EP4244844A1 - Revetement de traitement acoustique comprenant un metaporeux ordonne replie - Google Patents

Revetement de traitement acoustique comprenant un metaporeux ordonne replie

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EP4244844A1
EP4244844A1 EP21823961.4A EP21823961A EP4244844A1 EP 4244844 A1 EP4244844 A1 EP 4244844A1 EP 21823961 A EP21823961 A EP 21823961A EP 4244844 A1 EP4244844 A1 EP 4244844A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
acoustic treatment
filaments
porous material
metamaterial
solid structure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21823961.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean Boulvert
Théo CAVALIERI
Jean-Philippe GROBY
Annie ROSS
Edith Fotsing Roland
Jacky Novi Mardjono
Vicente Romero Garcia
Gwénaël GABARD
Josué COSTA BAPTISTA
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.)
Safran Aircraft Engines SAS
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Le Mans Universite
Original Assignee
Safran Aircraft Engines SAS
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Le Mans Universite
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 Safran Aircraft Engines SAS, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Le Mans Universite filed Critical Safran Aircraft Engines SAS
Publication of EP4244844A1 publication Critical patent/EP4244844A1/fr
Pending 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
    • G10K11/162—Selection of materials
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/172—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general using resonance effects

Definitions

  • the present invention relates to the general field of acoustic treatments for absorbing noise, and more particularly acoustic treatments comprising porous materials for absorbing noise.
  • porous materials are used.
  • the low frequency noise absorption limit of these porous materials is related to their thickness. This becomes quite constraining when low frequencies have to be absorbed.
  • significant noise absorption is only possible above the visco-inertial transition frequency of the porous material which will then work in the inertial regime. This transition frequency depends on the microstructure of the porous material.
  • BPF “Blade Passing Frequency”
  • the minimum frequency of perfect absorption is usually reached when the thickness of the porous material is approximately equal to a quarter of the acoustic wavelength. This has the direct consequence of requiring acoustic treatments based on porous materials that are much too bulky and therefore incompatible with the space available in the thin nacelles of the new generations of aircraft engines.
  • the invention relates to an acoustic treatment coating comprising a metamaterial, characterized in that the metamaterial comprises a solid structure comprising at least one free space forming a folded cavity and at least one porous material placed in said free space of the solid structure.
  • the folded cavity is delimited by a helicoid.
  • the metamaterial is produced by additive manufacturing.
  • the advantage of using additive manufacturing to form the metamaterial, in particular the solid structure is to be able to precisely adapt the geometry of the structure solid (number of free spaces, number of folded cavities, etc.) at the frequencies that one wishes to attenuate.
  • the solid structure is made of:
  • thermoplastic materials PEEK (Poly Ether Ether Keton), or the thermoplastic polyimides PEI (Poly Ether Imide, which offer the advantage of extruding well and having increased properties (mechanical resistance, resistance fire resistance, temperature resistance, etc.); or
  • thermoplastic material such as nylon, ABS or PLA polymer, which may or may not be reinforced with fibers (carbon fibers, glass fibers or Kevlar fibers for example) or with powders in order to increase structural strength;
  • thermosetting material consisting of a polymer base and a crosslinking agent possibly including glass beads or even silica to improve the abradability and erosion properties; or more widely in
  • titanium alloy metallic material such as Ti6A4IAV
  • Nickel-chromium alloy Inco718, nickel-chromium-iron-molybdenum alloy (Hastelloy X) or else based on nickel alloy (René 77);
  • the solid structure can be made of any material that can be printed in three dimensions by the various known additive manufacturing processes.
  • each porous material comprises layers of filaments superimposed on each other.
  • the advantage of using such a porous material is to be able to precisely adapt the geometry of the porous material (diameter of the filaments, thickness between each layer, size of the pores, etc.) to the frequencies to be attenuated and thus to optimize the treatment. acoustic.
  • the effective thickness of the porous material governs the frequencies of the absorption peaks while the pore geometry influences these frequencies and governs the corresponding absorption levels.
  • the smaller the diameter of the filaments the larger the absorption peaks and the smaller the pores, the higher the losses.
  • Additive manufacturing also makes it possible to produce the solid structure and the porous material simultaneously, which facilitates the placement of the porous material within the free spaces of the solid structure.
  • each porous material is made from foams or felts, or from stochastic materials or any porous material whose microstructure is controllable.
  • the solid structure comprises between 2 and 6 free spaces, each free space forming a folded cavity.
  • the folded cavity is for example delimited by at least one helicoid.
  • a section of the solid structure is of circular, triangular, hexagonal or rectangular shape.
  • a thickness of the metamaterial is between 5 mm and 500 mm. It is, for example, between 15 mm and 150 mm.
  • the folded cavities formed by the empty spaces of the solid structure are identical.
  • At least one folded cavity of the solid structure has a different length from the other cavities.
  • an internal detuning This can, for example, be achieved by external detuning by assembling several solid structures having a different number of revolutions of the helicoids between the solid structures if the folded cavities are bounded by helicoids. They can also be produced by internal detuning by assembling the same solid structure several times, but whose folded cavities are interrupted before reaching the bottom of the treatment.
  • Another object of the invention is a turbomachine fan comprising an acoustic treatment coating according to the invention.
  • FIG. 1 shows, schematically and partially, a turbine engine section comprising an acoustic coating according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 2A represents, schematically and partially, a perspective view of a metamaterial of the acoustic treatment coating according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 2B represents, schematically and partially, a perspective view of a metamaterial of the acoustic treatment coating according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 2C represents, schematically and partially, a perspective view of a metamaterial of the acoustic treatment coating according to another embodiment of the invention.
  • Figure 3 shows, schematically and partially, porous materials of the acoustic treatment coating according to several embodiments.
  • FIG. 4 represents the absorption as a function of the acoustic frequency of an acoustic treatment coating comprising a metamaterial according to one embodiment of the invention and of an acoustic treatment coating comprising only a straight porous material (not folded).
  • FIG. 5 represents the absorption as a function of the acoustic frequency of acoustic treatment coatings according to several embodiments of the invention.
  • Figure 6 shows, schematically and partially, a porous material of the acoustic treatment coating according to one embodiment, as well as its absorption as a function of the acoustic frequency.
  • FIG. 1 schematically and partially represents a section of a turbomachine 100.
  • the turbomachine 100 comprises a fan 120 and a thin nacelle 130.
  • An acoustic treatment coating 110 according to one embodiment of the invention is present on one part of the 130 nacelle.
  • the coating 110 makes it possible to absorb low frequencies, for example between 1000 Hz and 2000 Hz, while having a relatively small thickness, the thickness of the metamaterial included in the coating being between 5 mm and 500 mm, and more particularly between 15mm and 150mm.
  • FIGS. 2A, 2B and 2C show, schematically and partially, a perspective view of a metamaterial of the acoustic coating according to several embodiments of the invention.
  • the metamaterial 201 comprises a solid structure 210 and three free spaces 211, 212 and 213. Each free space 211, 212 and 213 is formed by 0.75 revolution helicoids 241, 242 and 243.
  • the metamaterial 201 has a hexagonal section, and the free spaces 211, 212 and 213 are identical.
  • metamaterial 202 includes a solid structure 220 and six free spaces 221, 222, 223, 224, 225 and 226. Each free space 221-226 is formed by one revolution helicoids.
  • the metamaterial 202 has a hexagonal shape section, and the free spaces 221 to 226 formed by the helicoids are identical.
  • the metamaterial 203 comprises a solid structure 230 and four free spaces 231, 232, 233 and 234. Each free space 231, 232, 233 and 234 is formed by helicoids at 0.75 revolutions.
  • the metamaterial 203 has a square-shaped section, and the free spaces 231 to 234 are identical.
  • the number of revolutions of the helicoids forming the free spaces of the solid structure can vary between 0.1 and 100.
  • Each metamaterial 201, 202 and 203 also includes a porous material placed in each free space 211 to 213, 221 to 226 and 231 to 234 of the metamaterials 201 to 203.
  • the solid structure can be made of: a polymer material, such as PEEK (Poly Ether Ether Keton) thermoplastic materials, or PEI (Poly Ether Imide) thermoplastic polyimides, which offer the advantage of to extrude well and to dispose of increased properties (mechanical resistance, fire resistance, temperature resistance, etc.); Where
  • thermoplastic material such as nylon, ABS or PLA polymer, which may or may not be reinforced with fibers (carbon fibers, glass fibers or Kevlar fibers for example) or with powders in order to increase structural strength;
  • thermosetting material consisting of a polymer base and a crosslinking agent possibly including glass beads or even silica to improve the abradability and erosion properties; or more widely in
  • titanium alloy metallic material such as Ti6A4IAV
  • Nickel-chromium alloy Inco718, nickel-chromium-iron-molybdenum alloy (Hastelloy X) or else based on nickel alloy (René 77);
  • the material forming the solid structure can also be an abradable or porous material.
  • the solid structure can be produced by additive manufacturing. This makes it possible to easily adapt the dimensions of the solid structure, such as for example the shape of the section of the structure and of the free spaces, the number of free spaces, or even the number of folded cavities, to the desired performance of the acoustic treatment.
  • the porous material comprised in the metamaterials can comprise layers of filaments superimposed on each other.
  • the porous material can also be a foam or a felt, or a stochastic (cellular) material or any other porous material whose microstructure is controllable.
  • it can be a porous material made up of micro-channels, or a fibrous porous material, or a cellular porous material, such as a foam with connected pores, or even a granular porous material, such as a powder.
  • FIG. 3 represents examples of porous materials 301, 302, 303 and 304 comprising layers of filaments according to several embodiments of the invention.
  • the porous material 301 comprises filaments 311 to 317 forming two layers superimposed one on the other. Filaments 311 to 317 have a circular section. The angle formed between two filaments of two adjacent layers, for example between filaments 311 and 317, is 90°.
  • the porous material 302 comprises filaments 321 to 327 forming two layers superimposed one on the other. Filaments 321 to 327 have a square section.
  • the angle formed between two filaments of two adjacent layers, for example between filaments 321 and 327, is 90°.
  • the porous material 303 comprises filaments 331 to 337 forming two layers superimposed one on the other.
  • Filaments 331 to 337 have a triangular section.
  • the angle a formed between two filaments of two adjacent layers, for example between filaments 333 and 337, is greater than 90°.
  • the porous material 304 comprises filaments 341 to 352 forming three layers superimposed on each other.
  • the filaments 341 to 352 are arranged in pairs and have a circular section.
  • the angle a formed between two pairs of filaments of two adjacent layers, for example between the pair of filaments 341, 342 and the pair of filaments 343, 344 is 90°.
  • the filaments forming the superimposed layers of the porous material can have a section of triangular, hexagonal, rectangular, square, circular, star shape or any shape.
  • the diameter or a characteristic length of the filaments can vary between 1 ⁇ m and 2000 ⁇ m.
  • a spacing L between the filaments can vary between 1 ⁇ m and 10 mm.
  • the height of the porous material that is to say the superposition of the layers of filaments, can vary between 5 mm and 50 cm. Typically, the height between the layers of filaments forming the porous material can vary between 0.1 and 100 times the diameter of the filament.
  • the angle a formed between two filaments of two adjacent layers can vary between 0° and 180°.
  • the layers of filaments can be produced by additive manufacturing. This makes it possible in particular to precisely adapt the dimensions of the filaments and of the layers of the porous material to the frequency ranges which it is desired to absorb and to the desired performance of the acoustic treatment. Furthermore, the layers of filaments of the porous material and the solid structure can be produced simultaneously thanks to additive manufacturing.
  • FIG. 4 represents the absorption A at normal incidence as a function of the acoustic frequency f of an acoustic treatment covering comprising a metamaterial according to one embodiment of the invention and of an acoustic treatment covering comprising only a porous material .
  • the metamaterial according to the invention is composed of a single type of folded porous material, there is no detuning.
  • the acoustic frequency f is expressed in Hertz and varies between 0 and 6000 Hz.
  • Curve 401 represents the absorption A of a coating comprising only a homogeneous straight porous material. There is therefore no folded cavity.
  • This porous material comprises layers of filaments superimposed on each other.
  • the diameter D of the filaments is 200 ⁇ m.
  • the spacing L between the center of the filaments is 670 ⁇ m.
  • the coating thickness is 30 mm.
  • Curve 402 represents the absorption A of the coating according to one embodiment of the invention.
  • the metamaterial of the invention comprises a porous material comprising layers of filaments superimposed on each other.
  • the diameter D of the filaments is 200 ⁇ m and the spacing L between the center of the filaments is 400 ⁇ m.
  • the helicoids forming the free spaces of the solid structure have a number of revolutions of 1.
  • the metamaterial has a thickness of 30 mm.
  • curves 401 and 402 make it possible to show that the coating according to the invention indeed makes it possible to absorb lower frequencies than with a conventional coating comprising only a homogeneous straight porous material. This comparison also makes it possible to show that the coating according to the invention generates a refinement of the absorption peaks.
  • FIG. 5 represents the absorption A as a function of the acoustic frequency f of two acoustic treatment coatings according to embodiments of the invention.
  • the acoustic frequency f is expressed in Hertz and varies between 0 and 6000 Hz.
  • Curve 501 represents the absorption A of a coating of the invention in which the porous material comprises layers of filaments superimposed on each other, the filaments having a diameter of 400 ⁇ m.
  • the free spaces of the coating metamaterial are formed by helicoids having 1 revolution.
  • the spacing between the filaments is 670 ⁇ m.
  • Curve 502 represents the absorption A of a coating of the invention in which the porous material comprises layers of filaments superimposed on each other, the filaments having a diameter of 200 ⁇ m.
  • the free spaces of the coating metamaterial are formed by helicoids having 1 revolution.
  • the spacing between the filaments is 1000 ⁇ m.
  • the coating has a thickness of 30 mm.
  • the comparison of the two curves 501 and 502 shows that by decreasing the diameter of the filaments while keeping the number of revolutions of the helicoids constant, it is possible to widen the absorption peaks around the local maxima.
  • the free spaces of the metamaterial according to the invention can also have different dimensions. For this, it is possible, for example, to vary the length of the helicoids forming the free spaces. By combining several lengths of folded cavities, the absorption peaks at neighboring frequencies are combined and a coating capable of absorbing noise effectively (absorption A close to 1) is thus obtained over a wide frequency range.
  • the porous material included in each of these free spaces is also suitable for adjusting its losses and being able to attenuate the targeted frequencies.
  • the coating therefore comprises free spaces each tuned to a particular frequency.
  • FIG. 6 represents an example of this type of coating (FIG. 6A) as well as the absorption A of this coating as a function of the acoustic frequency f (curve 601, FIG. 6B).
  • the metamaterial 600 of the coating comprises 4 solid structures 610, 620, 630 and 640. Each of the solid structures 610, 620, 630 and 640 comprises folded cavities having a different number of revolution. The filaments forming the porous materials present in the folded cavities have a thickness of 200 ⁇ m.
  • the absorption A of this covering 600 (curve 601) is compared with the absorption A of a covering comprising only one solid structure (602). Both coatings are 30 mm thick. In the coating comprising only one solid structure, the spacing between the filaments is 670 ⁇ m and their thickness is 200 ⁇ m. The folded cavity of this liner has a revolution of 1.

Landscapes

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Abstract

Revêtement de traitement acoustique comprenant un métamatériau (201), caractérisé en ce que le métamatériau comprend une structure solide (210) comprenant au moins un espace libre (211, 212, 213) formant une cavité repliée et au moins un matériau poreux placé dans ledit espace libre de la structure solide.

Description

Description
Titre de l'invention : REVETEMENT DE TRAITEMENT ACOUSTIQUE COMPRENANT UN METAPOREUX ORDONNE REPLIE
Domaine Technique
La présente invention se rapporte au domaine général des traitements acoustiques pour absorber du bruit, et plus particulièrement des traitements acoustiques comprenant des matériaux poreux pour absorber le bruit.
Technique antérieure
Afin d'absorber le bruit sur de larges plages de fréquences acoustiques dans les moteurs, et notamment au niveau des soufflantes d'avion, des matériaux poreux sont utilisés. La limite en basses fréquences d'absorption du bruit de ces matériaux poreux est liée à leur épaisseur. Cela devient assez contraignant lorsque des basses fréquences doivent être absorbées. De plus, une absorption importante du bruit n'est possible qu'au-dessus de la fréquence de transition visco-inertielle du matériau poreux qui travaillera alors en régime inertiel. Cette fréquence de transition dépend de la microstructure du matériau poreux.
Les nouvelles architectures moteurs présentent des soufflantes tournant à des vitesses faibles, ce qui réduit les fréquences acoustiques du spectre à atténuer. En effet, une réduction de la vitesse de rotation de la soufflante implique une réduction de la fréquence de passage des pales de la soufflante (BPF, « Blade Passing Frequency »), qui est définie par BPFn = nBQ/60, où n est l'harmonique de la fréquence BPF, B est le nombre de pales de la soufflante et Q est la vitesse de rotation de la soufflante.
La fréquence minimale d'absorption parfaite est habituellement atteinte lorsque l'épaisseur du matériau poreux est environ égale à un quart de la longueur d'onde acoustique. Ceci a pour conséquence directe de nécessiter des traitements acoustiques à base de matériaux poreux beaucoup trop volumineux et donc incompatibles avec l'espace disponible dans les nacelles minces des nouvelles générations de moteurs d'avion.
Il est donc souhaitable de disposer d'un revêtement de traitement acoustique capable d'absorber les basses fréquences tout en restant peu encombrant et relativement mince.
Exposé de l'invention
L'invention concerne un revêtement de traitement acoustique comprenant un métamatériau, caractérisé en ce que le métamatériau comprend une structure solide comprenant au moins un espace libre formant une cavité repliée et au moins un matériau poreux placé dans ledit espace libre de la structure solide.
En utilisant une structure solide dans laquelle on place au moins un matériau poreux dans un espace libre formant une cavité repliée, délimitée par exemple par une forme d'hélicoïde, on peut augmenter la longueur de matériau poreux au sein du revêtement. Ainsi une onde sonore traversant le revêtement de l'invention parcourt une distance effective à l'intérieur du matériau poreux plus importante que l'épaisseur réelle du revêtement. Cela permet d'atténuer efficacement des fréquences acoustiques. Ainsi, lorsque par exemple l'espace libre est délimité par une forme d'hélicoïde, plus le nombre de révolution de l'hélicoïde est élevé, plus la distance effective est importante et plus il est possible d'atteindre l'absorption parfaite à une fréquence basse. De plus, comme le volume du métamatériau est fixe, la surface de matériau poreux traversée par l'onde acoustique est d'autant plus faible que le nombre de révolution de l'hélicoïde est élevé. Cela se traduit par des pics d'absorption de plus en plus fins.
Selon une caractéristique particulière de l'invention, la cavité repliée est délimitée par une hélicoïde.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, le métamatériau est réalisé par fabrication additive.
L'intérêt d'utiliser la fabrication additive pour former le métamatériau, en particulier la structure solide est de pouvoir adapter précisément la géométrie de la structure solide (nombre d'espaces libres, nombre de cavités repliées, etc...) aux fréquences que l'on souhaite atténuer.
Selon des caractéristiques particulières de l'invention, la structure solide est réalisée en :
- un matériau polymère, comme par exemple les matériaux thermoplastiques PEEK (Poly Ether Ether Keton), ou les polyimides thermoplastiques PEI (Poly Ether Imide, qui offrent l'avantage de bien s'extruder et de disposer de propriétés accrues (tenue mécanique, résistance au feu, tenue en température, etc...) ; ou
- un mélange de PEEK et de PEI pouvant être renforcé par des fibres de carbone ou des fibres céramiques (en carbure de silicium par exemple) pour accroître les performances mécaniques de la structure ; ou
- un matériau thermoplastique, tel que le nylon, l'ABS ou le polymère PLA, pouvant être renforcé ou non avec des fibres (fibres de carbone, fibres de verre ou fibres de Kevlar par exemple) ou encore avec des poudres afin d'accroître la résistance de la structure ; ou
- un matériau thermodurcissable constitué d'une base polymère et d'un agent de réticulation incluant possiblement des billes de verres ou encore de la silice pour améliorer les propriétés d'abradabilité et d'érosion ; ou plus largement en
- un matériau métallique en alliage de titane, comme le Ti6A4IAV ; ou
- un matériau métallique à base d'alliage nickel-chrome (Inco718), d'alliage de nickel-chrome-fer-molybdène (Hastelloy X) ou encore à base d'alliage de nickel (René 77) ; ou
- un matériau métallique à base de céramique pour accroître la résistance à la chaleur et à la corrosion ; ou en
- un matériau métallique en alliage d'aluminium. Plus généralement, la structure solide peut être réalisée en n'importe quel matériau pouvant être imprimé en trois dimensions par les différents procédés de fabrication additive connus.
Selon un mode de réalisation de l'invention, chaque matériau poreux comprend des couches de filaments superposées les unes sur les autres.
L'avantage d'utiliser un tel matériau poreux est de pouvoir adapter précisément la géométrie du matériau poreux (diamètre des filaments, épaisseur entre chaque couche, taille des pores, etc ...) aux fréquences à atténuer et ainsi d'optimiser le traitement acoustique. Par exemple, l'épaisseur effective du matériau poreux gouverne les fréquences des pics d'absorption tandis que la géométrie des pores influence ces fréquences et gouverne les niveaux d'absorption correspondants. Par exemple, plus le diamètre des filaments est faible, plus les pics d'absorption sont larges et plus les pores sont de petite taille, plus les pertes sont élevées.
Avec la fabrication additive, il est également aisé d'adapter la géométrie des filaments et des couches formant le matériau poreux.
La fabrication additive permet également de réaliser simultanément la structure solide et le matériau poreux, ce qui permet de faciliter le placement du matériau poreux au sein des espaces libres de la structure solide.
Selon une caractéristique particulière de l'invention, chaque matériau poreux est réalisé à partir de mousses ou feutres, ou à partir de matériaux stochastiques ou de tout matériau poreux dont la microstructure est contrôlable.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, la structure solide comprend entre 2 et 6 espaces libres, chaque espace libre formant une cavité repliée. La cavité repliée est par exemple délimitée par au moins une hélicoïde.
On peut assembler plusieurs matériaux poreux repliés en parallèle ayant différentes propriétés (épaisseur effective, structure du matériau poreux), soit en utilisant plusieurs espaces libres d'une structure solide, soit en assemblant plusieurs structures solides.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, une section de la structure solide est de forme circulaire, triangulaire, hexagonale ou rectangulaire. Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, une épaisseur du métamatériau est comprise entre 5 mm et 500 mm. Elle est, par exemple, comprise entre 15 mm et 150 mm.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, les cavités repliées formées par les espaces vides de la structure solide sont identiques.
Selon un mode de réalisation de l'invention, au moins une cavité repliée de la structure solide présente une longueur différente des autres cavités. On parle dans ce cas d'un désaccordage interne. Cela peut, par exemple, être réalisé par désaccordage externe en assemblant plusieurs structures solides ayant un nombre de révolutions des hélicoïdes différent entre les structures solides si les cavités repliées sont délimitées par des hélicoïdes. On peut également les réaliser par désaccordage interne en assemblant plusieurs fois la même structure solide, mais dont les cavités repliées sont interrompues avant d'atteindre le fond du traitement.
En ayant des dimensions différentes entre les cavités repliées, on peut alors avoir des matériaux poreux dans les espaces libres de différentes dimensions (épaisseur effective, structure du matériau poreux). En ayant des dimensions différentes, on va pouvoir cibler des fréquences acoustiques particulières à atténuer et ainsi élargir la bande de fréquence d'atténuation.
Un autre objet de l'invention est une soufflante de turbomachine comprenant un revêtement de traitement acoustique selon l'invention.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif.
[Fig. 1] La figure 1 représente, de manière schématique et partielle, une coupe de turbomachine comprenant un revêtement acoustique selon un mode de réalisation de l'invention. [Fig. 2A] La figure 2A représente, de manière schématique et partielle, une vue en perspective d'un métamatériau du revêtement de traitement acoustique selon un mode de réalisation de l'invention.
[Fig. 2B] La figure 2B représente, de manière schématique et partielle, une vue en perspective d'un métamatériau du revêtement de traitement acoustique selon un autre mode de réalisation de l'invention.
[Fig. 2C] La figure 2C représente, de manière schématique et partielle, une vue en perspective d'un métamatériau du revêtement de traitement acoustique selon un autre mode de réalisation de l'invention.
[Fig. 3] La figure 3 représente, de manière schématique et partielle, des matériaux poreux du revêtement de traitement acoustique selon plusieurs modes de réalisation.
[Fig. 4] La figure 4 représente l'absorption en fonction de la fréquence acoustique d'un revêtement de traitement acoustique comprenant un métamatériau selon un mode de réalisation de l'invention et d'un revêtement de traitement acoustique comprenant uniquement un matériau poreux droit (non replié).
[Fig. 5] La figure 5 représente l'absorption en fonction de la fréquence acoustique de revêtements de traitement acoustique selon plusieurs modes de réalisation de l'invention.
[Fig. 6] La figure 6 représente, de manière schématique et partielle, un matériau poreux du revêtement de traitement acoustique selon un mode de réalisation, ainsi que son absorption en fonction de la fréquence acoustique.
Description des modes de réalisation
La figure 1 représente, de manière schématique et partielle, une coupe de turbomachine 100. La turbomachine 100 comprend une soufflante 120 et une nacelle mince 130. Un revêtement de traitement acoustique 110 selon un mode de réalisation de l'invention est présent sur une partie de la nacelle 130. Le revêtement 110 permet d'absorber les fréquences basses, par exemple entre 1000 Hz et 2000 Hz, tout en ayant une épaisseur relativement faible, l'épaisseur du métamatériau compris dans le revêtement étant comprise entre 5 mm et 500 mm, et plus particulièrement entre 15 mm et 150 mm.
Les figures 2A, 2B et 2C présentent, de manière schématique et partielle, une vue en perspective d'un métamatériau du revêtement acoustique selon plusieurs modes de réalisation de l'invention.
Sur la figure 2A, le métamatériau 201 comprend une structure solide 210 et trois espaces libres 211, 212 et 213. Chaque espace libre 211, 212 et 213 est formé par des hélicoïdes à 0,75 révolution 241, 242 et 243. Le métamatériau 201 a une section de forme hexagonale, et les espaces libres 211, 212 et 213 sont identiques.
Sur la figure 2B, le métamatériau 202 comprend une structure solide 220 et six espaces libres 221, 222, 223, 224, 225 et 226. Chaque espace libre 221 à 226 est formé par des hélicoïdes à une révolution. Le métamatériau 202 a une section de forme hexagonale, et les espaces libres 221 à 226 formés par les hélicoïdes sont identiques.
Sur la figure 2C, le métamatériau 203 comprend une structure solide 230 et quatre espaces libres 231, 232, 233 et 234. Chaque espace libre 231, 232, 233 et 234 est formé par des hélicoïdes à 0,75 révolution. Le métamatériau 203 a une section de forme carrée, et les espaces libres 231 à 234 sont identiques.
Plus généralement, le nombre de révolutions des hélicoïdes formant les espaces libres de la structure solide peut varier entre 0,1 et 100.
Chaque métamatériau 201, 202 et 203 comprend également un matériau poreux placé dans chaque espace libre 211 à 213, 221 à 226 et 231 à 234 des métamatériaux 201 à 203.
Quel que soit le mode de réalisation, la structure solide peut être réalisée en : un matériau polymère, comme par exemple les matériaux thermoplastiques PEEK (Poly Ether Ether Keton), ou les polyimides thermoplastiques PEI (Poly Ether Imide, qui offrent l'avantage de bien s'extruder et de disposer de propriétés accrues (tenue mécanique, résistance au feu, tenue en température, etc...) ; ou
- un mélange de PEEK et de PEI pouvant être renforcé par des fibres de carbone ou des fibres céramiques (en carbure de silicium par exemple) pour accroître les performances mécaniques de la structure ; ou
- un matériau thermoplastique, tel que le nylon, l'ABS ou le polymère PLA, pouvant être renforcé ou non avec des fibres (fibres de carbone, fibres de verre ou fibres de Kevlar par exemple) ou encore avec des poudres afin d'accroître la résistance de la structure ; ou
- un matériau thermodurcissable constitué d'une base polymère et d'un agent de réticulation incluant possiblement des billes de verres ou encore de la silice pour améliorer les propriétés d'abradabilité et d'érosion ; ou plus largement en
- un matériau métallique en alliage de titane, comme le Ti6A4IAV ; ou
- un matériau métallique à base d'alliage nickel-chrome (Inco718), d'alliage de nickel-chrome-fer-molybdène (Hastelloy X) ou encore à base d'alliage de nickel (René 77) ; ou
- un matériau métallique à base de céramique pour accroître la résistance à la chaleur et à la corrosion ; ou en
- un matériau métallique en alliage d'aluminium.
Le matériau formant la structure solide peut également être un matériau abradable ou poreux.
Quel que soit le mode de réalisation, la structure solide peut être réalisée par fabrication additive. Cela permet de facilement adapter les dimensions de la structure solide, comme par exemple la forme de la section de la structure et des espaces libres, le nombre d'espaces libres, ou encore le nombre de cavités repliées, aux performances souhaitées du traitement acoustique. Quel que soit le mode de réalisation, le matériau poreux compris dans les métamatériaux peut comprendre des couches de filaments superposées les unes sur les autres.
Quel que soit le mode de réalisation, le matériau poreux peut également être une mousse ou un feutre, ou un matériau stochastique (cellulaire) ou tout autre matériau poreux dont la microstructure est contrôlable. Par exemple, cela peut être un matériau poreux constitué de micro-canaux, ou un matériau poreux fibreux, ou un matériau poreux cellulaire, comme une mousse avec des pores connectés, ou encore un matériau poreux granulaire, comme une poudre.
La figure 3 représente des exemples de matériaux poreux 301, 302, 303 et 304 comprenant des couches de filaments selon plusieurs modes de réalisation de l'invention.
Le matériau poreux 301 comprend des filaments 311 à 317 formant deux couches superposées l'une sur l'autre. Les filaments 311 à 317 ont une section circulaire. L'angle formé entre deux filaments de deux couches adjacentes, par exemple entre les filaments 311 et 317, est de 90°.
Le matériau poreux 302 comprend des filaments 321 à 327 formant deux couches superposées l'une sur l'autre. Les filaments 321 à 327 ont une section carrée.
L'angle formé entre deux filaments de deux couches adjacentes, par exemple entre les filaments 321 et 327, est de 90°.
Le matériau poreux 303 comprend des filaments 331 à 337 formant deux couches superposées l'une sur l'autre. Les filaments 331 à 337 ont une section triangulaire. L'angle a formé entre deux filaments de deux couches adjacentes, par exemple entre les filaments 333 et 337, est supérieur à 90°.
Le matériau poreux 304 comprend des filaments 341 à 352 formant trois couches superposées les unes sur les autres. Les filaments 341 à 352 sont disposés par paire et ont une section circulaire. L'angle a formé entre deux paires de filaments de deux couches adjacentes, par exemple entre la paire de filaments 341, 342 et la paire de filaments 343, 344 est de 90°. Plus généralement, les filaments formant les couches superposées du matériau poreux peuvent avoir une section de forme triangulaire, hexagonale, rectangulaire, carrée, circulaire, en étoile ou de forme quelconque.
De plus, le diamètre ou une longueur caractéristique des filaments peur varier entre 1 pm et 2000 pm.
Un espacement L entre les filaments peut varier entre 1 pm et 10 mm.
La hauteur du matériau poreux, c'est-à-dire la superposition des couches de filaments, peut varier entre 5 mm et 50 cm. Typiquement, la hauteur entre les couches de filaments formant le matériau poreux peut varier entre 0,1 et 100 fois le diamètre du filament.
L'angle a formé entre deux filaments de deux couches adjacentes peut varier entre 0° et 180 °.
Quel que soit le mode de réalisation, les couches de filaments peuvent être réalisées par fabrication additive. Cela permet notamment d'adapter précisément les dimensions des filaments et des couches du matériau poreux aux plages de fréquences que l'on souhaite absorber et aux performances souhaitées du traitement acoustique. Par ailleurs, les couches de filaments du matériau poreux et la structure solide peuvent être réalisées simultanément grâce à la fabrication additive.
La figure 4 représente l'absorption A en incidence normale en fonction de la fréquence acoustique f d'un revêtement de traitement acoustique comprenant un métamatériau selon un mode de réalisation de l'invention et d'un revêtement de traitement acoustique comprenant uniquement un matériau poreux. Le métamatériau selon l'invention est composé d'un seul type de matériau poreux replié, il n'y a pas de désaccordage. La fréquence acoustique f est exprimée en Hertz et varie entre 0 et 6000 Hz.
La courbe 401 représente l'absorption A d'un revêtement ne comprenant qu'un matériau poreux droit homogène. Il n'y a donc pas de cavité repliée. Ce matériau poreux comprend des couches de filaments superposées les unes sur les autres. Le diamètre D des filaments est de 200 pm. L'espacement L entre le centre des filaments est de 670 pm. L'épaisseur du revêtement est de 30 mm. La courbe 402 représente l'absorption A du revêtement selon un mode de réalisation de l'invention. Le métamatériau de l'invention comprend un matériau poreux comprenant des couches de filaments superposées les unes sur les autres. Le diamètre D des filaments est de 200 pm et l'espacement L entre le centre des filaments est de 400 pm. Les hélicoïdes formant les espaces libres de la structure solide ont un nombre de révolutions de 1. Le métamatériau a une épaisseur de 30 mm.
La comparaison des courbes 401 et 402 permet de montrer que le revêtement selon l'invention permet bien d'absorber des fréquences plus basses qu'avec un revêtement classique comprenant seulement un matériau poreux droit homogène. Cette comparaison permet également de montrer que le revêtement selon l'invention engendre un affinement des pics d'absorption.
La figure 5 représente l'absorption A en fonction de la fréquence acoustique f de deux revêtements de traitement acoustique selon des modes de réalisation de l'invention. La fréquence acoustique f est exprimée en Hertz et varie entre 0 et 6000 Hz.
La courbe 501 représente l'absorption A d'un revêtement de l'invention dans lequel le matériau poreux comprend des couches de filaments superposées les unes sur les autres, les filaments ayant un diamètre de 400 pm. Les espaces libres du métamatériau du revêtement sont formés par des hélicoïdes ayant 1 révolution. L'espacement entre les filaments est de 670 pm.
La courbe 502 représente l'absorption A d'un revêtement de l'invention dans lequel le matériau poreux comprend des couches de filaments superposées les unes sur les autres, les filaments ayant un diamètre de 200 pm. Les espaces libres du métamatériau du revêtement sont formés par des hélicoïdes ayant 1 révolution. L'espacement entre les filaments est de 1000 pm.
Pour chacune des courbes 501 et 502, le revêtement présente une épaisseur de 30 mm. La comparaison des deux courbes 501 et 502 montre qu'en diminuant le diamètre des filaments tout en gardant constant le nombre de révolution des hélicoïdes, on peut élargir les pics d'absorption autour des maxima locaux.
Selon un autre mode de réalisation, les espaces libres du métamatériau selon l'invention peuvent également présenter des dimensions différentes. Pour cela, on peut, par exemple, faire varier la longueur des hélicoïdes formant les espaces libres. En combinant plusieurs longueurs de cavités repliées, on combiner les pics d'absorption à des fréquences voisines et on obtient ainsi un revêtement capable d'absorber le bruit efficacement (absorption A proche de 1) sur une large plage de fréquence. Le matériau poreux compris dans chacun de ces espaces libres est également adapté pour ajuster ses pertes et pouvoir atténuer les fréquences ciblées. Le revêtement comprend donc des espaces libres accordés chacun sur une fréquence particulière.
La figure 6 représente un exemple de ce type de revêtement (figure 6A) ainsi que l'absorption A de ce revêtement en fonction de la fréquence acoustique f (courbe 601, figure 6B). Le métamatériau 600 du revêtement comprend 4 structures solides 610, 620, 630 et 640. Chacune des structures solides 610, 620, 630 et 640 comprend des cavités repliées ayant un nombre de révolution différent. Les filaments formant les matériaux poreux présents dans les cavités repliées ont une épaisseur de 200 pm.
L'absorption A de ce revêtement 600 (courbe 601) est comparée à l'absorption A d'un revêtement ne comprenant qu'une seule structure solide (602). Les deux revêtements ont une épaisseur de 30 mm. Dans le revêtement ne comprenant qu'une seule structure solide, l'espacement entre les filaments est de 670 pm et leur épaisseur est de 200 pm. La cavité repliée de ce revêtement a une révolution de 1.
En comparant les courbes 601 et 602, on constate bien que le revêtement avec le métamatériau 600 présente une absorption A proche de 1 sur une large plage de fréquence entre 100 Hz et 2500 Hz, tandis que le revêtement à une seule structure solide présente un pic d'absorption A de 1 uniquement à 100 Hz. L'expression « compris(e) entre ... et ... » doit se comprendre comme incluant les bornes.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Revêtement (110) de traitement acoustique comprenant un métamatériau (201, 202, 203, 600), caractérisé en ce que le métamatériau comprend une structure solide (210, 220, 230, 610, 620, 630, 640) comprenant au moins un espace libre (211 à 213, 221 à 226, 231 à 234) formant une cavité repliée et au moins un matériau poreux (301, 302, 303, 304) placé dans ledit espace libre de la structure solide.
[Revendication 2] Revêtement de traitement acoustique selon la revendication 1, dans lequel la cavité repliée est délimitée par une hélicoïde.
[Revendication 3] Revêtement de traitement acoustique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le métamatériau est réalisé par fabrication additive.
[Revendication 4] Revêtement de traitement acoustique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel chaque matériau poreux (301, 302, 303, 304) comprend des couches de filaments (311 à 317, 321 à 327, 331 à 337, 341 à 352) superposées les unes sur les autres.
[Revendication 5] Revêtement de traitement acoustique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la structure solide comprend entre 2 et 6 espaces libres, chaque espace libre formant une cavité repliée.
[Revendication 6] Revêtement de traitement acoustique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel une section de la structure solide est de forme circulaire, triangulaire, hexagonale ou rectangulaire.
[Revendication 7] Revêtement de traitement acoustique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel une épaisseur du métamatériau est comprise entre 5 mm et 500 mm.
[Revendication 8] Revêtement de traitement acoustique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les cavités repliées formées par les espaces libres de la structure solide sont identiques.
[Revendication 9] Revêtement de traitement acoustique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel au moins une cavité repliée (630) de la structure solide présente une longueur différente des autres cavités repliées (610, 620, 640).
[Revendication 10] Soufflante (120) de turbomachine (100) comprenant un revêtement de traitement acoustique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
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