisque la vitesse de propagation des ondes dans les solides est importante (loi d'échelle). Une solution immédiate à ce problème est d'utiliser un polymère possédant une très basse vitesse de propagation (inférieure à 100 ms-1) comme matériau de base. On peut alors obtenir des gaps à très basses fréquences tout en conservant des systèmes de faibles tailles. Cependant cette solution peut s'avérer dans certains cas onéreuse puisqu'une grande quantité de polymère sera nécessaire.
Pour des raisons de prix de revient des dispositifs acoustiques de cette famille, on propose également de remplacer une partie du polymère par un matériau filler léger et rigide (dans cet exemple, l'époxy) et on montre comment un haut contraste de vitesse au sein d'un système solide composé de trois matériaux peut générer des coupures à des basses fréquences tout en gardant un système compact.
- Choix des matériaux
La nature des matériaux retenus pour la fabrication de ces dispositifs est très importante. Les motifs ainsi que le filler doivent présenter des vitesses de propagation très grandes comparées à celle du polymère. Tout matériau solide suffisamment dense pourrait donc constituer les motifs (acier, aluminium, plomb, ...). De la même manière tout matériau solide plus léger pourrait servir de matériau filler (l'époxy, béton allégé, plâtre, ...). Quant au polymère, il sera choisi de manière à présenter des vitesses faibles. On cite dans la littérature un matériau de vitesses très faibles (< 100 ms-1) [L. BOUSSE, E. DIJKSTRA et O. GUENAT, Technical Digest, Solid State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Island, SC, p.272 (1996)].
- Choix des dimensions caractéristiques.
Le changement de nature du polymère aura pour conséquence le changement de gamme de fréquence des coupures. Une augmentation de la vitesse transverse du polymère augmentera linéairement la gamme de fréquence. Il faudra alors dilater de manière homothétique le système en vue de revenir à une gamme similaire.
- Motifs pleins ou creux
Les motifs fermés doivent être pleins car le contraste de densités entre les éléments est insuffisant ici pour obtenir une réflexion totale des ondes à la surface des inclusions. Les ondes traverseront donc toute la structure.
- Nombre de périodes
Mêmes remarques que pour le cas des familles 1 et 2.
3.2 EXEMPLE 3 : réseau carré et motifs à section carrée enrobés d'un polymère. Système Epoxy/polymère/acier
La figure 5 donne une vue aérienne d'une structure périodique bidimensionnelle composée de barres d'acier carrées pleines de 8 mm de côté, enrobées d'un polymère de 6 ms-1 de vitesse transverse et de 23 ms-1 de vitesse longitudinale [L. BOUSSE et al., ibid.] appliqué en 2 mm d'épaisseur. Les barres sont alors disposées dans une matrice époxy selon un réseau carré de 13 mm de période.
La transmission à travers quatre périodes d'un tel cristal est envisagée à la figure 6. Dans ce cas, une normalisation est effectuée par rapport au milieu de base, l'époxy, que nous supposons être de part et d'autre du panneau. Sur la même figure, la transmission acoustique calculée pour un panneau homogène dont les caractéristiques sont obtenues par moyenne pondérée des caractéristiques des éléments constituants le panneau est aussi tracée. Pour des fréquences très basses, une atténuation relative importante est obtenue : 60% à 550 Hz et 98% à 1600 Hz. On obtient donc des coupures à très basse fréquence avec un système très compact (ici environ 60 mm d'épaisseur) . Ceci représente un avantage considérable. Il vient essentiellement du fait qu'il existe une région localisée de l'espace ou la vitesse transverse est anormalement basse par rapport au reste du système : le polymère. Ceci se traduit par des résonances soit dans cette région soit dans les inclusions d'acier.
3.3 Avantages et inconvénients
Cette géométrie bidimensionnelle à base de trois matériaux possède l'avantage considérable de pouvoir obtenir une atténuation importante à très basse fréquence (typiquement 500 Hz) tout en conservant une épaisseur de parois de dimensions centimétriques.
Il existe plusieurs variantes intéressantes à ce système. Le fait d'introduire par exemple, selon un même réseau périodique, des barres ayant des formes différentes y compris cylindriques, à section polygonale ou ronde, des tailles différentes, des masses différentes ou étant enrobées d'une épaisseur différente de polymère ou encore des barres entourées de fillers différents, implique une modification des fréquences de résonances. Ceci a pour effet de multiplier le nombre de fréquences de coupure. Par exemple, la présence de deux types différents de barres engendrera une superposition des fréquences de coupure, ce qui permettra d'élargir les plages fréquencielles d'atténuation.

Claims (23)

  1. Dispositif d'isolement et/ou de correction acoustique dans le domaine des ondes de fréquence audible, c'est-à-dire entre 15 Hz et 20 kHz, et de préférence comprise entre 100 et 5000 Hz, caractérisé en ce qu'il présente, au sein d'un milieu de base, une répétition périodique à deux dimensions d'une cellule de base, ladite cellule comprenant au moins un motif géométrique anguleux, ledit motif étant constitué d'au moins deux côtés, pour former une structure de matériaux juxtaposés présentant de forts contrastes d'impédances acoustiques, c'est-à-dire de densités et/ou de vitesses de propagation des ondes.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les espaces entre les motifs constituant ladite structure sont entièrement ou partiellement remplis par un matériau absorbant acoustiquement, de préférence poreux ou fibreux, ledit matériau absorbant remplaçant entièrement ou partiellement le milieu de base.
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le motif anguleux est constitué par une cornière à lèvres égales ou inégales, un profilé, de préférence H,I,U ou C, un bardage, un tube, un tube épais ou une barre creuse ou pleine de section polygonale.
  4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il est perméable à l'air et qu'il comporte l'agencement, selon un réseau de Bravais, de motifs anguleux de haute densité, isolés les uns des autres.
  5. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il est imperméable à l'air et qu'il comporte l'agencement de motifs anguleux de haute densité, selon un réseau de Bravais, lesdits motifs étant reliés entre eux de sorte à former des cavités ou alvéoles isolant le milieu de base.
  6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le spectre de fréquences transmises par ledit dispositif présente au moins un gap acoustique dont la fréquence médiane est essentiellement donnée par une relation proportionnelle à la vitesse de propagation des ondes (c) dans le milieu de base et inversement proportionnelle à la somme des vecteurs de base du réseau périodique (a,a').
  7. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de barres d'acier de section carrée, disposées selon un réseau carré simple, qui peuvent être tournées d'un angle () quelconque par rapport audit réseau.
  8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la valeur dudit angle () détermine la largeur dudit gap acoustique.
  9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit milieu de base possède une densité faible et est de préférence un gaz tel que l'air, l'hydrogène ou l'azote.
  10. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les alvéoles sont remplies d'un ou plusieurs gaz, de préférence l'air, l'azote, l'hydrogène, le dioxyde de carbone ou l'argon.
  11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'une partie des alvéoles est remplie de manière périodique par un matériau filler, de préférence plus dense que le gaz constituant le milieu de base de remplissage des alvéoles.
  12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le matériau filler est sélectionné dans le groupe comprenant l'acier, le béton, le plâtre, la céramique, une autre substance minérale ou un polymère.
  13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 12, caractérisé en ce que le réseau de Bravais bidimensionnel est à symétrie carrée, rectangulaire ou hexagonale, centré ou non.
  14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 13, caractérisé en ce que ledit motif est fermé et plein ou creux, un motif creux étant de préférence rempli d'air ou d'une matière à densité supérieure à celle de l'air.
  15. Dispositif selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que, dans la direction de propagation du son, le nombre de périodes du réseau est inférieur à 10 et de préférence compris entre 3 et 5.
  16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 15, caractérisé en ce que ledit motif de haute densité comprend un ou plusieurs matériaux, de nature solide, de préférence sélectionné(s) dans le groupe comprenant les métaux et leurs alliages, de préférence encore le fer, l'acier, l'aluminium, le mercure et le plomb, ainsi que le verre, le béton, le plâtre, la céramique, les minéraux, les polymères et le bois.
  17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 16, caractérisé en ce que ledit motif de haute densité comprend au moins un matériau liquide, supporté par une structure solide, de préférence un tube, et de préférence sélectionné dans le groupe comprenant l'eau, l'huile ou les gels.
  18. Dispositif selon la revendication 5,
    caractérisé en ce qu'il est constitué de l'assemblage de bardages ou tôles profilées en acier dans l'air, disposées côte à côte de manière à former des cavités isolées d'air à répétition périodique, de préférence selon un réseau rectangle centré.
  19. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il est imperméable à l'air et qu'il comporte l'agencement de motifs anguleux de haute densité, selon un réseau de Bravais bidimensionnel, lesdits motifs de haute densité étant isolés les uns par rapport aux autres et disposés dans une matrice solide (filler) de plus basse densité.
  20. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce que lesdits motifs sont enrobés d'une épaisseur d'un polymère présentant une faible vitesse de propagation du son.
  21. Dispositif selon la revendication 19 ou 20, caractérisé en ce que lesdits motifs sont pleins.
  22. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 19 à 21, caractérisé en ce qu'il comprend une structure périodique bidimensionnelle, composée de barres d'acier pleines, de section polygonale ou ronde, enrobées d'un polymère et disposées dans une matrice époxy selon un réseau carré.
  23. Dispositif selon la revendication 22, caractérisé en ce que lesdites barres d'acier peuvent présenter plusieurs formes ou tailles ou masses, ou encore peuvent être enrobées de différentes épaisseurs de polymère ou encore peuvent être entourées de fillers différents.
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