EP3039672A1 - Panneau acoustique - Google Patents

Panneau acoustique

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Publication number
EP3039672A1
EP3039672A1 EP14786988.7A EP14786988A EP3039672A1 EP 3039672 A1 EP3039672 A1 EP 3039672A1 EP 14786988 A EP14786988 A EP 14786988A EP 3039672 A1 EP3039672 A1 EP 3039672A1
Authority
EP
European Patent Office
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resonators
face
resonator
cell
cell according
Prior art date
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Granted
Application number
EP14786988.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP3039672B1 (fr
Inventor
Clément LAGARRIGUE
Jean-Philippe GROBY
Vincent Tournat
Olivier DAZEL
Benoît NENNIG
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.)
SUPMECA
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Le Mans Universite
Original Assignee
Supmeca
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite du Maine
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 Supmeca, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite du Maine filed Critical Supmeca
Publication of EP3039672A1 publication Critical patent/EP3039672A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP3039672B1 publication Critical patent/EP3039672B1/fr
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Anticipated expiration legal-status Critical

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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
    • G10K11/172—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general using resonance effects

Definitions

  • the present invention relates to an absorbent acoustic cell and an absorbent acoustic panel comprising a plurality of cells.
  • the materials used for acoustic absorption are for the most part porous matrix materials such as so-called porous materials (polyurethane foam, etc.) or so-called fibrous materials (glass wool, palm fiber ).
  • porous materials polyurethane foam, etc.
  • fibrous materials glass wool, palm fiber
  • these materials do not allow a good attenuation of very low frequency sounds, that is to say for frequencies of the order of 50 Hz to 1000 Hz for panels of thin thickness of thickness of the order from 5 to 10 cm, corresponding for example to the noise emitted by a motor at idle. This is particularly true for frequencies whose corresponding wavelength is greater than four times the thickness of the material.
  • the solution commonly adopted is to increase the thickness and mass of the porous matrix by combining layers of different porous materials.
  • the main disadvantage is a larger footprint and mass of the acoustic panel.
  • these structures make it possible to attenuate the acoustic energy by viscous and thermal losses.
  • the resonators integrated into the porous matrix act as diffusers, returning the incident acoustic wave in all directions. Part of the acoustic energy is also absorbed because of the resonance of the resonators at their resonant frequency depending on the dimensional characteristics of the resonator.
  • the invention aims in particular to provide a simple, effective and economical solution to these problems.
  • an acoustically absorbent acoustic panel cell comprising a porous matrix layer incorporating a plurality of acoustic resonators between a first face and a second face of the porous matrix, characterized in that the resonators are arranged in such a way that that, in a direction extending substantially perpendicular to the first face and the second face, at least one first resonator is arranged between the first face and at least one second resonator which is arranged between the second face and the at least one second a first resonator.
  • the invention thus proposes a particular arrangement of acoustic resonators inside a porous matrix.
  • the integration into the cell of at least two resonators arranged one behind the other in a direction perpendicular to the first and second faces of the cell makes it possible to achieve very good absorption of the sounds at low frequencies both by absorption of the acoustic waves at the resonator resonance frequencies and by diffusion of acoustic waves incident in all directions on the external surface of each resonator due to the use of two rows of resonators increasing the reflection rate and hence the absorption coefficient of the cell.
  • the porous material is of the so-called open pore type, that is to say that when the material is filled with air, the air can circulate between the pores.
  • the dimensional parameters of the resonators are determined in such a way that the resonators are all different two by two.
  • the distances separating two resonators are all different two by two.
  • This particular arrangement of the resonators makes it possible to increase the destructive interferences between two given resonators, which increases the absorption coefficient of the cell.
  • the first face comprises a layer of a rigid material having for example a Young's modulus of at least 20 GPa.
  • the layer of rigid material forms a wall of the cell beyond which the incident acoustic waves are not transmitted.
  • This rigid layer can be used for hanging on a support for fixing the cell on an acoustic panel.
  • the thickness of the layer is determined so that the incident acoustic waves can be reflected on this layer.
  • the first face is shaped to include at least one recess forming a cavity extending in a direction opposite to the second face and opening between the first and second faces.
  • the addition of cavities on one of the faces of the cell makes it possible to absorb sounds at low frequencies which are determined by the thickness, that is to say the size of the cavities in a direction transverse to the first. face and the second face.
  • the resonance wavelength of each cavity corresponds to a quarter of the depth of each cavity.
  • the cavities each have a thickness of between 5 mm and 20 mm.
  • the thicknesses of the cavities are determined so that the quarter-wave resonance frequencies are between the frequencies of the resonators whose dimensions are determined to be between 500 and 1500 Hz and the absorption frequencies of the porous matrix. between 2500 and 6000 Hz.
  • the best absorption results are obtained with two resonators exactly arranged one behind the other in the direction perpendicular to the first and second faces.
  • the use of three layers or thicknesses of resonators with cavities does not allow the acoustic waves to reach the cavities because of multiple reflections on the external surfaces of the resonators, intervening on the path of the acoustic waves. Reducing the diameter of the resonators to reduce reflections and allow more acoustic waves to reach cavities is not desirable since this would involve increasing the resonance frequencies of the resonators.
  • the second face is substantially flat and the cavity or cavities are rectangular or square section.
  • the resonators each comprise at least one opening communicating a resonant cavity of the resonator with the porous matrix surrounding the resonator. resonator.
  • the opening of at least one of the at least one first resonator opens into the opening of a cavity of the first face.
  • the resonators each have an elongate shape in a given direction extending along the first and second faces of the cell.
  • the lengthening directions of the resonators are preferably substantially parallel to each other.
  • the resonators may be chosen from one or more of the types of resonators of the group comprising slotted tubes open at their ends and of square, rectangular, circular, ellipsoidal or star section, Helmholtz resonance resonators comprising at least one collar. tubular opening into a cavity of the resonator.
  • the resonators are all of the same type.
  • the resonators are all circular section tubes, split over their entire height.
  • the cell may comprise two first resonators forming a first row arranged between the first face and at least two second resonators forming a second row which is arranged between the first row of first resonators and the second face.
  • the first row and the second row may each comprise at least three resonators.
  • the invention also relates to an acoustically absorbent panel, characterized in that it comprises a plurality of cells as described above, the cells being arranged next to one another so that the edges of the first faces of the cells are arranged vis-à-vis and the edges of the second faces of the cells are arranged vis-à-vis.
  • the panel may comprise five cells and preferably ten.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of an acoustically absorbent cell according to the known technique
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of the resonator of the cell of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a diagrammatic sectional view of an acoustically absorbing cell according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 4 is a graph representing in ordinate the absorption coefficient as a function of the abscissa frequency for the cell of FIG. 1, the cell of FIG. 3 and the single foam in which the resonator (s) are arranged;
  • FIG. 5 is a schematic sectional view of an acoustically absorbing cell according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 6 is a graph representing, on the ordinate, the absorption coefficient as a function of the abscissa frequency for the cell of FIG. 1, the cell of FIG. 5 and the single foam in which the resonator (s) are arranged;
  • FIG. 7 is a graph representing, on the ordinate, the absorption coefficient as a function of the abscissa frequency for several values of angles of incidence;
  • FIG. 8 is a graph representing in ordinate the average of the absorption coefficients depending on the frequency range 100 -
  • FIG. 9 is a schematic sectional view of a resonator with two split tubes inserted one inside the other;
  • FIG. 10A is a schematic perspective view of a resonator that can be used in a cell according to the invention.
  • FIG. 10B is a schematic view of FIG. 8A in a sectional plane comprising the direction of elongation of the resonator;
  • FIG. 10C is a schematic sectional view of an absorbent cell according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 10D is a graph showing the ordinate of the absorption coefficient as a function of the abscissa frequency for the cell of FIG. 10C;
  • FIG. 11 and 12 are schematic sectional views of two absorbent cells according to a fourth and fifth embodiments of the invention.
  • FIG. 13 is a sectional view of an acoustic panel according to the invention.
  • FIG. 14 is a schematic perspective view of the acoustic panel of FIG. 13.
  • Figure 1 shows an acoustically absorbent cell 10 according to the prior art, comprising a layer 12 formed of a matrix of a porous material comprising a first 14 and a second 16 opposing faces facing each other. and between which is arranged an acoustic resonator 18.
  • the dimensions of the cell 10 are defined in the three perpendicular directions of the space, in the X direction by its width I, in the direction Y by its thickness e and in the direction Z by its length L.
  • the acoustic resonator 18 is formed of a circular section tube open at its two opposite ends and comprising a slot 19 extending over the entire length of the tube.
  • the resonator therefore has an elongate shape in a Z axis direction, the resonator 10 being arranged between the first 14 and second 16 faces so that the Z axis extends between the first 14 and the second 16 faces.
  • the first face 14 is covered with a layer 20 of a more rigid material than the porous matrix. In practice, it is desirable for the Young's modulus of layer 20 to be at least 20 GPa.
  • This rigid layer 20 may be brass or aluminum, or even wood for example.
  • the porous matrix with a Young's modulus of the order of a few thousand kPa, which makes it possible to ensure a sufficiently large difference in impedance between the matrix and the rigid layer so as to guarantee total reflection of the acoustic waves at the 'interface.
  • this type of cell 10 can greatly increase the absorption coefficient, it is not yet sufficiently close to the unit value.
  • the invention thus proposes an acoustically absorbing cell in which the resonators are arranged in a direction extending substantially perpendicularly to the first face and to the second face so that at least one first resonator is arranged between the first face and at least one second resonator which is arranged between the second face and the at least one first resonator.
  • the cell 22 comprises a first 24 and a second 26 rows of acoustic resonators between first 28 and second 30 faces of a porous matrix layer 32.
  • the cell 22 comprises two opposite lateral faces 34, 36 that are substantially parallel and perpendicular to the first face 28 and the second face 30.
  • the first row 24 is arranged, in a direction perpendicular to the first 28 and second 30 faces of the cell 22, between the first face 28 and the second face. face 28 and the second row 26 of resonators, this second row 26 being arranged between the first row 24 and the second face 30 of the cell 22.
  • each of the first and second rows 24, 26 comprises two acoustic resonators A 1 , A 2 and A 3 , A4, respectively.
  • the resonators A 1 , A 2 and A 3 , A used in this embodiment are split tubes as described. above.
  • the tubes A 1 , A 2 , A 3 , A4 thus each have an elongate shape in a direction Z extending along the first 28 and second 30 faces.
  • the Z axes of the tubes are substantially parallel to each other in the cell 22.
  • the first face 30 is also covered with a rigid layer as described with reference to FIG.
  • the resonators A 1 , A 2 , A 3 , A 4 have dimensional parameters such that the resonators are all different two by two.
  • the dimensional parameters considered are the thickness of the tube wall and the outer radius mainly.
  • the angular aperture of the slot of each ring also influences but to a lesser extent the resonance frequency of the resonators. By increasing the angular aperture, it is possible to slightly decrease the resonant frequency. However, the larger the angular aperture, the lower the intensity of the resonance.
  • the first face 30 of the cell is shaped to include a recess delimiting a cavity 38 extending in a direction opposite to the second face 28 and opening between the first two 28 and second 30 faces.
  • the split tube A 2 of the row 24 of resonators adjacent to the first face is situated in the immediate vicinity of the cavity 38 and has its opening or slot 40 which opens towards the outlet of the cavity 38.
  • Particular arrangement allows that the assembly formed of the resonator A 2 and the cavity 38 behaves as a resonator operating at a lower frequency than the resonant frequency of the cavity 38 and the resonator A2.
  • the cavity 38 of the first face 30 of the cell 22 extends along the axis Z substantially the same distance as the slit tube A 2 .
  • the table below summarizes the dimensional parameters of the four resonators Ai, A 2 , A 3 and A as well as their respective positioning in the cell.
  • the angle values are measured in relation to the direction opposite to the direction of Y given in FIG. 3.
  • the reference for the positions of the centers of the resonators is taken in R in FIG.
  • the values given for each column are those of a parameter x (dimensionless) which constitutes an input value of a given equation in the boxes of the first row to deduce the size of the column of interest.
  • E represents the thickness of the layer of porous material.
  • A represents the width of the cell in the X direction (see Figure 3).
  • Resonator A4 3 1, 5 275 0.6 35 10 The following table summarizes the dimensional parameters of the cavity 38 and the positioning of the corner 37 of the cavity.
  • the values given for each column are those of a parameter x (dimensionless) which constitutes a value of input of a given equation in each column of interest.
  • the value in square brackets in each box indicates a preferred value within the specified range.
  • FIG. 4 represents the evolution of the absorption a (without unit) in ordinate as a function of the frequency (in Hz) in abscissa.
  • This graph comprises three curves of which a first relates to the absorption of a porous matrix alone in melamine, the second relates to the absorption of the cell of FIG. 1 with a melamine matrix and the third relates to the absorption of the cell according to the invention of Figure 3, also with a melamine matrix.
  • the cell 22 according to the invention comprising two rows 24, 26 of resonators A 1 , A 2 , A 3 , A4, an absorption greater than 0.8 is obtained from 1000 Hz.
  • the absorption coefficient a increases to reach a value close to 1 from 1500 Hz, the absorption coefficient then remaining substantially constant and close to 1 up to the frequencies of 6000 Hz and even beyond (not shown).
  • FIG. 5 represents a second embodiment of a cell 48 according to the invention, comprising two rows 50, 52 of three resonators B1, B 2 , B 3 and B 4 , B 5 , B 6 each.
  • the first face 54 of the cell comprises two cavities 58, 60.
  • Each cavity 58, 60 opens directly in the direction of a resonator B1, B 2 whose diameter is substantially equal to the dimension of the cavity measured in the Y direction.
  • B 2 opens towards the cavity 58 so as to create a resonant assembly (cavity 58 and resonator B 2 ) resonating at a lower frequency than each of the resonator B 2 and the cavity 58, in isolation.
  • the table below summarizes the dimensional parameters of the six resonators Bi, B 2 , B 3 , B 4 , B 5 and B 6 as well as their respective positioning in the cell.
  • the angle values are measured in relation to the direction opposite to the direction of Y given in FIG. 5.
  • the reference for the positions of the centers of the resonators is taken in R in FIG.
  • the values given for each column are those of a parameter x (dimensionless) which constitutes an input value of a given equation in the boxes of the first row to deduce the size of the column of interest.
  • the following table summarizes the dimensional parameters of the cavities 58, 60 and the positioning of the respective corners 59, 57 of these cavities.
  • the values given for each column are those of a parameter x (dimensionless) which constitutes an input value d a given equation in each column of interest.
  • the values in square brackets in each box indicate a preferred value within the specified range.
  • the graph of FIG. 6 is a graph similar to that of FIG. 4.
  • Curve 64 represents the evolution of absorption a as a function of frequency and curves 42 and 44 are identical to those described with reference to FIG. 3.
  • the curve 64 comprises a first portion 66 of steeper slope than the cell 22 of Figure 3, demonstrating better absorption. Indeed, the absorption coefficient of the cell 48 is slightly higher over almost the entire frequency range 0-6000 Hz to the absorption coefficient of the cell 22.
  • FIG. 7 is a graph showing the evolution of the ordinate versus frequency absorption for the cell shown in FIG. 5.
  • the various curves 68 represented each correspond to an angle of incidence value of the acoustic waves on the cell.
  • the curves 68a, 68b, 68c, 68d, 68e, ... correspond to increasing angles and respectively at angles of 90 °, 85 °, 80 °, 75 ° and 70 °.
  • the curve 70 of FIG. 8 represents the evolution of the average absorption over the frequency range 0-6000 Hz as a function of the angle of incidence of the acoustic waves on the second face 54 of the cell 48 represented in FIG.
  • the absorption coefficient varies very little according to the angle of incidence and remains greater than 0.8 for angles between 0 and 75 degrees. Above 75 degrees, that is to say considered grazing incidence, the absorption coefficient decreases to an average of 0.3 to 90 degrees. In the case of grazing incidence, it is likely that the acoustic wave does not penetrate or little in the cell 48 but is instead reflected by the second face and the first row of resonators B 4 , B 5 and B 6 .
  • this material can be considered as almost omni directional and is fully adapted to use in a diffuse field for example for building acoustics for example.
  • a similar result is obtained for the cell 22 of FIG.
  • the value "E" of the thickness of the porous material is advantageously between 10 and 80 mm, preferably between 20 and 50 mm and more preferably is of the order of 40 mm. Indeed, for this latter value it was found that for all cell types, such as those described above, the absorption was between 0.58 and 0.60 on average over the frequency range 125-4000 Hz and the order of 0.48 for this frequency range for a single porous (without resonator) or a cell of Figure 1.
  • A is advantageously between 1 * E and 5 * E, or between 10 and 400 mm, preferably between 20 and 160 mm and more preferably is of the order of 40 mm.
  • resonators may also be used in place of circular section tubes, such as split tubes open to their extremities and with square section, rectangular, ellipsoidal, in star. It is also possible to use resonators formed of two split tubes 71, 72 with section as described above and inserted one inside the other as shown in FIG. 9. This type of resonator makes it possible to have lower resonance frequencies, but is difficult to achieve.
  • Helmholtz resonance resonators comprising at least one open tubular neck at both ends and opening into a cavity of the resonator.
  • An example of such a resonator 73 is shown in FIGS. 10A and 10B. This comprises a tubular portion 74 closed at its ends by disks 76.
  • This type of Helmholtz resonator is arranged in the same manner as the tubes described with reference to FIGS. 3 and 5 with the axis of the tube extending according to Z direction.
  • FIG. 10C A practical embodiment of a cell 80 to the Helmholtz resonator is shown in Figure 10C and includes two row 82, 84 of both resonators Ci, C2, C3, C4 between a first face 86 and second face 88.
  • the first face 82 of the cell 80 comprises two cavities 90, 92.
  • the neck 94 of the resonators Ci, C2 opens directly towards a cavity 90, 92 so as to create a resonant assembly (cavity 90 and resonator Ci as well as cavity 92 and resonator C2 ) resonant at a lower frequency than each of the resonators Ci, C2 and cavities 90, 92 taken in isolation.
  • the following table summarizes the dimensional parameters of the four resonators Ci, C2, C3, C 4 and their respective positioning within the cell 80.
  • the angle values are measured relative to the direction opposite to the direction of Y.
  • the reference for the positions of the centers of the resonators is taken in R in Figure 10C.
  • the values given for each column are those of a parameter x (dimensionless) which constitutes an input value of a given equation in the boxes in the first row to deduce the size of the column of interest.
  • the following table summarizes the dimensional parameters of the cavities 90, 92 and the positioning of the respective corners 96, 98 of these cavities 90, 92.
  • the values given for each column are those of a parameter x (dimensionless) which constitutes an input value of a given equation in each column of interest.
  • the values in square brackets in each box indicate a preferred value within the specified range.
  • Figure 10D shows the evolution of the absorption a (without unit) in ordinate as a function of the frequency (in Hz) in abscissa. It can be seen that the absorption is greater than 0.9 from about 850 Hz and up to 3000 Hz, the absorption being even greater than that obtained with the cells of FIGS. 3 and 5 over this frequency range. However, it is noted that above 3000 Hz, the absorption decreases quite clearly.
  • Figures 11 and 12 show two other embodiments of the invention in which the cell 100, 102 comprises only two acoustic resonators, which are here slit tubes.
  • two resonators 104, 106 are arranged one behind the other in a direction (Y axis) perpendicular to the first 108 and second 110 faces of the cell 100.
  • a cavity 112 is formed on the first face 108 of the cell 100.
  • the 114 is arranged, in a direction (Y axis) perpendicular to the first face 118 and the second face 120, between a second resonator 116 and the first face 118 of the cell, the second resonator 116 being arranged between the first resonator 114 and the second face 120 of the cell 102.
  • the first face 118 of the cell 102 comprises two cavities 122, 124.
  • the first resonator 114 is offset along the axis X with respect to the second resonator 116.
  • each of the first 114 and the second resonator 116 is aligned in a direction parallel to the Y axis with a cavity of the first face.
  • the slot or opening of the first resonator 114 opens towards the cavity 124.
  • the table below summarizes the dimensional parameters of the two resonators Di, D 2 and their respective positions in the cell of FIG. 12. The angle values are measured with respect to the direction opposite to the positive direction of Y. The reference for the positions of the centers of the resonators is taken in R in FIG.
  • the values given for each column are those of a parameter x (dimensionless) which constitutes an input value of a given equation in the boxes of the first row to deduce the size of the column of interest.
  • the table below summarizes the dimensional parameters of the cavities 124, 122 and the positioning of the respective corners 126, 128 of these cavities.
  • the values given for each column are those of a parameter x (dimensionless) which constitutes an input value d a given equation in each column of interest.
  • the values in square brackets in each box indicate a preferred value within the specified range.
  • resonators A1-A4, Bi-B 6 , C1-C4, D1-D2 all different two by two by their dimensional parameters as shown and described with reference to FIGS. 3 and 5 makes it possible to ensure an absorption of each resonator. at a different resonant frequency, which ensures absorption over a wide frequency range. For this, it is desirable that these different resonance frequencies are sufficiently close to each other.
  • the cells 22, 48 are arranged next to each other so that the edges of the first faces 30, 54 of the cells are arranged vis-à-vis and the edges of the second faces 28, 56 of the cells are arranged vis-à-vis.
  • Figures 13 and 14 show such an acoustic panel 130 with a cell similar to that of Figure 3 which comprises two rows of two acoustic resonators each. However, in the example of FIGS. 13 and 14, the cell comprises two cavities at its first face.
  • the acoustic panel thus obtained thus comprises a plurality of juxtaposed cells, for example five and preferably ten, which makes it possible to obtain the best absorption results for the different types of cells. It would still be possible to add a second thickness of cells, which would improve the absorption performance, mainly in the range 500-4000 Hz. However, this requires a doubling of the thickness of the acoustic panel and this type of configuration is therefore to be reserved for specific applications, such as recording studios, for example.
  • porous matrix denotes a material with a rigid skeleton saturated with a fluid that may be air in the case of an application in the building.
  • degree of saturation that is to say the ratio of the volume of fluid to the volume of liquid must be at least 80%.
  • the porous matrix 32 may be formed of at least one of the following materials: melamine, polyurethane foam, glass wool, rockwool, straw, hemp, cellulose wadding, palm fiber, coconut fiber.
  • the resonators A1-A4, Bi-B 6 , C1-C4, D1-D2 can be made of steel, plastic, rubber or bamboo. Hollow reed can also be used.
  • the cavities of the cells 22, 48, 80, 100, 102 may be filled with the same material as the rest of the porous layer or be filled with another porous material.
  • the cavities 38, 58, 60, 90, 92, 112, 122, 124 of the resonators 22, 48, 80, 100, 102 may be filled with the same porous material as that of the porous layer or may be filled with a different porous material.
  • the cells 22, 48, 80, 100, 102 according to the invention are produced in two stages.
  • the first consists in producing, in a block of porous material, several orifices whose sections correspond to the sections of the resonators with the aid of a suitable cutting tool, for example mounted on a drill press and taking the cores of porous material. thus obtained.
  • the resonators are then introduced into the corresponding orifices.
  • the block of porous material is then cut to the desired size of the cell using for example a band saw or water jet cutting.
  • the invention can be defined as an acoustically acoustically acoustic panel, comprising a porous matrix layer incorporating a plurality of acoustic resonators (A1 -A4, B1-B6) between a first face 30, 54, 86 and a second face 28, 56, 88 of the porous matrix 32, characterized in that the resonators A1-A4, Bi-B 6 , C1 -C4 are arranged in a manner forming at least two substantially parallel rows each having at least two resonators and extending along the first and second faces.
  • a first row 24, 50, 82 is arranged between the first face 30, 54, 86 and at least two second resonators forming a second row 26, 52, 88 which is arranged between the first row 24, 50, 82 of resonators and the second face 28, 56, 88.
  • the invention may also relate to an acoustically absorbing cell comprising a porous matrix layer incorporating a plurality of acoustic resonators between a first face and a second face of the porous matrix, the dimensional characteristics of the resonators being determined so that the resonators are all different two by two.
  • the invention may also relate to an acoustically absorbent cell comprising a porous matrix layer incorporating a plurality of acoustic resonators between a first face and a second face of the porous matrix, the first face being shaped to include at least one recess forming a cavity extending in a direction opposite to the second face and opening between the first and second faces.

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Abstract

L'invention concerne une cellule (22, 48) acoustiquement absorbante pour panneau acoustique, comprenant une couche (32) à matrice poreuse incorporant une pluralité de résonateurs acoustiques (A1-A4, Bi-B6) entre une première (30, 54) face et une seconde (28, 56) face de la matrice poreuse (32). Selon l'invention les résonateurs (A1-A4, Bi-B6) sont par exemple ordonnés de manière à former au moins deux rangées (24, 26, 50, 52) sensiblement parallèles comportant chacune au moins deux résonateurs et s'étendant le long des première et seconde faces.

Description

PANNEAU ACOUSTIQUE
La présente invention concerne une cellule acoustique absorbante ainsi qu'un panneau acoustique absorbant comprenant une pluralité de cellules.
A l'heure actuelle, les matériaux utilisés pour l'absorption acoustique sont en grande majorité des matériaux à matrice poreuse tels que des matériaux dits poreux (mousse polyuréthanne, ...) ou des matériaux dits fibreux (laine de verre, fibre de palme,...). L'intégration de ces matériaux dans des panneaux acoustiques est facile à réaliser. De plus le panneau ainsi obtenu est léger et possède de bonnes performances pour l'atténuation acoustique d'une grande partie des fréquences du spectre audible.
Toutefois, ces matériaux ne permettent pas une bonne atténuation des sons très basses fréquences, c'est-à-dire pour des fréquences de l'ordre de 50 Hz à 1000 Hz pour des panneaux d'épaisseur mince d'épaisseur de l'ordre de 5 à 10 cm, correspondant par exemple au bruit émis par un moteur au ralenti. Ceci est particulièrement vrai pour les fréquences dont la longueur d'onde correspondante est supérieure à quatre fois l'épaisseur du matériau.
Pour pallier ce problème, la solution communément adoptée consiste à augmenter l'épaisseur et la masse de la matrice poreuse en combinant des couches de différents matériaux poreux. Le principal inconvénient réside dans un encombrement et une masse plus importants du panneau acoustique.
Des études, notamment celle de Groby et al. « Enhancing the absorption coefficient of a backed rigid frame porous layer by embedding circular periodic inclusions » (JASA, 130(6) : 3771 , 2011 ) ont montré que l'utilisation de résonateurs tels que des anneaux fendus ou des résonateurs de Helmholtz agencés dans une couche de matériau poreux permettaient d'absorber de manière significative les sons basses fréquences incidents sur une telle structure.
Ces structures permettent ainsi d'augmenter très significativement l'absorption acoustique. Les phénomènes physiques ont été mis en évidence dans plusieurs publications scientifiques telles que dans l'article de Allard et Atalla « Propagation of sound in porous média : modelling sound absorbing materials » (Chapitre 5, page 85, Wiley, 2009) pour ce qui concerne le comportement acoustique d'un matériau poreux et dans l'article scientifique de Groby et al cité précédemment pour ce qui concerne le comportement des résonateurs inclut dans la matrice poreuse.
Ainsi, ces structures permettent d'atténuer l'énergie acoustique par pertes visqueuses et thermiques. Les résonateurs intégrés à la matrice poreuse agissent comme des diffuseurs, renvoyant l'onde acoustique incidente dans toutes les directions. Une partie de l'énergie acoustique est également absorbée du fait de la résonance des résonateurs à leur fréquence de résonance fonction des caractéristiques dimensionnelles du résonateur.
Toutefois, à l'heure actuelle, si l'efficacité d'une telle cellule a pu être démontrée, aucune géométrie particulière applicable industriellement n'a encore été proposée. En effet, les études précitées se sont limitées à démontrer l'intérêt d'une cellule à matrice poreuse intégrant un résonateur. De plus, si le coefficient d'absorption avec une telle cellule est supérieur sur toute la gamme des basses fréquences comprises jusqu'à 6000 Hz, celui-ci n'est supérieure à 0,8 que pour des fréquences au-dessus de 2500 Hz et est inférieur à 0,5 pour les très basses fréquences en dessous de 1700 Hz.
Dans les publications scientifiques « Absorption of a rigid frame porous layer with periodic inclusions backed by a peridic grating », JASA, 129(5), mai 2011 , et « Enhancing the absorption coefficient of a backed rigid frame porous layer by embedding circular periodic inclusions », JASA, 130(6), décembre 2011 , Groby et al ont proposé un modèle numérique comprenant une couche d'un matériau poreux comprenant des cylindres infiniment rigides et dont l'agencement permet de former un réseau de diffraction. Les cylindres utilisés dans le modèle numérique sont des cylindres définis numériquement comme infiniment rigide de sorte qu'ils ne peuvent pas être assimilés à des résonateurs acoustiques.
L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ces problèmes.
A cet effet, elle propose une cellule acoustiquement absorbante pour panneau acoustique, comprenant une couche à matrice poreuse incorporant une pluralité de résonateurs acoustiques entre une première face et une seconde face de la matrice poreuse, caractérisée en ce que les résonateurs sont ordonnés de manière à ce que, selon une direction s'étendant sensiblement perpendiculairement à la première face et à la seconde face, au moins un premier résonateur soit agencé entre la première face et au moins un second résonateur qui est agencé entre la seconde face et l'au moins un premier résonateur.
L'invention propose ainsi un agencement particulier de résonateurs acoustiques à l'intérieur d'une matrice poreuse. L'intégration dans la cellule d'au moins deux résonateurs agencés l'un derrière l'autre suivant une direction perpendiculaire aux première et seconde faces de la cellule permet de réaliser une très bonne absorption des sons à basses fréquences à la fois par absorption des ondes acoustiques aux fréquences de résonance des résonateurs et par diffusion des ondes acoustiques incidentes dans toutes les directions sur la surface externe de chaque résonateur du fait de l'utilisation de deux rangées de résonateurs augmentant le taux de réflexion et par suite le coefficient d'absorption de la cellule.
Préférentiellement, le matériau poreux est du type à pores dits ouverts, c'est-à-dire que lorsque le matériau est rempli d'air, l'air peut circuler entre les pores. Selon une autre caractéristique de l'invention, les paramètres dimensionnels des résonateurs sont déterminés de manière à ce que les résonateurs soient tous différents deux à deux.
L'intégration dans une cellule d'une pluralité de résonateurs tous différents deux à deux par leurs paramètres dimensionnels permet d'assurer une absorption de chaque résonateur à une fréquence de résonance différente. Il est souhaitable que ces différentes fréquences de résonance soient suffisamment proches les unes des autres afin d'avoir un recouvrement partiel suffisamment important des bandes de fréquences chacune associé à un pic de résonance d'un résonateur de manière à maintenir le coefficient d'absorption de la cellule suffisamment haut sur une large gamme de fréquence. Cela est réalisé en choisissant les dimensions des résonateurs de manière adaptée.
Préférentiellement, les distances séparant deux résonateurs sont toutes différentes deux à deux. Cet agencement particulier des résonateurs permet d'augmenter les interférences destructives entre deux résonateurs donnés, ce qui augmente le coefficient d'absorption de la cellule.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la première face comprend une couche d'un matériau rigide ayant par exemple un module d'Young d'au moins 20 GPa.
La couche de matériau rigide forme une paroi de la cellule au-delà de laquelle les ondes acoustiques incidentes ne sont pas transmises. Cette couche rigide peut servir à l'accrochage sur un support destiné à la fixation de la cellule sur un panneau acoustique. L'épaisseur de la couche est déterminée de manière à ce que les ondes acoustiques incidentes puissent se réfléchir sur cette couche.
Avantageusement, la première face est conformée de manière à comprendre au moins un renfoncement formant une cavité s'étendant dans une direction opposée à la seconde face et débouchant entre les première et seconde faces. L'ajout de cavités sur l'une des faces de la cellule permet d'absorber des sons à des fréquences basses qui sont déterminées par l'épaisseur, c'est-à-dire la dimension des cavités selon une direction transverse à la première face et la seconde face. La longueur d'onde de résonance de chaque cavité correspond au quart de la profondeur de chaque cavité.
En pratique, afin d'éviter d'augmenter de manière trop importante l'épaisseur totale d'un panneau acoustique comprenant une pluralité de cellules selon l'invention agencées côte à côte il est souhaitable que les cavités aient chacune une épaisseur comprise entre 5 mm et 20 mm. Ainsi, les épaisseurs des cavités sont déterminées de manière à ce que les fréquences de résonances quart d'onde soient comprises entre les fréquences des résonateurs dont les dimensions sont déterminées pour être comprises 500 et 1500 Hz et les fréquences d'absorption de la matrice poreuse entre 2500 et 6000 Hz.
Notons qu'avec des cavités, les meilleurs résultats d'absorption sont obtenus avec deux résonateurs exactement agencés l'un derrière l'autre selon la direction perpendiculaire aux première et seconde faces. En effet, l'utilisation de trois couches ou épaisseurs de résonateurs avec des cavités ne permet pas aux ondes acoustiques d'atteindre les cavités du fait des réflexions multiples sur les surfaces externes des résonateurs, intervenant sur le chemin des ondes acoustiques. La diminution du diamètre des résonateurs, pour réduire les réflexions et permettre à une plus grande quantité d'ondes acoustiques d'atteindre les cavités n'est pas souhaitable puisque cela impliquerait une augmentation des fréquences de résonances des résonateurs.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la seconde face est sensiblement plane et la ou les cavités sont à section rectangulaire ou carrée.
Dans une réalisation pratique de l'invention, les résonateurs comprennent chacun au moins une ouverture faisant communiquer une cavité résonante du résonateur avec la matrice poreuse entourant le résonateur. L'ouverture de l'un au moins dudit au moins un premier résonateur débouche dans l'ouverture d'une cavité de la première face.
Cet agencement particulier, c'est-à-dire l'ensemble formé dudit résonateur dont l'ouverture débouche en direction de la cavité, permet de créer un interaction entre le résonateur et la cavité. En effet, les simulations ont montré que l'ensemble formé du résonateur et de la cavité se comportait comme un résonateur à une fréquence plus basse que chacune des fréquences respectives du résonateur et de la cavité, ce qui permet d'absorber des fréquences plus basses sans avoir à utiliser un résonateur plus encombrant qui imposerait d'augmenter l'épaisseur de la couche de la matrice poreuse, c'est-à-dire la distance entre les première et seconde faces de la cellule.
Préférentiellement, les résonateurs présentent chacun une forme allongée selon une direction donnée s'étendant le long des première et seconde faces de la cellule.
Les directions d'allongement des résonateurs sont préférentiellement sensiblement parallèles les unes aux autres.
Les résonateurs peuvent être choisis parmi l'un ou plusieurs des types de résonateurs du groupe comprenant des tubes fendus ouverts à leur extrémités et à section carré, rectangulaire, circulaire, ellipsoïdale ou en étoile, des résonateurs à résonance de Helmholtz comportant au moins un col tubulaire débouchant à l'intérieur d'une cavité du résonateur.
Dans une réalisation possible de la cellule selon l'invention, les résonateurs sont tous du même type.
Dans une réalisation pratique de l'invention, les résonateurs sont tous des tubes à section circulaire, fendus sur toute leur hauteur.
La cellule peut comprendre deux premiers résonateurs formant une première rangée agencée entre la première face et au moins deux seconds résonateurs formant une seconde rangée laquelle est agencée entre la première rangée de premiers résonateurs et la seconde face. Selon l'invention, la première rangée et la seconde rangée peuvent comprendre chacune au moins trois résonateurs.
L'invention concerne encore un panneau acoustiquement absorbant, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de cellules telles que décrites ci-dessus, les cellules étant agencées les unes à côté des autres de manière à ce que les bords des premières faces des cellules soient agencés en vis-à-vis et les bords des secondes faces des cellules soient agencées en vis-à-vis.
Le panneau peut comprendre cinq cellules et préférentiellement dix. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une cellule acoustiquement absorbante selon la technique connue ;
- la figure 2 est une vue schématique en perspective du résonateur de la cellule de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue schématique en coupe d'une cellule acoustiquement absorbante selon une première réalisation de l'invention ;
- la figure 4 est un graphe représentant en ordonnée le coefficient l'absorption en fonction de la fréquence en abscisse pour la cellule de la figure 1 , la cellule de la figure 3 et la mousse seule dans laquelle sont agencés le ou les résonateurs ;
- la figure 5 est une vue schématique en coupe d'une cellule acoustiquement absorbante selon une seconde réalisation de l'invention ;
- la figure 6 est un graphe représentant en ordonnée le coefficient l'absorption en fonction de la fréquence en abscisse pour la cellule de la figure 1 , la cellule de la figure 5 et la mousse seule dans laquelle sont agencés le ou les résonateurs ; - la figure 7 est un graphe représentant en ordonnée le coefficient d'absorption en fonction de la fréquence en abscisse pour plusieurs valeurs d'angles d'incidence ;
- la figure 8 est un graphe représentant en ordonnée la moyenne des coefficients d'absorption en fonction sur la gamme de fréquence 100 -
6000 Hz en fonction de l'angle d'incidence ;
- la figure 9 représente une vue schématique en coupe d'un résonateur à deux tubes fendus insérés l'un à l'intérieur de l'autre ;
- la figure 10A est une vue schématique en perspective d'un résonateur utilisable dans une cellule selon l'invention ;
- la figure 10B est une vue schématique de la figure 8A selon un plan de coupe comprenant la direction d'allongement du résonateur ;
- la figure 10C est une vue schématique en coupe d'une cellule absorbante selon une troisième réalisation de l'invention ;
- la figure 10D est un graphe représentant en ordonnée le coefficient d'absorption en fonction de la fréquence en abscisse pour la cellule de la figure 10C ;
- les figures 11 et 12 sont des vues schématiques en coupe de deux cellules absorbantes selon une quatrième et une cinquième réalisations de l'invention ;
- la figure 13 est une vue en coupe d'un panneau acoustique selon l'invention ;
- la figure 14 est une vue schématique en perspective du panneau acoustique de la figure 13.
On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente une cellule acoustiquement absorbante 10 selon la technique antérieure, comprenant une couche 12 formé d'une matrice d'un matériau poreux comprenant une première 14 et une seconde 16 faces opposées en vis-à-vis et entre lesquelles est agencé un résonateur acoustique 18. Les dimensions de la cellule 10 sont définies dans les trois directions perpendiculaires de l'espace, dans la direction X par sa largeur I, dans la direction Y par son épaisseur e et dans la direction Z par sa longueur L.
Dans la cellule 10 de la figure 1 et comme représenté en figure 2, le résonateur acoustique 18 est formé d'un tube à section circulaire ouvert à ses deux extrémités opposées et comprenant une fente 19 s'étendant sur toute la longueur du tube. Le résonateur présente 10 donc une forme allongée selon une direction d'axe Z, le résonateur 10 étant agencé entre les première 14 et seconde 16 faces de manière à ce que l'axe Z s'étende entre le long des première 14 et seconde 16 faces. La première face 14 est recouverte d'une couche 20 d'un matériau plus rigide que la matrice poreuse. En pratique, il est souhaitable que le module d'Young de la couche 20 soit d'au moins 20 GPa. Cette couche 20 rigide peut être en laiton ou en aluminium, ou même en bois par exemple. La matrice poreuse à un module d'Young de l'ordre de quelques milliers de kPa, ce qui permet d'assurer une différence d'impédance suffisamment grande entre la matrice la couche rigide de façon à garantir une réflexion totale des ondes acoustiques à l'interface.
Notons qu'en cas de vibrations de la première face selon des modes de plaques, il est possible d'ajouter une plaque métallique sur la première face afin de limiter ces vibrations.
Comme indiqué précédemment, si ce type de cellule 10 permet d'augmenter grandement le coefficient d'absorption, celui-ci n'est pas encore suffisamment proche de la valeur unitaire.
A cette fin, l'invention propose ainsi une cellule acoustiquement absorbante dans laquelle les résonateurs sont ordonnés selon une direction s'étendant sensiblement perpendiculairement à la première face et à la seconde face de manière à ce qu'au moins un premier résonateur soit agencé entre la première face et au moins un second résonateur qui est agencé entre la seconde face et l'au moins un premier résonateur.
Ainsi, dans une première réalisation représentée en figure 3, la cellule 22 comprend une première 24 et une seconde 26 rangées de résonateurs acoustiques entre des première 28 et seconde 30 faces d'une couche 32 à matrice poreuse. La cellule 22 comprend deux faces latérales 34, 36 opposées sensiblement parallèles et perpendiculaires aux première face 28 et seconde face 30. La première rangée 24 est agencée, selon une direction perpendiculaire aux première 28 et seconde 30 faces de la cellule 22, entre la première face 28 et la seconde rangée 26 de résonateurs, cette seconde rangée 26 étant agencée entre la première rangée 24 et la seconde face 30 de la cellule 22.
Dans cette première réalisation, chacune des première et seconde rangées 24, 26 comprend deux résonateurs acoustiques Ai, A2 et A3, A4, respectivement Les résonateurs Ai, A2 et A3, A utilisés dans cette réalisation sont des tubes fendus comme décrit ci-dessus. Les tubes Ai, A2, A3, A4 ont ainsi chacun une forme allongée selon une direction Z s'étendant le long des première 28 et seconde 30 faces. Les axes Z des tubes sont sensiblement parallèles les uns aux autres dans la cellule 22. La première face 30 est également recouverte d'une couche rigide comme décrit en référence à la figure 1 .
Comme représenté, les résonateurs Ai, A2, A3, A4 ont des paramètres dimensionnels tels que les résonateurs sont tous différents deux à deux. Les paramètres dimensionnels considérés sont l'épaisseur de la paroi du tube et le rayon externe principalement. L'ouverture angulaire de la fente de chaque anneau influence également mais dans une moindre mesure la fréquence de résonance des résonateurs. En augmentant l'ouverture angulaire, il est possible de diminuer légèrement la fréquence de résonance. Toutefois, plus l'ouverture angulaire est grande et moins l'intensité de la résonance est importante.
Comme observé sur la figure 3, les distances d1 - d5 séparant deux résonateurs Ai, A2, A3, A sont toutes différentes deux à deux de manière à augmenter les interférences destructives entre deux résonateurs Ai, A2, A3, A4 donnés, augmentant d'autant le coefficient d'absorption de la cellule. La première face 30 de la cellule est conformée de manière à comprendre un renfoncement délimitant une cavité 38 s'étendant dans une direction opposée à la seconde face 28 et débouchant entre les deux première 28 et seconde 30 faces. Comme représenté en figure 3, le tube fendu A2 de la rangée 24 de résonateurs adjacente à la première face est situé à proximité immédiate de la cavité 38 et a son ouverture ou fente 40 qui débouche en direction du débouché de la cavité 38. Cet arrangement particulier permet que l'ensemble formé du résonateur A2 et de la cavité 38 se comporte comme un résonateur fonctionnant à une fréquence plus basse que la fréquence de résonance de la cavité 38 et du résonateur A2.
La cavité 38 de la première face 30 de la cellule 22 s'étend suivant l'axe Z sensiblement sur la même distance que le tube fendu A2.
Le tableau ci-dessous résume les paramètres dimensionnels des quatre résonateurs Ai, A2, A3 et A ainsi que leur positionnement respectif dans la cellule. Les valeurs d'angle sont mesurées par rapport au sens opposé au sens de Y donné sur la figure 3. La référence pour les positions des centres des résonateurs est prise en R sur la figure 3.
Dans le tableau ci-dessous, les valeurs données pour chaque colonne (sauf pour la troisième colonne) sont celles d'un paramètre x (sans dimension) qui constitue une valeur d'entrée d'une équation donnée dans les cases de la première ligne afin d'en déduire la grandeur de la colonne d'intérêt.
Dans chaque case, la valeur entre crochets indique une valeur préférée dans la plage de valeurs indiquées.
« E » représente l'épaisseur de la couche de matériau poreux. « a » représente la largeur de la cellule selon la direction X (voir figure 3).
Le tableau ci-dessous donne les valeurs particulières de la cellule représentée en figure 3 pour les valeurs entre crochets du tableau précédent, la valeur de « E » étant de 40 mm et la valeur de « a » étant de 40 mm.
Position Position
Epaisseur Position Largeur de selon l'axe selon l'axe
Rayon
de la angulaire la fente X du Y du centre externe
paroi de la fente (mm) centre du du (mm)
(mm) (degré) ( L = x*R) résonateur résonateur
(mm) (mm)
Résonateur A-i 2 1 30 0,4 11 30
Résonateur A2 7,5 1 195 1 ,5 26 30
Résonateur A3 3 0,2 275 0,6 15 10
Résonateur A4 3 1 ,5 275 0,6 35 10 Le tableau suivant résume les paramètres dimensionnels de la cavité 38 et le positionnement du coin 37 de la cavité. Dans le tableau ci-dessous, les valeurs données pour chaque colonne (à l'exception de la « position du coin 37 » qui donne une valeur en mm) sont celles d'un paramètre x (sans dimension) qui constitue une valeur d'entrée d'une équation donnée dans chaque colonne d'intérêt. La valeur entre crochets dans chaque case indique une valeur préférée dans la plage de valeurs indiquées.
Le tableau ci-dessous donne les valeurs particulières de la cavité 38 de la figure 3 pour les valeurs entre crochets du tableau précédent, la valeur de « E » étant de 40 mm et la valeur de « a » étant de 40 mm.
La figure 4 représente l'évolution de l'absorption a (sans unité) en ordonnée en fonction de la fréquence (en Hz) en abscisse. Ce graphe comprend trois courbes dont une première 42 concerne l'absorption d'une matrice poreuse seule en mélamine, la seconde 44 concerne l'absorption de la cellule de la figure 1 avec une matrice en mélamine et la troisième 46 concerne l'absorption de la cellule selon l'invention de la figure 3, également avec une matrice en mélamine.
Il ressort que le coefficient d'absorption avec la cellule de la figure 1 (courbe 44) est supérieur au coefficient d'absorption obtenue avec la matrice poreuse seule (courbe 42). De plus, le coefficient d'absorption de la courbe 44 n'est supérieur à 0,8 que dans une gamme de fréquences restreinte comprise entre 2500 et 3700 Hz. Enfin, pour des fréquences en dessous de 1700 Hz, l'absorption est inférieure à 0,5. Des panneaux basés sur les cellules de la figue 1 sont donc peu adaptés à une utilisation commerciale.
Au contraire, avec la cellule 22 selon l'invention comprenant deux rangées 24, 26 de résonateurs Ai , A2, A3, A4, on obtient une absorption supérieure à 0,8 dès 1000 Hz. Pour des fréquences supérieures, on constate que le coefficient d'absorption a augmente pour atteindre une valeur voisine de 1 dès 1500 Hz, le coefficient d'absorption restant ensuite sensiblement constant et voisin de 1 jusqu'aux fréquences de 6000 Hz et même au-delà (non représenté).
Ces performances sont ainsi obtenues pour une cellule 22 d'une épaisseur très réduite et de l'ordre 4 cm, ce qui permet aisément son intégration dans un panneau acoustique sans pertes significative de place au sol en cas d'intégration sur des murs dans une pièce.
La figure 5 représente une seconde réalisation d'une cellule 48 selon l'invention, comprenant deux rangées 50, 52 de trois résonateurs B1 , B2, B3 et B4, B5, B6 chacune. La première face 54 de la cellule comprend deux cavités 58, 60. Chaque cavité 58, 60 débouche directement en direction d'un résonateur B1 , B2 dont le diamètre est sensiblement égal à la dimension de la cavité mesurée dans la direction Y.
De même qu'en référence à la figure 3, l'ouverture 62 du résonateur
B2 débouche en direction de la cavité 58 de manière à créer un ensemble résonant (cavité 58 et résonateur B2) résonant à une fréquence plus basse que chacun du résonateur B2 et de la cavité 58, isolément.
En plus de l'effet cité au paragraphe précédent, il apparaît que l'agencement du résonateur B2 à proximité du débouché de la cavité 58 conduit à la formation de deux ouvertures réduites ou fentes 63. Ces fentes 63 délimitent des ouvertures similaires à celles d'un résonateur de
Helmholtz permettant ainsi à la cavité 38 couplé aux ouvertures 63 d'absorber à des fréquences plus basses que la fréquence quart d'onde de l'ensemble formé de la cavité 58 et du résonateur B2.
Le tableau ci-dessous résume les paramètres dimensionnels des six résonateurs Bi , B2, B3, B4, B5 et B6 ainsi que leur positionnement respectif dans la cellule. Les valeurs d'angle sont mesurées par rapport au sens opposé au sens de Y donné sur la figure 5. La référence pour les positions des centres des résonateurs est prise en R sur la figure 5.
Dans le tableau ci-dessous, les valeurs données pour chaque colonne (sauf pour la troisième colonne) sont celles d'un paramètre x (sans dimension) qui constitue une valeur d'entrée d'une équation donnée dans les cases de la première ligne afin d'en déduire la grandeur de la colonne d'intérêt.
Dans chaque case, la valeur entre crochets indique une valeur préférée dans la plage de valeurs indiquées. « E » représente l'épaisseur de la couche de matériau poreux. « a » représente la largeur de la cellule selon la direction X (voir figure 5).
Le tableau ci-dessous donne les valeurs particulières de la cellule représentée en figure 5 pour les valeurs entre crochets du tableau précédent, la valeur de « E » étant de 40 mm et la valeur de « a » étant de 60 mm.
Le tableau suivant résume les paramètres dimensionnels des cavités 58, 60 et le positionnement des coins 59, 57, respectifs de ces cavités. Dans le tableau ci-dessous, les valeurs données pour chaque colonne (à l'exception des valeurs des colonnes « selon Y » qui sont en mm) sont celles d'un paramètre x (sans dimension) qui constitue une valeur d'entrée d'une équation donnée dans chaque colonne d'intérêt. Les valeurs entre crochets dans chaque case indiquent une valeur préférée dans la plage de valeurs indiquées.
Le tableau ci-dessous donne les valeurs particulières des cavités 59 et 57 de la figure 5 pour les valeurs entre crochets du tableau précédent, la valeur de « E » étant de 40 mm et la valeur de « a » étant de 60 mm.
Le graphe de la figure 6 est un graphe similaire à celui de la figure 4. La courbe 64 représente l'évolution de l'absorption a en fonction de la fréquence et les courbes 42 et 44 sont identiques à celles décrites en référence à la figure 3.
On constate que la courbe 64 comprend une première partie 66 de pente plus forte qu'avec la cellule 22 de la figure 3, démontrant une meilleure absorption. En effet, le coefficient d'absorption de la cellule 48 s'avère légèrement supérieure sur la quasi-totalité de la gamme de fréquence 0-6000 Hz au coefficient d'absorption de la cellule 22.
La figure 7 est un graphe représentant l'évolution de l'absorption en ordonnée en fonction de la fréquence pour la cellule représentée en figure 5. Les différentes courbes 68 représentées correspondent chacune à une valeur d'angle d'incidence des ondes acoustiques sur la cellule. En particulier, les courbes 68a, 68b, 68c, 68d, 68e,... correspondent à des angles croissants et respectivement à des valeurs d'angles de 90°, 85°, 80°, 75° et 70°.
La courbe 70 de la figure 8 représente l'évolution de l'absorption moyenne sur la plage de fréquence 0-6000 Hz en fonction de l'angle d'incidence des ondes acoustiques sur la seconde face 54 de la cellule 48 représentée en figure 5. Le coefficient d'absorption varie très peu en fonction de l'angle d'incidence et reste supérieur à 0,8 pour des angles compris entre 0 et 75 degrés. Au-delà de 75 degrés, c'est à dire en incidence considéré comme rasante, le coefficient d'absorption diminue jusqu'à atteindre une moyenne de 0,3 à 90 degrés. Dans le cas d'une incidence rasante, il est probable que l'onde acoustique ne pénètre pas ou peu dans la cellule 48 mais soit au contraire réfléchit par la seconde face et la première rangée de résonateurs B4, B5 et B6.
Malgré cette baisse du coefficient d'absorption en incidence rasante, ce matériau peut être considéré comme quasiment omni directionnel et est totalement adapté à une utilisation en champ diffus par exemple pour l'acoustique du bâtiment par exemple. Bien que non représenté, un résultat similaire est obtenu pour la cellule 22 de la figure 3.
La valeur « E » de l'épaisseur du matériau poreux est avantageusement comprise entre 10 et 80 mm, de préférence entre 20 et 50 mm et plus préférentiellement est de l'ordre de 40 mm. En effet, pour cette dernière valeur on a constaté que pour tous les types de cellules, telles que celles décrites précédemment, l'absorption était comprise entre 0,58 et 0,60 en moyenne sur la plage de fréquence 125-4000 Hz et de l'ordre de 0,48 pour sur cette plage de fréquence pour un poreux seul (sans résonateur) ou une cellule de la figure 1 .
« a » est avantageusement compris entre 1 *E et 5*E, ou encore entre 10 et 400 mm, de préférence entre 20 et 160 mm et plus préférentiellement est de l'ordre de 40 mm.
D'autres résonateurs peuvent également être utilisés en lieu et place des tubes à section circulaire, tels que des tubes fendus ouverts à leurs extrémités et à section carré, rectangulaire, ellipsoïdale, en étoile. Il est également possible d'utiliser des résonateurs formés de deux tubes fendus 71 , 72 à section comme décrit précédemment et inséré l'un à l'intérieur de l'autre comme représenté en figure 9. Ce type de résonateur permet d'avoir des fréquences de résonances plus basses, mais est difficile à réaliser.
Il est encore possible d'utiliser des résonateurs à résonance de Helmholtz comportant au moins un col tubulaire ouvert à ses deux extrémités et débouchant à l'intérieur d'une cavité du résonateur. Un exemple d'un tel résonateur 73 est représenté aux figures 10A et 10B. Celui-ci comprend une partie tubulaire 74 fermée à ses extrémités par des disques 76. Ce type de résonateur dit de Helmholtz est agencé de la même manière que les tubes décrits en référence aux figures 3 et 5 avec l'axe du tube s'étendant selon la direction Z.
Une réalisation pratique d'une cellule 80 à résonateur de Helmholtz est représentée en figure 10C et comprend deux rangée 82, 84 de deux résonateurs Ci, C2, C3, C4 entre une première face 86 et une seconde face 88. La première face 82 de la cellule 80 comprend deux cavités 90, 92. Le col 94 des résonateurs Ci, C2 débouche directement en direction d'une cavité 90, 92 de manière à créer un ensemble résonant (cavité 90 et résonateur Ci ainsi que cavité 92 et résonateur C2) résonant à une fréquence plus basse que chacun des résonateurs Ci, C2 et des cavités 90, 92 pris isolément.
Le tableau ci-après, résume les paramètres dimensionnels des quatre résonateurs Ci, C2, C3, C4 ainsi que leur positionnement respectif dans la cellule 80. Les valeurs d'angle sont mesurées par rapport au sens opposé au sens de Y. La référence pour les positions des centres des résonateurs est prise en R sur la figure 10C.
Dans le tableau ci-après, les valeurs données pour chaque colonne (sauf pour la troisième colonne) sont celles d'un paramètre x (sans dimension) qui constitue une valeur d'entrée d'une équation donnée dans les cases de la première ligne afin d'en déduire la grandeur de la colonne d'intérêt.
Dans chaque case, la valeur entre crochets indique une valeur préférée dans la plage de valeurs indiquées. « E » représente l'épaisseur de la couche de matériau poreux. « a » représente la largeur de la cellule selon la direction X (voir figure 10C).
Le tableau ci-après donne les valeurs particulières de la cellule représentée en figure 10C pour les valeurs entre crochets du tableau précédent, la valeur de « E » étant de 40 mm et la valeur de « a » étant de 40mm. Position Position
Position selon selon
Epaisseur
Rayon angulaire Diamètre longueur l'axe x du l'axe y du
De la
Externe De la du col du col centre centre paroi
(mm) fente (mm) (mm) Du Du
(mm)
(degré) résonateur résonateur
(mm) (mm)
Résonateur Cl 8 0,8 165° 0,44 6,5 12 30
Résonateur C2 4 0,4 182° 0,48 1,8 25 32
Résonateur C3 4,8 0,48 255° 0,46 1,3 10 10
Résonateur C4 5 0,5 300° 0,48 4 24 14
Le tableau suivant résume les paramètres dimensionnels des cavités 90, 92 et le positionnement des coins 96, 98, respectifs de ces cavités 90, 92. Dans le tableau ci-dessous, les valeurs données pour chaque colonne (à l'exception des valeurs des colonnes « selon Y » qui sont en mm) sont celles d'un paramètre x (sans dimension) qui constitue une valeur d'entrée d'une équation donnée dans chaque colonne d'intérêt. Les valeurs entre crochets dans chaque case indiquent une valeur préférée dans la plage de valeurs indiquées.
Le tableau ci-après donne les valeurs particulières des cavités 90, 92 de la figure 10C pour les valeurs entre crochets du tableau précédent, la valeur de « E » étant de 40 mm et la valeur de « a » étant de 40 mm.
La figure 10D représente l'évolution de l'absorption a (sans unité) en ordonnée en fonction de la fréquence (en Hz) en abscisse. On constate que l'absorption est supérieure à 0,9 dès 850 Hz environ et jusqu'à 3000 Hz, l'absorption étant même supérieure à celle obtenue avec les cellules des figures 3 et 5 sur cette plage de fréquences. Toutefois, on note qu'au- delà de 3000 Hz, l'absorption diminue assez nettement.
Les figures 11 et 12 représentent deux autres modes de réalisation de l'invention dans lesquels la cellule 100, 102 comprend seulement deux résonateurs acoustiques, qui sont ici des tubes fendus.
Dans le mode de réalisation de la figure 11 , deux résonateurs 104, 106 sont agencés l'un derrière l'autre selon une direction (axe Y) perpendiculaire aux première 108 et seconde 110 faces de la cellule 100. Une cavité 112 est formée sur la première face 108 de la cellule 100.
Dans le mode de réalisation de la figure 12, un premier résonateur
114 est agencé, selon une direction (axe Y) perpendiculaire à la première face 118 et à la seconde face 120, entre un second résonateur 116 et la première face 118 de la cellule, le second résonateur 116 étant agencé entre le premier résonateur 114 et la seconde face 120 de la cellule 102. La première face 118 de la cellule 102 comprend deux cavités 122, 124. A la différence de la figure 11 , le premier résonateur 114 est décalé suivant l'axe X par rapport au second résonateur 116. De plus, chacun du premier 114 et du second 116 résonateur est aligné suivant une direction parallèle à l'axe Y avec une cavité de la première face. La fente ou ouverture du premier résonateur 114 débouche en direction de la cavité 124. Le tableau ci-dessous résume les paramètres dimensionnels des deux résonateurs Di , D2 ainsi que leur positionnement respectif dans la cellule de la figure 12. Les valeurs d'angle sont mesurées par rapport au sens opposé au sens positif de Y. La référence pour les positions des centres des résonateurs est prise en R sur la figure 12.
Dans le tableau ci-dessous, les valeurs données pour chaque colonne (sauf pour la troisième colonne) sont celles d'un paramètre x (sans dimension) qui constitue une valeur d'entrée d'une équation donnée dans les cases de la première ligne afin d'en déduire la grandeur de la colonne d'intérêt.
Dans chaque case, la valeur entre crochets indique une valeur préférée dans la plage de valeurs indiquées. « E » représente l'épaisseur de la couche de matériau poreux. « a » représente la largeur de la cellule selon la direction X (voir figure 12).
Le tableau ci-après donne les valeurs particulières de la cellule représentée en figure 12 pour les valeurs entre crochets du tableau précédent, la valeur de « E » étant de 30 mm et la valeur de « a » étant de 40 mm. Position Position
Position selon selon
Epaisseur Largeur
Rayon angulaire l'axe x du l'axe y du
De la de la
Externe De la centre centre paroi fente
(mm) fente Du Du
(mm) (mm)
(degré) résonateur résonateur
(mm) (mm)
Résonateur Dl 4 1,6 -25° 0,6 11 9
Résonateur D2 6 1,8 195° 0,8 27 20
Le tableau ci-dessous résume les paramètres dimensionnels des cavités 124, 122 et le positionnement des coins 126, 128, respectifs de ces cavités. Dans le tableau ci-dessous, les valeurs données pour chaque colonne (à l'exception des valeurs des colonnes « selon Y » qui sont en mm) sont celles d'un paramètre x (sans dimension) qui constitue une valeur d'entrée d'une équation donnée dans chaque colonne d'intérêt. Les valeurs entre crochets dans chaque case indiquent une valeur préférée dans la plage de valeurs indiquées.
Le tableau ci-après donne les valeurs particulières des cavités 122, 124 de la figure 12 pour les valeurs entre crochets du tableau précédent, la valeur de « E » étant de 30 mm et la valeur de « a » étant de 40 mm.
L'utilisation de résonateurs A1-A4, Bi-B6, C1 -C4, D1 -D2 tous différents deux à deux par leurs paramètres dimensionnels comme représenté et décrit en référence aux figures 3 et 5 permet d'assurer une absorption de chaque résonateur à une fréquence de résonance différente, ce qui permet d'assurer une absorption sur une large gamme de fréquence. Pour cela, il est souhaitable que ces différentes fréquences de résonance soient suffisamment proches les unes des autres.
Dans une utilisation pratique des cellules des figures 3, 5, 10C, 11 et 12 dans un panneau acoustiquement absorbant, les cellules 22, 48 sont agencées les unes à côté des autres de manière à ce que les bords des premières faces 30, 54 des cellules soient agencés en vis-à-vis et les bords des secondes faces 28, 56 des cellules soient agencées en vis-à-vis. Les figures 13 et 14 représentent un tel panneau acoustique 130 avec une cellule analogue à celle de la figure 3 qui comprend deux rangées de deux résonateurs acoustiques chacune. Toutefois, dans l'exemple des figures 13 et 14, la cellule comprend deux cavités au niveau de sa première face.
Le panneau acoustique ainsi obtenu comprend ainsi une pluralité de cellules juxtaposées, par exemple cinq et de préférence dix qui permet d'obtenir les meilleurs résultats d'absorption pour les différents types de cellules. Il serait encore possible d'ajouter une deuxième épaisseur de cellules, ce qui permettrait d'améliorer les performances d'absorption, majoritairement dans la gamme 500-4000 Hz. Cependant, cela impose un doublement de l'épaisseur du panneau acoustique et ce type de configuration est donc à réserver pour des applications spécifiques, tels que des studios d'enregistrement, par exemple.
Dans la description, le terme « matrice poreuse » désigne un matériau à squelette rigide saturé par un fluide pouvant être de l'air dans le cas d'une application dans le bâtiment. Préférentiellement, le taux de saturation, c'est-à-dire le rapport du volume de fluide sur le volume de liquide doit être d'au moins 80%.
La matrice poreuse 32 peut être formée d'au moins l'un des matériaux suivants : mélamine, mousse polyuréthane, laine de verre, laine de roche, paille, chanvre, ouate de cellulose, fibre de palme, fibre de noix de coco.
Les résonateurs A1-A4, Bi-B6, C1 -C4, D1 -D2 peuvent être réalisés en acier, plastique, caoutchouc ou bambou. Du roseau creux peut également être utilisé.
Notons également que les cavités des cellules 22, 48, 80, 100, 102 peuvent soient remplies du même matériau que le reste de la couche poreuse ou bien être remplit d'un autre matériau poreux. De même, les cavités 38, 58, 60, 90, 92, 112, 122, 124 des résonateurs 22, 48, 80, 100, 102 peuvent être remplit du même matériau poreux que celui de la couche poreuse ou bien être remplit d'un matériau poreux différent.
Les cellules 22, 48, 80, 100, 102 selon l'invention sont réalisées en deux étapes. La première consiste à réaliser, dans un bloc de matériau poreux, plusieurs orifices dont les sections correspondent aux sections des résonateurs à l'aide d'un outil coupant adapté, par exemple monté sur une perceuse à colonne et à prélever les carottes de matériau poreux ainsi obtenues. Les résonateurs sont ensuite introduits dans les orifices correspondants. Le bloc de matériau poreux est ensuite découper à la taille souhaité de la cellule à l'aide par exemple d'une scie à ruban ou par découpe jet d'eau.
Dans le cas où la cellule 22, 48, 10C comprend au moins une première et une seconde rangée de résonateurs comprenant chacune au moins deux résonateurs comme dans les réalisations des figures 3, 5 et 10C, on comprend que l'invention peut se définir comme une cellule acoustiquement absorbante pour panneau acoustique, comprenant une couche à matrice poreuse incorporant une pluralité de résonateurs acoustiques (A1 -A4, B1 -B6) entre une première face 30, 54, 86 et une seconde face 28, 56, 88 de la matrice poreuse 32, caractérisée en ce que les résonateurs A1-A4, Bi-B6, C1 -C4 sont ordonnés de manière à former au moins deux rangées sensiblement parallèles comportant chacune au moins deux résonateurs et s'étendant le long des première et seconde faces. Ainsi, une première rangée 24, 50, 82 est agencée entre la première face 30, 54, 86 et au moins deux seconds résonateurs formant une seconde rangée 26, 52, 88 qui est agencée entre la première rangée 24, 50, 82 de résonateurs et la seconde face 28, 56, 88.
L'invention peut également concerner une cellule acoustiquement absorbante comprenant une couche à matrice poreuse incorporant une pluralité de résonateurs acoustiques entre une première face et une seconde face de la matrice poreuse, les caractéristiques dimensionnelles des résonateurs étant déterminées de manière à ce que les résonateurs soient tous différents deux à deux.
L'invention peut également concerner une cellule acoustiquement absorbante comprenant une couche à matrice poreuse incorporant une pluralité de résonateurs acoustiques entre une première face et une seconde face de la matrice poreuse, la première face étant conformée de manière à comprendre au moins un renfoncement formant une cavité s'étendant dans une direction opposée à la seconde face et débouchant entre les deux première et seconde faces.

Claims

REVENDICATIONS
Cellule (22, 48, 80, 100, 102) acoustiquement absorbante pour panneau acoustique, comprenant une couche (32) à matrice poreuse incorporant une pluralité de résonateurs acoustiques (A1-A4, Bi-B6, C1 -C4, D1 -D2) entre une première (30, 54, 86, 108, 118) face et une seconde (28, 56, 88, 110, 120) face de la matrice poreuse (32), caractérisée en ce que les résonateurs (A1 -A4, B1 -B6, C1 -C4, D1 -D2) sont ordonnés de manière à ce que selon une direction s'étendant sensiblement perpendiculairement à la première face (30, 54, 86, 108, 118) et à la seconde face (28, 56, 88, 110, 120), au moins un premier résonateur soit agencé entre la première face (30, 54, 86, 108, 118) et au moins un second résonateur qui est agencé entre la seconde face (28, 56, 88, 110, 120) et l'au moins un premier résonateur.
Cellule selon la revendication 1 , caractérisée en ce que les caractéristiques dimensionnelles des résonateurs (A1-A4, Bi-B6, C1 - C4, D1 -D2) sont déterminées de manière à ce que les résonateurs (A1-A4, Bi-B6, C1 -C4, D1 -D2) soient tous différents deux à deux. Cellule selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les distances (drd5) séparant deux résonateurs (A1-A4, Bi-B6, C1 -C4, D1 -D2) sont toutes différentes deux à deux.
Cellule selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la première face (30, 54, 86, 108, 118) comprend une couche (31 ) d'un matériau rigide ayant par exemple un module d'Young d'au moins 20GPa.
Cellule selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la première face (30, 54, 86, 108, 118) est conformée de manière à comprendre au moins un renfoncement (38, 58, 60) formant une cavité s'étendant dans une direction opposée à la seconde face (28, 56) et débouchant entre les première et seconde faces.
6. Cellule selon la revendication 5, caractérisée en ce que la ou les cavités (38, 58, 60) sont à section rectangulaire ou carrée.
7. Cellule selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les résonateurs (A1-A4, Bi-B6) comprennent chacun au moins une ouverture faisant communiquer une cavité résonante du résonateur avec la matrice poreuse entourant le résonateur.
8. Cellule selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'ouverture (40, 62) de l'un au moins dudit au moins un premier résonateur (A2, B2) débouche dans l'ouverture d'une cavité (38, 58) de la première face.
9. Cellule selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les résonateurs (A1-A4, Bi-B6) présentent chacun une forme allongée selon une direction donnée s'étendant le long des première et seconde faces de la cellule.
10. Cellule selon la revendication 9, caractérisé en ce que les directions d'allongement des résonateurs (A1-A4, Bi-B6) sont sensiblement parallèles les unes aux autres.
1 1 . Cellule selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les résonateurs (A1-A4, Bi-B6) sont choisis parmi l'un ou plusieurs des types de résonateurs du groupe comprenant des tubes fendus ouverts à leur extrémités et à section carré, rectangulaire, circulaire, ellipsoïdale ou en étoile, des résonateurs à résonance de
Helmholtz comportant au moins un col tubulaire débouchant à l'intérieur d'une cavité du résonateur.
12. Cellule selon la revendication 11 , caractérisé en ce que les résonateurs (A1-A4, Bi-B6) sont tous du même type.
13. Cellule selon la revendication 11 , caractérisé en ce que les résonateurs (A1-A4, Bi-B6) sont tous des tubes à section circulaire, fendus sur toute leur hauteur.
14. Cellule selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux premiers résonateurs formant une première rangée (24, 50) agencée entre la première face et au moins deux seconds résonateurs formant une seconde rangée (26, 52) qui est agencée entre la première rangée de résonateurs et la seconde face.
15. Cellule selon la revendication 14, caractérisée en ce que la première rangée et la seconde rangée comprennent chacune au moins trois résonateurs.
16. Cellule selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde face (28, 56) est sensiblement plane.
17. Panneau acoustiquement absorbant, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de cellules (22, 48) selon l'une des revendications précédentes, les cellules (22, 48) étant agencées les unes à côté des autres de manière à ce que les bords des premières faces des cellules (22, 48) soient agencés en vis-à-vis et les bords des secondes faces des cellules (22, 48) soient agencées en vis-à- vis.
18. Panneau selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il comprend au moins cinq cellules, de préférence dix cellules.
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