FR2656718A1 - Absorbeur acoustique pour milieu fluide, notamment pour milieu marin. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne les absorbeurs acoustiques destinés à être immergés dans la mer. Elle consiste à réaliser un absorbeur connu comportant des alvéoles en nids d'abeilles (5) fixées perpendiculairement à la surface d'un support plan (1) et comportant un fluide viscoélastique (4) destiné à absorber les ondes acoustiques, en remplissant totalement l'intérieur desdites alvéoles avec ce fluide sans laisser de poches d'air entre ce fluide et la surface du support plan. Elle permet de réaliser à moindre frais des absorbeurs acoustiques supportant une immersion plus profonde.

Description

ABSORBEUR ACOUSTIQUE POUR MILIEU FLUIDE,
NOTAMMENT POUR MILIEU MARIN
La présente invention se rapporte aux absorbeurs acoustiques qui permettent d'absorber les ondes acoustiques se propageant dans un milieu fluide, notamment au sein de la mer, et qui de ce fait diminuent considérablement ltécho renvoyé par les objets portant ces absorbeurs, ce qui diminue les possibilités de repérage par sonar.

Il est connu de réaliser des absorbeurs acoustiques selon divers procédés. On citera notamment l'utilisation d'une matrice viscoélastique chargée par des particules métalliques ou des billes de verre creuses.

On a proposé dans la demande de brevet français n087 07317, déposée par les Sociétés ALSTHOM et VIBRACHOC le 25 Mai 1987, d'utiliser une structure en nids d'abeilles dont les alvéoles sont remplies d'un fluide visqueux qui permet d'absorber l'énergie acoustique arrivant sur ce dispositif par dissipation mécanique au sein de ce fluide. Comme représenté sur les figures 1 et 2 ce type d'absorbeur acoustique comprend des parois 5 agencées en forme de nids d'abeilles perpendiculaires à un support 1 sur lequel elles sont fixées par une extrémité. L'autre extrémité de ces parois, correspondant à la surface libre sur laquelle arrive l'onde incidente et dont repart une onde réfléchie dont on cherche à obtenir qu'elle soit le plus faible possible, est fermée par une membrane 7 qui sépare l'intérieur des alvéoles du milieu extérieur 2.

L'intérieur des alvéoles du nid d'abeilles est rempli d'un fluide viscoélastique 4 qui permet de dissiper une grande partie de l'énergie de l'onde incidente. Ce liquide ne remplit pas totalement les alvéoles et laisse un espace libre 6 du côté du fond des alvéoles vers le support rigide 1. Cet espace libre est rempli d'un gaz, généralement l'air ambiant présent lors du remplissage des alvéoles.

L'analyse du fonctionnement d'un tel absorbeur est fondée sur les hypothèses suivantes - les parois 5 des alvéoles du nid d'abeilles restent rigides dans toute la gamme de fréquence utilisée, par exemple entre 100 et 10000 Hz - le fluide viscoélastique 4 adhère aux parois 5 de manière à ce que le glissement sur ces parois soit nul - l'extrémité opposée à l'arrivée des ondes acoustiques sur la membrane élastique 7 doit pouvoir se mouvoir librement, ce qui nécessite la présence de l'espace libre 6 entre cette extrémité et la paroi 1.

Ces structures présentent l'inconvénient de ne pas résister à la pression provenant d'une immersion un tant soit peu importante. En effet, la pression hydrostatique qui s'exerce sur le liquide visqueux 4, lorsqu'on immerge le dispositif, se répercute sur l'air contenu dans les chambres 6, et le fluide visqueux tend à couler à l'intérieur de ces chambres au fur et à mesure que la pression augmente. A partir d'une profondeur critique relativement faible, par exemple 100m, le fluide se décolle de la paroi des alvéoles et la deuxième condition vue plus haut n'étant plus remplie, le dispositif ne fonctionne plus parce que le fluide viscoélastique n'est plus entraîné en cisaillement.

Pour pallier cet inconvénient, l'invention propose de supprimer les espaces libres 6 en remplissant complètement les alvéoles avec le fluide viscoélastique. Le résultat surprenant de cette suppression est que le dispositif fonctionne aussi bien, et même dans une bande de fréquence plus large, alors que lton considérait précédemment qu'il était impossible qu'il fonctionne dans ces conditions.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, présentée à titre d'exemple non limitatif et faite en regard des figures annexées qui représentent - les figures 1 et 2, des vues d'un dispositif selon l'art antérieur - la figure 3, une vue en coupe dlun dispositif selon l'invention; - la figure 4, un schéma équivalent d'une cellule du dispositif de la figure 3 ; et - la figure 5, des courbes de réponses de divers dispositifs.

Selon l'art antérieur, il était nécessaire de prévoir un espace vide derrière le fluide viscoélastique de manière à lui permettre d'effectuer librement des oscillations longitudinales au cours desquelles lténergie des ondes acoustiques se dissipait dans le sein de ce fluide. Ceci impliquait que les mécanismes de dissipation invoqués suivent les lois de l'écoulement quasistatique de Poiseuille. Pour expliquer le fonctionnement du dispositif selon la présente invention, on considère les alvéoles comme des guides de propagation acoustique. Dans cette optique le mode dynamique de propagation dans les alvéoles ne peut pas être décrit de façon simple comme un mode de compression ou de cisaillement. Il est nécessaire pour le représenter d'utiliser une méthode de calcul numérique.Lorsqu'on effectue ces calculs on constate que, conformément aux résultats expérimentaux, l'espace libre 6 n'est pas utile pour le bon fonctionnement d'un tel absorbeur.

On a représenté sur la figure 3 un absorbeur acoustique selon l'invention dont on constate bien qu'il se diférencie de celui de la figure 1 uniquement par la disparition des espaces 6, lesquels sont remplis par le fluide viscoélastique 4.

Dans le but de comprendre ce résultat surprenant les inventeurs ont modélisé la structure de cet absorbeur à l'aide d'une analyse unidimensionnelle par schéma équivalent. Le schéma équivalent d'une alvéole isolée est représenté sur la figure 3. Il est relativement classique, à l'exception de la partie qui représente le fluide visqueux et qui est formée de trois impédances Z1,Z1, et Z2 connectées en T.

Les impédances de l'eau, de la membrane, de l'interface fluide/air, et la capacité représentative de l'air sont bien connues. Par contre, les impédances Z1 et Z2, spécifiques du comportement du fluide dans ce schéma équivalent, sont représentées par
Zeff j j sin
et Z2 = j Zeff tg f
2
Dans ces expressions, l'impédance équivalente Zeff s'exprime en fonction des contraintes et des déformations par

Dans laquelle T désigne la contrainte, V et V* exprimant respectivement la vitesse et sa quantité complexe conjuguée, S et dS étant respectivement la surface et un élément de surface.

L'angle de phase t est égal à kH où H est la hauteur de fluide visqueux et k = c t étant la pulsation et c la vitesse de phase dans le guide acoustique, calculée numériquement.

Toutes les impédances étant ainsi définies, on peut calculer le coefficient de réflexion selon une méthode tout à fait connue.

Les résultats de ce calcul sont représentés par la courbe en pointillés sur la figure 5, dans laquelle le coefficient de réflexion en décibels est porté en ordonnées, en fonction de la fréquence en Hertz en abscisses.

On observe alors sur cette figure que les résultats théoriques avec air et sans air coïncident parfaitement.

Compte tenu de ces résultats on a alors réalisé en utilisant cette technique, c'est-à-dire des alvéoles en nid d'abeilles remplies complètement d'un fluide viscoélastique, un panneau absorbant carré de 1m de côté correspondant aux caractéristiques géométriques suivantes - diamètre des alvéoles : 3mm - hauteur des alvéoles :50mm : 50mm - épaisseur de la membrane frontale : 90micromètres.

Le support 1 est en acier, la membrane en polyester du type connu sous la marque déposée "Milar" et les parois des alvéoles en matériau composite par exemple celui connu sous la marque déposée Nomex fabriqué par la société Aérospatiale.

Le fluide visqueux quant à lui est un polyisobutylène de poids moléculaire élevé, par exemple celui commercialisé sous la marque déposée Oppanol.

Les mesures expérimentales réalisées avec ce panneau sont représentées sur la courbe en traits pleins de la figure 4, et l'on a également représenté sur cette figure par un trait pointillé portant des ronds les résultats expérimentaux obtenus avec un modèle de mêmes dimensions mais comportant des espaces remplis d'air épais de 5mm entre la base du fluide visqueux et le support métallique du réflecteur.

Outre la concordance des courbes obtenue par le calcul théorique, on constate que les courbes expérimentales correspondant aux dispositifs avec air et sans air présentent des minima sensiblement identiques aux alentours de -17dB. Ces minima sont très proches, compte tenu des incertitudes courantes dans le domaine des mesures acoustiques, de celui des courbes théoriques. Par ailleurs la bande passante du modèle expérimental ne comportant pas de couche d'air est nettement plus large que celle du modèle expérimental comportant une telle couche et le coefficient de réflexion est inférieur à -10 décibels entre 5500Hz et 15000Hz.

Outre ces résultats meilleurs, l'invention permet de fabriquer plus facilement le réflecteur, puisqu'il n'est pas nécessaire de prendre des précautions particulières pour maintenir la couche d'air au fond des alvéoles. D'autre part, ce dispositif supporte mieux les immersions profondes que les dispositifs connus, puisque, sous l'effet de la pression due à l'immersion, le fluide viscoélastique ne glisse pas vers le support en se décollant de la paroi des alvéoles.

Claims (3)

REVENDICATIONS

1. Absorbeur acoustique pour milieu fluide, notamment pour milieu marin, du type comportant un support rigide (1), un ensemble d'alvéoles contigües à parois (5) rigides fixées sensiblement perpendiculairement à la surface du support, et un fluide viscoélastique dissipatif des ondes acoustiques (4) coulé dans ces alvéoles, adhérant à la surface interne de celles-ci et présentant avec le milieu fluide où est plongé l'absorbeur une interface (7) située au ras de l'extrémité libre des alvéoles, caractérisé en ce que ledit fluide viscoélastique dissipatif (4) remplit totalement lesdites alvéoles et vient s'appuyer sur la surface du support (1) sur lequel sont fixées les alvéoles.

2. Absorbeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une membrane d'étanchéité (7) fixée à l'extrémité libre des alvéoles et séparant le fluide viscoélastique (4) du milieu où est plongé l'absorbeur.

3. Absorbeur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les alvéoles sont en forme de nids d'abeilles.