EP3289584A1 - Métamatériau acoustique pour l'isolation et son procédé de fabrication - Google Patents

Métamatériau acoustique pour l'isolation et son procédé de fabrication

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Publication number
EP3289584A1
EP3289584A1 EP16723282.6A EP16723282A EP3289584A1 EP 3289584 A1 EP3289584 A1 EP 3289584A1 EP 16723282 A EP16723282 A EP 16723282A EP 3289584 A1 EP3289584 A1 EP 3289584A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
resonator
resonators
matrix
acoustic
phase
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16723282.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Olivier Mondain-Monval
Thomas BRUNET
Aurore MERLIN
Kévin ZIMMY
Artem KOVALENKO
Benoît MASCARO
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.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Bordeaux
Institut Polytechnique de Bordeaux
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Bordeaux
Institut Polytechnique de Bordeaux
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 Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Bordeaux, Institut Polytechnique de Bordeaux filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP3289584A1 publication Critical patent/EP3289584A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • G10K11/172—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general using resonance effects
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2/00—Processes or devices for granulating materials, e.g. fertilisers in general; Rendering particulate materials free flowing in general, e.g. making them hydrophobic
    • B01J2/02—Processes or devices for granulating materials, e.g. fertilisers in general; Rendering particulate materials free flowing in general, e.g. making them hydrophobic by dividing the liquid material into drops, e.g. by spraying, and solidifying the drops
    • B01J2/06—Processes or devices for granulating materials, e.g. fertilisers in general; Rendering particulate materials free flowing in general, e.g. making them hydrophobic by dividing the liquid material into drops, e.g. by spraying, and solidifying the drops in a liquid medium

Definitions

  • the invention relates to acoustic metamaterials and acoustic attenuation devices made from acoustic metamaterials.
  • Materials for sound insulation can be made from porous materials.
  • porous open cell rubbers, or materials made from open crosslinked polymer foams can be used.
  • the acoustic waves are strongly attenuated because of their diffusion by the heterogeneities (pores or cavities of air) distributed within the medium.
  • the thicknesses of materials required must be of the same order of magnitude as the incident wavelength. This condition makes the realization of insulating walls acoustically difficult given the space they should occupy.
  • acoustic losses can be optimized in so-called “locally” resonant materials, for frequencies close to the resonance frequency of the inclusions (or resonators) present within the material.
  • inserting small inclusions in front of the incident wavelength and having strong mechanical contrasts with the surrounding medium in terms of density and / or compressibility can create forbidden spectral bands, allowing attenuation of the sound by several orders of magnitude in amplitude at much lower thicknesses than in conventional materials.
  • Liu et al. Liu, Z., Zhang, X., Mao, Y., Zhu, YY, Yang, Z., Chan, CT, & Sheng, P. (2000), Locally Resonant sonic materials, Science, 289 (5485), 1734-1736
  • the material consisting of a three-dimensional network of resonant spheres, fixed in an epoxy matrix, may have an effective density (rated p) negative in a range of frequencies determined by the manufacturing parameters of the material.
  • This experimental metamaterial is difficult to manufacture and is not suitable for industrial application. Different devices and processes have been proposed (eg.
  • phase velocity is also negative when these two parameters are simultaneously negative.
  • the manufacture of these beads by microfluidic methods is also disclosed.
  • resonators are incorporated in a Bingham fluid (rheofluidifying fluid having the behavior of a solid for a zero shear rate and a viscous fluid behavior for a shear greater than a threshold shear). They are made in drop, from an emulsion primary whose volume of the internal phase is between typically 20 and 40% of the total volume of the resonator.
  • the contrast between the phase velocity in the resonators and the phase velocity in the matrix through which they are held must be as strong as possible.
  • the phase velocity in the resonators considered is all the lower as they are both dense and compressible.
  • the technical problem lies in the manufacture of a material having both a density and a high modulus of compressibility, to minimize the speed of sound in the resonators, and to achieve more effective insulators than those disclosed by the art. prior.
  • the two publications cited above do not disclose how to manufacture resonators whose phase velocity is minimized, that is to say having both a compressibility and a maximum effective density.
  • the invention aims to overcome at least one of the aforementioned drawbacks of the prior art.
  • An object of the invention making it possible to achieve this goal is a porous bead acoustic resonator, characterized in that the Young's modulus of the material of said resonator is less than 1 GPa, in that the porosity of said resonator is between 20 % and 50%, in that the majority of the pores of said resonator is filled with a gas and in that the majority of said pores is interconnected via at least one pore with the outside of said resonator.
  • the material of said resonator is a polymer.
  • the diameter of each said pore of the resonator, connected with the outside of said resonator is less than or equal to 200 ⁇ , preferably less than or equal to 100 ⁇ and preferably less than or equal to 20 ⁇ .
  • Another object of the invention is an acoustic device comprising a plurality of resonators and a matrix surrounding said ball resonators and whose propagation speed of the sound of said matrix is greater than or equal to 500 m. s "1 .
  • said matrix of the device is adapted to prevent the sedimentation of said ball resonators.
  • the matrix of the device is solid.
  • the material of said matrix of the device is a Bingham fluid.
  • Another subject of the invention is a method for manufacturing an acoustic resonator including at least the following steps: a) preparing a primary emulsion between, on the one hand, a first aqueous phase and, on the other hand, a second phase having at least one type of monomer and a surfactant; b) preparing a secondary emulsion between, on the one hand, said primary emulsion and, on the other hand, a third aqueous phase; c) crosslinking said monomers; d) dry.
  • the crosslinking of step c) of the process is done by heating.
  • the crosslinking of step c) of the process is carried out by exposure to ultraviolet radiation.
  • step b) and step c) of the method grouping the drops of said first phase.
  • said primary emulsion of the process is prepared at least using a method chosen from drip, shear by blade instrument, ultrasound emission, focused flow, parallel flow, cross flow and microfluidic step crossing.
  • said secondary emulsion of the process is prepared using at least one method chosen from drip, shear by blade instruments, ultrasound application, focused flow, parallel flow, cross flow and microfluidic step crossing.
  • the crosslinking of the monomer of said second phase is made, in the process, drop by drop of said primary emulsion in a fluid system.
  • FIG. 1 is an illustration of a fluidic device used for the production of resonators 1;
  • Figure 2 shows scanning electron microscope photographs of a different resonator of the invention;
  • Figure 3 shows scanning electron micrographs of a resonator made by the same method as the resonator shown in Figure 2;
  • Figure 4 shows scanning electron microscope photographs of different resonators of the invention;
  • FIG. 5 is a photograph in light microscopy of a primary emulsion 5 according to one embodiment of the invention;
  • FIG. 1 is an illustration of a fluidic device used for the production of resonators 1;
  • Figure 3 shows scanning electron micrographs of a resonator made by the same method as the resonator shown in Figure 2;
  • Figure 4 shows scanning electron microscope photographs of different resonators of the invention;
  • FIG. 5 is a photograph in light microscopy of a primary emulsion 5 according to one embodiment of the invention;
  • FIG. 6 shows scanning electron micrographs of a resonator according to one embodiment of the invention
  • Figure 7 is a mechanical characterization of a plurality of different ball resonators of the invention
  • Figure 8 is a mechanical characterization of a plurality of different ball resonators of the invention
  • Figure 9 is a mechanical characterization of a plurality of ball resonators according to an embodiment of the invention
  • Fig. 10 is a histogram of the number of resonators characterized according to a given effective Young's modulus range
  • FIG. 11 shows scanning electron microscopy photographs of an acoustic device according to one embodiment of the invention
  • Figure 12 is a photograph of an embodiment of the acoustic device
  • FIG. 13 illustrates the acoustic loss associated with the acoustic device;
  • FIG. 14 illustrates the attenuation coefficient related to the acoustic device as a function of the frequency of the incident wave
  • FIG. 15 illustrates resonator porosity measurements according to one embodiment of the invention
  • FIG. 16 illustrates a distribution of the diameter of the interconnection pores of two types of resonators
  • FIG. 17 illustrates a mass density distribution (a) of resonators made according to one embodiment and that (b) of different resonators of the invention.
  • Figure 1 is an illustration of a fluidic device used for the production of resonators 1.
  • a primary emulsion 9 is firstly prepared between, on the one hand, a first aqueous phase and, on the other hand, a second phase comprising at least one type of monomer and a surfactant. adapted surface.
  • This first emulsion can be produced by known emulsification processes which can be:
  • the choice of the surfactant depends on the monomer phase chosen for producing the emulsion.
  • the surfactant has a low HLB number (the English acronym Hydrophilic-Lipophilic Balance, or hydrophilic / lipophilic balance).
  • This type of surfactant allows a preferential formation of so-called inverse emulsion, that is to say drops of aqueous phase in a continuous lipid phase.
  • the diameter of the drops of aqueous phase thus formed in the continuous phase of monomer can vary between 0.2 and 100 ⁇ and preferably between 0.2 and 10 m.
  • the remainder of the description includes examples of the composition of the primary emulsion.
  • the second step consists in preparing a secondary emulsion 8 between, on the one hand, the primary emulsion 9 and, on the other hand, a third aqueous phase 5.
  • this secondary emulsion is prepared using a fluidic, millifluidic or microfluidic device.
  • a parallel flow 12 (or co-flow in English) is used to form the secondary emulsion.
  • the primary emulsion 9 and the third aqueous phase 5 are previously placed in syringes.
  • the primary emulsion is, in the example of FIG.
  • FIG. 1 is a photograph of a capillary at the place where the drops are formed by parallel flow 12.
  • a cylindrical jet of primary emulsion 9 is surrounded by a third aqueous phase 5.
  • Rayleigh-Plateau instabilities cause the formation of drops (example in the center of the photograph and on the right).
  • the secondary emulsion by shearing the inverse emulsion in a third aqueous phase 5, containing a surfactant whose composition is suitable for the formation of the emulsion, for example of high HLB number.
  • the drops produced at the outlet of the parallel flow may be crosslinked directly after their formation.
  • the crosslinking can be carried out in line, that is to say, drop by drop, in a precise location of the capillary at the outlet of the parallel flow.
  • This polymerization can be carried out thermally or by ultraviolet radiation, depending on the compounds used in the second organic phase.
  • the resonators 1 thus produced by polymerization of the drops produced at the outlet of the parallel flow are therefore generally made of polymer material.
  • the second phase organic, comprises Silcolease UV 200 (registered trademark, Bluestar Silicones), 4% by weight of catalyst Silcolease UV cata 21 1 (trademark, Bluestar Silicones), 20% by weight of surfactant DC3225C (Dow Corning) and 200 ppm of Genocure ITX (Rahn).
  • the first saline aqueous phase is composed of 1.5% by weight of sodium chloride.
  • the porosity of the resonator is dependent on the amount of the first aqueous phase incorporated in the second organic phase.
  • the third aqueous phase is a glycerol solution.
  • the second organic phase comprises 64% of ethylhexyl acrylate, 5.5% of styrene, 10.5% of divinylbenzene and 20% by weight of SPAN 80 surfactant.
  • the aqueous phase is composed of a solution of 25 mM sodium chloride and 5 mM potassium peroxodisulfate.
  • the porosity of the resonator is dependent on the amount of first aqueous phase incorporated into the organic phase.
  • the beads made can then be washed with acetone and then with ethanol.
  • the ball-shaped resonators are collected and dried. To dry the resonators, they can for example be left in the open air, or placed in an oven at 40 ° C. This step will be detailed later in the description of the figures.
  • the primary emulsion can be prepared by drop-by-drop, blade-instrument shear, ultrasound emission, flow-through flow (or “flow focusing"), cross flow (or English “T-junction”) and microfluidic step crossing (or in English “step emulsification”).
  • the secondary emulsion can be prepared by drop-by-drop, blade-instrument shear, ultrasound emission, flow-through flow (or “flow focusing"), cross flow (or English “T-junction”) and microfluidic step crossing (or in English “step emulsification”).
  • Figure 2 shows scanning electron micrographs of a different resonator of the invention.
  • the panel of Figure 2 shows a photograph of the section of a resonator before the drying step described above.
  • the scale bar represents 100 ⁇ .
  • the panel b of Figure 2 shows a detail of the photograph of the panel a, delimited by a black frame in the panel a.
  • the photographs of FIG. 2 show a ball resonator manufactured according to the method described in FIG. 1, the porosity of which before the drying step is 30%. It is observed in panel b of FIG. 2 that the pores of a resonator before drying are not connected: there are only rarely connections allowing the transport of a gas or a liquid from a pore to the 'other.
  • Figure 3 shows scanning electron micrographs of a resonator made by the same process that the resonator shown in Figure 2.
  • the panel of Figure 3 shows a photograph of the section of the resonator, after the drying step described above.
  • the scale bar represents 200 ⁇ .
  • the panel b of FIG. 3 presents a detail of the photograph of the panel a, delimited by a black frame in the panel a.
  • the scale bar represents 50 ⁇ .
  • the panel c presents a detail of the photograph of the panel b, delimited by a black frame in the panel b.
  • the scale bar represents 10 ⁇ .
  • the porosity of the resonator presented, which is different from the invention, is substantially zero after the drying step.
  • Figure 4 shows scanning electron microscope photographs of different resonators of the invention.
  • the panel of Figure 4 shows a photograph of six resonators after the drying step described above.
  • the scale bar represents 200 ⁇ .
  • the porosity of the resonators is 70% before the drying step described in the process of FIG. This porosity is obtained by adjusting the proportion of the first aqueous phase during the preparation of the first emulsion.
  • the resonators of the panel a have a ball shape before the drying step, but gradually deform during the drying step, to present the shapes visible in the panel a.
  • the panel b of FIG. 4 is a photograph of a section of a resonator manufactured according to the same method as the resonators presented in panel a of FIG. 4.
  • FIG. 5 is a photograph in light microscopy of a primary emulsion 9 according to one embodiment of the invention.
  • the primary emulsion is prepared between a first aqueous saline phase 6 comprising 1.5% by weight of sodium chloride and a second organic phase 7 comprising Silcolease UV POLY200 oil (registered trademark, Bluestar Silicones), 4% by weight. of catalyst (iodonium borate), 200 ppm of ultraviolet-sensitive compound (IsopropylThioXanthone, ITX) and 0.4% by weight of PDMS (polyethylene oxide) (PEO) -block-PDMS surfactant, Silube J208-812, Siltech , Trademark).
  • the first saline aqueous phase is introduced little by little into the second organic phase under shear in a mortar.
  • the final aqueous phase volume fraction may for example be chosen between 5 and 80% using this method and preferably between 20% and 40%.
  • the drops of aqueous phase in the second organic phase exhibit an adhesive behavior between them. They tend, after a characteristic time, to form clusters, whatever the volume fraction of aqueous phase in organic phase.
  • the mean diameter of the drops of the internal emulsion 9 is between 0.2 and 100 ⁇ depending on the emulsification mode used (shearing of the two fluid phases by paddle instruments, of the Rayneri (trademark) type, Ultraturrax (brand deposited), or any mechanical device allowing a shear of the two fluid phases, or by application of ultrasound to the two liquid phases by an ultrasonic probe).
  • Zimny et al. (Zimny, K., Merlin, A., Abdoulaye, BS, Aristégui, C, Brunei, T., Mondain-Monval, O., 2015, Soft Porous Silicon Rubbers as Key Elements for Metamaterials, Langmuir) a method of manufacturing a porous material in patties, of a diameter of the order of ten centimeters, from an emulsion described in FIG.
  • Figure 6 shows scanning electron micrographs of a resonator according to an embodiment of the invention.
  • Panel a is a photograph of the section of a resonator according to an embodiment of the invention.
  • This resonator is prepared with an emulsion described in FIG. 5 and according to a method described in FIG. Bar scale represents 100 ⁇ .
  • Panel b shows a detail of panel A, indicated by a black frame in panel a.
  • the scale bar represents 50 ⁇ .
  • the inventors have discovered that by using this method of preparing the resonators and the emulsion described in FIG. 5, most of the pores 2 of the resonators are adjacent and interconnected.
  • the radius of a resonator 1 may be between 1 m and 10 mm, preferably between 100 ⁇ and 1 mm.
  • the resonance frequency is inversely proportional to the size of the resonators 1.
  • the resonance frequency of a resonator 1 of radius equal to 100 ⁇ , surrounded by a matrix 4, for example a bingham fluid is 200 kHz and that of a resonator of radius equal to 1 mm is 20 kHz.
  • the resonance frequency of a resonator 1 is between 2 kHz and 20 MHz.
  • two neighboring drops are separated by a liquid phase. The inventors have discovered that the crosslinking and drying steps allow interconnection between the pores, observed a posteriori.
  • the porosity after all the manufacturing steps, in this embodiment of the invention remains equal to the volume fraction of the first aqueous phase introduced, ie 30% (differently from the resonators shown in FIG. 2 and in FIG. 3).
  • the final porosity of the resonator results from a combination of two phenomena or parameters:
  • a sufficiently low aqueous phase volume fraction makes it possible to manufacture a resonator whose structure does not collapse on itself during the drying step (as when drying the resonators of FIG. 4);
  • the inventors have discovered the relationship between the surfactant used in the embodiment of FIG. 5 and the drying of the resonators.
  • the surfactant used in Figure 5 (Silube) allows the drops to have an adhesive behavior between them. They can then form clusters of drops. More generally, any other surfactant can be used which allows a similar behavior of the drops in the primary emulsion.
  • the surfactant used determines the arrangement of the drops before the crosslinking of the second organic phase. It allows the resonator to include pore networks, interconnected with each other and with the outside of the resonator after this crosslinking.
  • This method of manufacture makes it possible to prevent the introduction of a high proportion of first aqueous phase (typically greater than or equal to 70%) into the second organic phase (the purpose of which is to compress the aqueous drops against each other in order to to promote the interconnection of the pores during the crosslinking of the organic phase).
  • first aqueous phase typically greater than or equal to 70%
  • second organic phase the purpose of which is to compress the aqueous drops against each other in order to to promote the interconnection of the pores during the crosslinking of the organic phase.
  • the density of the resonator and its compressibility are optimized.
  • the polymers used to make a resonator may be chosen from PDMS (polydimethylsiloxane), a mixture of polyacrylate and polystyrene, an agarose gel and an acrylamide gel. More generally, polymers with a low shear modulus can be used.
  • Figure 7 is a mechanical characterization of a plurality of different ball resonators of the invention.
  • a ball resonator is placed on a steel plate.
  • the resonator has a diameter D, a Poisson's ratio v and a shear modulus G.
  • H is the distance between the steel plate and a punch located above the ball.
  • a normal force F is applied to the ball by the punch.
  • the normal force F applied to the ball is connected to ⁇ by: where the effective shear G * and the effective Young's modulus E * are connected by:
  • Figure 7 illustrates the variation of the applied normal force normalized by (3/2). D 2 as a function of the ratio of ( ⁇ / D) 3 ' 2 for different resonators similar to the resonators made in FIG. 3 (whose porosity is substantially zero).
  • Each curve corresponds to the characterization of a resonator. According to the model described above, the higher the slope of a curve, the more rigid the resonator. The effective Young's modulus E * can be deduced from the slope in the context of an approximation of small deformations.
  • the line (a) corresponds to a numerical simulation of a resonator whose effective shear modulus is 1.2 MPa.
  • the line (b) corresponds to a numerical simulation of a resonator whose effective shear modulus is 2.8 MPa. These two lines can serve as a point of comparison between the different figures.
  • Figure 8 is a mechanical characterization of a plurality of different ball resonators of the invention. It illustrates the normalized normal force variation applied by (3/2) D 2 as a function of the ratio of ( ⁇ / D) 3 ' 2 for different resonator resonators made in FIG. 4 (whose porosity is 70% before drying), different from the invention. Each curve corresponds to the characterization of a resonator.
  • the line (a) corresponds to a numerical simulation of a resonator whose effective shear modulus is 1.2 MPa.
  • the line (b) corresponds to a numerical simulation of a resonator whose effective shear modulus is 2.8 MPa.
  • Figure 9 is a mechanical characterization of a plurality of ball resonators according to an embodiment of the invention. It illustrates the variation of the applied normalized normalized force by (3/2) - D 2 as a function of the ratio of ( ⁇ / D) 3 ' 2 for different resonators similar to the resonators made in FIG. 6 according to one embodiment of the invention (whose porosity is 40%). Each curve corresponds to the characterization of a resonator.
  • the line (a) corresponds to a numerical simulation of a resonator whose effective shear modulus is 1.2 MPa.
  • the line (b) corresponds to a numerical simulation of a resonator whose effective shear modulus is 2.8 MPa.
  • Figure 10 is a histogram of the number of resonators characterized as a function of a given effective Young's modulus range. This histogram illustrates the distribution of the Young's modulus of the three populations of beads described.
  • the population (a) (lower left hatched bars - upper right) corresponds to the resonators according to an embodiment of the invention described in FIG. 6.
  • the population (b) (gray bars) corresponds to the resonators according to a different embodiment of the corresponding invention.
  • the population (c) (lower right hatched bars - left upper) corresponds to the resonators according to a different embodiment of the invention corresponding to Figure 3.
  • the non-porous resonators (c) have an effective Young's modulus substantially equal to 6 MPa while the porous resonators according to a embodiment of the invention (a) have an effective modulus substantially equal to 2 MPa. These are much softer.
  • the measurements performed on the resonators (c) show the importance of the initial porous structure on the drying and, consequently, the porous structure of the final material: when the resonators are prepared according to the production of the beads (c), with drops of non-adhesive emulsions with each other, the pores of the polymerized material are unconnected.
  • FIG. 11 presents scanning electron microscopy photographs of an acoustic device 3 according to one embodiment of the invention.
  • the panel of Figure 1 1 is a photograph of a section of an acoustic device 3.
  • a plurality of resonators 1, prepared according to an embodiment of the invention in Figure 6 is surrounded by a matrix 4.
  • the speed of propagation of the sound in the matrix 4 is high.
  • the speed of propagation of the sound in the matrix is greater than 500 m. s "1.
  • the sound propagation speed in the matrix is substantially equal to 1000 m. s" 1.
  • the matrix is made of crosslinked PDMS.
  • the scale bar corresponds to 300 ⁇ .
  • the speed of sound propagation in the PDMS of the matrix is substantially equal to 1000 m. s "1.
  • the sound propagation speed in the porous PDMS used for the realization of the resonator 6 is substantially equal to 80 m. s" 1.
  • the ratio between the speed of sound in the matrix and the speed of sound in the resonators is greater than 5 and more preferably 10.
  • the panel b of Figure 1 1 is a photograph of a detail of the panel a of Figure 1 1, corresponding to the black frame of the panel a.
  • the scale bar corresponds to 100 ⁇ .
  • the panel c of Figure 1 1 is a photograph of a detail of the panel b of Figure 1 1, corresponding to the black frame of the panel b.
  • the scale bar corresponds to 20 ⁇ .
  • the matrix 4 makes it possible, among other things, to prevent the sedimentation of the ball resonators.
  • the resonators are introduced into the matrix 4 to prepare a resonator dispersion.
  • the PDMS can be crosslinked after the incorporation of the resonators to stop the sedimentation.
  • the matrix is a solid, with a low shear modulus.
  • a so-called Bingham fluid can be used as a matrix.
  • a matrix comprising carbopol (registered trademark), latex (such as polyisoprene of natural or synthetic origin), a polyacrylamide gel, an agarose gel, a gel based on guar (polysaccharide) or elastomers.
  • the material of the matrix advantageously has a low shear modulus of between 0.1 MPa and 1 GPa and preferably between 0.1 MPa and 10 MPa.
  • the matrix must have fluid properties.
  • these properties can be in contradiction with the need to use a compressible resonator: the fluid can flow in the pores connected to the outside and thus reduce the compressibility of a resonator.
  • the inventors have discovered that by using pores with a diameter advantageously less than 100 m and preferably less than 20 ⁇ , the Laplace pressure is sufficiently great to slow down the speed of penetration of the fluid into the resonator or stop it. These conditions depend on the fluid used for producing the matrix.
  • FIG 12 is a photograph of an embodiment of the acoustic device 3.
  • the scale bar is 2 cm.
  • the white dots correspond to the different resonators dispersed in a PDMS matrix.
  • Figure 13 illustrates the acoustic loss associated with the acoustic device. This acoustic loss is achieved by the dispersions of the resonators in a threshold fluid type matrix (here an aqueous phase based on carbopol).
  • the attenuation IL of the acoustic device, in continuous line is defined by:
  • Figure 14 illustrates the attenuation coefficient related to the acoustic device.
  • the acoustic device consists of resonators dispersed in a threshold fluid (an aqueous phase based on carbopol).
  • the acoustic loss is illustrated as a function of the frequency of the incident wave.
  • the attenuation coefficient a is defined by:
  • the attenuation coefficient is measured in FIG. 14 and represented in a dark line (a) for one embodiment of the invention corresponding to the resonators described in FIG. 6, and represented in a light line (b) for a different embodiment of the invention. corresponding to Figure 4.
  • Figure 15 illustrates resonator porosity measurements. The measurement of the porosity is carried out by the intrusion of mercury into the resonators. Curve (a) (long lines) corresponds to the intrusion of mercury into resonators 1 according to one embodiment of the invention, as a function of the pressure applied to a system comprising resonators 1 and mercury.
  • Curve (b) corresponds to the intrusion of mercury into different resonators of the invention as a function of the pressure applied to a system comprising resonators different from the invention and mercury.
  • the resonators corresponding to curves (a) and (b) are made of PDMS.
  • the resonators measured in curve (a) correspond to the resonators illustrated in FIG. 6.
  • the surfactant called Silube is used to produce them.
  • the resonators measured in curve (b) correspond to the resonators illustrated in FIG. 4.
  • the OH457 surface-active agent is used to produce them.
  • the mass volume of mercury intrusion varies with the porosity of the resonators for pressures between 0.1 MPa and 10 MPa.
  • the increase of the slope of the two curves for pressures greater than 10 MPa corresponds to the compression of the PDMS.
  • Figure 16 illustrates a pore diameter distribution of interconnection of two types of resonators.
  • Curve (a) corresponds to resonators according to one embodiment of the invention (for example resonators 1 illustrated in FIG. 6, made using the surfactant surfactant), and curve (b) corresponds to resonators according to a different embodiment of the invention (for example resonators illustrated in Figure 4, made using OH457 surfactant).
  • the average diameter measured of the interconnection pores of the resonators 1 corresponding to the curve (a) is 5 ⁇ .
  • Figure 17 illustrates a mass density distribution of different resonators.
  • the hatched bars (a) of the histogram of FIG. 17 correspond to density measurements made on resonators 1 according to one embodiment of the invention.
  • the solid bars (b) of the histogram of FIG. 17 correspond to density measurements made on different resonators of the invention, for example illustrated in FIG. 4.
  • FIG. 17 illustrates the optimization of the density of a resonator 1 according to one embodiment of the invention: in this example, the density is between 500 and 850 kg. m "3.
  • the density of a resonator 1 according to one embodiment of the invention is strictly greater than 200 kg. m" 3, preferably strictly greater than 400 kg. m "3 and preferably more than 600 kg. m" 3.

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Abstract

La présente invention se situe dans le domaine des dispositifs d'atténuation acoustique fabriqués à partir de métamatériau acoustique et concerne un résonateur acoustique poreux en bille, caractérisé en ce que le module d'Young du matériau dudit résonateur est inférieur à 1 GPa, la porosité dudit résonateur est comprise entre 20 % et 50 %, la majorité des pores dudit résonateur est remplie d'un gaz et la majorité des dits pores est interconnectée par l'intermédiaire d'au moins un pore avec l'extérieur dudit résonateur.

Description

Métamatériau acoustique pour l'isolation et son procédé de fabrication
L'invention concerne les métamatériaux acoustiques et les dispositifs d'atténuation acoustique fabriqués à partir de métamatériaux acoustiques. Les matériaux pour l'isolation acoustique peuvent être fabriqués à partir de matériaux poreux. On peut par exemple utiliser des caoutchoucs poreux à cellules ouvertes, ou des matériaux fabriqués à partir de mousses de polymères réticulées ouvertes. Dans ces matériaux hétérogènes, les ondes acoustiques sont fortement atténuées en raison de leur diffusion par les hétérogénéités (pores ou cavités d'air) réparties au sein du milieu. Pour être efficaces, les épaisseurs de matériaux nécessaires doivent être du même ordre de grandeur que la longueur d'onde incidente. Cette condition rend la réalisation de parois isolantes acoustiquement difficile compte tenu de l'espace qu'elles devraient occuper.
Ces pertes acoustiques peuvent être optimisées dans des matériaux dits « localement » résonants, pour des fréquences voisines de la fréquence de résonance des inclusions (ou résonateurs) présents au sein du matériau. Dans de tels matériaux, l'insertion d'inclusions de petites tailles devant la longueur d'onde incidente et présentant de forts contrastes mécaniques avec le milieu environnant en termes de masse volumique et/ou de compressibilité peut créer des bandes spectrales interdites, permettant l'atténuation du son de plusieurs ordres de grandeur en amplitude sur des épaisseurs beaucoup plus faibles que dans des matériaux classiques.
Dans ce contexte, Liu et al. (Liu, Z., Zhang, X., Mao, Y., Zhu, Y. Y., Yang, Z., Chan, C. T., & Sheng, P. (2000), Locally résonant sonic materials. Science, 289(5485), 1734-1736) ont réalisé une classe de cristaux soniques, possédant des bandes interdites soniques et une constante de réseau inférieure de deux ordres de grandeur aux longueurs d'ondes d'intérêt. Le matériau, consistant dans un réseau tridimensionnel de sphères résonnantes, fixées dans une matrice époxy, peut présenter une masse volumique effective (notée p) négative dans une gamme de fréquences déterminée par les paramètres de fabrication du matériau. Ce métamatériau expérimental est cependant difficile à fabriquer et ne convient par à une application industrielle. Différents dispositifs et procédés ont été proposés (par exemple
WO2012/033599 et WO 2014/206168) pour réaliser des métamatériaux acoustiques et permettent la réalisation de réseaux, en trois dimensions, de masses liées entre elles par des ressorts, dont la configuration permet l'apparition d'une bande interdite spectrale pour une gamme de fréquences donnée. Ces réalisations impliquent des montages mécaniques précis et onéreux.
Brunei et al. (Brunei, T., Leng, J., Mondain-Monval, O., 2013, Soft acoustic metamaterials, Science, 342, 323-324) divulguent la réalisation de métamatériaux acoustiques mous en billes poreuses de polymères, présentant simultanément une masse volumique effective peft et une compressibilité effective χβπ négatives dans une gamme de fréquences donnée. La vitesse de phase de phase G_ (du son) d'un matériau étant reliée à ces deux paramètres mécaniques suivant l'expression :
CL = rr ^ r
/Peff /Xeff : 0) on peut montrer que la vitesse de phase est également négative lorsque ces deux paramètres sont simultanément négatifs. La fabrication de ces billes par des méthodes microfluidiques est aussi divulguée.
Brunei et al. (Brunei, T., Merlin, A., Mascaro, B., Zimny, K., Leng, J., Poncelet, O., Aristégui, C, Mondain-Monval, O., 2015, Soft 3D acoustic metamaterial with négative index, Nature Materials 14, 384-388) divulguent la réalisation d'un métamatériau fluide possédant une vitesse de phase effective CL négative dans une gamme de fréquence ultrasonore en tirant profit des résonances acoustiques de microbilles poreuses en élastomère siliconé. Ces résonateurs sont incorporés dans un fluide de Bingham (fluide rhéofluidifiant ayant le comportement d'un solide pour un taux de cisaillement nul et un comportement de fluide visqueux pour un cisaillement supérieur à un cisaillement seuil). Elles sont fabriquées en goutte, à partir d'une émulsion primaire dont le volume de la phase interne est compris entre typiquement 20 et 40% du volume total du résonateur.
Afin d'obtenir les amplitudes de résonance des résonateurs les plus fortes possibles, le contraste entre la vitesse de phase dans les résonateurs et la vitesse de phase dans la matrice par laquelle ils sont maintenus doit être le plus fort possible. La vitesse de phase dans les résonateurs considérés est d'autant plus faible qu'ils sont à la fois denses et compressibles. Le problème technique réside dans la fabrication d'un matériau possédant à la fois une masse volumique et un module de compressibilité élevés, pour minimiser la vitesse du son dans les résonateurs, et pour réaliser des dispositifs isolants plus efficaces que ceux divulgués par l'art antérieur. Les deux publications citées précédemment ne divulguent pas comment fabriquer des résonateurs dont la vitesse de phase est minimisée, c'est-à-dire présentant à la fois une compressibilité et une densité effective maximum. L'invention vise à surmonter au moins l'un des inconvénients précités de l'art antérieur.
Un objet de l'invention permettant d'atteindre ce but est un résonateur acoustique poreux en bille, caractérisé en ce que le module d'Young du matériau dudit résonateur est inférieur à 1 GPa, en ce que la porosité dudit résonateur est comprise entre 20% et 50%, en ce que la majorité des pores dudit résonateur est remplie d'un gaz et en ce que la majorité des dits pores est interconnectée par l'intermédiaire d'au moins un pore avec l'extérieur dudit résonateur.
Avantageusement, le matériau dudit résonateur est un polymère.
Avantageusement, le diamètre de chaque dit pore du résonateur, connecté avec l'extérieur dudit résonateur est inférieur ou égal à 200 μιτι, préférentiel lement inférieur ou égal à 100 μηη et préférentiellement inférieur ou égal à 20 μηη.
Un autre objet de l'invention est un dispositif acoustique comportant une pluralité de résonateurs et une matrice entourant lesdits résonateurs en bille et dont la vitesse de propagation du son de ladite matrice est supérieure ou égale à 500 m. s"1.
Avantageusement, ladite matrice du dispositif est adaptée à empêcher la sédimentation desdits résonateurs en bille.
Avantageusement, la matrice du dispositif est solide.
Avantageusement, le matériau de ladite matrice du dispositif est un fluide de Bingham.
Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication d'un résonateur acoustique incluant au moins les étapes suivantes : a) préparer une émulsion primaire entre, d'une part, une première phase aqueuse et d'autre part, une seconde phase comportant au moins un type de monomère et un agent de surface ; b) préparer une émulsion secondaire entre, d'une part ladite émulsion primaire et d'autre part, une troisième phase aqueuse; c) réticuler desdits monomères ; d) sécher.
Avantageusement, la réticulation de l'étape c) du procédé est faite par chauffage. Avantageusement, la réticulation de l'étape c) du procédé est faite par exposition à un rayonnement ultraviolet.
Avantageusement, on attend entre l'étape b) et l'étape c) du procédé le regroupement des gouttes de ladite première phase.
Avantageusement, ladite émulsion primaire du procédé est préparée au moins à l'aide d'une méthode choisie parmi le goutte à goutte, le cisaillement par instrument à pales, l'émission d'ultrasons, l'écoulement focalisé, l'écoulement parallèle, l'écoulement croisé et le franchissement de marche microfluidique.
Avantageusement, ladite émulsion secondaire du procédé est préparée au moins à l'aide d'une méthode choisie parmi le goutte à goutte, le cisaillement par instruments à pales, l'application d'ultrasons, l'écoulement focalisé, l'écoulement parallèle, l'écoulement croisé et le franchissement de marche microfluidique.
Avantageusement, la réticulation du monomère de ladite seconde phase est faite, dans le procédé, goutte par goutte de dite émulsion primaire dans un système fluidique.
La description suivante présente plusieurs exemples de réalisation du dispositif de l'invention : ces exemples sont non limitatifs de la portée de l'invention. Ces exemples de réalisation présentent à la fois les caractéristiques essentielles de l'invention ainsi que des caractéristiques additionnelles liées aux modes de réalisation considérés. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages, détails et caractéristiques de celle-ci apparaîtront au cours de la description explicative qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une illustration d'un dispositif fluidique utilisé pour la production de résonateurs 1 ; la figure 2 présente des photographies au microscope électronique à balayage d'un résonateur différent de l'invention ; la figure 3 présente des photographies au microscope électronique à balayage d'un résonateur fabriqué selon le même procédé que le résonateur présenté dans la figure 2 ; la figure 4 présente des photographies au microscope électronique à balayage de résonateurs différents de l'invention ; la figure 5 est une photographie en microscopie optique d'une émulsion primaire 5 selon une réalisation de l'invention ; la figure 6 présente des photographies en microscopie électronique à balayage d'un résonateur selon une réalisation de l'invention ; la figure 7 est une caractérisation mécanique d'une pluralité de résonateurs en bille différents de l'invention ; la figure 8 est une caractérisation mécanique d'une pluralité de résonateurs en bille différents de l'invention ; la figure 9 est une caractérisation mécanique d'une pluralité de résonateurs en bille selon une réalisation de l'invention ; la figure 10 est un histogramme du nombre de résonateurs caractérisés en fonction d'un intervalle de module d'Young effectif donné ; la figure 1 1 présente des photographies en microscopie électronique à balayage d'un dispositif acoustique selon une réalisation de l'invention ; la figure 12 est une photographie d'une réalisation du dispositif acoustique ; - la figure 13 illustre l'affaiblissement acoustique associé au dispositif acoustique ;
- la figure 14 illustre le coefficient d'atténuation lié au dispositif acoustique en fonction de la fréquence de l'onde incidente ;
- la figure 15 illustre des mesures de porosité de résonateurs selon une réalisation de l'invention ;
- la figure 16 illustre une distribution du diamètre des pores d'interconnexion de deux types de résonateurs ; la figure 17 illustre une distribution de densité massique (a) de résonateurs réalisés selon un mode de réalisation et celle (b) de résonateurs différents de l'invention.
La figure 1 est une illustration d'un dispositif fluidique utilisé pour la production de résonateurs 1 . Dans un exemple de réalisation de l'invention, on prépare d'abord une émulsion primaire 9 entre, d'une part, une première phase aqueuse et d'autre part, une seconde phase comportant au moins un type de monomère et un agent de surface adapté. Cette première émulsion peut être réalisée par des procédés connus d'émulsification qui peuvent être:
- le cisaillement des deux phases fluides par des instruments à pales, du type Rayneri (marque déposée), Ultraturrax (marque déposée), ou tout appareil mécanique permettant un cisaillement des deux phases fluides ;
- l'application d'ultrasons aux deux phases liquides par une sonde ultrasonore.
Le choix de l'agent de surface dépend de la phase de monomères choisie pour réaliser l'émulsion. Avantageusement, l'agent de surface possède un faible numéro HLB (de l'acronyme anglais Hydrophilic-Lipophilic Balance, ou équilibre hydrophile/lipophile). Ce type d'agent de surface permet une formation préférentielle d'émulsion dite inverse, c'est-à-dire de gouttes de phase aqueuse dans une phase continue lipidique. Le diamètre des gouttes de phase aqueuse ainsi formées dans la phase continue de monomère peut varier entre 0,2 et 100 μιτι et préférentiellement entre 0,2 et 10 m. La suite de la description comporte des exemples de composition de l'émulsion primaire.
La seconde étape consiste à préparer une émulsion secondaire 8 entre, d'une part l'émulsion primaire 9 et d'autre part, une troisième phase aqueuse 5. Dans un exemple de réalisation de l'invention, on prépare cette émulsion secondaire à l'aide d'un dispositif fluidique, millifluidique ou microfluidique. Dans un exemple de réalisation de l'invention, on utilise un écoulement parallèle 12 (ou co-flow en anglais) pour former l'émulsion secondaire. L'émulsion primaire 9 et la troisième phase aqueuse 5 sont placées au préalable dans des seringues. L'émulsion primaire est, dans l'exemple de la figure 1 , injectée à débit contrôlé par un pousse-seringue (par exemple de type Harvard PHD 22/2000, marque déposée) dans un premier capillaire souple (éthylène propylène perfluoré, 500 μιτι de diamètre interne et de 800 μιτι de diamètre externe). La troisième phase aqueuse 5 est injectée dans un second capillaire (éthylène propylène perfluoré, de 1 mm de diamètre interne et de 1 ,6 mm de diamètre externe) par un contrôleur de pression (AF 1 1600, Elveflow, marque déposée). Le premier capillaire est imbriqué dans le second capillaire pour permettre un écoulement parallèle. L'encart de la figure 1 est une photographie d'un capillaire à l'endroit où se forment les gouttes par écoulement parallèle 12. A gauche de la photographie, un jet cylindrique d'émulsion primaire 9 est entouré de troisième phase aqueuse 5. Des instabilités de Rayleigh-Plateau provoquent la formation de gouttes (exemple au centre de la photographie et à droite). On peut aussi préparer l'émulsion secondaire en cisaillant l'émulsion inverse dans une troisième phase aqueuse 5, contenant un agent de surface dont la composition est adaptée à la formation de l'émulsion, par exemple de numéro HLB élevé. Dans la réalisation de l'invention décrite dans la figure 1 , les gouttes réalisées en sortie de l'écoulement parallèle peuvent être réticulées directement après leur formation. La réticulation peut être effectuée en ligne, c'est-à-dire à goutte par goutte, dans un endroit précis du capillaire en sortie de l'écoulement parallèle. Cette polymérisation peut être effectuée de manière thermique ou par rayonnement ultraviolet, selon les composés utilisés dans la seconde phase organique. Les résonateurs 1 ainsi réalisés par polymérisation des gouttes réalisées en sortie de l'écoulement parallèle sont donc de manière générale en matériau polymère.
Dans un exemple de réalisation de l'invention, la seconde phase, organique, comporte de l'huile Silcolease UV 200 (marque déposée, Bluestar Silicones), 4% massiques de catalyseur Silcolease UV cata 21 1 (marque déposée, Bluestar Silicones), 20% massiques de tensio-actif DC3225C (Dow Corning) et 200 ppm de Genocure ITX (Rahn). La première phase aqueuse saline est composée de 1 ,5% massiques de chlorure de sodium. La porosité du résonateur est dépendante de la quantité de première phase aqueuse incorporée dans la seconde phase organique. La troisième phase aqueuse est dans cet exemple une solution de glycérol. En sortie de l'écoulement parallèle, on peut polymériser les gouttes formées avec un rayonnement ultraviolet 1 1 (lampe BlueWave 200, Dymax) localisé sur le capillaire en sortie de l'écoulement parallèle.
Dans un autre exemple de réalisation de l'invention, la seconde phase organique comporte 64% d'éthylhexyl acrylate, 5,5% de styrène, 10,5% de divinylbenzène et 20 % massiques d'agent de surface SPAN 80. La première phase aqueuse est composée de'un solution à 25 mM de chlorure de sodium et à 5 mM de peroxodisulfate de potassium. De la même manière que dans l'exemple précédent, la porosité du résonateur est dépendante de la quantité de première phase aqueuse incorporée dans la phase organique. Lors de la préparation de la seconde émulsion par un procédé fluidique décrit dans la figure 1 , la polymérisation des gouttes se fait en chauffant localement le capillaire de sortie de l'écoulement parallèle autour d'un cylindre régulé à 60°C. Les billes fabriquées peuvent ensuite être lavées à l'acétone puis à l'éthanol. Dans une dernière étape de fabrication de l'invention, on collecte puis on sèche les résonateurs sous forme de bille fabriqués. Pour sécher les résonateurs, on peut par exemple les laisser à l'air libre, ou bien les placer dans une étuve à 40°C. Cette étape sera détaillée par la suite dans la description des figures.
Dans d'autres réalisations de l'invention, on peut préparer l'émulsion primaire par goutte à goutte, cisaillement par instrument à pales, émission d'ultrasons, écoulement focalisé (ou en anglais «flow focusing»), écoulement croisé (ou en anglais « T-junction ») et franchissement de marche microfluidique (ou en anglais « step emulsification »).
Dans d'autres réalisations de l'invention, on peut préparer l'émulsion secondaire par goutte à goutte, cisaillement par instrument à pales, émission d'ultrasons, écoulement focalisé (ou en anglais «flow focusing»), écoulement croisé (ou en anglais « T-junction ») et franchissement de marche microfluidique (ou en anglais « step emulsification »).
La figure 2 présente des photographies au microscope électronique à balayage d'un résonateur différent de l'invention. Le panneau a de la figure 2 présente une photographie de la coupe d'un résonateur avant l'étape de séchage décrite précédemment. La barre d'échelle représente 100 μιτι. Le panneau b de la figure 2 présente un détail de la photographie du panneau a, délimité par un cadre noir dans le panneau a. Les photographies de la figure 2 présentent un résonateur en bille, fabriqué selon le procédé décrit par la figure 1 dont la porosité avant l'étape de séchage est de 30%. On observe dans le panneau b de la figure 2 que les pores d'un résonateur avant séchage ne sont pas connectés : il n'existe que rarement des connexions permettant le transport d'un gaz ou d'un liquide d'un pore à l'autre.
La figure 3 présente des photographies au microscope électronique à balayage d'un résonateur fabriqué selon le même procédé que le résonateur présenté dans la figure 2. Le panneau a de la figure 3 présente une photographie de la coupe du résonateur, après l'étape de séchage décrite précédemment. La barre d'échelle représente 200 μιτι. Le panneau b de la figure 3 présente un détail de la photographie du panneau a, délimité par un cadre noir dans le panneau a. La barre d'échelle représente 50 μιτι. Le panneau c présente un détail de la photographie du panneau b, délimité par un cadre noir dans le panneau b. La barre d'échelle représente 10 μιτι. La porosité du résonateur présenté, différent de l'invention, est sensiblement nulle après l'étape de séchage.
La figure 4 présente des photographies au microscope électronique à balayage de résonateurs différents de l'invention. Le panneau a de la figure 4 présente une photographie de six résonateurs après l'étape de séchage décrite précédemment. La barre d'échelle représente 200 μιτι. Pour ces mêmes résonateurs, la porosité des résonateurs est de 70 % avant l'étape de séchage décrite dans le procédé de la figure 1 . Cette porosité est obtenue en ajustant la proportion de première phase aqueuse lors de la préparation de la première émulsion. Les résonateurs du panneau a ont une forme de bille avant l'étape de séchage, mais se déforment progressivement pendant l'étape de séchage, jusqu'à présenter les formes visibles dans le panneau a. Le panneau b de la figure 4 est une photographie d'une coupe d'un résonateur fabriqué selon le même procédé que les résonateurs présenté dans le panneau a de la figure 4. La barre d'échelle représente 50 μιτι. Le panneau c de la figure 4 est une photographie d'une coupe d'un résonateur fabriqué selon le même procédé que les résonateurs présenté dans le panneau a de la figure 4, en détail. La barre d'échelle représente 10 μιτι. Le résonateur présenté dans le panneau c de la figure 4 comporte une proportion élevée de pores fermés. Sous l'effet des contractions subies par une bille lors du séchage, les pores fermés du résonateur se déforment et prennent des formes non sphériques. La porosité initialement importante devient ainsi très faible car la majorité des pores se referment sur eux- mêmes. La figure 5 est une photographie en microscopie optique d'une émulsion primaire 9 selon une réalisation de l'invention. L'émulsion primaire est préparée entre une première phase aqueuse saline 6 comportant 1 ,5% massiques de chlorure de sodium et d'une seconde phase organique 7 comportant de l'huile Silcolease UV POLY200 (marque déposée, Bluestar Silicones), 4% massiques de catalyseur (borate de iodonium), 200 ppm de composé sensible aux ultraviolets (IsopropylThioXanthone, ITX) et 0,4% massiques de surfactant du PDMS (poly(ethylene oxide) (PEO)-block-PDMS, Silube J208-812, Siltech, Marque déposée). La première phase aqueuse saline est introduite petit à petit dans la seconde phase organique sous cisaillement dans un mortier. La fraction volumique finale de phase aqueuse peut par exemple être choisie entre 5 et 80 % en utilisant cette méthode et préférentiel lement entre 20% et 40%. Les gouttes de phase aqueuse dans la seconde phase organique présentent un comportement adhésif entre elles. Elles tendent, après un temps caractéristique, à former des grappes, quelle que soit la fraction volumique de phase aqueuse en phase organique. Le diamètre moyen des gouttes de l'émulsion interne 9 est compris entre 0,2 et 100 μιτι suivant le mode d'émulsification utilisé (cisaillement des deux phases fluides par des instruments à pales, du type Rayneri (marque déposée), Ultraturrax (marque déposée), ou tout appareil mécanique permettant un cisaillement des deux phases fluides, ou encore par application d'ultrasons aux deux phases liquides par une sonde ultrasonore).
Zimny et al. (Zimny, K., Merlin, A., Abdoulaye, B. S., Aristégui, C, Brunei, T., Mondain-Monval, O., 2015, Soft porous silicon rubbers as key éléments for the realization of acoustic metamaterials, Langmuir) divulguent une méthode de fabrication d'un matériau poreux en galettes, d'un diamètre de l'ordre d'une dizaine de centimètres, à partir d'une émulsion décrite dans la figure 5.
La figure 6 présente des photographies en microscopie électronique à balayage d'un résonateur selon une réalisation de l'invention. Le panneau a est une photographie de la coupe d'un résonateur selon une réalisation de l'invention. Ce résonateur est préparé avec une émulsion décrite dans la figure 5 et selon un procédé décrit dans la figure 1 . La barre d'échelle représente 100 μηη. Le panneau b présente un détail du panneau A, indiqué par un cadre noir dans le panneau a. La barre d'échelle représente 50 μηη. Les inventeurs ont découverts qu'en utilisant ce procédé de préparation des résonateurs et l'émulsion décrite dans la figure 5, la plupart des pores 2 des résonateurs sont voisins et interconnectés. De manière générale, le rayon d'un résonateur 1 selon l'invention peut être compris entre 1 m et 10 mm, préférentiellement entre 100 μιτι et 1 mm. La fréquence de résonance est inversement proportionnelle à la taille des résonateurs 1 . Par exemple, la fréquence de résonance d'un résonateur 1 de rayon égal à 100 μιτι, entouré par une matrice 4, par exemple un fluide de bingham, est de 200 kHz et celle d'un résonateur de rayon égal à 1 mm est de 20 kHz. De manière générale, la fréquence de résonance d'un résonateur 1 est comprise entre 2 kHz et 20 MHz. Avant réticulation, deux gouttes voisines sont séparées par une phase liquide. Les inventeurs ont découvert que les étapes de réticulation et de séchage permettent une interconnexion entre les pores, observées a posteriori. La porosité après toutes les étapes de fabrication, dans cette réalisation de l'invention, reste égale à la fraction volumique de première phase aqueuse introduite, soit 30% (différemment des résonateurs présentés dans la figure 2 et dans la figure 3).
La porosité finale du résonateur résulte d'une combinaison entre deux phénomènes ou paramètres :
• une fraction volumique de première phase aqueuse suffisamment faible permet de fabriquer un résonateur dont la structure ne s'effondre pas sur elle-même lors de l'étape de séchage (comme lors du séchage des résonateurs de la figure 4) ;
• l'interconnexion des pores entre eux et avec l'extérieur du résonateur permet un mécanisme de séchage direct, c'est-à-dire entre l'extérieur du résonateur et la phase aqueuse, sans passage par une membrane de polymères. Ce mécanisme de séchage permet de remplacer la première phase aqueuse par un gaz provenant de l'extérieur du résonateur, contrairement à la réalisation de la figure 3 ou de la figure 4.
Plus généralement, les inventeurs ont découvert la relation entre l'agent de surface utilisé dans la réalisation de la figure 5 et le séchage des résonateurs. L'agent de surface utilisé dans la figure 5 (Silube) permet aux gouttes d'avoir un comportement adhésif entre elles. Elles peuvent alors former des grappes de gouttes. De manière plus générale, on peut utiliser tout autre agent de surface permettant un comportement similaire des gouttes dans l'émulsion primaire. L'agent de surface utilisé détermine la disposition des gouttes avant la réticulation de la seconde phase organique. Il permet au résonateur de comporter des réseaux de pores, interconnectés entre eux et avec l'extérieur du résonateur après cette réticulation. Cette méthode de fabrication permet d'éviter l'introduction d'une proportion élevée de première phase aqueuse (typiquement supérieure ou égale à 70 %) dans la deuxième phase organique (dont le but est de comprimer les gouttes aqueuses les unes contre les autres afin de favoriser l'interconnexion des pores lors de la réticulation de la phase organique). On optimise dans cette réalisation à la fois la densité du résonateur et sa compressibilité.
Dans des réalisations différentes de l'invention, les polymères utilisés pour fabriquer un résonateur peuvent être choisis parmi le PDMS (polydiméthylsiloxane), un mélange de polyacrylate et de polystyrène, un gel d'agarose et un gel d'acrylamide. D'une manière plus générale, on peut utiliser des polymères à faible module de cisaillement.
La figure 7 est une caractérisation mécanique d'une pluralité de résonateurs en bille différents de l'invention. Un résonateur en bille est placé sur une plaque en acier. Le résonateur possède un diamètre D, un coefficient de Poisson v et un module de cisaillement G. H est la distance qui sépare la plaque d'acier à un poinçon, situé au dessus de la bille. Une force normale F est appliquée à la bille par le poinçon.
On définit δ par δ = D - H (2) et le module d'Young E par :
E = 2G(1 + v) (3)
Dans le cadre du modèle de Hertz, la force F normale appliquée à la bille est reliée à δ par : où le cisaillement effectif G* et le module d'Young effectif E* sont reliés par :
Dans un régime de faibles déformations, F varie linéairement avec le rapport (δ/D)3'2.
La figure 7 illustre la variation de la force normale appliquée, normalisée par (3/2). D2 en fonction du rapport de (δ/D)3'2 pour différents résonateurs semblables aux résonateurs réalisés dans la figure 3 (dont la porosité est sensiblement nulle). Chaque courbe correspond à la caractérisation d'un résonateur. Selon le modèle décrit précédemment, plus la pente d'une courbe est élevée, plus le résonateur est rigide. On peut déduire de la pente le module d'Young effectif E* dans le cadre d'une approximation de faibles déformations. La droite (a) correspond à une simulation numérique d'un résonateur dont le module de cisaillement effectif est de 1 ,2 MPa. La droite (b) correspond à une simulation numérique d'un résonateur dont le module de cisaillement effectif est de 2,8 MPa. Ces deux droites peuvent servir de point de comparaison entre les différentes figures. La figure 8 est une caractérisation mécanique d'une pluralité de résonateurs en bille différents de l'invention. Elle illustre la variation de la force normale appliquée normalisée par (3/2) D2 en fonction du rapport de (δ/D)3'2 pour différents résonateurs semblables aux résonateurs réalisés dans la figure 4 (dont la porosité est de 70 % avant séchage), différents de l'invention. Chaque courbe correspond à la caractérisation d'un résonateur. La droite (a) correspond à une simulation numérique d'un résonateur dont le module de cisaillement effectif est de 1 ,2 MPa. La droite (b) correspond à une simulation numérique d'un résonateur dont le module de cisaillement effectif est de 2,8 MPa.
La figure 9 est une caractérisation mécanique d'une pluralité de résonateurs en bille selon une réalisation de l'invention. Elle illustre la variation de la force normale appliquée normalisée par (3/2)- D2 en fonction du rapport de (δ/D)3'2 pour différents résonateurs semblables aux résonateurs réalisés dans la figure 6 selon une réalisation de l'invention (dont la porosité est de 40 %). Chaque courbe correspond à la caractérisation d'un résonateur. La droite (a) correspond à une simulation numérique d'un résonateur dont le module de cisaillement effectif est de 1 ,2 MPa. La droite (b) correspond à une simulation numérique d'un résonateur dont le module de cisaillement effectif est de 2,8 MPa.
La figure 10 est un histogramme du nombre de résonateurs caractérisés en fonction d'un intervalle de module d'Young effectif donné. Cet histogramme illustre la répartition du module d'Young des trois populations de billes décrites. La population (a) (barres hachurées bas gauche - haut droit) correspond aux résonateurs selon une réalisation de l'invention décrite en figure 6. La population (b) (barres grisées) correspond aux résonateurs selon une réalisation différente de l'invention correspondant à la figure 4. La population (c) (barres hachurées bas droit -haut gauche) correspond aux résonateurs selon une réalisation différente de l'invention correspondant à la figure 3.
Les résonateurs non poreux (c) ont un module d'Young effectif sensiblement égal à 6 MPa tandis que les résonateurs poreux selon une réalisation de l'invention (a) ont un module effectif sensiblement égal à 2 MPa. Ces derniers sont beaucoup plus mous. Les mesures effectuées sur les résonateurs (c) montrent l'importance de la structure poreuse initiale sur le séchage et, en conséquence, la structure poreuse du matériau final : quand les résonateurs sont préparés selon la réalisation des billes (c), avec des gouttes d'émulsions non adhésives entre elles, les pores du matériau polymérisé sont non connectés. Lorsque l'eau s'échappe des pores, on constate que les pores se referment lors du séchage et que les billes, initialement poreuses à 30%, sont, en fin de séchage, beaucoup plus denses et moins compressibles. Cet effet est illustré dans les figures 7 et 9 : la pente correspondant aux mesures effectuées pour les résonateurs (c) est plus élevée en moyenne que pour les mesures correspondant aux résonateurs (a). La figure 1 1 présente des photographies en microscopie électronique à balayage d'un dispositif acoustique 3 selon une réalisation de l'invention.
Le panneau a de la figure 1 1 est une photographie d'une coupe d'un dispositif acoustique 3. Une pluralité de résonateurs 1 , préparés selon une réalisation de l'invention dans la figure 6 est entourée par une matrice 4. Dans cette réalisation de l'invention, la vitesse de propagation du son dans la matrice 4 est élevée. Avantageusement, la vitesse de propagation du son dans la matrice est supérieure à 500 m. s"1. Avantageusement, la vitesse de propagation du son dans la matrice est sensiblement égale à 1000 m. s"1. Dans cette réalisation particulière de l'invention, la matrice est réalisée en PDMS réticulé. La barre d'échelle correspond à 300 μιτι.
La vitesse de propagation du son dans le PDMS de la matrice est sensiblement égale à 1000 m. s"1. De plus, la vitesse de propagation du son dans le PDMS poreux utilisé pour la réalisation des résonateurs de la figure 6 est sensiblement égale à 80 m. s"1. Avantageusement, le rapport entre la vitesse du son dans la matrice et la vitesse du son dans les résonateurs est supérieur à 5 et plus avantageusement à 10. Le panneau b de la figure 1 1 est une photographie d'un détail du panneau a de la figure 1 1 , correspondant au cadre noir du panneau a. La barre d'échelle correspond à 100 μηη. Le panneau c de la figure 1 1 est une photographie d'un détail du panneau b de la figure 1 1 , correspondant au cadre noir du panneau b. La barre d'échelle correspond à 20 μηη.
La matrice 4 permet, entre autres, d'empêcher la sédimentation des résonateurs en billes. Après la préparation des résonateurs, on introduit les résonateurs dans la matrice 4 pour préparer une dispersion de résonateurs. Dans le cas d'une matrice en PDMS, on peut réticuler le PDMS après l'incorporation des résonateurs pour arrêter la sédimentation. De manière générale, la matrice est un solide, avec un faible module de cisaillement. Dans une autre réalisation de l'invention, on peut utiliser un fluide dit de Bingham comme matrice.
On peut utiliser, dans des réalisations différentes de l'invention, une matrice comportant du carbopol (marque déposée), du latex (comme du polyisoprène d'origine naturelle ou synthétique), un gel de polyacrylamide, un gel d'agarose, un gel à base de guar (polysaccharide) ou des élastomères. De manière générale, le matériau de la matrice possède avantageusement un faible module de cisaillement compris entre 0,1 MPa et 1 GPa et préférentiellement entre 0,1 MPa et 10 MPa.
Pour incorporer les résonateurs, selon des réalisations de l'invention, dans la matrice, la matrice doit posséder des propriétés fluides. Or, ces propriétés peuvent être en contradiction avec la nécessité d'utiliser un résonateur compressible : le fluide peut couler dans les pores reliés à l'extérieur et ainsi réduire la compressibilité d'un résonateur. Les inventeurs ont découvert qu'en utilisant des pores d'un diamètre avantageusement inférieur à 100 m et préférentiellement inférieur à 20 μιτι, la pression de Laplace est suffisamment grande pour ralentir la vitesse de pénétration du fluide dans le résonateur ou l'arrêter. Ces conditions dépendent du fluide utilisé pour la réalisation de la matrice. Dans le cas de l'utilisation d'un polymère réticulable comme matrice, on peut ralentir suffisamment la pénétration du fluide seulement pendant le temps séparant la dispersion des résonateurs et la réticulation de la matrice. La figure 12 est une photographie d'une réalisation du dispositif acoustique 3. La barre d'échelle représente 2 cm. Dans cette réalisation de l'invention, les points blancs correspondent aux différents résonateurs dispersés dans une matrice de PDMS. La figure 13 illustre l'affaiblissement acoustique associé au dispositif acoustique. Cet affaiblissement acoustique est réalisé par les dispersions des résonateurs dans une matrice de type fluide à seuil (ici une phase aqueuse à base de carbopol). L'affaiblissement IL du dispositif acoustique, en trait continu, est défini par :
IL = -20 log^ (6) où Pt est l'amplitude de pression transmise et P0 est l'amplitude de pression incidente. L'affaiblissement acoustique quantifie ce qui est absorbé, diffusé et réfléchi par le matériau. L'affaiblissement acoustique prend en compte les variations d'impédance acoustique entre le milieu extérieur et le matériau. L'affaiblissement acoustique dépend du milieu extérieur. Des ajustements linéaires de l'affaiblissement acoustique de différents dispositifs acoustiques commerciaux de l'état de l'art sont illustré en traits discontinus : (a) Alberich Tile (marque déposée), (b) Alberich SF5048 (marque déposée), (c) Albercih F48 (marque déposée), (d) Alberich F28 (marque déposée).
La figure 14 illustre le coefficient d'atténuation lié au dispositif acoustique. Dans cette réalisation de l'invention, le dispositif acoustique est constitué de résonateurs dispersés dans un fluide à seuil (une phase aqueuse à base de carbopol). L'affaiblissement acoustique est illustré en fonction de la fréquence de l'onde incidente. Le coefficient d'atténuation a est définit par :
Pt = P0f{Z) e - (7) où x est l'épaisseur du dispositif acoustique traversé, f(Z) est une fonction des impédances acoustiques du matériau extérieur Zext et de l'impédance du dispositif acoustique Zetf avec :
L'impédance acoustique d'un milieu s'écrit Z = p.Q_ où p est la masse volumique du milieu considéré et CL la vitesse de phase longitudinale au sein du même matériau.
Le coefficient d'atténuation est mesuré sur la figure 14 et représenté en ligne foncée (a) pour une réalisation de l'invention correspondant aux résonateurs décrits en figure 6, et représenté en ligne claire (b) pour une réalisation différente de l'invention correspondant à la figure 4.
L'atténuation ne comptabilise que ce qui est absorbé au sein du matériau et pas ce qui vient des variations d'impédance entre le milieu extérieur et le matériau effectif. Ainsi, cette quantité ne dépend pas de la quantité d'énergie dissipée par réflexion aux différentes interfaces entre le dispositif et le milieu extérieur. Il s'agit donc d'une propriété intrinsèque du matériau effectif. La figure 15 illustre des mesures de porosité de résonateurs. La mesure de la porosité est réalisée par l'intrusion du mercure dans les résonateurs. La courbe (a) (traits longs) correspond à l'intrusion du mercure dans des résonateurs 1 selon un mode de réalisation de l'invention, en fonction de la pression appliquée à un système comprenant des résonateurs 1 et du mercure. La courbe (b) (traits courts) correspond à l'intrusion du mercure dans des résonateurs différents de l'invention en fonction de la pression appliquée à un système comprenant des résonateurs différents de l'invention et du mercure. Les résonateurs correspondant aux courbes (a) et (b) sont réalisés en PDMS.
Les résonateurs mesurés dans la courbe (a) correspondent aux résonateurs illustrés dans la figure 6. L'agent de surface dit Silube est utilisé pour les réaliser. Les résonateurs mesurés dans la courbe (b) correspondent aux résonateurs illustrés dans la figure 4. L'agent de surface dit OH457 est utilisé pour les réaliser. Le volume massique d'intrusion du mercure varie avec la porosité des résonateurs pour des pressions comprises entre 0,1 MPa et 10 MPa. L'augmentation de la pente des deux courbes pour des pressions supérieures à 10 MPa correspond à la compression du PDMS.
La mesure de l'intrusion du mercure permet de calculer la porosité des résonateurs lorsque les pores sont interconnectés. Dans le cas des résonateurs 1 selon un mode de réalisation de l'invention (courbe (a)), les inventeurs ont calculé une porosité égale à la fraction volumique de la première phase aqueuse 6, égale à 30 % dans cet exemple.
La figure 16 illustre une distribution du diamètre des pores d'interconnexion de deux types de résonateurs. La courbe (a) correspond à des résonateurs selon un mode de réalisation de l'invention (par exemple des résonateurs 1 illustrés dans la figure 6, réalisés en utilisant l'agent de surface Silure), et la courbe (b) correspond à des résonateurs selon un mode de réalisation différent de l'invention (par exemple des résonateurs illustrés dans la figure 4, réalisés en utilisant l'agent de surface OH457). Le diamètre moyen mesuré des pores d'interconnexion des résonateurs 1 correspondant à la courbe (a) est de 5 μιτι.
La figure 17 illustre une distribution de densité massique de différents résonateurs. Les barres hachurées (a) de l'histogramme de la figure 17 correspondent à des mesures de densité réalisées sur des résonateurs 1 selon un mode de réalisation de l'invention. Les barres pleines (b) de l'histogramme de la figure 17 correspondent à des mesures de densité réalisées sur des résonateurs différents de l'invention, par exemple illustrés dans la figure 4. La figure 17 illustre l'optimisation de la densité d'un résonateur 1 selon un mode de réalisation de l'invention : dans cette exemple, la densité est comprise entre 500 et 850 kg. m"3. De manière générale, la densité d'un résonateur 1 selon un mode de réalisation de l'invention est strictement supérieure à 200 kg. m"3, préférentiellement strictement supérieure à 400 kg. m"3 et préférentiellement supérieure à 600 kg. m"3.

Claims

REVENDICATIONS
Résonateur (1 ) acoustique poreux en bille, caractérisé en ce que :
• le module d'Young du matériau dudit résonateur (1 ) est inférieur à 1 GPa ;
• la porosité dudit résonateur (1 ) est comprise entre 20% et 50% ;
• la majorité des pores (2) dudit résonateur (1 ) est remplie d'un gaz et
• la majorité des dits pores (2) est interconnectée par l'intermédiaire d'au moins un pore (2) avec l'extérieur dudit résonateur (1 ).
Résonateur (1 ) selon la revendication précédente dans lequel le matériau dudit résonateur (1 ) est un polymère.
Résonateur (1 ) selon l'une des revendications précédentes dans lequel le diamètre de chaque dit pore (2) connecté avec l'extérieur dudit résonateur (1 ) est inférieur ou égal à 200 μιτι, préférentiellement inférieur ou égal à 100 m et préférentiellement inférieur ou égal à 20 μιτι.
Dispositif acoustique (3) comportant une pluralité de résonateurs (1 ) selon les revendications précédentes et une matrice (4) entourant lesdits résonateurs (1 ) en bille et dont la vitesse de propagation du son de ladite matrice (4) est supérieure ou égale à 500 m. s"1.
Dispositif (3) selon la revendication précédente dont ladite matrice (4) est adaptée à empêcher la sédimentation desdits résonateurs (1 ) en bille.
Dispositif (3) selon l'une des revendications 4 à 5 dans lequel ladite matrice (4) est solide.
7. Dispositif (3) selon l'une des revendications 4 à 6 dont le matériau de ladite matrice (4) est un fluide de Bingham.
8. Procédé de fabrication d'un résonateur (1 ) acoustique selon l'une des revendications précédentes incluant au moins les étapes de : a) préparer une émulsion primaire (5) entre, d'une part, une première phase aqueuse (6) et d'autre part, une seconde phase comportant au moins un type de monomère et un agent de surface ; b) préparer une émulsion secondaire (8) entre, d'une part ladite émulsion primaire (5) et d'autre part, une troisième phase aqueuse (9) ; c) réticuler desdits monomères ; d) sécher.
9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel la réticulation de l'étape c) est faite par chauffage (10).
10. Procédé selon la revendication 8 dans lequel la réticulation de l'étape c) est faite par exposition à un rayonnement ultraviolet (1 1 ). 1 1 . Procédé selon l'une des revendications 8 à 10 dans lequel on attend entre l'étape b) et l'étape c) le regroupement des gouttes de ladite première phase (6).
12. Procédé selon l'une des revendications 8 à 1 1 dans laquelle ladite émulsion primaire (5) est préparée au moins à l'aide d'une méthode choisie parmi le goutte à goutte, le cisaillement par instrument à pales, émission d'ultrasons, l'écoulement focalisé, l'écoulement parallèle (12), l'écoulement croisé et le franchissement de marche microfluidique.
13. Procédé selon l'une des revendications 8 à 12 dans laquelle ladite émulsion secondaire (8) est préparée au moins à l'aide d'une méthode choisie parmi le goutte à goutte, le cisaillement par instruments à pales, l'application d'ultrasons, l'écoulement focalisé, l'écoulement parallèle (12), l'écoulement croisé et le franchissement de marche microfluidique.
14. Procédé selon l'une des revendications 8 à 13 dans lequel la réticulation du monomère de ladite seconde phase est faite goutte par goutte de dite émulsion primaire (5) dans un système fluidique.
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