EP3384487A1 - Métamatériau acoustique absorbant - Google Patents

Métamatériau acoustique absorbant

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EP3384487A1
EP3384487A1 EP16819595.6A EP16819595A EP3384487A1 EP 3384487 A1 EP3384487 A1 EP 3384487A1 EP 16819595 A EP16819595 A EP 16819595A EP 3384487 A1 EP3384487 A1 EP 3384487A1
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EP
European Patent Office
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cell
groove
width
depth
acoustic
Prior art date
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Application number
EP16819595.6A
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German (de)
English (en)
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EP3384487B1 (fr
Inventor
Abdelkrim Khelif
Mahmoud ADDOUCHE
Aliyasin EL AYOUCH
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 Franche-Comte
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Franche-Comte
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Franche-Comte filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP3384487A1 publication Critical patent/EP3384487A1/fr
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Publication of EP3384487B1 publication Critical patent/EP3384487B1/fr
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/172—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general using resonance effects
    • 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
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
    • G10K11/04—Acoustic filters ; Acoustic resonators
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
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    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/162—Selection of materials
    • G10K11/168—Plural layers of different materials, e.g. sandwiches

Definitions

  • the invention relates to the field of acoustic insulators.
  • the invention relates to an elementary cell of an acoustic metamaterial, and acoustic screen comprising such a cell.
  • Noise pollution in everyday life for example from the outside environment, such as the proximity of a road or air, or inside as the noise of home appliances, are stressors that deteriorate the comfort of life.
  • the acoustic insulants known from the state of the art rely on the use of intrinsic characteristics of materials in terms of absorption or reflection of sound waves.
  • the materials conventionally used for this purpose are typically porous materials, such as metal foams or polymeric materials, rockwool, glass, cotton, cork or agglomerated wood fibers.
  • a problem with the use of such materials is that the choice of the material to be used is dictated by the intrinsic characteristics of the material, which limits the possibility of choice of material with respect to a given application. Moreover, relying on the intrinsic properties of the material also limits the frequency range of response of the material as well as the manufacturing techniques.
  • acoustic panels made from such materials are heavy and bulky, especially those used for low frequencies.
  • the objective of the present invention is to solve the problems of acoustic insulation known from the state of the art.
  • the invention aims to provide an acoustic insulation solution, effective and to have flexibility in the choice of material and the frequency range.
  • the invention also aims to reduce the size and weight of acoustic panels
  • the subject of the invention is an elementary acoustic metamaterial cell comprising:
  • At least one resonator in the form of a groove of width 1 and of depth p, said groove being open at the surface of said body of solid material.
  • the open groove on the surface of the solid material body constitutes a reasoning cavity that makes it possible to have a high degree of spatial confinement of the acoustic energy. This confinement consequently makes it possible to have a good absorption of the sound waves. This also allows to reduce the reflection and transmission of sound waves.
  • solid materials for example: wood, glass, metals and polymers. This therefore allows a large margin of maneuver as to the manufacturing techniques used.
  • the elementary cell according to the invention can be used for a wide range of frequencies, ranging from 100 Hz to 10 kHz, which respectively corresponds to wavelengths between 3.5 meters and 3.5 centimeters.
  • the length p p sff of the cavity is also the depth of the groove defining the cavity.
  • the inventors have, moreover, found that the opening width of the cavities "1" plays a decisive role in the dissipation of acoustic energy.
  • the width 1 corresponding to the gap between the walls of the groove.
  • the maximum energy density reached calculated as the sum of the kinetic energy and the potential energy, evolves logarithmically with respect to the width of the openings E ms: x "log (Î)
  • the energy density confined in the cavity is controlled by the cavity width.
  • FIG. 9 illustrates the effect of the width 1 on the variation of the maximum energy density in a cavity for which the effective length determines a resonant frequency of 1 kHz.
  • the groove is cylindrical, polygonal or rectilinear.
  • the flexibility in terms of geometry of the groove allows to choose the pattern that one wants, for example to improve the aesthetics of the global structure.
  • said groove is discontinuous and is in the form of sectors separated by the solid material constituting the body. This makes it possible to widen the frequency band of absorption.
  • the cell body has a plurality of grooves. This increases the absorption of sound waves.
  • said grooves are concentric. This mode of distribution has the advantage of ensuring a spatial homogeneity of absorption of sound waves due to symmetry.
  • the groove (s) present (s) a width 1 constant over the entire depth p of said (said) groove (s).
  • At least two grooves have widths 1 and depths p different from each other. This makes it possible to broaden the frequency band of absorption and to control the absorption efficiency by frequency. In fact, the geometric dimensions of the grooves make it possible to control both the frequency and the efficiency of the absorption.
  • the depth p determines the absorption frequency of each groove, and the width 1 determines its absorption efficiency.
  • the body of solid material comprises at least one through cut.
  • a notch allows the circulation of air and promotes heat exchange between two media separated by the cell or a panel comprising the cell.
  • the groove (s) is (are) folded (s) so as to have only one opening and several folds inside the cell.
  • the thickness of the structure defined by the depth of the groove, can be divided by 10, while maintaining the same absorption performance.
  • At least one groove contains a fluid or polymer.
  • Said fluid or polymer may be contained by means of a thin membrane on the surface of said cell. This allows to induce or increase the sound absorption at even lower frequencies, depending on the nature of the fluid, that is to say gas or liquid, or the polymer.
  • the cell body is cylindrical, parallelepipedal or pyramidal. This flexibility regarding the overall shape of the cell facilitates the design.
  • the invention also relates to an acoustic screen in the form of a panel comprising at least one elementary cell of metamaterial according to the invention.
  • a screen can comprise only absorbent elementary cells according to the invention, but it can also include other acoustic elements, for example reflective acoustic cells.
  • said acoustic screen comprises a multitude of elementary cells according to the invention, arranged so that each cell is able to act on another neighboring cell, so as to modify the resonance frequencies. This also makes it possible to generate a favorable interaction for the absorption of sound waves.
  • the interaction between cells makes it possible to widen the absorption spectrum and locally increase the transmission or reflection, which makes it possible to isolate a chamber better or to suppress the noise.
  • plane of the panel means, in the sense of the present application, the surface of the panel which can be flat or curved.
  • the elementary cells are arranged in said panel periodically.
  • the patterns of periodicity make it possible to promote the emergence of an attenuation effect due to the network arrangement of resonant units.
  • FIGS. 1a to 1c show a first exemplary embodiment of an elementary cell according to the invention, comprising a simple groove in the form of a cylinder;
  • - Figures 2a and 2c show a second embodiment, wherein the elementary cell is parallelepiped and comprises a linear groove;
  • FIGS. 3a to 3d show an exemplary embodiment, in which the elementary cell is cylindrical and comprises three concentric cylindrical grooves;
  • FIG. 4a to 4c show an embodiment, wherein the cell is parallelepiped and comprises three linear grooves;
  • FIGS. 5a to 5c show an exemplary embodiment, in which the cell is cylindrical and comprises a folded cylindrical groove
  • FIG. 6a to 6c show an embodiment, wherein the cell is parallelepiped and comprises a folded linear groove.
  • FIG. 7 represents the sound wave absorption response of an elementary cell according to the invention.
  • FIG. 8 shows a comparison of absorption curves obtained with elementary cells according to the invention, the grooves of which have different widths.
  • FIG. 9 shows a variation of the energy density confined as a function of the width of a groove for which the effective length determines a resonant frequency of 1 kHz, according to the invention.
  • FIG. 1a is an isometric view of an elementary cell 1 of an acoustic metamaterial according to the invention.
  • Figures lb and represent respectively a top view and a view of a longitudinal section along the axis AA of the cell 1.
  • Cell 1 comprises a cylindrical solid body 2 comprising a groove 3 which is also cylindrical.
  • the groove 3 is characterized by a depth p and a width 1, as shown in FIG.
  • the width 1 being the distance between the side walls of the groove 3.
  • the presence of the groove which constitutes a reasoning cavity, makes it possible to have a high degree of spatial confinement of the acoustic energy, which consequently makes it possible to absorb the sound waves and to induce a reduction of the reflection and the transmission.
  • the depth p defines the resonance frequency and the width 1 determines the efficiency of the cell. It is therefore possible to play on these two parameters to adjust the frequency and the absorption efficiency of the sound waves by the elementary cell 1.
  • Figure 2a shows an isometric view of an elementary cell parallelepiped.
  • Figures 2b and 2c respectively show a top view and a view of a longitudinal section along the axis A 'A' of the cell 1 '.
  • the cell comprises a parallelepiped solid body 2 'comprising a linear groove 3'.
  • the groove 3 ' is characterized by a depth p' and a width l ', as in the case of the example of FIG.
  • FIG. 3a shows an isometric view of an elementary cell 10 comprising a cylindrical solid body and three concentric cylindrical grooves 30, 31, 32.
  • FIGS. 3b and 3c represent respectively a view from above and a view of a longitudinal section along the axis BB, of the cell 10.
  • the three grooves 30, 31, 32 have the same depth and the same width as shown in FIG. 3c.
  • Figure 3d illustrates a view of a section similar to the view illustrated in Figure 3c, of a cell 10 'which comprises a cylindrical solid body 20' and three concentric cylindrical grooves 30 ', 31', 32 '.
  • the cell 10 ' is identical to the one 10 shown in Figures 3a to 3C, except for the depths and widths of the grooves 30', 31 ', 32' which are different for each of the three grooves 31 ', 32' , 33 '. This makes it possible to have a different resonant frequency and absorption efficiency for each groove.
  • FIG. 4a is an isometric view of a parallelepipedal cell 10.
  • Figures 4b and 4c show respectively a top view and a longitudinal sectional view along the B “B" axis of the cell 10 ".
  • the cell 10 "comprises a parallelepipedic solid body 20 comprising three grooves 30", 31 ", 32" which have the same depth and the same width as shown in the sectional view of FIG. 4c.
  • FIGS. 5a is an isometric view of an elementary cell 100 according to an exemplary embodiment, in which the cell 100 comprises a cylindrical solid body 200 and a folded cylindrical groove 300.
  • FIGS. 5b and 5c respectively represent a view from above and a view of a longitudinal section along the axis CC of the cell 100.
  • FIG. 5c illustrates the folds of the groove 300.
  • the folding of the groove 300 makes it possible to considerably reduce the thickness of the cell 100, while keeping the absorption efficiency of a groove whose depth corresponds to the length of the grooves. walls of the groove 300.
  • FIG. 6a represents an isometric view of a parallelepipedal elementary cell 100 'comprising a parallelepipedal solid body 200' and a folded linear groove 300 '.
  • Figures 6b and 6c respectively show a top view and a longitudinal sectional view along the axis C'C 'of the cell 100'.
  • the parallelepiped shape has the advantage of allowing a better filling of the surface of an acoustic panel.
  • FIG. 7 illustrates the absorption response of an elementary cell according to the embodiment shown in the diagrams of FIGS. 3a to 3c, but with a different depth for each groove.
  • This elementary cell has an overall height of 196.5 mm and comprises 3 resonant cavities in the form of concentric cylindrical grooves with a fixed width of 2.7 mm, and different depths of 160.5 mm, 177 mm, and 193.5 mm, respectively.
  • This cell was manufactured by the Project SD3500 3D printer, whose characteristics of the Visijet Crystal resin used are presented below:
  • the diameter of the transmission tube used is 100 mm, which makes it possible to take measurements for frequency intervals of [50: 1600] -Hz.
  • a loudspeaker placed at one end of the tube, generates white noise on the frequency band of interest.
  • the pressure measurements are performed using two terminations provided different impedance.
  • Figure 7 shows in particular the first three resonance frequencies for which an exalted absorption takes place, with absorption coefficients reaching up to 0.97.
  • the absorption values obtained are:
  • Figure 8 is a comparison of the absorption curves obtained for different width of grooves for four cells according to the embodiment shown in Figures la to le.
  • Said cells each have a cylindrical groove with a depth of 100 mm and groove widths of 15 mm, 10 mm, 5 mm, and 2 mm, respectively.
  • the radius of each cell is 25 mm.
  • Figure 8 shows an increase in absorption as the groove width decreases. This absorption increases respectively from 0.05 to 0.08 to 0.26 then to 0.37 simply by decreasing the parameter of dimension 1.

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Abstract

L'invention porte sur une cellule élémentaire (1) de métamatériau acoustique comprenant : - un corps (2) en matériau solide, et - au moins un résonateur sous forme d'une rainure (3) de largeur l et de profondeur p, ladite rainure (3) étant ouverte en surface dudit corps, dans laquelle: - la profondeur p est déterminée par une fréquence (f) de résonnance de la cellule selon une relation x, c étant la vitesse du son dans l'air; et - la largeur l est déterminée par une densité d'énergie confinée dans ladite cellule selon une relation logarithmique E max α log(l) déterminée expérimentalement, ladite rainure présentant une absorption sonore contrôlée par un rapport entre la profondeur p et la largeur l de la rainure. L'invention porte également sur un écran acoustique comprenant une telle cellule élémentaire.

Description

MÉTAMATÉRIAU ACOUSTIQUE ABSORBANT
L' invention concerne le domaine des isolants acoustiques. En particulier, l'invention porte sur une cellule élémentaire d'un métamatériaux acoustique, et écran acoustique comprenant une telle cellule.
Les nuisances sonores dans la vie quotidienne, provenant par exemple de l'environnement extérieur, comme la proximité d'un axe routier ou aérien, ou bien intérieur comme le bruit des appareils ménagers, sont des facteurs de stress qui détériorent le confort de vie.
Les nuisances sonores existent également dans le domaine du bâtiment et dans divers domaines industriels.
Afin de retrouver le confort, il est souvent nécessaire d'isoler acoustiquement la source de bruit. Pour ce faire, des solutions permettant d'atténuer la propagation des ondes sonores existent. Cependant, les isolants acoustiques connus de l'état de la technique reposent sur l'utilisation de caractéristiques intrinsèques de matériaux en termes d' absorption ou de réflexion d'ondes sonores. Les matériaux classiquement utilisés à cette fin sont typiquement des matériaux poreux, telles que des mousses métalliques ou des matériaux polymères, la laine de roche, de verre, de coton, de liège ou de fibres de bois agglomérées.
Un problème que pose l'utilisation de tels matériaux réside dans le fait que le choix du matériau à utiliser est dicté par les caractéristiques intrinsèques du matériau, ce qui limite la possibilité de choix du matériau par rapport à une application donnée. De plus, le fait de se baser sur les propriétés intrinsèques du matériau limite également la gamme de fréquences de réponse du matériau ainsi que les techniques de fabrication .
En outre, les panneaux acoustiques fabriqués à partir de tels matériaux sont lourds et volumineux, notamment ceux utilisé pour les basses fréquences.
L'objectif de la présente invention est de résoudre les problèmes des isolants acoustiques connus de l'état de la technique. En particulier, l'invention a pour objectif de proposer une solution d'isolation acoustique, efficace et permettant d'avoir une flexibilité dans le choix du matériau et la gamme de fréquences.
L' invention vise également à réduire la dimension et le poids des panneaux acoustiques
A cet effet, l'invention a pour objet une cellule élémentaire de métamatériau acoustique comprenant :
- un corps en matériau solide, et
- au moins un résonateur sous forme d'une rainure de largeur 1 et de profondeur p, ladite rainure étant ouverte en surface dudit corps en matériau solide.
La rainure ouverte en surface du corps en matériau solide, constitue une cavité raisonnante qui permet d'avoir un degré élevé de confinement spatial de l'énergie acoustique. Ce confinement permet en conséquence d'avoir une bonne absorption des ondes sonores. Cela permet également d' induire une réduction de la réflexion et de la transmission des ondes sonores.
De tels effets sont obtenus indépendamment de la nature du matériau solide, grâce la structuration du matériau solide en surface de manière à avoir une ou plusieurs cavité (s) raisonnante ( s ) . De cette manière on s'affranchit donc de la nature du matériau. En d'autres termes, même en utilisant un matériau solide dont les propriétés d'absorption acoustique intrinsèques ne sont pas importantes, le fait de le structurer de manière à avoir un métamatériau comprenant une ou plusieurs cavité (s) ouverte (s) en surface, permet d'améliorer considérablement l'absorption acoustique par ce matériau.
Ainsi, différents matériaux solides peuvent être utilisés, par exemple : le bois, le verre, les métaux et les polymères. Ceci permet donc une grande marge de manœuvre quant aux techniques de fabrication employées.
En outre, la flexibilité concernant le choix du matériau, permet de réduire le poids de ces écrans acoustique d'une manière significative.
La cellule élémentaire conforme à l'invention peut être utilisée pour une large gamme de fréquences, allant de 100Hz à 10kHz, ce qui correspond respectivement à des longueurs d'ondes entre 3,5 mètres et 3,5 centimètres. La longueur p =psff de la cavité est aussi la profondeur de la rainure définissant la cavité.
De plus, on parle de longueur effective désigné par psff car la cavité peut être repliée ou non.
La fréquence de résonance est liée à la longueur effective pBff de la cavité par l'expression /=—1— , c étant la vitesse du son dans l'air. Les inventeurs ont, par ailleurs, constaté que la largeur d'ouverture des cavités « 1 »joue un rôle déterminant dans la dissipation de l'énergie acoustique. La largeur 1 correspondant à l'écart entre les parois de la rainure.
Plus particulièrement, le maximum de densité d'énergie atteint, calculé comme somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle, évolue de manière logarithmique par rapport à la largeur des ouvertures Ems:x« log(Î}
Ainsi, la densité d'énergie confinée dans la cavité est contrôlée par la largeur de cavité.
La figure 9 illustre l'effet de la largeur 1 sur la variation de la densité d'énergie maximum dans une cavité pour laquelle la longueur effective détermine une fréquence de résonance de 1kHz.
Ainsi, comme le niveau d'absorption sonore est lié à la densité d'énergie confiné de sorte que lorsque l'un augmente l'autre augmente aussi, le niveau d'absorption sonore peut être contrôlé à travers le rapport entre la longueur d'onde et la largeur des rainures 7, en d'autres termes, comme la fréquence est liée à la longueur d'onde par la relation f=c/X et f =—-— alors le niveau d' absorption sonore peut être contrôlé par le rapport entre la profondeur effective de la rainure et sa largeur. Ce rapport peut aller de quelques dizaines à quelques centaines .
Avantageusement, la rainure est cylindrique, polygonale ou rectiligne. La flexibilité en termes de géométrie de la rainure permet de choisir le motif que l'on veut, par exemple pour améliorer l'esthétique de la structure globale.
Avantageusement, ladite rainure est discontinue et se présente sous forme de secteurs séparés par le matériau solide constitutif du corps. Ceci permet d'élargir la bande fréquentielle d'absorption.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le corps de cellule comporte plusieurs rainures. Ceci permet d'augmenter l'absorption d'ondes sonores.
Avantageusement, lesdites rainures sont concentriques. Ce mode de répartition présente l'avantage de garantir une l'homogénéité spatiale d'absorption des ondes sonores, due à la symétrie.
Avantageusement, la ou les rainure (s) présente (nt) une largeur 1 constante sur toute la profondeur p de ladite (lesdites) rainure (s) .
Avantageusement, au moins deux rainures présentent des largeurs 1 et des profondeurs p différentes les unes des autres. Cela permet d'élargir la bande fréquentielle d'absorption et de contrôler l'efficacité d'absorption par fréquence. En effet, les dimensions géométriques des rainures permettent de contrôler à la fois la fréquence et l'efficacité de l'absorption. La profondeur p détermine la fréquence d'absorption de chaque rainure, et la largeur 1 détermine son efficacité d'absorption.
Avantageusement, le corps en matériau solide comporte au moins une entaille traversante. Une telle entaille permet la circulation de l'air et favorise les échanges thermiques entre deux milieux séparés par la cellule ou un panneau comprenant la cellule. Avantageusement, la ou les rainure (s) est (sont) repliée (s) de manière à ne présenter qu'une ouverture et plusieurs plis à l' intérieurs de la cellule.
La technique de repliement de l'espace permet de réduire l'épaisseur d'une cellule. Cette réduction de l'épaisseur est notamment importante pour obtenir une absorption basse fréquences sans augmenter l'épaisseur de la cellule. A titre d'exemple, l'absorption d'une onde sonore de fréquence 1kHz (de longueur d'onde X=35cm) , nécessiterait un résonateur sous forme de rainures dont la profondeur serait approximativement de X/4=9cm. En utilisant la technique de repliement de l'espace, l'épaisseur de la structure, définie par la profondeur de la rainure, peut être divisée par 10, tout en gardant les mêmes performances d'absorption.
Avantageusement, au moins une rainure contient un fluide ou polymère. Ledit fluide ou polymère peut être contenu à l'aide d'une fine membrane à la surface de la dite cellule. Cela permet d'induire ou d'augmenter l'absorption acoustique à des fréquences encore plus basses, en fonction de la nature du fluide, c'est-à-dire gaz ou liquide, ou du polymère.
Avantageusement, le corps de cellule est cylindrique, parallélépipédique ou pyramidal. Cette flexibilité concernant la forme globale de la cellule facilite la conception .
L' invention concerne également un écran acoustique sous forme d'un panneau comprenant au moins une cellule élémentaire de métamatériau selon l'invention. Un tel écran peut comprendre uniquement des cellules élémentaires absorbantes selon l'invention, mais il peut également comprendre d'autres éléments acoustiques, par exemple des cellules acoustiques réflectrices .
Avantageusement, ledit écran acoustique comprend une multitude de cellules élémentaires selon l'invention, agencées de sorte que chaque cellule soit apte à agir sur une autre cellule voisine, de manière à modifier les fréquences de résonances. Cela permet également de générer une interaction favorable à l'absorption d'ondes sonores.
L'interaction entre cellules permet d'élargir le spectre d'absorption et d'augmenter localement la transmission ou la réflexion, ce qui permet de mieux isoler une chambre ou d'en supprimer le bruit.
Par plan du panneau on entend, dans le sens de la présente demande, la surface du panneau qui peut être plate ou courbée.
Avantageusement, les cellules élémentaires sont agencées dans ledit panneau de manière périodique. Par exemple, selon des motifs particuliers de type carré, triangulaire ou en forme de nid d'abeille. Les motifs de périodicité permettent de favoriser l'émergence d'un effet d'atténuation dû à l'agencement en réseau d'unités résonantes .
L' invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante de modes de réalisation préférés donnés à titre d'exemples illustratifs , non limitatifs, en référence aux dessins parmi lesquels :
- Les figures la à le représentent un premier exemple de réalisation d'une cellule élémentaire selon l'invention, comprenant une rainure simple en forme de cylindre ; - Les figures 2a et 2c représentent un deuxième exemple de réalisation, dans lequel la cellule élémentaire est parallélépipédique et comprend une rainure linéaire ;
- Les figures 3a à 3d représentent un exemple de réalisation, dans lequel la cellule élémentaire est cylindrique et comprend trois rainures cylindriques concentrique ;
- Les figures 4a à 4c représentent un exemple de réalisation, dans lequel la cellule est parallélépipédique et comprend trois rainures linéaires ;
- Les figures 5a à 5c représentent un exemple de réalisation, dans lequel la cellule est cylindrique et comprend une rainure cylindrique repliée ;
- Les figures 6a à 6c représentent un exemple de réalisation, dans lequel la cellule est parallélépipédique et comprend une rainure linéaire repliée.
la figure 7 représente la réponse d'absorption d'ondes sonores d'une cellule élémentaire selon 1 ' invention .
- La figure 8 montre une comparaison de courbes d'absorption obtenues avec des cellules élémentaires conformes à 1 ' invention dont les rainures ont des largeurs différentes .
- La figure 9 montre une variation de la densité d'énergie confinée en fonction de la largeur d'une rainure pour laquelle la longueur effective détermine une fréquence de résonance de 1kHz, selon l'invention.
La figure la représente vue isométrique d'une cellule élémentaire 1 d'un métamatériau acoustique conforme à l'invention. Les figures lb et le représentent respectivement une vue de dessus et une vue d'une coupe longitudinale suivant l'axe AA de la cellule 1.
La cellule 1 comporte un corps solide 2 cylindrique comprenant une rainure 3 également cylindrique. La rainure 3 est caractérisée par une profondeur p et une largeur 1, comme le montre la figure le. La largeur 1 étant la distance entre les parois latérales de la rainure 3.
La présence de la rainure, qui constitue une cavité raisonnante, permet d'avoir un haut degré de confinement spatial de l'énergie acoustique, ce qui permet en conséquence d'absorber les ondes sonores et d'induire une réduction de la réflexion et de la transmission.
La profondeur p définit la fréquence de résonnance et la largeur 1 détermine l'efficacité de la cellule. Il est donc possible de jouer sur ces deux paramètres pour ajuster la fréquence et l'efficacité d'absorption des ondes sonores par la cellule élémentaire 1.
La figure 2a représente une vue isométrique d'une cellule élémentaire l' parallélépipédique . Les figures 2b et 2c représentent respectivement une vue de dessus et une vue d'une coupe longitudinale suivant l'axe A' A', de la cellule 1 ' .
La cellule l' comporte un corps solide 2' parallélépipédique comprenant une rainure 3' linéaire. La rainure 3' est caractérisée par une profondeur p' et une largeur l', comme dans le cas de l'exemple de la figure le.
La figure 3a représente une vue isométrique d'une cellule élémentaire 10 comprenant un corps solide 20 cylindrique et trois rainures cylindriques concentrique 30, 31, 32. Les figures 3b et 3c représentent respectivement une vue de dessus et une vue d'une coupe longitudinale suivant l'axe BB, de la cellule 10.
Dans cette exemple de réalisation les trois rainures 30, 31, 32 ont la même profondeur et la même largeur comme le montre la figure 3c.
La figure 3d illustre une vue d'une coupe similaire à la vue illustré dans la figure 3c, d'une cellule 10' qui comprend un corps solide 20' cylindrique et trois rainures cylindriques concentrique 30', 31', 32' . La cellule 10' est identique à la celle 10 illustrée dans les figures 3a à 3C, sauf en ce qui concerne les profondeurs et largeurs des rainures 30', 31', 32' qui sont différentes pour chacune des trois rainures 31', 32', 33' . Ceci permet d' avoir une fréquence de résonance et une efficacité d'absorption différentes pour chaque rainure.
La figure 4a représente une vue isométrique d'une cellule élémentaire 10" parallélépipédique . Les figures 4b et 4c représentent respectivement une vue de dessus et une vue d'une coupe longitudinale suivant l'axe B"B", de la cellule 10".
La cellule 10" comporte un corps solide 20" parallélépipédique comprenant trois rainures 30", 31", 32" qui ont la même profondeur et la même largeur comme le montre la vue de coupe de la figure 4c.
Les figures 5a représente, une vue isométrique, d'une cellule élémentaire 100 selon un exemple de réalisation, dans lequel la cellule 100 comprend un corps solide 200 cylindrique et une rainure cylindrique 300 repliée. Les figures 5b et 5c représentent respectivement une vue de dessus et une vue d'une coupe longitudinale suivant l'axe CC, de la cellule 100. La figure 5c illustre les replis de la rainure 300. Le repliement de la rainure 300 permet de réduire considérablement l'épaisseur de la cellule 100, tout en gardant l'efficacité d'absorption d'une rainure dont la profondeur correspond à la longueur des parois de la rainure 300.
La figure 6a représente une vue isométrique d'une cellule élémentaire 100' parallélépipédique, comprenant un corps solide 200' parallélépipédique et une rainure linéaire 300' repliée. Les figures 6b et 6c représentent respectivement une vue de dessus et une vue d'une coupe longitudinale suivant l'axe C'C' de la cellule 100' .
La forme parallélépipédique présente l'avantage de permettre un meilleur remplissage de la surface d'un panneau acoustique.
Dans les figures 2a, 4a et 6a les cellules paraissent ouvertes sur les côtés. En réalité, les rainures ne sont ouvertes qu'en surface, de telles ouvertures sur le cotés n'existent pas et sont représentées uniquement pour permettre une meilleure compréhension de la forme des rainures à l'intérieure du corps solide.
La figure 7 illustre la réponse d'absorption d'une cellule élémentaire selon l'exemple de réalisation présenté sur les schémas des figures 3a à 3c, mais avec une profondeur différente pour chaque rainure. Cette cellule élémentaire a une hauteur globale de 196,5 mm et comprend 3 cavités résonantes sous formes de rainures cylindriques concentriques d'une largeur fixe de 2.7 mm, et des profondeurs différentes de 160.5 mm, 177 mm, et 193.5 mm, respectivement. Ladite cellule a été fabriquée par l'imprimante 3D Projet SD3500, dont les caractéristiques de la résine Visijet Crystal utilisée sont présentées ci-dessous :
- Densité (g/cm) : 1.02 (liquide, à 80°)
- Module d'Young : 1463 MPa
- Contrainte-flexion : 49 MPa
La caractérisation présentée et qui permet d'étudier les propriétés acoustiques de ladite cellule pour les fréquences audibles, est obtenue grâce à un tube à ondes stationnaire muni de 4 microphones. Nous avons utilisé un kit de tube de transmission de type 4206-T de la marque Bruel&Kjœr .
Le diamètre de tube de transmission utilisé est de 100 mm, ce qui permet de réaliser des mesures pour les intervalles de fréquence de [50 : 1600] -Hz.
Un haut-parleur, placé à une extrémité du tube, génère du bruit blanc sur la bande fréquentielle qui nous intéresse .
Les mesures en pression sont réalisées en utilisant deux terminaisons à condition d'impédance différente.
La figure 7 montre notamment les trois premières fréquences de résonance pour lesquelles une absorption exaltée s'opère, avec des coefficients d'absorption atteignant jusqu'à 0,97.
Par exemple, les valeurs d'absorption obtenues sont :
- 0.97 à 315 Hz ;
- 0.95 à 353 Hz ;
- 0.96 à 364 Hz ;
- 0.95 à 1031 Hz ;
- 0.96 à 1150 Hz ;
- 0.93 à 1294 Hz.
Nous obtenons ainsi pour cette structure deux bandes d' absorption exaltées : - 1ère bande : centrée autour de 360Hz, et atteignant 0,87 avec une bande relative de 44:7% ;
- 2nd bande : centrée autour de 1159Hz, et atteint 0,49 avec une bande relative de 44:6%.
La figure 8 est une comparaison des courbes d'absorption obtenues pour différentes largeur de rainures pour quatre cellules selon l'exemple de réalisation montré par les figures la à le.
Lesdites cellules ont chacune une rainure cylindrique d'une profondeur de 100 mm et des largeurs de rainures de 15 mm, 10 mm, 5 mm, et 2 mm, respectivement. Le rayon de chaque cellule est de 25 mm.
La figure 8 montre une augmentation de l'absorption à mesure que la largeur de rainures diminue. Cette absorption passe respectivement de 0.05 à 0.08 à 0.26 puis à 0.37 simplement en diminuant le paramètre de dimension 1.

Claims

REVENDICATIONS
1. Cellule élémentaire (1 ; l' ; 10 ; 10' ; 10" ; 100 ; 100') de métamatériau acoustique comprenant :
- un corps (2; 2'; 20; 20'; 20"; 200; 200') en matériau solide, et
- au moins un résonateur sous forme d'une rainure (3; 3'; 30, 31, 32; 30', 31', 32'; 30", 31", 32" ; 300; 300') de largeur 1 et de profondeur p, ladite rainure (3; 3'; 30, 31, 32; 30', 31', 32'; 30", 31", 32" ; 300; 300') étant ouverte en surface dudit corps
Caractérisé en ce que :
- la profondeur p est déterminée par une fréquence (f) de résonnance de la cellule selon une relation f = ——, c étant la vitesse du son dans l'air; et
- la largeur 1 est déterminée par une densité d'énergie confinée dans ladite cellule selon une relation logarithmique -?,,m¾ c log(i') déterminée expérimentalement, ladite rainure présentant une absorption sonore contrôlée par un rapport entre la profondeur p et la largeur 1 de la rainure .
2. Cellule (1 ; l' ; 10 ; 10' ; 10" ; 100 ; 100') selon la revendication 1, selon laquelle ladite rainure
(3; 3'; 30, 31, 32; 30', 31', 32'; 30", 31", 32" ; 300; 300') est cylindrique, polygonale ou rectiligne.
3. Cellule selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle ladite rainure est discontinue et se présente sous forme de secteurs séparés par le matériau solide constitutif du corps.
4. Cellule (10 ; 10' ; 10") selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le corps de cellule comporte plusieurs rainures (30, 31, 32; 30', 31', 32 ' ; 30", 31", 32") .
5. Cellule (10 ; 10') selon la revendication 4, dans laquelle lesdites rainures (30, 31, 32; 30', 31', 32') sont concentriques.
6. Cellule (1 ; l' ; 10 ; 10' ; 10" ; 100 ; 100') selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la ou les rainure (s) (3; 3'; 30, 31, 32; 30', 31', 32'; 30", 31", 32" ; 300; 300') présentent une largeur 1 constante sur toute la profondeur p de ladite rainure (3; 3'; 30, 31, 32; 30', 31', 32'; 30", 31", 32" ; 300; 300 ') .
7. Cellule (10') selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans laquelle au moins deux rainures
(30', 31', 32') présentent des largeurs 1 et/ou des profondeurs p différentes les unes des autres.
8. Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle le corps comporte au moins une entaille traversante.
9. Cellule (100; 100') selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle la ou les rainure (s) (300; 300') est (sont) repliée (s) de manière à ne présenter qu'une ouverture et plusieurs plis à l'intérieurs de la cellule (100; 100') .
10. Cellule (1 ; l' ; 10 ; 10' ; 10" ; 100 ; 100') selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle au moins une rainure contient un fluide ou polymère .
11. Cellule (1 ; l' ; 10 ; 10' ; 10" ; 100 ; 100') selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans laquelle le corps de cellule (2; 2'; 20; 20'; 20"; 200; 200') est cylindrique, parallélépipédique ou pyramidal.
12. Écran acoustique sous forme d'un panneau comprenant au moins une cellule élémentaire (1 ; l' ; 10 ; 10' ; 10" ; 100 ; 100') selon l'une des revendications 1 à 11.
13. Écran acoustique selon la revendication 12 comprenant une multitude de cellules élémentaires (1 ; l' ; 10 ; 10' ; 10" ; 100 ; 100') agencées de sorte que chaque cellule (1 ; l' ; 10 ; 10' ; 10" ; 100 ; 100') soit apte à agir sur une autre cellule (1 ; l' ; 10 ; 10' ; 10" ; 100 ; 100') voisine, de manière à modifier les fréquences de résonances.
14. Écran acoustique selon la revendication 13 dans lequel les cellules élémentaires (1 ; l' ; 10 ; 10' ;
10" ; 100 ; 100') sont agencées dans ledit panneau de manière périodique.
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