EP1374220A1 - Enveloppes ou parois presentant des proprietes ajustables d'isolement et/ou d'absorption acoustique - Google Patents

Enveloppes ou parois presentant des proprietes ajustables d'isolement et/ou d'absorption acoustique

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Publication number
EP1374220A1
EP1374220A1 EP02719573A EP02719573A EP1374220A1 EP 1374220 A1 EP1374220 A1 EP 1374220A1 EP 02719573 A EP02719573 A EP 02719573A EP 02719573 A EP02719573 A EP 02719573A EP 1374220 A1 EP1374220 A1 EP 1374220A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
network
patterns
acoustic
air
periodic
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Withdrawn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
EP02719573A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Cécile Goffaux
Richard Kergen
Pascal Magain
Fabrizio Maseri
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 France SA
Original Assignee
Cockerill Sambre SA
USINOR SA
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Cockerill Sambre SA, USINOR SA filed Critical Cockerill Sambre SA
Priority to EP02719573A priority Critical patent/EP1374220A1/fr
Publication of EP1374220A1 publication Critical patent/EP1374220A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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, consisting of angular patterns, allowing to combine an envelope or separation function with remarkable properties of insulation and sound absorption.
  • acoustic quality is an extremely important concept which relates to various sectors of the building such as the residential, the public building or even the building for professional use. In order to ensure a correct quality of life in these buildings, it is essential to protect yourself from neighborhood noise, road, rail or even air noise.
  • Traditional techniques of sound insulation or absorption involve well-known physical properties or laws such as the effects of mechanical inertia (mass-density law), the effects of viscoelastic damping, the radiating cavities and / or absorbent. A simplified description is presented below in ⁇ 1.
  • 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.
  • it is possible to actively control the sound pressure level at a given location in a space by causing an incident acoustic wave to interfere with a wave generated in phase opposition (WO-A-89 03472, JP -A-08 069 286, SU-A-1 629 576, US- A-4 887 692, JP-A-11 093 670).
  • the interference of these two waves generates the annihilation of the annoying wave.
  • m is the surface mass
  • v the frequency of the incident wave
  • ⁇ the angle of incidence measured with respect to the normal to the wall
  • Z the acoustic impedance.
  • impedance is defined for any medium by the product of the speed of propagation c of the sound and the density p characteristic of this medium.
  • Z refers to the impedance of the medium in which the wall is placed, for example air.
  • R increases by 6 dB per octave or by doubling of m and decreases monotonically as a function of ⁇ .
  • the law of mass-density remains valid but the porosity influences the high frequency sound reduction index.
  • the wall vibrates at a maximum amplitude.
  • 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 v> v c , the sound reduction index then increases by 9 dB / octave.
  • a double wall is a wall consisting of two simple walls mechanically coupled by a purely elastic material (cavity).
  • the system has a natural frequency which can be expressed as:
  • k-— is the stiffness constant of the elastic material h
  • h the thickness of the cavity
  • mi the surface masses of the two facings.
  • m 2 the surface masses of the two facings.
  • the wall weakening index is then given by the law of mass-density of a single wall with a surface mass equal to m ⁇ + 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.
  • the reflection on the wall 2 of the acoustic waves transmitted by the wall 1 is capable of creating standing waves for frequencies v n equal to:
  • a Helmoltz resonator can be considered as a bottle-shaped mechanical resonator whose body is of volume V and whose neck is of length 1 and of section S.
  • the resonant frequency of the bottle is given by the relation:
  • c is the speed of sound in the air.
  • v v reSOn .
  • the empty resonator vibrates and restores longer the acoustic energy corresponding to the resonance frequency (reverberation).
  • 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 made between the sound emission and reception space.
  • the lens consists of an acoustic interference reflector comprising metal and air lamellas shaped in an "optical" shape like a convex or biconvex plane lens. 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 utility in the field of acoustic screens permeable to the passage of air (conditioning and purification of air). Indeed, an acoustic wave, being a pressure wave, is obviously transported by air. It can be shown that the use of an asymmetrical acoustic lens makes it possible to separate the paths of the air flow and of the acoustic flow which is refracted and focused on an absorbent material located outside the axis of circulation of the air flow. . It is therefore useful to note that the lens then acts rather as an acoustic correction technique in the reception space and not as an acoustic isolation technique.
  • Z ⁇ and Z ⁇ are respectively the acoustic impedances of media I and II, ⁇ and ⁇ being respectively the angles incidence and transmission of the corresponding acoustic waves, measured relative to normal at the interface between the two media.
  • ⁇ and ⁇ being respectively the angles incidence and transmission of the corresponding acoustic waves, measured relative to normal at the interface between the two media.
  • inhomogeneities of spatial extension determined and periodically distributed according to a two or three dimensional network.
  • the structure obtained is called phononic crystal.
  • the judicious periodic introduction of inhomogeneities (patterns) has the consequence 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 [M. M. SIGALAS and E.N.
  • a broadband gap ideally a prohibited bandwidth extending to the entire audible spectrum or for all incidences, is obviously a quite spectacular spectral property, which can only be fulfilled for certain specific conditions.
  • the choice of the spatial distributions of the density, of the transverse and longitudinal propagation speeds, of the symmetry, of the topology and of the factor of filling of the patterns in the elementary mesh will have to be adapted specifically in relation to the lengths of waves involved.
  • the document EP-A-375 549 highlights the practical utility of a periodic distribution or not of elastically different materials. 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 waves. acoustic propagating 'along the body at the 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 the adjustment of the distribution of the holes or the adjustment of the contrasts of elastic quantities in the system were also not exploited there either.
  • the Japanese document JP-A-03 114099 describes an underwater (ultra-) sound isolation structure comprising at least two media, the speeds of sound of which are different and of a liquid or solid nature, making it possible to create paths propagation serving as waveguides, according to bars or sheets, for the acoustic waves transmitted in said media. These propagation paths are joined in bundles with uniform distribution. The propagation of sound waves along these different paths produces a phase shift due to the differences in propagation speed and transmission path: the resulting transmitted sound wave is thus destroyed or attenuated by interference.
  • AIMS OF THE INVENTION The present invention aims to provide a solution which makes it possible to overcome the drawbacks of the state of the art.
  • the present invention relates in particular to the use of structures for the production of partition walls intended to protect the environment, dwellings or buildings intended to receive the public against the acoustic nuisance of a noise source located in the same region of space (absorption or acoustic correction) or in the complementary region of the space (sound insulation) delimited by the said structure.
  • the structures targeted by this invention can also relate to the envelopes or cowlings spatially isolating a noise source or even a volume to be protected.
  • the invention also aims to provide walls or envelopes which may have different functionalities such as, for example: a function of acoustic insulation between two spaces (emission and reception of sound) or correction or absorption acoustics (in the same space); a waterproof separation function or not
  • the object of the present invention to provide a constructive principle for achieving devices with high isolation and / or sound absorption, in the audible range (between 15 Hz and 20 kHz and preferably between 100 and 5000 Hz) , based on a periodic two- or three-dimensional network of finite dimensions, with a basic cell constituting the elementary mesh of the network.
  • This basic cell comprises at least one angular geometric pattern, the section of which consists of at least two sides, which is integrated within at least one first base material (or of a first material) and which is produced in at least one second material
  • the present invention differs from the prior art in that it takes advantage of a periodic structure to obtain a transmitted wave attenuated by multiple and omnidirectional diffusions causing a return to the incident medium (effect diffraction).
  • the Japanese document JP-A-03 114099 proposes an isolation structure without periodicity where the resulting transmitted wave is destroyed by phase shift of its different components.
  • the invention will preferably be carried out using as angular patterns elongated elements such as bars, tubes, sheets, sheets, profiles, etc., whose cross sections in the same plane are arranged in a two-dimensional periodic network.
  • the device is then positioned in such a way that the propagation of the incident sound waves is essentially established in the periodic plane formed by the cross sections of said patterns.
  • absorbent materials porous, fibrous materials, etc.
  • the angular pattern is constituted by an angle with equal or unequal lips, a profile, preferably H, I, U or C, a tube, a thick tube or a hollow or full bar of polygonal section.
  • a profile preferably H, I, U or C
  • a tube preferably a thick tube or a hollow or full bar of polygonal section.
  • Figure 1 schematically shows a possible assembly of a first periodic panel. It consists of a set of square section steel bars arranged in a simple square network. 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. On the left of the figure, a perspective gives the system of bars aligned with respect to the network. In the middle, a rotation angle ⁇ of
  • 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 and the more the gap widens.
  • 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.
  • Figures 3 a and 3.b represents the attenuation of the waves sound (in dB) through a phononic crystal as a function of frequency.
  • the crystal is successively composed of one, three, five and ten rows (or periods) of square steel tubes 3 mm thick, 7 cm side (parameter b in figure 1) and spaced from each other by 1-0 cm (parameter a in figure 1)
  • the tubes are oriented relative to the square grating by 30 degrees respectively (fig. 3 a) and 40 degrees (Fig. 3.b).
  • Figure 4 schematically shows an assembly of profiled steel sheets placed side by side so as to form isolated air cavities which are repeated periodically.
  • the periodic lattice is a centered rectangle lattice.
  • the incidence of the waves will be assumed to be perpendicular to the uniform direction.
  • each sheet has with a lateral periodicity of 183 mm, a height of 20 mm and a thickness of 2 mm.
  • Figure 5 shows on the left, the theoretical transmission spectrum of a packet of waves passing through an assembly of three periods of the centered network of sheets described in Figure 4. Transmission through a full sheet containing the same mass of steel is added in dotted lines. Improved 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.
  • Figure 6 schematically shows an aerial view of a two-dimensional periodic structure composed of solid steel bars 8 mm side (in white), coated with a polymer (in dark gray in the drawing) of 2 mm thick and arranged in an epoxy matrix (light gray) in a 13 mm square network.
  • Figure 7 shows a theoretical transmission spectrum through four periods of an assembly as described in Figure 6. 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 nature of the materials used to manufacture these devices is very important.
  • the patterns must have a very large density contrast with the medium or basic material which in the present case is a gas such as, for example, air, nitrogen, hydrogen, argon, C0 2 , etc.
  • These materials can be solid or even liquid and advantageously be chosen as long as they have a density greater than 1000 kg. m "3 approximately.
  • metals iron, steel, aluminum, mercury, lead, etc.
  • alloys glasses, concretes, plasters, polymers, woods, gels, ceramics, etc.
  • Solid or hollow patterns Choice of thickness
  • the closed patterns can be solid or hollow. In the latter case, sufficient thickness makes it possible to assimilate the behavior of a hollow pattern and a solid pattern, which presents an economic advantage and a reduction in weight of the device. For example, a critical thickness of 2 mm of steel is sufficient.
  • An alternative is to replace the air contained in the inclusions with an inexpensive high density material.
  • the number of periods constituting the panel plays a determining role in the value of the attenuation within a gap. The more this number increases, the deeper the gap becomes. The attenuation becomes almost perfect. The use of less than 10 periods, preferably three to five periods, seems to be a reasonable compromise in optimizing the attenuation-compactness problem.
  • Figure 1 shows an illustration of the first family envisaged. 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.
  • the width of the gap strongly depends on the orientation angle of the angular pattern with respect to Figure 2 (above) shows the evolution of the frequencies delimiting the gap as a function of the angle of rotation for a system with a period of 10 cm and bars with a side length of 7 cm. ⁇ increases and the more the gap widens.
  • Figures 3 show two experimental results confirming this theory. They show the attenuation of sound waves (expressed in dB) obtained through respectively one, three, five and ten rows (or periods) of square steel tubes 3 mm thick and 7 cm side, distant from each other by 10 cm and oriented relative to the square network at respective angles of 30 (Figure 3.a) and 40 degrees ( Figure 3.b). '
  • the thickness of the crystal is therefore composed of a variable number of rows of bars, each row being made laterally of ten bars 2 m high, spaced 10 cm apart.
  • the geometry of the crystal is therefore invariant in the vertical direction.
  • Attenuation is defined by the difference in pressure levels detected by microphone at the outlet and at the inlet of the crystal, the distance between the microphones and the crystal remaining constant.
  • the source of pink noise type, emits at around 115 dB. It is attached to the crystal and is designed to attack it under normal incidence. The propagation of the waves is essentially directed in the direction of the thickness, perpendicular to the vertical and lateral directions and, therefore, only the partial gaps established in this direction are detected. Note that this operating mode in no way restricts the application of the invention to other incidences. For this, reference is made to the abacuses presented in FIG. 2.
  • An advantage of phononic crystals not filled with a filler is the air permeability and the impermeability to sound. This is a very particular characteristic of the invention which makes it possible to constitute walls facilitating the evacuation of calories
  • the present invention also allows the possibility of performing air exchanges between the two separate spaces but also heat exchanges in the air passing through 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 acoustic gaps located in the medium and high frequencies of the audible range (typically 1000-5000 Hz).
  • Non-air permeable devices Periodic assembly of connected or nested patterns with high density contrast
  • the second family of devices is characterized by any type of periodic arrangement of angular patterns of high density and with at least two sides
  • the median frequency of the first gap can be obtained with the same law of empirical scale described for family 1 of prototypes (see also the conclusions referring to it).
  • the closed patterns can be full or hollow. It may be interesting to fill certain cells in order to modify the phenomenon of multiple reflection but also the elasticity properties of the structure. This is illustrated in Example 2.
  • FIG. 4 illustrates a possible assembly of profiled steel sheets placed side by side so as to form isolated air cavities which are repeated periodically.
  • the periodic network is a centered rectangle network.
  • the thickness of each sheet is 2 mm.
  • Each of them has a height of 20 mm and a lateral periodicity of 183 mm.
  • a period is made up of the arrangement of four sheets, which implies a thickness of 80 mm per period.
  • Note that the lateral periodicity can be significantly different. The same remark can apply to the periodicity in the thickness direction but for the sake of compactness, a maximum value of 20 mm seems indicated.
  • FIG. 5 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.
  • the comparison with a solid steel sheet of equivalent mass indicates a strong attenuation relative to the homogeneous case in this gap (98% at 1000 Hz).
  • this gap i.e. below 500 Hz
  • an attenuation of around 90% at 400 Hz or even 80% at 200 Hz is also found.
  • a fluid of higher density than air was placed on either side of the panel, namely water, and therefore the effects linked to the periodicity could be more easily highlighted.
  • Impermeable structures have an advantage inaccessible to air-permeable structures, namely the possibility of obtaining very low transmissions at the lowest frequencies of the audible range for reduced wall or envelope thicknesses. This type of structure is easy to produce but is still relatively bulky.
  • Non breathable devices Periodic assembly of isolated patterns with high speed contrasts
  • the third family of devices is also characterized by any type of periodic arrangement of high density angular patterns, preferably solid, and with at least two sides (angles L, square tubes or rectangular, " ”) in a solid matrix (filler) of lower density, according to a two-dimensional Bravais network
  • the patterns are coated with a greater or lesser thickness of polymer having very low propagation speeds in comparison with the inclusions.
  • any sufficiently dense solid material could therefore constitute the patterns (steel, aluminum, lead, etc.).
  • any lighter solid material could be used as filler material (epoxy, lightened concrete, plaster ).
  • the polymer As for the polymer, it will be chosen so as to exhibit low speeds. We cite in the literature a material with very low speeds ( ⁇ 100 ms "1 ) [L. BOUSSE, E. DIJKSTRA and 0. GUENAT, Technical Digest, Solid State
  • Solid or hollow patterns The closed patterns must be full because the density contrast between the elements is insufficient here to obtain a total reflection of the waves at the surface of the inclusions. The waves will therefore pass through the entire structure.
  • FIG. 6 gives an aerial view of a two-dimensional periodic structure composed of solid steel bars of 8 mm side, coated with a polymer of 6 ms "1 of transverse speed and 23 ms " 1 of speed longitudinal applied in 2 mm thickness. The bars are then arranged in an epoxy matrix according to a square network of 13 mm period. The transmission through four periods of such a crystal is considered in Figure 7. In this case, normalization is performed with respect to the base material, the epoxy, which we assume to be on both sides of the panel. In the same figure, the acoustic transmission calculated for a homogeneous panel whose characteristics are obtained by weighted average of the characteristics of the elements constituting the panel is also plotted.

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Abstract

La présente invention ser rapporte à un dispositif d'isolement et/ou de corrections acoustiques dans le domaine des ondes sonores de fréquence audible, c'est-à-dire entre 15Hz et 20kHz, et de préférence comprise entre 100 et 5000Hz, caractérisé en ce qu'il présente un réseau périodique tridimensionnel de dimensions finies, avec une cellule de base constituant la maille élémentaire dudit réseau, ladite cellule comprenant au moins un motif géométrique anguleux intégré dans au moins une première matière de base, réalisé dans au moins une deuxième matière et dont la section est constituée d'au moins deux côtés, pour former une structure desdites matières juxtaposées et choisies pour présenter de forts contrastes d'impédances acoustiques.

Description

ENVELOPPES OU PAROIS PRESENTANT DES PROPRIETES AJUSTABLES D'ISOLEMENT ET/OU D'ABSORPTION ACOUSTIQUE
Objet de l'invention
[0001] 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 [0002] 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. [0003] 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.
[0004] 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 œuvre 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) . [0005] Comme expliqué plus loin (voir § 2), le recours à un matériau artificiel structuré périodiquement, appelé cri stal 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. [0006] 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 œuvre 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 1 ' bsorption en trai tement acoustique [0007] 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
[0008] 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. II est donné par la loi de masse-densité qui s'exprime comme suit :
où m est la masse surfacique, v la fréquence de l'onde incidente, θ l'angle d'incidence mesuré par rapport à la normale à la paroi et Z l'impédance acoustique. Cette notion d' impédance est définie pour n' importe quel milieu par le produit de la vitesse de propagation c du son et de la densité p caractéristiques de ce milieu. Dans la relation exprimée ci-dessus, Z fait référence à l'impédance du milieu dans lequel est placée la paroi, par exemple l'air. Typiquement, R augmente de 6 dB par octave ou par doublement de m et diminue de manière monotone en fonction de θ. [0009] 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.
[0010] 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 p, de module d'élasticité E et de coefficient de Poisson η, la fréquence critique fondamentale est donnée par l'expression suivante :
Lorsque la fréquence v de l'onde incidente correspond à vc
(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 v<vc, la paroi se comporte comme une paroi rigide (6 dB/octave) mais pour v>vc, l'indice d'affaiblissement acoustique croît 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
[0011] 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 :
où k-— est la constante de rigidité du matériau h élastique, h l'épaisseur de la cavité, mi et m2 les masses surfaciques des deux parements. Pour v<v0, 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 mι+m2. Pour v>v0, l'indice d'affaiblissement croît 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.
[0012] La réflexion sur la paroi 2 des ondes acoustiques transmises par la paroi 1 est susceptible de créer des ondes stationnaires pour des fréquences vn égales à :
_ C
^n ~ n -X (n entier) I n
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
[0013] 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 connaît deux techniques particulières : les résonateurs de Helmoltz ; - les lentilles acoustiques (JP-A-62 277 044, JP-A-04 173 420 A, JP-A-04 173 426 A, JP-A-02 267 433) .
[0014] 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 :
où c est la vitesse du son dans l'air. [0015] Lorsque v= vréSOn. 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. [0016] 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.
[0017] 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
1 ' isolement acoustique par cristaux phononiques [0018] 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 :
2π ω = kc - T
où ω (ω = 2πv) est la pulsation, k est le nombre d'onde et λ est la longueur d'onde. [0019] 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. [0020] A titre d'exemple théorique, à l'interface entre deux milieux homogènes semi-infinis (I et II), une fraction du flux acoustique incident (c'est-à-dire issu du milieu I) sera réfléchi. Le rapport entre la pression du flux réfléchi Pr et la pression du flux incident Pi, donne une définition du coefficient de réflexion r des ondes à l'interface, qui peut être exprimé comme suit :
où Zτ et Zττ sont respectivement les impédances acoustiques des milieux I et II, θ et φ étant respectivement les angles d'incidence et de transmission des ondes acoustiques correspondantes, mesurés par rapport à la normale à l'interface entre les deux milieux. Dans le cas de deμx milieux d'impédances acoustiques fort différentes (par exemple air et acier) , le flux incident est réfléchi quasi totalement pour tout angle d'incidence (r ≈ 1 ) . [0021] 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.
[0022] Pour faire apparaître 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.l (1992)] .
[0023] 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 1 ' assemblage .' [0024] Il y a donc un intérêt particulier à agencer périodiquement et de manière judicieuse certains matériaux afin de faire apparaître 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. [0025] 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. [0026] Le document japonais JP-A-03 114099 décrit une structure d'isolation (ultra- ) sonore sous-marine comprenant au moins deux milieux dont les vitesses du son sont différentes et de nature liquide ou solide, permettant de créer des chemins de propagation servant de guides d'ondes, selon des barres ou des feuilles, pour les ondes acoustiques transmises dans lesdits milieux. Ces chemins de propagation sont solidarisés en faisceaux à distribution uniforme. La propagation des ondes sonores selon ces différents chemins produit un déphasage dû aux différences de vitesse de propagation et de chemin de transmission : l'onde sonore résultante transmise est ainsi détruite ou atténuée par interférence .
Buts de l'invention [0027] La présente invention vise à fournir une solution permettant de s'affranchir des inconvénients de l'état de la technique.
[0028] 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 la dite 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.
[0029] 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) ; 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) .
[0030] Il 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 œuvre par l'homme de métier.
Résumé de 1 ' invention
[0031] 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 un réseau périodique bi- ou tridimensionnel de dimensions finies, avec une cellule de base constituant la maille élémentaire du réseau. Cette cellule de base comprend au moins un motif géométrique anguleux, dont la section est constituée d'au moins deux côtés, qui est intégré au sein d'au moins un premier matériau (ou d'une première matière) de base et qui est réalisé dans au moins un(e) deuxième matériau
(matière) . Lesdits dispositifs sont de plus caractérisés par un choix judicieux de la juxtaposition de matériaux
(matières) d'impédances acoustiques (c.-à-d. de densités et/ou de vitesses de propagation des ondes) fort contrastées .
[0032] La présente invention se distingue de l'état de la technique par le fait que l'on met à profit une structure périodique pour obtenir une onde transmise atténuée grâce à des diffusions multiples et omnidirectionnelles engendrant un retour vers le milieu incident (effet de diffraction) . Au contraire, le document japonais JP-A-03 114099 propose une structure d'isolement sans périodicité où l'onde transmise résultante est détruite par déphasage de ses différentes composantes.
[0033] L'invention sera exécutée préférentiellement en utilisant comme motifs anguleux des éléments allongés tels que barres, tubes, feuilles, tôles, profilés, etc., dont les sections transversales dans un même plan sont disposées selon un réseau périodique bidimensionnel. Le dispositif est alors positionné de manière telle que la propagation des ondes sonores incidentes soit essentiellement établie dans le plan périodique formé par les sections transversales desdits motifs. [0034] 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 la matière 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.
[0035] Avantageusement, le motif anguleux est constitué par une cornière à lèvres égales ou inégales, un profilé, de préférence H,I,U ou C, un tube, un tube épais ou une barre creuse ou pleine de section polygonale. [0036] 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) à 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 [0037] 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 θ de
30 degrés est atteint. Cette rotation permet d'ajuster à souhait la largeur du gap (voir figure 2) .
[0038] 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 (p) , la vitesse longitudinale (ci) et la vitesse transverse (ct) : pair = 1 kgrrf3, Cι,air = 340 ms"1, ct,air = 0 ms"1; Pacier = 7800 kgm"3 , c1;acier = 5050 ms"1, ct, acier = 3080 ms"1. [0039] Les figures 3. a et 3.b représentent l'atténuation des ondes sonores (en dB) au travers d'un cristal phononique en fonction de la fréquence. Le cristal est successivement composé d'une, trois, cinq et dix rangées (ou périodes) de tubes d'acier carrés de 3 mm d'épaisseur, de 7 cm de côté (paramètre b à la figure 1) et distants les uns des autres de 1-0 cm (paramètre a à la figure 1) . Les tubes sont orientés par rapport au réseau carré respectivement de 30 degrés (fig. 3. a) et de 40 degrés (fig. 3.b) . [0040] ' La figure 4 représente schématiquement un assemblage de tôles profilées en acier 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.
[0041] La figure 5 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 4. 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 fréquentielle 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 : ppι = 900 kgm-3, Cχ/Pι = 1600 ms"1, ct, ι = 1000 ms"1.
[0042] La figure 6 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. [0043] La figure 7 représente un spectre de transmission théorique à travers quatre périodes d'un assemblage tel que décrit à la figure 6. 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 : pepoχy = 1180 kgm"3, cι/epθχy = 2535 ms"1,
Ct. epoxy = 1157 ÏÏIS"1 .
Paramètres du polymère : ppoιy = 1300 kgm"3 , cι/ POιy = 25 ms"1 ,
Ct . poly = 6 s _ 1 - Description' de plusieurs formes d'exécution préférées de 1 ' invention
1. Disposi tifs perméables à l ' air selon la direction salle d ' émission / salle de réception - Assemblage périodique de motifs isolés à haut contraste de densi tés
1 . 1 Description générale
[0044] 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. [0045] 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 matériau de base :
υ = α .
(α + α')
[0046] 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) .
[0047] Cette loi nous indique aussi que plus le matériau 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 [0048] 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 C02, etc. Ces matériaux peuvent être solides ou même liquides 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 gels, les céramiques, etc. Comme liquide, citons notamment L'eau ou l'huile. 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 [0049] 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 [0050] Le nombre de périodes constituant le panneau 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/aci er .
[0051] 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 θ sur la figure 1.
[0052] Une étude de la transmission d'un paquet d'ondes 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 :
340 υ = 1700 Hz ,
2 0.1
le facteur α étant estimé à un demi pour ce système et la vitesse du son dans l'air étant de 340 ms"1. [0053] 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 θ augmente et plus le gap s'élargit.
[0054] 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. [0055] 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 caille 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. [0056] 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 défini dans ce cas particulier par le rapport b2/a2 (a valant 10 cm dans les exemples) .
[0057] 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 ( θc) défini par la loi suivante :
cos#c = V
[0058] Les figures 3 présentent deux résultats expérimentaux confirmant cette théorie. Elles montrent l'atténuation des ondes sonores (exprimée en dB) obtenue au travers respectivement de une, trois, cinq et dix rangées (ou périodes) de tubes d'acier carrés de 3 mm d'épaisseur et de 7 cm de côté, distants les uns des autres de 10 cm et orientés par rapport au réseau carré selon des angles respectifs de 30 (figure 3. a) et 40 degrés (figure 3.b). [0059] ' L'épaisseur du cristal est donc composée d'un nombre variable de rangées de barres, chaque rangée étant constituée latéralement d'une dizaine de barres de 2 m de hauteur espacées de 10 cm. La géométrie du cristal est, par conséquent, invariante dans la direction verticale.
[0060] L'atténuation est définie par la différence des niveaux de pression détectés par microphone à la sortie et à l'entrée du cristal, la distance entre les microphones et le cristal restant constante. La source, de type bruit rose, émet à environ 115 dB . Elle est accolée au cristal et est conçue de manière à attaquer celui-ci sous incidence normale. La propagation des ondes est essentiellement dirigée dans la direction de l'épaisseur, perpendiculaire aux directions verticale et latérale et, par conséquent, seuls les gaps partiels établis dans cette direction sont détectés . Notons que ce mode opératoire ne restreint en rien l'application de l'invention à d'autres incidences. On se référera pour cela aux abaques présentées à la figure 2. Celles-ci prennent en compte les gaps "complets", c'est-à- dire résultant de la superposition des gaps établis dans toutes les directions incidentes, pour autant qu'elles restent perpendiculaires à la direction verticale. [0061] Les résultats expérimentaux montrent une augmentation spectaculaire de l'atténuation dans certaines gammes de fréquences, par ajout progressif du nombre de rangées. Ceci est la preuve de la présence de gaps phononiques et de l'effet périodique annoncé dans la présente invention. Plus le nombre de rangées augmente, plus l'effet de la périodicité s'accentue. A titre d'exemple, examinons le premier gap, établi entre 900 et
2200 Hz pour une orientation des barres à 30 degrés (fig.
3. a) . Le passage d'une à trois rangées engendre à lui seul un accroissement de l'atténuation de près de 50% à 2000 Hz
(passage de 12 dB à 22 dB) . Toujours à titre indicatif, ce même passage provoque, hors "-du gap, une augmentation de l'atténuation d'une dizaine de pour cent seulement à 2500 Hz (passage de 11 dB à 13 dB) . Cette valeur donne une idée approximative de la contribution de l'effet de masse dans le gain en atténuation.
[0062] On signalera que la position de ce gap est en parfait accord avec les résultats théoriques obtenus pour une incidence normale (non présentés). L'élargissement du gap en fonction de l'augmentation de l'angle, prévu par la théorie, se retrouve également sur les graphiques expérimentaux des figures 3. a et 3.b. Ainsi, le gap de plus basses fréquences s'étend sur 1100 Hz pour une orientation des tubes de 30 degrés et sur 1400 Hz pour une orientation de 40 degrés.
1.3 Avantages et inconvénients
[0063] 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. [0064] Pour le cas des structures perméables à l'air, la présente invention autorise également la possibilité de réaliser des échanges d'air entre les deux espaces séparés mais aussi 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.
[0065] 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.
[0066] 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 . Disposi tifs non perméables à l ' air - Assemblage périodique de motifs reliés ou imbriqués à haut contraste de densi tés
2 . 1 Description générale [0067] 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 matériau 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 dé 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 [0068] 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 [0069] Ici également, les motifs doivent être choisis avec les mêmes critères que pour la famille 1.
Motifs pleins ou creux
[0070] 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
[0071] Mêmes remarques que pour le cas de la' famille 1. "2 '2 - EXEMPLE 2 : réseau ' rectangle centre 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
[0072] La figure 4 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. Une période est constituée de l'agencement de quatre tôles, ce qui implique une épaisseur de 80 mm par période. 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 .
[0073] La figure 5 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
[0074] 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 matériau 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. Les résultats sont présentés sur la partie droite de la figure 5. 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 1 ' invention.
2 . 3 Avantages et inconvénients
[0075] 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 . Disposi tifs non perméables à l ' air - Assemblage périodique de motifs isolés à haut contraste de vi tesses
3 . 1 Description générale
[0076] 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. [0077] 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 problême 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 .
[0078] 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, 1 ' 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 [0079] 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 0. GUENAT, Technical Digest, Solid State
Sensor and Actuator Workshop, Hil ton Head Island, SC, p.272
(1996) ] .
Choix des dimensions caractéristiques. [0080] 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 [0081] 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 [0082] Mêmes remarques que pour le cas des familles 1 et 2. 3 . 2 EXEMPLE 3 : réseau carré et motifs à section arrée enrobés d ' un polymère . Système Epoxy /polymère/acier
[0083] La figure 6 donne une vue aérienne d'une structure périodique bidimensionnelle composée de barres d'acier 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 appliqué en 2 mm d'épaisseur. Les barres sont alors disposées dans une matrice époxy selon un réseau carré de 13 mm de période. [0084] La transmission à travers quatre périodes d'un tel cristal est envisagée à la figure 7. Dans ce cas, une normalisation est effectuée par rapport au matériau 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 inconvéni ents [0085] 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 . [0086] Il ex'iste--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), 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 fréquentielles d'atténuation.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'isolement et/ou de correction acoustique dans le domaine des ondes sonores 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 un réseau périodique tridimensionnel de dimensions finies, avec une cellule de base constituant la maille élémentaire dudit réseau, ladite cellule comprenant au moins un motif géométrique anguleux intégré dans au moins une première matière de base, réalisé dans au moins une deuxième matière et dont la section est constituée d'au moins deux côtés, pour former une structure desdites matières juxtaposées et choisies pour présenter de forts contrastes d'impédances acoustiques, c'est-à-dire de densités et/ou de vitesses de propagation des ondes dans lesdites matières.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits motifs anguleux sont des éléments allongés, de préférence des barres, tubes, feuilles, tôles ou profilés, dont les sections transversales dans un même plan sont disposées selon un réseau périodique bidimensionnel, ledit dispositif étant positionné de manière telle que la propagation des ondes sonores incidentes soit essentiellement établie dans le plan périodique formé par les sections transversales desdits motifs.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 , 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 ladite première matière.
4. Dispositif selon la revendication 1, 2" ou 3, 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 tube, un tube épais ou une barre creuse ou pleine de section polygonale.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est perméable à l'air et qu'il comporte l'agencement de motifs anguleux de haute densité, isolés les uns des autres selon un réseau de Bravais.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 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 la matière de base.
7. 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 dans la matière de base et inversement proportionnelle à la somme des vecteurs de base du réseau périodique (a, a') .
8. Dispositif selon la revendication 5, 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 (θ) donné par rapport au réseau.
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la valeur dudit angle (θ)' détermine la largeur dudit gap acoustique.
10. Di-spositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite matière de base possède une densité faible et est de préférence un gaz tel que l'air, l'hydrogène ou l'azote.
11. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les alvéoles sont remplies d'un ou plusieurs gaz, de préférence l'air, l'azote, le dioxyde de carbone ou l'argon.
12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que au moins une partie des alvéoles est remplie par un matériau filler, de préférence plus dense que le gaz constituant la matière de base de remplissage des alvéoles .
13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le matériau filler comprend l'acier, le béton, le plâtre, la céramique, une autre substance minérale ou un polymère.
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 13 , caractérisé en ce que le réseau de Bravais bidimensionnel est à symétrie carrée, rectangulaire ou hexagonale, centré ou non.
15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 14, caractérisé en ce que ledit motif est fermé et plein ou creux, un motif creux étant de préférence rempli d'air ou d'un matériau à densité supérieure à celle de l'air.
16. Dispositif selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce que le nombre de périodes du réseau est inférieur à 10 et de préférence compris entre 3 et 5.
17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 16, caractérisé en ce que ledit motif de haute densité est constitué d'un ou plusieurs matériaux, de nature solide ou liquide et de préférence sélectionnés 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, le bois, les gels, l'eau ou l'huile.
18. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 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.
19. Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce que lesdits motifs sont enrobés d'une épaisseur d'un polymère présentant une faible vitesse de propagation du son.
20. Dispositif selon la revendication 18 ou 19, caractérisé en ce que lesdits motifs sont pleins.
21. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 18 à 20, caractérisé en ce qu'il comprend une structure périodique bidimensionnelle, composée de barres d'acier pleines enrobées d'un polymère et disposées dans une matrice époxy selon un réseau carré .
22. Dispositif selon la revendication 21, 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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