EP4334931A2 - Meta-materiau acoustique et procede pour sa fabrication additive - Google Patents

Meta-materiau acoustique et procede pour sa fabrication additive

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EP4334931A2
EP4334931A2 EP22729251.3A EP22729251A EP4334931A2 EP 4334931 A2 EP4334931 A2 EP 4334931A2 EP 22729251 A EP22729251 A EP 22729251A EP 4334931 A2 EP4334931 A2 EP 4334931A2
Authority
EP
European Patent Office
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channels
acoustic
meta
manufacturing process
acoustic meta
Prior art date
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Pending
Application number
EP22729251.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Josué COSTA BAPTISTA
Edith-Roland FOTSING
Annie ROSS
Jacky Novi Mardjono
Jean Boulvert
Daniel Therriault
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
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Filing date
Publication date
Priority claimed from CA3117015A external-priority patent/CA3117015A1/fr
Priority claimed from CA3117010A external-priority patent/CA3117010A1/fr
Application filed by Safran Aircraft Engines SAS, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Le Mans Universite filed Critical Safran Aircraft Engines SAS
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    • F05D2260/963—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise by Helmholtz resonators

Definitions

  • the present invention relates to the field of acoustic meta-materials, as well as that of their manufacture.
  • Acoustic absorbers have a wide range of applications. These include in particular aeronautics, where such elements are used to at least partially absorb the noise generated by aircraft engines and thus reduce its transmission to the external environment.
  • turbofans are most common aviation engines.
  • a turbofan engine comprises a fan and a gas generator incorporating at least a compressor, a combustion chamber, a turbine and a nozzle.
  • the total noise produced by such a turbofan engine can therefore include jet, combustion, fan, compressor and turbine noise.
  • the most dominant noise is usually that emitted by the blower, which can span a wide frequency band, as shown in Fig. 16, with tonal components corresponding to the passing frequencies of the fan blades.
  • turbofan engines In order to increase the energy efficiency of turbofan engines, the general trend is to increase their bypass ratio, i.e. the proportion of the air flow impelled by the fan compared to that used to the combustion in the gas generator, and therefore the diameter of the fan. As a result, the fans of the latest generations of turbofan engines tend to rotate more slowly, and therefore emit noise at lower frequencies.
  • bypass ratio i.e. the proportion of the air flow impelled by the fan compared to that used to the combustion in the gas generator, and therefore the diameter of the fan.
  • acoustic absorbers such as honeycomb sandwich panels.
  • each cell of the honeycomb can function as a Helmholtz resonator to reduce noise.
  • the frequency range of acoustic attenuation of such absorbers is limited and, to be effective at low frequencies, they must be particularly bulky, which is all the more penalizing since the surface to be covered can be very large for turbojets with double flow and very high dilution rate.
  • porous materials As an alternative to honeycomb sandwich panels, it has therefore been proposed to use porous materials, the individual pores of which act as Helmholtz resonators.
  • most of the porous materials available have too low a mechanical strength, while the most resistant, such as for example the metallic material disclosed in US 7,963,364 B2, are excessively heavy.
  • they provide significant attenuation only at resonant frequencies and do not absorb noise over a wide frequency range.
  • Acoustic meta-materials with several layers superimposed in the direction of the thickness, produced by additive manufacturing, have been proposed in the French patent application publication FR 1 761 722, as well as by Guild, M. D., Rohde, C., Rothko, M. C., & Sieck, C. F. in “3D printed acoustic metamaterial Sound absorbers using functionally-graded sonie crystals”, Proceedings of Euronoise (2016).
  • Acoustic meta-material can be understood as a periodically structured medium whose periodically repeated constituent units collectively affect the passage of acoustic waves.
  • each superposed layer can present a lattice with a different periodicity, so as to widen its frequency range of attenuation frequencies.
  • the present disclosure aims to propose, in a first aspect, an acoustic meta-material combining a high level of acoustic absorption with good mechanical resistance, including to abrasion.
  • This acoustic meta-material may comprise a plurality of channels each having the same cross section with a hydraulic radius between 5 and 300 ⁇ m, these channels being arranged with a periodic spacing between adjacent channels between 2 and 600 ⁇ m.
  • highly dense array of acoustic micro-channels capable of providing optimum acoustic absorption and/or impedance over a wide frequency band, with maximum absorptions at least at certain low frequencies such as those dominant in the emission spectrum of twin turbojet fans fluxes at high and very high dilution rates.
  • the channels can have a substantially polygonal cross-section, for example triangular, square, rectangular or hexagonal.
  • substantially polygonal is meant that the corners of the cross section may be rounded as a result of manufacturing constraints.
  • the cross-section can however also be substantially round or oval.
  • substantially round or oval is meant that the contour of the cross section may also have flats also because of manufacturing constraints.
  • the acoustic metamaterial may comprise several pluralities of channels, each plurality of channels having a cross section and/or a periodic spacing of the channels that are different.
  • these different pluralities of channels can be arranged in directly adjacent layers in a direction of the thickness of the metamaterial, such that the acoustic metamaterial comprises several layers stacked in the direction of the thickness, each layer comprising a plurality of channels having a different cross-section and/or periodic spacing of the channels. It is nevertheless also possible to vary the cross-section and/or the spacing of the channels in a plane perpendicular to the direction of the thickness of the meta-material.
  • one or more of the channels may be inclined with respect to a direction of thickness of the meta-material, and in particular be helical. They can, alternatively or in addition, be bent in order also to increase their length.
  • a second aspect of the present invention relates to a method of additive manufacturing of the acoustic meta-material of the first aspect.
  • This additive manufacturing process may comprise several consecutive steps of depositing material to form, in each step, a stratum comprising a plurality of periodically repeated cells, separated by walls. Strata deposited in consecutive stages of material deposition can be stacked with their respective cells aligned so as to form the channels.
  • the material used in the method according to this second aspect may comprise a thermoplastic polymer, and the deposition then be carried out by deposition of molten wire in order to allow the manufacture of sufficiently fine structures.
  • the material used in this method could comprise a thermosetting resin, and the deposition of material then be carried out, analogously to the deposition of molten wire, by extrusion of this thermosetting resin.
  • the material used in this process can also comprise, apart from the thermoplastic polymer or the thermosetting resin, solid particles in suspension, such as in particular fibers, and more particularly carbon fibers.
  • solid particles such as, in particular, nanoparticles or microbeads, in particular made of silica, can also be envisaged. Thanks to these solid particles, the acoustic meta-material will be able to present a high mechanical and thermal resistance, as well as abradability properties.
  • a third aspect of the present disclosure relates to another process for manufacturing an acoustic meta-material that also combines a high level of sound absorption with good mechanical resistance, including to abrasion.
  • a mold can be produced by depositing a plurality of stacked strata which can each comprise a plurality of periodically repeated cells, separated by walls, the cells of the plurality of stacked strata can be aligned to form channels.
  • the channels can be filled with a fluid material, which can then be solidified before removal from the mould.
  • a meta-material comprising a highly dense periodic arrangement of columns which can also offer optimum acoustic absorption and/or impedance over a wide band of frequencies, with maximum absorptions at least at certain low frequencies such as those dominant in the emission spectrum of turbofan fans with high and very high bypass ratios.
  • the hollow cells can in particular have a hydraulic radius between 5 and 300 ⁇ m, so as to obtain columns of corresponding width in the acoustic meta-material, while the walls can have a minimum width of between 2 ⁇ m and 600 ⁇ m to obtain thus a corresponding lateral gap between the columns. With these dimensions, it is possible to obtain sonic crystals with optimum acoustic absorption and impedance over wide frequency ranges including the dominant frequencies in the emission spectrum of high and very high bypass ratio turbofan jet engine fans. .
  • the mold channels can have a length of between 1 and 150 mm, so as to obtain columns of corresponding height.
  • the acoustic meta-material obtained by this process may have a thickness barely greater than this length, thus facilitating its integration, in particular in and around an aviation engine.
  • the cells can be substantially polygonal, round or oval, so as to obtain columns of equivalent cross-section in the resulting acoustic meta-material. It is also possible to combine cells of different shapes in the same mould, or even in the same stratum of the mould.
  • a shape and/or size of cells of different strata, among the stacked strata may be different, so as to vary the cross-section of the channels, and therefore of the columns, over their length, in order in particular to optimize the acoustic response of the acoustic metamaterial to several frequency bands.
  • the mold can also comprise one or more lateral ducts between the channels, so as to form, when they are filled with the fluid material and the solidification of the latter, spacers and other lateral reinforcements between the columns of the acoustic meta-material.
  • the latter may be made of a water-soluble material comprising, for example, a polyvinyl alcohol (PVA), a copolymer of butanediol and vinyl alcohol (BVOH), or a polylactic acid (PLA).
  • PVA polyvinyl alcohol
  • BVOH butanediol and vinyl alcohol
  • PLA polylactic acid
  • the additive manufacturing of the mold can be carried out by deposition of a wire of extruded material, and in particular by a method of depositing molten wire.
  • the material used to manufacture the mold can therefore comprise a thermoplastic polymer, but a thermosetting resin can also be envisaged.
  • the fluid material used in the step of filling the mold can comprise a resin, such as for example an epoxy resin, and the step of solidifying the material of the mold then comprises a polymerization of the resin.
  • This polymerization can be activated and/or accelerated thermally, although other means of activation, for example by ultraviolet light, are also possible.
  • a molten thermoplastic polymer as a fluid material in the filling step.
  • the fluid material may comprise solid particles in suspension, such as in particular silica microbeads or nanoparticles, or fibers, and in particular carbon fibers.
  • a fourth aspect of this disclosure pertains to the acoustic metamaterial fabricated by the fabrication method of the third aspect and having a plurality of columns extending from a common base.
  • a fifth aspect of this disclosure relates to a turbomachine, in particular a gas turbine engine such as a turbofan engine, comprising the acoustic meta-material of the first aspect or of the fourth aspect, as an acoustic absorber.
  • the acoustic meta-material could be integrated into a wall delimiting a fan air stream and/or into a gas generator casing.
  • - Figure 2 is a cutaway view in thickness of a first acoustic meta-material suitable for use as an acoustic absorber in the turbofan engine of Figure 1
  • - Figures 3A to 3G are cross-sectional views, along plan III-III, of different possible alternative shapes of the channels of the meta-material of figure 2
  • FIG. 4 is a graph illustrating the acoustic absorption coefficient as a function of frequency, for several acoustic meta-materials with channels having different shapes and widths,
  • FIG. 5 is a sectional view in thickness of an alternative embodiment of the acoustic meta-material, with channels of different widths on different layers of the acoustic meta-material,
  • FIG. 6 is a graph illustrating the acoustic absorption coefficient as a function of frequency, for several examples of multilayer acoustic meta-material,
  • FIGS. 7A, 7B and 7C are sectional views in thickness of several other alternative embodiments of the acoustic meta-material
  • FIG. 8 illustrates a device for implementing an additive manufacturing process
  • FIGS. 9A and 9B illustrate two alternative material deposition paths for the manufacture of a stratum
  • FIG. 10 is a perspective view of a second acoustic meta-material suitable for use as an acoustic absorber in the turbofan engine of FIG. 1, FIGS.
  • FIG. 10 is a graph illustrating the acoustic absorption coefficient as a function of frequency, for several acoustic meta-materials with channels having different shapes and widths
  • figure 13 is a view in cross-section of an alternative embodiment of the second acoustic meta-material, with columns of different widths on different layers of the acoustic meta-material
  • the Figure 14 is a sectional view in thickness of another alternative embodiment of the second acoustic meta-material, with spacers laterally connecting the columns of the acoustic meta-material
  • Figure 15 illustrates a step of filling the mold of the second meta -acoustic material
  • FIG. 16 is a graph illustrating the intensity of the noise emitted by a turbofan engine as a function of frequency.
  • FIG. 1 schematically illustrates a turbomachine 1, more specifically a turbofan engine.
  • this turbofan engine may include a fan 2, a low pressure compressor 3, a high pressure compressor 4, a combustion chamber 5, a high pressure turbine 6, a low pressure turbine 7 and a nozzle 8.
  • the assembly can be surrounded by a nacelle 9.
  • the compressors 3.4, the chamber of combustion 5 and the turbines 6, 7 together form the gas generator 10, which may itself be surrounded by a shroud 11 terminating in the nozzle 8.
  • an air stream 12 of the fan 2 may be defined between the fairing 11 of the gas generator 10 and an internal wall 13 of the nacelle 9.
  • the high pressure turbine 6 can be connected to the high pressure compressor 4 by a first rotary shaft 14 for driving the latter, while the low pressure turbine 7 can be connected to the fan 2 and to the low pressure compressor 3 by a second rotary shaft 15 coaxial with the first rotary shaft 14, in an analogous manner.
  • a reduction gear 16 can be mechanically interposed between the second rotary shaft 15 and the fan 2, in order to reduce the speed of rotation of the fan 2 and prevent the blade tips fan 2 reach excessive speeds.
  • noise absorbers 17 can be integrated into the internal wall 13 of the nacelle 9, in particular upstream and downstream of the blades of the fan 2. As illustrated, it is also possible to integrate noise absorbers 17 in the fairing 11 of the gas generator 10, or even in the casing of the latter.
  • the sound absorbers 17 are formed by honeycomb sandwich panels.
  • these panels can represent a significant penalty in terms of mass and size.
  • Figures 2 to 3G illustrate several embodiments of a noise absorber 17 formed by an acoustic meta-material 100 that can effectively replace the honeycomb sandwich panel noise absorbers, with less weight and bulk, and even be arranged directly opposite the blades of the fan 2 as an abradable material 18.
  • this acoustic meta-material 100 can comprise a plurality of channels 101, of high density and arranged periodically and extending from an exposed surface 102 of the meta-material 100 to its base 103.
  • the channels 101 can be separated from each other by walls 104.
  • each channel 101 may have a substantially square outline.
  • substantially polygonal shapes such as for example substantially rectangular, diamond-shaped, triangular or hexagonal shapes are also possible, as illustrated respectively in FIGS. 3B, 3C, 3D and 3E.
  • Non-polygonal shapes such as for example substantially round or oval shapes, can also be envisaged, as illustrated respectively in FIGS. 3F and 3G.
  • each channel 101 can have a hydraulic radius r h of, for example, between 5 ⁇ m and 300 ⁇ m, which, for channels 101 with a square or round section, corresponds to a width W between 10 ⁇ m and 600 ⁇ m, although a shape factor may be applied to account for the edge effects of channels of differently shaped cross sections. Spacing periodic t between adjacent channels 101 can be for example between 2 ⁇ m and 600 ⁇ m.
  • FIG. 4 illustrates the absorption coefficient a [ ALPHA] as a function of the acoustic frequency f for examples of acoustic meta-materials 100 with different values of width W and periodic spacing t of the channels 101.
  • the curves 401, 402, 403 and 404 correspond to meta- acoustic materials 100 with substantially square channels 101 with widths W and periodic spacings t of, respectively, 133 and 2 ⁇ m, 175 and 50 ⁇ m, 215 and 100 ⁇ m, and 265 and 155 ⁇ m.
  • the maximum absorption coefficient is close to one, and corresponds to substantially the same frequency f between 2000 and 3000 Hz for the different values of W and t, the frequency band of absorption widens. with a decrease in W and t.
  • the meta-material 100 In order to widen the sound absorption range of the meta-material 100, it is possible to combine pluralities of channels 101 with different periodic spacings and/or cross-sections of different shapes and sizes in the same meta-material 100. Thus, it is possible to envisage that the meta-material 100 comprises several superimposed layers in a direction of the thickness, the channels 101 having a different cross-section and/or a different spacing per layer. It is even possible to include therein layers with different functionalities than sound absorption, and therefore not comprising regularly spaced channels or having the claimed dimensions.
  • the channels of the different layers can be aligned and the mesh pitch, that is to say the sum of the width W and the spacing t, corresponding to each layer be an integer multiple of the minimum mesh pitch among the different layers.
  • the mesh pitch of each layer can be 2 n times the minimum mesh pitch among the different layers, where n is an integer.
  • FIG. 5 illustrates a first example of acoustic meta-material 100 with five layers 100i, 100 2 , IOO3, 100 4 and 100 5 superimposed, having respective thicknesses hi, h 2 , h 3 , h 4 and h 5 of 6 mm each and channels 101 of square section, and where the width W 4 of the channels of the first layer 100i is 496 ⁇ m, the width W 2 of the channels of the second layer 100 2 is 148 ⁇ m, the width W 3 of the channels of the third level 100 3 is 496 pm, the width W 4 of the channels of the fourth level 100 4 is 1192 pm, and the width W 5 of the channels of the fifth level 100 5 is 496 pm, with a constant spacing t between channels 101 of 200 ⁇ m in each of the layers, so as to obtain an absorption coefficient a close to 1 over a wide range of frequencies f ranging from 2500 to 6500 Hz, as illustrated by curve 601 of figure 6.
  • the acoustic meta-material may comprise only two superposed layers with respective thicknesses of 1 and 29 mm, and where the width of the channels of the first layer is 100 ⁇ m and that of the channels of the second layer is 9 mm, with a constant spacing t of 200 ⁇ m between channels 101 in each of the layers, so as to obtain a high absorption coefficient a over a frequency range f ranging from 1000 to 3000 Hz, as illustrated by the curve 602 of FIG. 6.
  • the acoustic meta-material can comprise thirty superimposed layers, each with a thickness of 1 millimeter and a constant spacing t between channels of 200 ⁇ m, and a width of the channels of 4 .11 mm for layers 1, 6, 12, 15 to 17, 20, and 22 to 24; 8.42 mm for layers 2, 8, 11, 18, 27 and 29; 69.4 ⁇ m for layers #3, 19, 21, 25 and 26; 1.95 mm for layers 4, 5, 7, 13, 14 and 30; and 338.8 ⁇ m for layers #9, 10 and 28; so as to obtain a high absorption coefficient a over a wider range of frequencies f ranging from 1000 to 4500 Hz, as illustrated by curve 603 of FIG. 6.
  • the base 103 and the walls 104 of the acoustic meta-material 100 can be made of thermoplastic polymer, for example polyetherimide (PEI) or polyetheretherketone (PEEK), or of thermosetting resin, for example an epoxy resin such as that forming the abradable material sold by 3M® under the name Scotch-Weld® EC-3524 B/A.
  • thermoplastic polymer for example polyetherimide (PEI) or polyetheretherketone (PEEK)
  • thermosetting resin for example an epoxy resin such as that forming the abradable material sold by 3M® under the name Scotch-Weld® EC-3524 B/A.
  • thermosetting resin for example an epoxy resin such as that forming the abradable material sold by 3M® under the name Scotch-Weld® EC-3524 B/A.
  • solid particles embedded in the mass, for example fibers, and in particular carbon fibers, microspheres, for example glass microbeads, or nanoparticles such as silica
  • the acoustic properties (eg impedance and absorption) of the acoustic metamaterial 100 can be simulated with the transfer matrix method or “TMM” (acronym for “Transfer Matrix Method”).
  • TMM transfer matrix method
  • the equivalent fluid wavenumber and the equivalent characteristic impedance can be calculated using the Johnson-Champoux-Allard-Lafarge (JCAL) semi-phenomenological model describing the visco-inertial dissipative effects within of a porous medium, from six parameters: porosity, tortuosity, viscous and thermal length and viscous and thermal permeability, which can be simulated with the multi-scale asymptotic method or "MAM" (acronym for Multi-scale Asymptotic Method).
  • JCAL Johnson-Champoux-Allard-Lafarge
  • the equivalent fluid wavenumber, and the equivalent characteristic impedance can be calculated separately for each layer.
  • the shape, dimensions and arrangement of the channels 101 of the acoustic meta-material 100 can be defined according to the frequency ranges for which an impedance and/or absorption is desired.
  • optimal acoustics by applying an optimization algorithm, such as for example the Nelder-Mead iterative optimization method. At each iteration of the optimization algorithm, these dimensional parameters of the acoustic meta-material 100 can be adjusted to meet other constraints, such as for example that of avoiding the obstruction of the channels 101 of each layer by the layers adjacent.
  • the acoustic meta-material 100 can be produced by an additive manufacturing process based on the extrusion of material, such as for example the molten wire deposition process used for thermoplastic materials. These processes, which are particularly suitable for manufacturing complex shapes with thin walls, include several consecutive material deposition steps. In each of these steps, an extruder head 200 can move along a path 201 in an X-Y transverse plane by depositing the material 202, which then solidifies so as to form a stratum 203. By moving this X-Y transverse plane along an orthogonal direction Z after the deposition of each stratum 203, it is possible to stack these strata 203 to form the acoustic meta-material 100, as illustrated in FIG. 8.
  • an extruder head 200 can move along a path 201 in an X-Y transverse plane by depositing the material 202, which then solidifies so as to form a stratum 203.
  • each stratum 203 can comprise a plurality of cells 204 periodically repeated, separated by the walls 104 formed by the deposition of the material 202, and the strata 203 deposited in the consecutive stages of deposition of material can be stacked with their respective cells 204 aligned. In order to avoid at least partially the interlacing of the material
  • the plot 201 can be in zig ⁇ zag, as illustrated in Figure 9A.
  • a gap O can be maintained between the angles 205 of the trace 201 at these intersections.
  • an acoustic meta-material 100' may comprise a plurality of columns 10 arranged periodically and extending from a common base 103' to an exposed face 102' of the meta-material. material 100'.
  • the columns 10 can be separated from each other by interstices 104'.
  • Each column 10 can have a total height H of, for example, between 1 and 150 mm.
  • each column 10 may have a substantially square outline.
  • substantially polygonal shapes such as for example substantially rectangular, diamond-shaped, triangular or hexagonal shapes are also possible, as illustrated respectively in FIGS. 11B, 11C, 11D and 11E.
  • Non-polygonal shapes such as for example substantially round or oval shapes, are also possible, as illustrated respectively in FIGS. 11F and 11G.
  • the cross section of each column 10 can have a hydraulic radius r h of, for example, between 5 ⁇ m and 300 ⁇ m, which, for columns 10 with a square or round section, corresponds to a width W between 10 pm and 600 pm, although a form factor may be applied to take into account the effects edge of columns of cross sections of different shape.
  • the columns 10 can have a periodic spacing s between adjacent columns 10 of for example between 2 ⁇ m and 600 ⁇ m.
  • the dimensions in these intervals allow a particularly high absorption coefficient a [ALPHA] for frequencies f between 200 and 10000 Hz, frequencies typically dominant in the noise of a turbofan engine at high or very high dilution rate.
  • the curve 1201 illustrates the absorption coefficient a [ALPHA] as a function of frequency for a meta-material 100' comprising columns 10 of 30 mm in height, with a square cross-section having a width W of 130 ⁇ m, and a periodic spacing s of 100 ⁇ m
  • curve 1202 illustrates that for a meta-material 100' comprising columns 10 of square cross-section and the same height, but a width W of 1.15 mm and a spacing periodic s of 200 pm.
  • columns 10 with cross-sections of different shapes and sizes in the same meta-material 100', or even to have different shapes and sizes (for example different maximum widths) at different heights from of the base in order to adapt the acoustic meta-material 100' to the attenuation of several different acoustic frequencies, as illustrated in FIG. 13. It is even possible to include therein layers with different functionalities than acoustic absorption, and therefore not comprising regularly spaced columns or having the aforementioned dimensions. Furthermore, in order to laterally reinforce the columns 10, adjacent columns 10 can be locally connected by spacers 105' formed integrally to the columns, as illustrated in FIG. 14.
  • the base 103' and the columns 10 of the acoustic meta-material 100' can be made of polymer, for example polyepoxide.
  • the acoustic meta-material 100' can be produced by molding.
  • a mold 210 can be produced by an additive manufacturing process based on the extrusion of material, such as for example the molten wire deposition process used for thermoplastic materials.
  • an extruder head 200 can move along a path 201 in an X-Y transverse plane depositing the material 202, which then solidifies so as to form a stratum 203.
  • This transverse plane X-Y along an orthogonal direction Z after the deposition of each stratum 203, it is possible to stack these strata 203 to form the mold 210, as illustrated in FIG. 8.
  • Each stratum 203 can comprise a plurality of cells 204 periodically repeated , separated by walls 205 formed by the deposition of material 202, and the strata 203 deposited in the consecutive stages of deposition of material can be stacked with their respective cells 204 aligned, so as to form channels 206 with different sizes, shapes and spacings corresponding to those of the columns 10 .
  • the maximum width of the channels 206 can be substantially equal to the maximum width W of the columns 10
  • the minimum thickness of the walls 205 can be substantially equal to the minimum spacing t' between the columns 10
  • the length of the channels 206 can be substantially equal to the height H' of the columns 10 .
  • each channel 206' in the X-Y transverse plane can vary as a function of height in the orthogonal direction.
  • the mold 210 can also include side conduits between these channels 206 in order to form the spacers 105'.
  • the channels 206' of the different layers can be aligned and the mesh pitch, i.e. the sum of the width W and the spacing s, corresponding to each layer be an integer multiple of the minimum mesh pitch among the different layers.
  • the mesh pitch of each layer can be 2 n times the minimum mesh pitch among the different layers, where n is an integer.
  • the line 201 can be in zigzag, as illustrated in the figure. 9A.
  • a fluid material 220 can be introduced into the mold 210, so as to fill the channels 206 and other cavities of the mold 210, as illustrated in FIG. 15.
  • This fluid material 220 may be a thermosetting resin, in particular an epoxy resin mixed with a crosslinking agent, such as that forming the abradable material sold by 3M® under the name Scotch-Weld® EC-3524 B/A.
  • a thermoplastic polymer such as a polyetherimide (PEI) or polyetheretherketone (PEEK), in fusion.
  • the fluid material 220 can also comprise solid particles in suspension, for example beads or nanoparticles in silica or fibers, for example in carbon, which will remain embedded in the mass after solidification of the fluid material 220.
  • the filling of the cavities of the mold 210 with the fluid material 220 can be carried out by simple gravity, or at least be assisted by a pressure gradient. Once the fluid material 220 fills the cavities of the mold 210, it can harden inside these cavities. This solidification can be thermally induced, or at least accelerated, in a curing step, in particular when the fluid material 220 is a thermosetting resin.
  • the mold 210 can be removed so as to release the acoustic meta-material 100' therefrom.
  • the material of the mold 210 can be a water-soluble material and in particular a water-soluble thermoplastic polymer, such as, for example, a polyvinyl alcohol (PVA), a copolymer of butanediol and vinyl alcohol (BVOH), or a polylactic acid (PLA ), and the removal of the mold 210 can be carried out by leaching this water-soluble material, for example in an ultrasonic bath, optionally heated to a temperature of, for example, 60 to 80° C., for 3 to 5 hours.
  • the acoustic meta-material 100' is thus released from its mold 210, it can be dried, for example in an oven at 70° C. for one hour.

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Abstract

L'invention concerne un méta-matériau acoustiques (100,100'), ainsi qu'un procédé pour sa fabrication. Le méta-matériau acoustique comprend une pluralité de canaux (101) ou colonnes (101') ayant chacun une même section transversale avec un rayon hydraulique entre 5 et 300 µm, disposés avec un espacement périodique (t,s) entre 2 et 600 µm. On peut ainsi obtenir un réseau hautement dense pouvant offrir une absorption et/ou impédance acoustiques optimales sur une large bande de fréquences. Son procédé de fabrication comprend une fabrication additive avec plusieurs étapes consécutives de dépôt de matériau pour former, dans chaque étape, une couche (203) comportant une pluralité de cellules (204) périodiquement répétées, séparées par des parois (104). Les couches (203) déposées dans les étapes consécutives de dépôt de matériau sont empilées avec leurs cellules (204) respectives alignées de manière à former des canaux (101, 206').

Description

M ETA-MATERIAU ACOUSTIQUE ET PROCEDE POUR SA FABRICATION
ADDITIVE
Arrière-plan de l'invention
La présente invention concerne le domaine des méta-matériaux acoustiques, ainsi que celui de leur fabrication.
Les absorbeurs acoustiques ont un large éventail d'applications. Parmi celles-ci, on compte notamment l'aéronautique, où des tels éléments sont utilisés pour absorber au moins partiellement le bruit généré par les moteurs d'aviation et ainsi réduire sa transmission à l'environnement extérieur. Parmi les moteurs d'aviation les plus courants on compte les turboréacteurs à double flux (en anglais : « turbofan »). Un turboréacteur à double flux comprend une soufflante et un générateur de gaz incorporant au moins un compresseur, une chambre de combustion, une turbine et une tuyère. Le bruit total produit par un tel turboréacteur à double flux peut donc comprendre le bruit de jet, de combustion, de soufflante, de compresseur et de turbine. Cependant, le bruit le plus dominant est généralement celui émis par la soufflante, qui peut s'étendre sur une large bande de fréquences, comme illustré sur la Fig. 16, avec des composantes tonales correspondant aux fréquences de passage des pales de la soufflante. Afin d'augmenter le rendement énergétique des turboréacteurs à double flux, la tendance générale est d'augmenter leur taux de dilution, c'est-à-dire, la proportion du débit d'air impulsé par la soufflante par rapport à celui utilisé pour la combustion dans le générateur de gaz, et donc le diamètre de la soufflante. En conséquence, les soufflantes des dernières générations de turboréacteurs à double flux ont tendance à tourner plus lentement, et donc à émettre du bruit à de plus basses fréquences.
Afin de réduire le bruit émis par les moteurs d'aviation, il est donc courant de recouvrir certaines zones, telles que les nacelles contenant ces moteurs, d'absorbeurs acoustiques tels que des panneaux sandwich à nid d'abeille. Dans ce type d'absorbeurs acoustiques, chaque cellule du nid d'abeille peut fonctionner comme un résonateur de Helmholtz pour atténuer le bruit. Toutefois, la plage fréquentielle d'atténuation acoustique de tels absorbeurs est limitée et, pour être efficace aux basses fréquences, ils doivent être particulièrement volumineux, ce qui est d'autant plus pénalisant que la surface à recouvrir peut être très grande pour les turboréacteurs à double flux et très haut taux de dilution.
Comme alternative aux panneaux sandwich à nid d'abeille, il a donc été proposé d'utiliser des matériaux poreux, dont les pores individuels agissent comme des résonateurs de Helmholtz. Toutefois, la plupart des matériaux poreux disponibles ont une trop faible résistance mécanique, tandis que les plus résistants, comme par exemple le matériau métallique divulgué dans US 7,963,364 B2, sont excessivement lourds. En outre, ils ne fournissent une atténuation importante qu'aux fréquences de résonance et ne permettent pas d'absorber le bruit sur une large plage de fréquences.
L'utilisation de la fabrication additive a été proposée par Z. Liu, J. Zhan, M. Fard, et J. L. Davy dans « Acoustic properties of a porous polycarbonate material produced by additive manufacturing », Materials Letters, vol. 181, pp. 296-299, (oct. 2016) pour produire des absorbeurs acoustiques comportant des microcanaux. Ces absorbeurs acoustiques n'ont toutefois aussi qu'une plage de fréquences d'absorption assez étroite. II a également été proposé, par exemple par Qian, Y. J., Kong, D. Y.,
Liu, S. M., Sun, S. M., & Zhao, Z., dans « Investigation on micro- perforated panel absorber with ultra-micro perforations. », Applied Acoustics, 74(7), pp ; 931-935 (2013), d'utiliser des panneaux micro- perforés en tant qu'absorbants acoustiques. Afin d'en élargir la plage de fréquences d'absorption acoustique, Liu, Z., Zhan, J., Fard, M., & Davy, J., dans « Acoustic properties of multilayer sound absorbers with a 3D printed micro-perforated panel. » Applied Acoustics, 121, pp. 25-32 (2017), et Yang, W., Bai, X., Zhu, W., Kiran, R., An, J., Chua, C. K., & Zhou, K. dans « 3D Printing of Polymeric Multi-Layer Micro-Perforated Panels for Tunable Wideband Sound Absorption ». Polymers, 12(2), p. 360 (2020) ont proposé aussi de superposer plusieurs de ces panneaux et de les produire par fabrication additive. Toutefois, ces absorbants acoustiques relativement fragiles semblent difficilement applicables dans des environnements dans lesquels ils seraient soumis à abrasion ou autres contraintes mécaniques, comme notamment les nacelles de moteurs d'aviation.
Des méta-matériaux acoustiques avec plusieurs couches superposées dans le sens de l'épaisseur, produits par fabrication additive, ont été proposés dans la publication de demande de brevet français FR 1 761 722, ainsi que par Guild, M. D., Rohde, C., Rothko, M. C., & Sieck, C. F. dans « 3D printed acoustic metamaterial Sound absorbers using functionally- graded sonie crystals », Proceedings of Euronoise (2018). On peut comprendre par méta-matériau acoustique un milieu structuré de manière périodique dont les unités constituantes périodiquement répétées affectent de manière collective le passage d'ondes acoustiques. Dans le cas des méta-matériaux susmentionnés, chaque couche superposée peut présenter un treillis avec une périodicité différente, de manière à élargir sa plage de fréquences fréquentielle d'atténuation. Objet et résumé de l'invention
La présente divulgation vise à proposer, dans un premier aspect, un méta-matériau acoustique combinant un haut niveau d'absorption acoustique avec une bonne tenue mécanique, y compris à l'abrasion. Ce méta-matériau acoustique peut comprendre une pluralité de canaux ayant chacun une même section transversale avec un rayon hydraulique entre 5 et 300 pm, ces canaux étant disposés avec un espacement périodique entre canaux adjacents entre 2 et 600 pm.. On peut ainsi obtenir un réseau hautement dense de micro-canaux acoustiques pouvant offrir une absorption et/ou impédance acoustiques optimales sur une large bande de fréquences, avec des absorptions maximales au moins à certaines basses fréquences comme celles dominantes dans le spectre d'émission des soufflantes de turboréacteur à double flux à haut et très haut taux de dilution. Les canaux peuvent avoir une section transversale sensiblement polygonale, par exemple triangulaire, carrée, rectangulaire ou hexagonale. Par « sensiblement polygonale », on entend que les angles de la section transversale peuvent être arrondis en conséquence des contraintes de fabrication. La section transversale peut toutefois aussi être sensiblement ronde ou ovale. Par « sensiblement ronde ou ovale » on entend que le contour de la section transversale peut aussi présenter des méplats à cause aussi des contraintes de fabrication. Afin d'élargir sa bande fréquentielle d'absorption acoustique, le méta- matériau acoustique peut comporter plusieurs pluralités de canaux, chaque pluralité de canaux ayant une section transversale et/ou un espacement périodique des canaux différents. En particulier, ces différentes pluralités de canaux peuvent être arrangées par couches directement adjacentes dans une direction de l'épaisseur du méta- matériau, de telle manière que le méta-matériau acoustique comporte plusieurs couches empilées dans la direction de l'épaisseur, chaque couche comprenant une pluralité de canaux ayant une section transversale et/ou un espacement périodique des canaux qui soient différents. Il est néanmoins aussi envisageable de varier la section transversale et/ou l'espacement de canaux dans un plan perpendiculaire à la direction de l'épaisseur du méta-matériau.
Afin d'augmenter la longueur des canaux sans augmenter l'épaisseur du méta-matériau acoustique, un ou plusieurs des canaux peuvent être inclinés par rapport à une direction d'épaisseur du méta-matériau, et notamment être hélicoïdaux. Ils peuvent, alternativement ou en complément, être coudés afin aussi d'en augmenter la longueur. Un deuxième aspect de la présente invention concerne un procédé de fabrication additive du méta-matériau acoustique du premier aspect. Ce procédé de fabrication additive peut comprendre plusieurs étapes consécutives de dépôt de matériau pour former, dans chaque étape, une strate comportant une pluralité de cellules périodiquement répétées, séparées par des parois. Les strates déposés dans les étapes consécutives de dépôt de matériau peuvent être empilés avec leurs cellules respectives alignées de manière à former les canaux.
Le matériau utilisé dans le procédé suivant ce deuxième aspect peut comprendre un polymère thermoplastique, et le dépôt alors être effectué par dépôt de fil fondu afin de permettre la fabrication de structures suffisamment fines. Alternativement toutefois, le matériau utilisé dans ce procédé pourrait comprendre une résine thermodurcissable, et le dépôt de matériau être alors effectué, de manière analogue au dépôt de fil fondu, par extrusion de cette résine thermodurcissable. Afin de renforcer mécaniquement le méta-matériau acoustique, le matériau utilisé dans ce procédé peut aussi comprendre, à part le polymère thermoplastique ou la résine thermodurcissable, des particules solides en suspension, telles que notamment des fibres, et plus particulièrement des fibres de carbone. D'autres types de particules solides, telles que, notamment, des nanoparticules ou des microbilles, en particulier en silice, sont également envisageables. Grâce à ces particules solides, le méta-matériau acoustique pourra présenter une résistance mécanique et thermique importante, ainsi que des propriétés d'abradabilité.
Un troisième aspect de la présente divulgation concerne un autre procédé de fabrication d'un méta-matériau acoustique combinant aussi un haut niveau d'absorption acoustique avec une bonne tenue mécanique, y compris à l'abrasion. Dans une première étape de fabrication additive de ce procédé de fabrication d'un méta-matériau acoustique, un moule peut être produit par dépôt d'une pluralité de strates empilés pouvant comprendre chacun une pluralité de cellules périodiquement répétées, séparées par des parois, les cellules de la pluralité de strates empilés pouvant être alignées de manière à former des canaux. Dans une deuxième étape du procédé, les canaux peuvent être remplis avec un matériau fluide, qui peut ensuite être solidifié avant l'élimination du moule.
Avec le procédé suivant ce troisième aspect, il est possible de produire un méta-matériau comprenant un arrangement périodique hautement dense de colonnes pouvant aussi offrir une absorption et/ou impédance acoustiques optimales sur une large bande de fréquences, avec des absorptions maximales au moins à certaines basses fréquences comme celles dominantes dans le spectre d'émission des soufflantes de turboréacteur à double flux à haut et très haut taux de dilution. Les cellules creuses peuvent notamment avoir un rayon hydraulique entre 5 et 300 pm, de manière à obtenir des colonnes de largeur correspondante dans le méta-matériau acoustique, tandis que les parois peuvent avoir une largeur minimale d'entre 2 pm et 600 pm pour obtenir ainsi un écart latéral correspondant entre les colonnes. Avec ces dimensions, il est possible d'obtenir des cristaux soniques d'absorption et impédance acoustique optimales sur des larges plages fréquentielles comprenant les fréquences dominantes dans le spectre d'émission des soufflantes de turboréacteur à double flux à haut et très haut taux de dilution.
Les canaux du moule peuvent avoir une longueur d'entre 1 et 150 mm, de manière à obtenir des colonnes de hauteur correspondante. Ainsi, le méta-matériau acoustique obtenu par ce procédé pourra avoir une épaisseur à peine supérieure à cette longueur, facilitant ainsi son intégration, notamment dans et autour d'un moteur d'aviation.
Les cellules peuvent être sensiblement polygonales, rondes ou ovales, de manière à obtenir des colonnes de section transversale équivalente dans le méta-matériau acoustique résultant. Il est également envisageable de combiner des cellules de différente forme dans un même moule, voire dans le même strate du moule.
Par ailleurs, une forme et/ou taille de cellules de différentes strates, parmi les strates empilés, peuvent être différentes, de manière à faire varier la section transversale des canaux, et donc des colonnes, sur leur longueur, afin notamment d'optimiser la réponse acoustique du méta- matériau acoustique à plusieurs bandes de fréquence.
Le moule peut comprendre aussi un ou plusieurs conduits latéraux entre les canaux, de manière à former, lors de leur remplissage avec le matériau fluide et la solidification de ce dernier, des entretoises et autres renforts latéraux entre les colonnes du méta-matériau acoustique.
Afin de faciliter l'étape d'élimination du moule, celui-ci peut être en matériau hydrosoluble comprenant, par exemple, un alcool polyvinylique (PVA), un copolymère de butanediol et alcool vinylique (BVOH), ou un acide polylactique (PLA). L'étape d'élimination du moule peut alors s'effectuer par lessivage, notamment par lessivage dans un bain à ultrasons.
Afin de permettre la fabrication de structures suffisamment fines, la fabrication additive du moule peut être effectuée par dépôt d'un fil de matériau extrudé, et notamment par un procédé de dépôt de fil fondu. Le matériau utilisé pour fabriquer le moule peut donc comprendre un polymère thermoplastique, mais une résine thermodurcissable est également envisageable.
Le matériau fluide utilisé dans l'étape de remplissage du moule peut comprendre une résine, telle que par exemple une résine époxyde, et l'étape de solidification du matériau du moule comprendre alors une polymérisation de la résine. Cette polymérisation peut être activée et/ou accélérée thermiquement, quoique d'autres moyens d'activation, par exemple par ultraviolets, sont également envisageables. Par ailleurs, il est également envisageable d'utiliser plutôt un polymère thermoplastique en fusion comme matériau fluide dans l'étape de remplissage.
Afin de renforcer mécaniquement le méta-matériau acoustique résultant, le matériau fluide peut comprendre des particules solides en suspension, telles que notamment des microbilles ou nanoparticules en silice, ou des fibres, et notamment des fibres de carbone.
Un quatrième aspect de cette divulgation se rapporte au méta- matériau acoustique fabriqué par le procédé de fabrication du troisième aspect et comportant une pluralité de colonnes s'étendant à partir d'une base commune. Finalement, un cinquième aspect de cette divulgation concerne une turbomachine, en particulier un moteur à turbine à gaz tel qu'un turboréacteur à double flux, comportant le méta-matériau acoustique du premier aspect ou du quatrième aspect, en tant qu'absorbeur acoustique. En particulier, dans un turboréacteur à double flux, le méta-matériau acoustique pourrait être intégré dans une paroi délimitant une veine d'air de soufflante et/ou dans un carter de générateur de gaz.
Brève description des dessins
L’invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de plusieurs modes de réalisation représentés à titre d’exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un turboréacteur à double flux,
- la figure 2 est une vue écorchée en épaisseur d'un premier méta- matériau acoustique apte à être utilisé comme absorbeur acoustique dans le turboréacteur à double flux de la figure 1, - les figures 3A à 3G sont des vues en coupe transversale, suivant le plan III-III, de différentes formes alternatives envisageables des canaux du méta-matériau de la figure 2,
- la figure 4 est un graphique illustrant le coefficient d'absorption acoustique en fonction de la fréquence, pour plusieurs méta- matériaux acoustiques avec des canaux ayant des différentes formes et largeurs,
- la figure 5 est une vue en coupe en épaisseur d'un mode de réalisation alternatif du méta-matériau acoustique, avec des canaux de différentes largeurs sur des différentes couches du méta-matériau acoustique,
- la figure 6 est un graphique illustrant le coefficient d'absorption acoustique en fonction de la fréquence, pour plusieurs exemples de méta-matériau acoustique multicouches,
- les figures 7A, 7B et 7C sont des vues en coupe en épaisseur de plusieurs autres modes de réalisation alternatifs du méta-matériau acoustique, la figure 8 illustre un dispositif de mise en œuvre d'un procédé de fabrication additive, les figures 9A et 9B illustrent deux tracés alternatifs de dépôt de matériau pour la fabrication d'un strate, la figure 10 est une vue en perspective d'un deuxième méta- matériau acoustique apte à être utilisé comme absorbeur acoustique dans le turboréacteur à double flux de la figure 1, les figures 11A à 11G sont des vues en coupe transversale, suivant le plan XI-XI, de différentes formes alternatives envisageables des colonnes du méta-matériau de la figure 10, la figure 12 est un graphique illustrant le coefficient d'absorption acoustique en fonction de la fréquence, pour plusieurs méta- matériaux acoustiques avec des canaux ayant des différentes formes et largeurs, la figure 13 est une vue en coupe en épaisseur d'un mode de réalisation alternatif du deuxième méta-matériau acoustique, avec des colonnes de différentes largeurs sur des différentes couches différents du méta-matériau acoustique, la figure 14 est une vue en coupe en épaisseur d'un autre mode de réalisation alternatif du deuxième méta-matériau acoustique, avec des entretoises reliant latéralement les colonnes du méta- matériau acoustique, la figure 15 illustre une étape de remplissage du moule du deuxième méta-matériau acoustique, et la figure 16 est un graphique illustrant l'intensité du bruit émis par un turboréacteur à double flux en fonction de la fréquence.
Description détaillée de l'invention La figure 1 illustre de manière schématique une turbomachine 1, plus spécifiquement un turboréacteur à double flux. Dans le sens de l'écoulement du fluide, ce turboréacteur à double flux peut comprendre une soufflante 2, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6, une turbine basse pression 7 et une tuyère 8. L'ensemble peut être entouré par une nacelle 9. Les compresseurs 3,4, la chambre de combustion 5 et les turbines 6, 7 forment ensemble le générateur de gaz 10, qui peut être lui-même entouré par un carénage 11 aboutissant dans la tuyère 8. Ainsi, une veine d'air 12 de la soufflante 2 peut être définie entre le carénage 11 du générateur de gaz 10 et une paroi interne 13 de la nacelle 9. La turbine haute pression 6 peut être reliée au compresseur haute pression 4 par un premier arbre rotatif 14 pour l'entraînement de cette dernière, tandis que la turbine basse pression 7 peut être reliée à la soufflante 2 et au compresseur basse pression 3 par un deuxième arbre rotatif 15 coaxial au premier arbre rotatif 14, de manière analogue. Dans le contexte des moteurs à haut et très haut taux de dilution, un réducteur 16 peut être interposé mécaniquement entre le deuxième arbre rotatif 15 et la soufflante 2, afin de réduire la vitesse de rotation de la soufflante 2 et empêcher que les bouts de pales de la soufflante 2 atteignent des vitesses excessives.
Chacun de ces éléments de la turbomachine 1 peut générer du bruit, mais le bruit généré par la soufflante 2 est généralement dominant. En outre, dans les moteurs à haut et très haut taux de dilution, et en particulier dans ceux équipés d'un réducteur 16, une grande partie du bruit de la soufflante 2 peut être concentré dans des basses fréquences, comme illustré sur la figure 17, montrant le niveau de pression acoustique (SPL) en fonction de la fréquence f. Afin d'absorber au moins une partie du bruit de la soufflante 2, des absorbeurs de bruit 17 peuvent être intégrés dans la paroi interne 13 de la nacelle 9, notamment en amont et en aval des pales de la soufflante 2. Comme illustré, il est cependant aussi envisageable d'intégrer des absorbeurs de bruit 17 dans le carénage 11 du générateur de gaz 10, voire même dans le carter de ce dernier.
Typiquement, les absorbeurs de bruit 17 sont formés par des panneaux sandwich à nid d'abeille. Toutefois, dans les moteurs à haut, voire très haut taux de dilution, ces panneaux peuvent représenter une pénalité importante en termes de masse et d'encombrement. En outre, il peut être difficile de les disposer directement en regard des bouts de pales de la soufflante, là où l'émission de bruit peut pourtant être la plus intense, puisque la paroi interne 13 de la nacelle 9 comprend typiquement un matériau abradable 18 à cet endroit, afin d'absorber le frottement occasionnel des bouts des pales de la soufflante 2 dû à leurs déformations transitoires.
Les figures 2 à 3G illustrent plusieurs modes de réalisation d'un absorbeur de bruit 17 formé par un méta-matériau acoustique 100 pouvant remplacer de manière effective les absorbeurs de bruit à panneaux sandwich à nid d'abeille, avec un moindre poids et encombrement, et même être disposé directement en regard des pales de la soufflante 2 en tant que matériau abradable 18.
Comme illustré sur la figure 2, ce méta-matériau acoustique 100 peut comporter une pluralité de canaux 101, de forte densité et arrangés périodiquement et s'étendant depuis une surface exposée 102 du méta- matériau 100 jusqu'à sa base 103. Les canaux 101 peuvent être séparés entre eux par des parois 104.
Comme illustré sur les figures 2 et 3A, en coupe transversale, chaque canal 101 peut présenter un contour sensiblement carré. Toutefois, d'autres formes sensiblement polygonales, comme par exemple des formes sensiblement rectangulaires, en losange, triangulaires ou hexagonales sont également envisageables, comme illustré respectivement sur les figures 3B, 3C, 3D et 3E. Des formes non- polygonales, comme par exemple des formes sensiblement rondes ou ovales, sont également envisageables, comme illustré respectivement sur les figures 3F et 3G.
Un rayon hydraulique rh de la section transversale de chaque canal 101 peut être défini suivant la formule rh=2A/P, où A et P représentent, respectivement, l'aire et le périmètre de la section transversale du canal 101. Indépendamment de la forme de leur section transversale, chaque canal 101 peut avoir un rayon hydraulique rh de, par exemple, entre 5 pm et 300 pm, ce qui, pour des canaux 101 à section carrée ou ronde, correspond à une largeur W entre 10 pm et 600 pm, quoiqu'un coefficient de forme peut être appliqué pour prendre en compte les effets de bord des canaux de sections transversales de différente forme. L'espacement périodique t entre canaux 101 adjacents peut être par exemple entre 2 pm et 600 pm.
L'absorption acoustique des différentes fréquences peut varier sensiblement en fonction du rayon hydraulique rh, et donc de la largeur W, ainsi que de l'espacement périodique t des canaux 101. Ainsi, la figure 4 illustre le coefficient d'absorption a [ALPHA] en fonction de la fréquence acoustique f pour des exemples de méta-matériaux acoustiques 100 avec différentes valeurs de largeur W et d'espacement périodique t des canaux 101. Ainsi, les courbes 401, 402, 403 et 404 correspondent à des méta- matériaux acoustiques 100 avec des canaux 101 sensiblement carrés avec des largeurs W et espacements périodiques t de, respectivement, 133 et 2 pm, 175 et 50 pm, 215 et 100 pm, et 265 et 155 pm. On peut y apprécier comment, quoique le coefficient d'absorption maximum soit proche d'un, et corresponde à sensiblement la même fréquence f entre 2000 et 3000 Hz pour les différentes valeurs de W et t, la bande fréquentielle d'absorption s'élargit avec une diminution de W et t.
Afin d'élargir la plage d'absorption acoustique du méta-matériau 100, il est possible de combiner des pluralités de canaux 101 avec des espacements périodiques différents et/ou des sections transversales de formes et dimensions différentes dans un même méta-matériau 100. Ainsi, on peut envisager que le méta-matériau 100 comporte plusieurs couches superposées dans une direction de l'épaisseur, les canaux 101 présentant une section transversale différente et/ou un espacement différent par couche. Il est même envisageable d'y inclure des couches aux fonctionnalités différentes que l'absorption acoustique, et ne comprenant donc pas des canaux régulièrement espacés ou présentant les dimensions revendiquées. Afin d'éviter l'obstruction des canaux 101 d'une couche par les couches adjacentes, les canaux des différentes couches peuvent être alignés et le pas de maille, c'est-à-dire la somme de la largeur W et l'espacement t, correspondant à chaque couche être un multiple entier du pas de maille minimal parmi les différentes couches. En particulier, le pas de maille de chaque couche peut être 2n fois le pas de maille minimal parmi les différentes couches, où n est un nombre entier. Avec un espacement t constant et une largeur minimale Wmin, la largeur W suivrait donc l'équation W=(Wmin+t)n-t.
La figure 5, illustre un premier exemple de méta-matériau acoustique 100 avec cinq couches 100i,1002, IOO3, 1004 et 1005 superposées, ayant des épaisseurs respectives hi, h2, h3, h4 et h5 de 6 mm chacune et des canaux 101 de section carrée, et où la largeur W4 des canaux de la première couche 100i est de 496 pm, la largeur W2 des canaux de la deuxième couche 1002 est de 148 pm, la largeur W3 des canaux du troisième niveau 1003 est de 496 pm, la largeur W4 des canaux du quatrième niveau 1004 est de 1192 pm, et la largeur W5 des canaux du cinquième niveau 1005 est de 496 pm, avec un espacement t constant entre canaux 101 de 200 pm dans chacune des couches, de manière à obtenir un coefficient d'absorption a proche de 1 sur une large plage de fréquences f allant de 2500 à 6500 Hz, tel qu'illustré par la courbe 601 de la figure 6.
D'autres configurations multicouches sont également envisageables. Ainsi, suivant un deuxième exemple, le méta-matériau acoustique peut ne comprendre que deux couches superposées avec des épaisseurs respectives de 1 et 29 mm, et où la largeur des canaux de la première couche est de 100 pm et celle des canaux de la deuxième couche est de 9 mm, avec un espacement t constant de 200 pm entre canaux 101 dans chacune des couches, de manière à obtenir un coefficient d'absorption a élevé sur une plage de fréquences f allant de 1000 à 3000 Hz, tel qu'illustré par la courbe 602 de la figure 6. Suivant un troisième exemple, le méta-matériau acoustique peut comprendre trente couches superposées, avec chacune 1 millimètre d'épaisseur et un espacement t constant entre canaux de 200 pm, et une largeur des canaux de 4,11 mm pour les couches n° 1, 6, 12, 15 à 17, 20, et 22 à 24 ; 8,42 mm pour les couches n° 2, 8, 11, 18, 27 et 29 ; 69,4 pm pour les couches n° 3, 19, 21, 25 et 26 ; 1,95 mm pour les couches n° 4, 5, 7, 13, 14 et 30 ; et 338,8 pm pour les couches n° 9, 10 et 28 ; de manière à obtenir un coefficient d'absorption a élevé sur une plus large plage de fréquences f allant de 1000 à 4500 Hz, tel qu'illustré par la courbe 603 de la figure 6. Il est également envisageable d'incliner les canaux 101 par rapport à la direction de l'épaisseur T du méta-matériau 100 comme illustré sur la figure 7A, voire même de les replier comme illustré sur la figure 7B, et cela afin de maximiser la longueur des canaux 101 pour une épaisseur T limitée du méta-matériau 100 entre sa base 103 et sa surface exposée 102. Par ailleurs, dans le même objet, au moins certains des canaux 101 peuvent être enroulés hélicoïdalement autour d'un axe central, comme illustré sur la figure 7C. La base 103 et les parois 104 du méta-matériau acoustique 100 peuvent être en polymère thermoplastique, par exemple en polyétherimide (PEI) ou polyetherethercétone (PEEK), ou en résine thermodurcissable, par exemple une résine époxyde comme celle formant le matériau abradable vendu par 3M® sous la dénomination Scotch-Weld® EC-3524 B/A. Afin de renforcer ce matériau, notamment quand le méta- matériau acoustique 100 est destiné à être disposé en regard de pièces tournantes, et notamment des pales tournantes d'une soufflante 2, il peut être renforcé par des particules solides, noyées dans la masse, par exemple des fibres, et notamment des fibres de carbone, , des microsphères, par exemple microbilles de verre, ou des nanoparticules telles que la poudre de silice. En fonction de la matière et des renforts utilisés pour la fabrication du méta-matériau acoustique , ceux-ci peuvent présenter une résistance mécanique et thermique importante ainsi que des propriétés d'abradabilité.
Les propriétés acoustiques (p.ex. impédance et absorption) du méta- matériau acoustique 100 peuvent être simulées avec la méthode de matrice de transfert ou « TMM » (acronyme de l'anglais « Transfer Matrix Method »). Dans cette méthode, le nombre d’onde de fluide équivalent et l'impédance caractéristique équivalente peuvent être calculés en utilisant le modèle semi-phénoménologique de Johnson-Champoux-Allard-Lafarge (JCAL) décrivant les effets dissipatifs visco-inertiels à l'intérieur d'un milieu poreux, à partir de six paramètres : porosité, tortuosité, longueur visqueuse et thermique et perméabilité visqueuse et thermique, qui peuvent être simulés avec la méthode asymptotique multi-échelles ou « MAM » (acronyme de l'anglais Multi-scale Asymptotic Method). Quand le méta-matériau acoustique 100 comporte plusieurs couches distinctes, le nombre d'onde de fluide équivalent, et l'impédance caractéristique équivalente peuvent être calculés séparément pour chaque couche. A partir du modèle permettant de calculer les propriétés acoustiques du méta-matériau 100, la forme, dimensions et arrangement des canaux 101 du méta-matériau acoustique 100 peuvent être définis en fonction des plages de fréquence pour lesquelles on souhaite une impédance et/ou absorption acoustiques optimales, en appliquant un algorithme d'optimisation, tel que par exemple la méthode d'optimisation itérative de Nelder-Mead. À chaque itération de l'algorithme d'optimisation, ces paramètres dimensionnels du méta-matériau acoustique 100 peuvent être ajustés pour répondre à d'autres contraintes, comme par exemple celle d'éviter l'obstruction des canaux 101 de chaque couche par les couches adjacentes.
Le méta-matériau acoustique 100 peut être produit par un procédé de fabrication additive basé sur l’extrusion de matière, comme par exemple le procédé de dépôt de fil fondu utilisé pour des matières thermoplastiques. Ces procédés, particulièrement adaptés à la fabrication de formes complexes avec des parois fines, comprennent plusieurs étapes consécutives de dépôt de matériau. Dans chacune de ces étapes, une tête extrudeuse 200 peut se déplacer suivant un tracé 201 dans un plan transversal X-Y en déposant le matériau 202, qui se solidifie ensuite de manière à former une strate 203. En déplaçant ce plan transversal X-Y suivant une direction orthogonale Z après le dépôt de chaque strate 203, il est possible d'empiler ces strates 203 pour former le méta-matériau acoustique 100, comme illustré sur la figure 8. Afin de former les canaux 101, chaque strate 203 peut comporter une pluralité de cellules 204 périodiquement répétées, séparées par les parois 104 formées par le dépôt du matériau 202, et les strates 203 déposés dans les étapes consécutives de dépôt de matériau peuvent être empilées avec leurs cellules 204 respectives alignées. Afin d'éviter au moins partiellement l'entrecroisement du matériau
202 extrudé lors du dépôt d'un strate 203, qui pourrait provoquer la formation de pores entre les canaux 101, le tracé 201 peut être en zig¬ zag, comme illustré sur la figure 9A. Pour éviter une accumulation de matière et la formation de pores aux intersections entre les parois 104, un écart O peut être maintenu entre les angles 205 du tracé 201 à ces intersections.
Toutefois, il est également envisageable, pour une même forme des cellules 204, d'avoir un tracé 201 avec des longs segments entrecroisés, comme illustré sur la figure 9B.
Comme illustré sur la figure 10, un méta-matériau acoustique 100' suivant un autre mode de réalisation peut comporter une pluralité de colonnes 10 arrangées périodiquement et s'étendant depuis une base 103' commune jusqu'à une face exposée 102' du méta-matériau 100'. Les colonnes 10 peuvent être séparées entre elles par des interstices 104'. Chaque colonne 10 peut avoir une hauteur totale H de, par exemple, entre 1 et 150 mm.
Comme illustré sur les figures 10 et 11A, en coupe transversale, chaque colonne 10 peut présenter un contour sensiblement carré. Toutefois, d'autres formes sensiblement polygonales, comme par exemple des formes sensiblement rectangulaires, en losange, triangulaires, ou hexagonales sont également envisageables, comme illustré respectivement sur les figures 11B, 11C, 11D et 11E. Des formes non- polygonales, comme par exemple des formes sensiblement rondes ou ovales, sont également envisageables, comme illustré respectivement sur les figures 11F et 11G.
Un rayon hydraulique rh de la section transversale de chaque colonne 10 peut être défini suivant la formule rh=2A/P, où A et P représentent, respectivement, l'aire et le périmètre de la section transversale de la colonne 10 . Indépendamment de sa forme, la section transversale de chaque colonne 10 peut avoir un rayon hydraulique rh de, par exemple, entre 5 pm et 300 pm, ce qui, pour des colonnes 10 à section carrée ou ronde, correspond à une largeur W entre 10 pm et 600 pm, quoiqu'un coefficient de forme peut être appliqué pour prendre en compte les effets de bord des colonnes de sections transversales de différente forme. Les colonnes 10 peuvent avoir un espacement périodique s entre colonnes 10 adjacentes de par exemple entre 2 pm et 600 pm. Comme illustré sur le graphique de la figure 12, les dimensions dans ces intervalles permettent un coefficient d'absorption a [ALPHA] particulièrement élevé pour des fréquences f entre 200 et 10000 Hz, fréquences typiquement dominantes dans le bruit d'un turboréacteur à double flux à haut ou très haut taux de dilution. Dans la figure 12, la courbe 1201 illustre le coefficient d'absorption a [ALPHA] en fonction de la fréquence pour un méta-matériau 100' comportant des colonnes 10 de 30 mm de hauteur, avec une section transversale carrée ayant une largeur W de 130 pm, et un espacement périodique s de 100 pm, tandis que la courbe 1202 illustre celui pour un méta-matériau 100' comportant des colonnes 10 de section transversale carrée et même hauteur, mais une largeur W de 1,15 mm et un espacement périodique s de 200 pm. On peut y apprécier que, bien que le coefficient d'absorption maximal soit proche de 1 et corresponde à une fréquence f entre 2500 et 3000 Hz dans les deux cas, dans la courbe 1201 le coefficient d'absorption a [ALPHA] reste élevé sur une bien plus large plage fréquentielle que dans la courbe 1202.
Il est possible de combiner des colonnes 10 avec des sections transversales de formes et dimensions différentes dans un même méta- matériau 100', voire même d'avoir des formes et dimensions différentes (par exemple des largeurs maximales différentes) à des différentes hauteurs à partir de la base afin d'adapter le méta-matériau acoustique 100' à l'atténuation de plusieurs fréquences acoustiques différentes, comme illustré sur la figure 13. Il est même envisageable d'y inclure des couches aux fonctionnalités différentes que l'absorption acoustique, et ne comprenant donc pas des colonnes régulièrement espacées ou présentant les dimensions susmentionnées. Par ailleurs, afin de renforcer latéralement les colonnes 10 , des colonnes 10 adjacentes peuvent être localement reliées par des entretoises 105' formées de manière intégrale aux colonnes, comme illustré sur la figure 14. La base 103' et les colonnes 10 du méta-matériau acoustique 100' peuvent être en polymère, par exemple en polyépoxyde.
Le méta-matériau acoustique 100' peut être produit par moulage. Dans une première étape, un moule 210 peut être produit par un procédé de fabrication additive basé sur l'extrusion de matière, comme par exemple le procédé de dépôt de fil fondu utilisé pour des matières thermoplastiques. Dans chacune des étapes consécutives de dépôt de matériau de ce procédé, une tête extrudeuse 200 peut se déplacer suivant un tracé 201 dans un plan transversal X-Y en déposant le matériau 202, qui se solidifie ensuite de manière à former un strate 203. En déplaçant ce plan transversal X-Y suivant une direction orthogonale Z après le dépôt de chaque strate 203, il est possible d'empiler ces strates 203 pour former le moule 210, comme illustré sur la figure 8. Chaque strate 203 peut comporter une pluralité de cellules 204 périodiquement répétées, séparées par des parois 205 formées par le dépôt du matériau 202, et les strates 203 déposées dans les étapes consécutives de dépôt de matériau peuvent être empilées avec leurs cellules 204 respectives alignées, de manière à former des canaux 206 avec des tailles, formes et espacements correspondant à ceux des colonnes 10 . Ainsi, la largeur maximale des canaux 206 peut être sensiblement égale à la largeur maximale W des colonnes 10 , l'épaisseur minimale des parois 205 peut être sensiblement égale à l'espacement minimal t' entre les colonnes 10 , et la longueur des canaux 206 peut être sensiblement égale à la hauteur H' des colonnes 10 . Comme celles des colonnes 10 , la section transversale de chaque canal 206' dans le plan transversal X-Y peut varier en fonction de la hauteur suivant la direction orthogonale. Le moule 210 peut également comprendre des conduits latéraux entre ces canaux 206 afin de former les entretoises 105'.
Quand le méta-matériau 100' doit comporter plusieurs couches, avec des colonnes 10 dont la largeur W et/ou l'espacement s varie selon les couches, afin d'éviter l'obstruction des canaux 206' correspondant à une couche par les parois 104 des couches adjacentes, les canaux 206' des différentes couches peuvent être alignés et le pas de maille, c'est-à-dire la somme de la largeur W et l'espacement s, correspondant à chaque couche être un multiple entier du pas de maille minimal parmi les différentes couches. En particulier, le pas de maille de chaque couche peut être 2n fois le pas de maille minimal parmi les différentes couches, où n est un nombre entier. Avec un espacement s constant et une largeur minimale Wmin, la largeur W suivrait donc l'équation W=(Wmin+s)n-s.
Afin d'éviter au moins partiellement l'entrecroisement du matériau extrudé 202 lors du dépôt d'un strate 203, qui pourrait provoquer la formation de pores entre les canaux 104, le tracé 201 peut être en zig- zag, comme illustré sur la figure 9A.
Toutefois, il est également envisageable, pour une même forme des cellules 204, d'avoir un tracé 201 avec des longs segments entrecroisés, comme illustré sur la figure 9B.
Après avoir ainsi fabriqué le moule 210, dans une étape subséquente, un matériau fluide 220 peut être introduit dans le moule 210, de manière à remplir les canaux 206 et autres cavités du moule 210, comme illustré sur la figure 15. Ce matériau fluide 220 peut être une résine thermodurcissable, notamment une résine époxyde mélangée à un agent de réticulation, comme celle formant le matériau abradable vendu par 3M® sous la dénomination Scotch-Weld® EC-3524 B/A. Toutefois, il pourrait aussi être, par exemple, un polymère thermoplastique, tel qu'une polyétherimide (PEI) ou polyetherethercétone (PEEK), en fusion. Afin de renforcer le méta-matériau acoustique 100', notamment quand il est destiné à être disposé en regard de pièces tournantes, et en particulier des pales tournantes d'une soufflante 2, le matériau fluide 220 peut aussi comprendre des particules solides en suspension, par exemple des billes ou nanoparticules en silice ou des fibres, par exemple en carbone, qui resteront noyées dans la masse après solidification du matériau fluide 220. Le remplissage des cavités du moule 210 avec le matériau fluide 220 peut s'effectuer par simple gravité, ou être au moins assisté par un gradient de pression. Une fois que le matériau fluide 220 remplit les cavités du moule 210, il peut durcir à l'intérieur de ces cavités. Cette solidification peut être thermiquement induite, ou au moins accélérée, dans une étape de cuisson, notamment quand le matériau fluide 220 est une résine thermodurcissable. Après que cette solidification ait formé le méta- matériau acoustique 100' dans les cavités du moule 210, le moule 210 peut être éliminé de manière à en libérer le méta-matériau acoustique 100'. Pour cela, le matériau du moule 210 peut être un matériau hydrosoluble et notamment un polymère thermoplastique hydrosoluble, tel que, par exemple, un alcool polyvinylique (PVA), un copolymère de butanediol et alcool vinylique (BVOH), ou un acide polylactique (PLA), et l'élimination du moule 210 peut être effectuée par lessivage de ce matériau hydrosoluble, par exemple dans un bain à ultrasons, éventuellement chauffé à une température de, par exemple, 60 à 80°C, pendant 3 à 5 heures. Après que le méta-matériau acoustique 100' soit ainsi libéré de son moule 210, il peut être séché, par exemple dans une étuve à 70°C pendant une heure.
Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l’invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims

REVENDICATIONS
1. Méta-matériau acoustique (100), comprenant une pluralité de canaux (101) ayant chacun une même section transversale avec un rayon hydraulique entre 5 et 300 pm, avec un espacement périodique (t) entre canaux (101) adjacents entre 2 et 600 pm.
2. Méta-matériau acoustique (100) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les canaux (101) ont une section transversale sensiblement polygonale.
3. Méta-matériau acoustique (100) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les canaux (101) ont une section transversale sensiblement ronde ou ovale.
4. Méta-matériau acoustique (100) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, comportant plusieurs pluralités de canaux (101), chaque pluralité de canaux (101) ayant une section transversale et/ou un espacement périodique des canaux (101) différents.
5. Méta-matériau acoustique (100) suivant la revendication 4, comportant plusieurs couches empilées dans une direction de l'épaisseur, chaque couche comprenant une pluralité de canaux (101) ayant une section transversale et/ou un espacement périodique des canaux (101) différents.
6. Méta-matériau acoustique (100) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un ou plusieurs des canaux (101) sont inclinés par rapport à une direction de l'épaisseur du méta-matériau acoustique (100).
7. Méta-matériau acoustique (100) suivant la revendication 6, dans lequel un ou plusieurs des canaux (101) sont hélicoïdaux.
8. Procédé de fabrication additive du méta-matériau acoustique (100) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, comportant plusieurs étapes consécutives de dépôt de matériau pour former, dans chaque étape, un strate (203) comportant une pluralité de cellules (204) périodiquement répétées, séparées par des parois (104), les strates (203) déposés dans les étapes consécutives de dépôt de matériau étant empilés avec leurs cellules (204) respectives alignées de manière à former les canaux (101).
9. Procédé de fabrication additive suivant la revendication 8, dans lequel le matériau comprend un polymère thermoplastique.
10. Procédé de fabrication additive suivant la revendication 9, dans lequel le dépôt du matériau s'effectue par dépôt de fil fondu.
11. Procédé de fabrication additive suivant la revendication 8, dans lequel le matériau comprend une résine thermodurcissable.
12. Procédé de fabrication additive suivant l'une quelconque des revendications 9 à 11, dans lequel le matériau comprend des particules solides en suspension.
13. Procédé de fabrication additive suivant la revendication 12, dans lequel les particules solides sont des fibres.
14. Procédé de fabrication d'un méta-matériau acoustique (ÎOO ), comprenant les étapes suivantes : fabrication additive d'un moule (210) par dépôt d'une pluralité de strates empilés (203) comprenant chacun une pluralité de cellules (204) périodiquement répétées, séparées par des parois (205), les cellules (204) de la pluralité de strates empilés (203) étant alignées de manière à former des canaux (206), remplissage des canaux (206) avec un matériau fluide (220), solidification du matériau fluide (220), et élimination du moule (210).
15. Procédé de fabrication suivant la revendication 14, dans lequel les cellules (204) ont un rayon hydraulique d'entre 5 pm et 600 pm.
16. Procédé de fabrication suivant l'une quelconque des revendications 14 ou 15, dans lequel les parois (205) ont une largeur minimale (S) d'entre 2 pm et 600 pm.
17. Procédé de fabrication suivant l'une quelconque des revendications 14 à 16, dans lequel les canaux (206) ont une longueur (H') d'entre 1 et 150 mm.
18. Procédé de fabrication suivant l'une quelconque des revendications 14 à 17, dans lequel les cellules (204) sont sensiblement polygonales.
19. Procédé de fabrication suivant l'une quelconque des revendications 14 à 18, dans lequel les cellules (204) sont sensiblement rondes ou ovales.
20. Procédé de fabrication suivant l'une quelconque des revendications 14 à 19, dans lequel dans lequel une forme et/ou taille de cellules (204) de différents strates (203), parmi les strates (203) empilées, sont différentes.
21. Procédé de fabrication suivant l'une quelconque des revendications 14 à 20, dans lequel le moule (210) comprend aussi un ou plusieurs conduits latéraux entre les canaux (206).
22. Procédé de fabrication suivant l'une quelconque des revendications 14 à 21, dans lequel le moule (210) est en matériau hydrosoluble, et l'étape d'élimination du moule s'effectue par lessivage.
23. Procédé de fabrication suivant l'une quelconque des revendications 14 à 22, dans lequel la fabrication additive du moule (210) s'effectue par dépôt de fil fondu.
24. Procédé de fabrication suivant l'une quelconque des revendications 14 à 23, dans lequel le matériau fluide (220) comprend une résine, et l'étape de solidification du matériau fluide comprend une polymérisation de la résine.
25. Procédé de fabrication suivant l'une quelconque des revendications 14 à 24, dans lequel le matériau fluide (220) comprend des particules solides en suspension.
26. Méta-matériau acoustique (1000 fabriqué par le procédé de fabrication suivant l'une quelconque des revendications 14 à 25, comportant une pluralité de colonnes (1017) s'étendant à partir d'une base (1030 commune.
27. Turbomachine (1) comportant, en tant qu'absorbeur acoustique, le méta-matériau acoustique (100,1000 suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7 et 26.
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