FR3028906A1

FR3028906A1 - Procede et dispositif d’amortissement vibratoire d’un panneau

Info

Publication number: FR3028906A1
Application number: FR1461394A
Authority: FR
Inventors: Francois Gautier; Sylvain Maugeais; Adrien Pelet; Omar Aklouche
Original assignee: Universite du Maine; Institut de Recherche Technologique Jules Verne; University of Maine System
Current assignee: Universite du Maine; Institut de Recherche Technologique Jules Verne; University of Maine System
Priority date: 2014-11-25
Filing date: 2014-11-25
Publication date: 2016-05-27
Anticipated expiration: 2034-11-25
Also published as: FR3028906B1

Abstract

L'invention concerne un panneau structural (200) comprenant une face avant et une face arrière caractérisé en ce qu'il comporte : a. sur sa face avant une pluralité de trous noirs acoustiques bidimensionnels (210, 610) distribués à la surface du panneau selon un réseau apte à créer une bande d'arrêt pour une plage de fréquences inférieures à la plus basse fréquence dissipée par l'un quelconque des trous noirs acoustique bidimensionnel présent sur ledit panneau ; b. des moyens viscoélastiques (230, 630) liés au panneau et recouvrant les bords des trous noirs acoustiques bidimensionnels dudit panneau.

Description

1 L'invention concerne un procédé et un dispositif pour l'amortissement vibratoire d'un panneau. L'invention est plus particulièrement, mais non exclusivement, destinée à l'amortissement des vibrations d'un panneau de structure notamment un panneau de carrosserie automobile, un panneau de fuselage d'un aéronef ou un capotage de machine-outil sans que ces exemples ne soient exhaustifs. Les solutions connues de l'art antérieur pour limiter les vibrations d'un panneau et la propagation de vibrations par ce panneau, consistent soit à réaliser ledit panneau dans un matériau présentant des caractéristiques amortissantes intrinsèques, soit par l'application sur ledit panneau d'un revêtement spécifique. Aussi ces solutions de l'art antérieur conduisent globalement à augmenter la masse dudit panneau à performances mécaniques équivalentes. Le phénomène dit de « trou noir acoustique » est illustré figure 1A dans le cas d'une lame en flexion. Selon cet exemple théorique, ladite lame (100) comprend à l'une de ses extrémités un amincissement (110) progressif jusqu'à une épaisseur nulle. Les ondes de flexion se propageant dans la lame (100), augmentent en amplitude et leur longueur d'onde se réduit en arrivant dans cette portion (110) amincie jusqu'à atteindre une longueur d'onde théoriquement nulle sur l'extrémité d'épaisseur nulle, de sorte que lesdites ondes n'atteignent pas ladite extrémité qui constitue une terminaison anéchoïque. D'un point de vue pratique, une épaisseur nulle ne peut pas être atteinte et l'extrémité (111) réelle de la lame est d'épaisseur finie. Ce principe obtenu selon une propagation monodimensionnelle des ondes est étendu à une propagation bidimensionnelle en réalisant, figure 1B, une poche (120) d'épaisseur dégressive vers son centre jusqu'à un trou (121) central. Ce dispositif présente les mêmes limites que celles relatives à la lame, à savoir que l'épaisseur nulle ne peut pas être atteinte d'un point de vue pratique sur les bords du trou. Le document WO 2012/079158 décrit un exemple pratique d'utilisation d'un trou noir acoustique ou l'effet de réflexion de l'onde acoustique sur l'épaisseur non nulle des bords du trou central est atténué par un dimensionnement judicieux du diamètre du trou central en regard du diamètre de la poche.

Les inventeurs ont constaté qu'il est possible d'obtenir un effet équivalent à l'effet théorique de dissipation d'un trou noir acoustique avec une terminaison d'épaisseur non nulle, en rapportant un matériau viscoélastique, par exemple un morceau de ruban 3028906 2 adhésif, à cette extrémité. Toutefois, la présence d'un trou noir acoustique dans un panneau n'est efficace vis-à-vis de l'amortissement des vibrations qu'au-delà d'une certaine fréquence, notée par la suite, fi., de sorte que cette solution technique n'est pas efficace vis-à-vis des 5 fréquences, dites basses fréquences, situées dans le spectre audible.. Dans tout le texte, les termes « trou noir acoustique bidimensionnel » désignent une poche d'épaisseur dégressive vers son centre percé d'un trou. Les bords dudit trou noir acoustique bidimensionnel sont les bords de son trou, le diamètre dudit trou noir acoustique bidimensionnel est, pour un trou noir circulaire, le diamètre de la poche, 10 c'est-à-dire le diamètre maximum de la zone d'épaisseur dégressive. L'invention vise à résoudre les inconvénients de l'art antérieur et concerne à cette fin un panneau structural comprenant une face avant et une face arrière, lequel panneau comporte : a. sur sa face avant, une pluralité de trous noirs acoustiques 15 bidimensionnels distribués à la surface du panneau selon un réseau apte à créer une bande d'arrêt pour une plage de fréquences inférieures à la plus basse fréquence, f z, dissipée par l'un quelconque des trous noirs acoustique bidimensionnel présent sur ledit panneau ; b. des moyens viscoélastiques liés au panneau et recouvrant les bords des 20 trous noirs acoustiques bidimensionnels dudit panneau Ainsi les trous noirs acoustiques pris individuellement assurent l'amortissement des vibrations au-delà de leur fréquence limite fii,,z et leur organisation en motif agit comme un filtre à réjection de bande vis-à-vis des fréquences les plus basses. La combinaison des dimensions des trous noirs et de leur répartition à la surface du 25 panneau permet de déterminer les plages de fréquences ainsi filtrées. Ce mode d'amortissement est obtenu en allégeant le panneau par la création des trous noirs acoustiques bidimensionnels. Le panneau objet de l'invention est constitué d'un matériau métallique ou d'un matériau à matrice organique, par exemple un matériau composite renforcé par des 30 fibres coupées. Dans ce dernier cas, les propriétés viscoélastiques du matériau constituant le panneau permettent, pour certaines applications, d'obtenir l'effet technique sans l'ajout de revêtement.

3028906 3 L'invention est avantageusement mise en oeuvre selon les modes de réalisation exposés ci-après lesquels sont à considérer individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante. Selon un mode de réalisation du panneau objet de l'invention, les moyens 5 viscoélastiques comprennent un revêtement viscoélastique appliqué sur la face arrière du panneau lequel revêtement obstrue les perçages centraux des trous noirs bidimensionnels. Ainsi, ledit revêtement viscoélastique en plus d'assurer l'amortissement des vibrations aux terminaisons centrales, assure l'étanchéité du panneau.

10 Selon un autre mode de réalisation, compatible avec le précédent, les moyens viscoélastiques comprennent une peinture appliquée sur la face avant du panneau. Ainsi le revêtement viscoélastique assure également la protection du panneau vis-à-vis de la corrosion, ainsi que les fonctions d'aspect. Selon un mode de réalisation particulier, le panneau objet de l'invention 15 comprend : c. un matériau de remplissage viscoélastique remplissant les poches des trous noirs acoustique. Ce mode de réalisation permet d'obtenir une surface uniforme sur la face avant du panneau..

20 Avantageusement, le panneau objet de l'invention comporte : d. un raidisseur s'entendant entre des trous noirs acoustiques bidimensionnels. Ainsi, ledit raidisseur, permet d'obtenir une rigidité et une résistance mécanique accrues du panneau, sans perdre l'effet d'amortissement des trous noirs acoustiques.

25 Selon un mode de réalisation particulier, le raidisseur s'étend à la surface du panneau selon une trace parabolique et un trou noir acoustique bidimensionnel est centré sur le foyer de ladite trace parabolique. Ainsi, un effet de focalisation des vibrations vers des trous noirs acoustiques est obtenu pour accroître les performances dissipatrices du panneau.

30 Avantageusement, le panneau objet de l'invention comporte : e. un panneau de renfort plaqué sur la face arrière du panneau de manière à prendre le revêtement viscoélastique en sandwich entre les deux 3028906 4 panneaux. Ainsi, le panneau de renfort permet d'améliorer à la fois l'étanchéité et la tenue mécanique du panneau objet de l'invention. Avantageusement, le profil de décroissance de l'épaisseur vers son centre de 5 chaque trou noir acoustique bidimensionnel est un profil parabolique. Ce profil de variation d'épaisseur permet d'obtenir l'effet le plus marqué pour une dimension donnée du trou noir acoustique. Selon un mode de réalisation particulier, le pourtour de la poche d'un trou noir acoustique bidimensionnel est circulaire et le diamètre du trou formant les bords dudit 10 trou noir est compris entre 1/20 ' et 1/5 ' du diamètre du pourtour de la poche. L'invention concerne également un procédé pour la fabrication d'un panneau selon l'invention, lequel procédé comporte les étapes consistant à : i. réaliser les trous noirs acoustiques bidimensionnels sur la face avant par usinage ; 15 ii. réaliser le raidisseur par fabrication additive. Ce mode de fabrication est particulièrement économique pour les petites séries où il permet de réaliser le panneau en un nombre minimum d'étapes de fabrication. Selon des procédés alternatifs, plus adaptés à la moyenne ou à la grande série, le panneau objet de l'invention est obtenu par moulage, thixoformage ou l'injection de 20 résine dans une préforme sèche. L'invention est exposée ci-après selon ses modes de réalisation préférés, nullement limitatifs, et en référence aux figures 1 à 6 dans lesquelles : - la figure 1, relative à l'art antérieur, montre, figure 1A selon une vue de profil un exemple de réalisation d'un trou noir acoustique à l'extrémité d'une lame en 25 flexion, figure 1B selon une vue de profil en coupe, un exemple de réalisation d'un trou noir acoustique bidimensionnel ; - la figure 2, représente selon une vue de face et une vue en coupe partielle, un exemple de réalisation d'un panneau selon l'invention comportant une pluralité de trous noirs acoustiques en réseau ; 30 - la figure 3 montre, figure 3A, en vue de face un exemple de réalisation d'un panneau comprenant un trou noir acoustique unique et figure 3B un diagramme montrant l'effet du trou noir acoustique sur l'atténuation des vibrations dudit 3028906 5 panneau ; - la figure 4, illustre des exemples de réalisation de focalisation des effets des trous noirs acoustiques, figure 4A par le contour du panneau, figure 4B par la présence d'un raidisseur, et la figure 4C illustre l'effet de ces exemples de 5 focalisation sur l'efficacité du trou noir ; - la figure 5 est un diagramme mettant en évidence l'influence d'une pluralité de trous noirs acoustiques en réseau sur l'atténuation des vibrations en fonction de la fréquence ; - et la figure 6 montre selon des vues de profil en coupe des exemples de 10 réalisation d'un panneau selon l'invention comprenant un panneau de renfort rapporté sur sa face arrière. Figure 2, selon un exemple de réalisation le panneau (200) objet de l'invention comprend une pluralité de trous noirs acoustiques bidimensionnels (210) circulaires, répartis à la surface du panneau selon un réseau matriciel suivant un pas (212) 15 horizontal et un pas (213) transversal. Selon cet exemple de réalisation le pas horizontal et le pas transversal sont sensiblement égaux. Vu en section, le profil de chaque trou noir acoustique (210) suit une évolution selon une variation d'épaisseur représentée par un polynôme du second degré, dégressive depuis le pourtour de la poche jusque vers les bords dudit trou noir acoustique. L'épaisseur sur les bords du trou noir acoustique 20 est fonction de critères technologiques liés au procédé de réalisation dudit trou noir et à la nature du matériau constituant le panneau. Selon un exemple de réalisation, cette épaisseur sur les bords du trou noir acoustique est inférieure ou égale à 1/10 ' de l'épaisseur courante du panneau (200). Selon cet exemple de réalisation, la poche du trou noir acoustique est de pourtour circulaire selon un diamètre D, le trou central (211) 25 est de diamètre d de sorte que D/20 < d < D/5. Selon ce mode de réalisation le panneau comporte, sur sa face arrière, un revêtement (230) constitué d'un polymère viscoélastique. À titre d'exemple, ledit polymère est rapporté sur la face arrière du panneau par collage. Selon cet exemple de réalisation, ledit polymère viscoélastique recouvre toute la face arrière du panneau. Alternativement le polymère viscoélastique 30 est rapporté sous la forme de pastilles recouvrant les bords des trous noirs acoustiques. Selon un autre mode de réalisation, compatible avec les précédents, le polymère viscoélastique est rapporté sous la forme d'une couche de peinture sur la face avant ou 3028906 6 la face arrière du panneau. Le panneau (200) est ici représenté de contour rectangulaire, mais ledit panneau est susceptible de prendre toute forme de contour, fonction de l'application visée. Selon des exemples de réalisations le panneau (200) est constitué d'un matériau métallique tel qu'un alliage d'aluminium ou un acier, ou d'un 5 matériau composite comprenant une matrice polymère et un renfort fibreux. Les poches correspondant aux trous noirs acoustiques sont obtenues par usinage, par exemple en fraisage, ou directement lors du moulage du panneau. Pour un trou noir acoustique dont la poche est d'un diamètre supérieur à 20 mm, l'usinage est avantageusement réalisé en usinage d'enveloppe selon un cycle hélicoïdal sur une machine à commande 10 numérique. Pour un trou noir acoustique dont le diamètre de la poche est inférieur à 20 mm, l'usinage est avantageusement réalisé selon un travail de forme en utilisant, en plongée, une fraise dont le profil correspond au profil de variation d'épaisseur visé. Pour tous les exemples de mise en oeuvre et exposés ci-après le panneau (200) est constitué d'un alliage d'aluminium d'une épaisseur h de 1,5 mm. Les exemples 15 suivants sont produits afin de mettre en évidence l'effet de synergie obtenu par la présence d'un réseau de trous noirs acoustiques bidimensionnels en regard de la présence d'un trou noir seul. Ces exemples sont réalisés sur des panneaux plans, sans que cela ne constitue une limitation de l'invention. Exemple 1 - Trou noir acoustique unique 20 Figure 3A, selon un premier exemple illustratif, un trou noir acoustique (310) bidimensionnel de pourtour circulaire de diamètre D = 120 mm et dont le diamètre du trou central (311) est de 10 mm est pratiqué sur un panneau de 1 m2, de contour quelconque. L'épaisseur des bords du trou noir acoustique est de l'ordre de 0,01 mm. Ledit panneau est excité en un premier point (341) au moyen d'un marteau d'impact, 25 et la réponse vibratoire du panneau est mesurée en un second point (342) au moyen d'un accéléromètre. Le marteau d'impact produit une excitation impulsionnelle dont le spectre correspond à un spectre plat sur une bande de fréquence comprise en 10 Hz et 10 kHz. La réponse du panneau (300) comprenant le trou noir acoustique bidimensionnel (310) est comparée à la réponse d'un panneau témoin de géométrie 30 identique mais sans trou noir acoustique. La courbe (350) de la figure 3B montre l'efficacité (302), E [dB], du trou noir acoustique en fonction de la fréquence. Ce tracé 3028906 7 est obtenu en comparant l'écart type Gy des deux réponses : celle, Gyp , du panneau (300) comprenant le trou noir acoustique (310), et celle G'ef du panneau témoin, après avoir appliqué un filtre passe bande entre les fréquences f, et f, correspondant à une étendue de 1/3 d'octave centré sur la fréquence de mesure Nf.

5 E [dB] = 20.1og'(6'efl Gyp) Ainsi, une atténuation de la réponse vibratoire du panneau par la présence du trou noir acoustique est comptée positivement sur ce diagramme. La figure 3B montre un exemple d'efficacité (302), en dB, du trou noir acoustique en fonction de la fréquence (301). Les résultats expérimentaux montrent que le trou noir 10 acoustique bidimensionnel est efficace dans l'amortissement des vibrations du panneau au-delà d'une fréquence minimal, notée fh,,z laquelle fréquence correspond empiriquement à une longueur d'onde de flexion, X, dans le panneau, de l'ordre de grandeur du rayon de la poche du trou noir acoustique bidimensionnel soit : = 2D/3 15 Ce qui en termes de fréquence se traduit par la relation : 9 7 fi= Avec : - E : module d'Young du matériau constituant le panneau ; - h : épaisseur du panneau ; 20 - y : coefficient de Poisson du matériau constituant le panneau ; - p : masse volumique du matériau constituent le panneau. Ainsi, dans le cas présent, pour un trou noir acoustique d'un diamètre de 120 mm fi, = 2744 Hz. Afin d'être efficace à des fréquences audibles moyennes, de l'ordre de 500 Hz il 25 est nécessaire, en ayant recours à un trou noir acoustique bidimensionnel unique, que celui-ci atteigne un diamètre de l'ordre de 280 mm, ce qui est important en regard de la dimension du panneau d'une part, et d'autre par ne produit qu'une atténuation limitée, moins de 3 dB, à cette fréquence. Le tableau ci-après donne des exemples de valeurs de fii,,z pour différents 3028906 8 diamètres de trous noirs acoustiques dans un panneau en alliage d'aluminium d'une épaisseur de 1,5 mm. Diamètre [mm] fi. [Hz] 60 10976 120 2744 280 504 Exemple 2 - Amélioration des performances par focalisation Figure 4, l'efficacité d'un trou noir acoustique bidimensionnel est améliorée en plaçant celui-ci judicieusement en regard de la géométrie du panneau. Figure 4A, selon 10 un premier exemple, le panneau (401) n'est plus de contour quelconque mais de contour elliptique, le trou noir acoustique bidimensionnel (411) étant placé à l'un de foyers de l'ellipse, ce mode de réalisation nécessite cependant un contour particulier du panneau, lequel doit être compatible l'insertion du panneau dans un ensemble mécanique. Figure 4B, selon un autre exemple, le panneau est de contour quelconque 15 mais comprend un raidisseur (420) décrivant une trace parabolique à la surface du panneau (402), le trou noir acoustique bidimensionnel (412) étant placé au foyer de ladite parabole. Un tel raidisseur (420) est par exemple rapporté sur le panneau (402) par soudage, cocuisson ou fabrication additive selon la nature du matériau constituant le panneau et selon l'importance de la série de fabrication.

20 Figure 4C la comparaison de la réponse (452) du panneau comportant un raidisseur et de la réponse (350) du panneau témoin, montre que les aménagements focalisant les ondes de flexion vers le trou noir, tendent à accroître l'efficacité dudit trou noir mais ne permettent pas de réduire significativement la valeur de Exemple 3 - Trous noirs acoustiques en réseau 25 Selon l'exemple de la figure 5, le panneau comporte sur sa première face un réseau matriciel de 60 trous noirs acoustiques dont le pourtour circulaire de la poche est de diamètre 60 mm, les centres desdits trous noirs acoustiques étant espacés de 90 mm. La comparaison de l'efficacité acoustique (550) de cette configuration en regard 5 3028906 9 des autres solutions, à trou noir unique (350) et à trou noir unique avec focalisation de l'effet au moyen d'un raidisseur (452), montre que les trous noirs acoustiques en réseau permettent en même temps d'accroître l'efficacité de près de 10 dB au-delà de la fréquence fi. d'un trou noir pris individuellement et surtout d'étendre cette efficacité en 5 dessous de la fréquence f,,,2. Sans être lié par une quelconque théorie, il est constaté que les trous noirs acoustiques ainsi placés en réseau permettent d'être efficaces à partir d'une longueur d'onde sensiblement égale au pas de distribution desdits trous noirs acoustiques à la surface du panneau. Ainsi, pour obtenir une atténuation efficace à basse fréquence, il 10 est possible d'utiliser un réseau de trous noirs acoustiques dont les poches sont de faible diamètre, répartis selon un pas large sur le panneau. L'efficacité individuelle de chaque ou d'une partie desdits trous noirs est, selon un exemple de réalisation améliorée par le placement judicieux de raidisseurs. L'utilisation de trous noirs acoustiques bidimensionnels de petit diamètre permet de réaliser ceux-ci très 15 rapidement par usinage. Le panneau conserve des capacités structurales. Figure 6A, selon un exemple de réalisation du panneau objet de l'invention, celui-ci est de structure composite et comporte une première couche (601) structurale consistant en un panneau, par exemple métallique, comportant sur sa face avant un réseau de trous noirs acoustiques bidimensionnels (610), une couche (630) constituée 20 d'un polymère viscoélastique plaqué sur la face arrière de la première (601) couche et prise en sandwich par une troisième couche (602) structurale constituée par exemple d'un matériau métallique. Selon une constitution alternative, l'une des couches (601, 602) structurales ou les deux sont constituées d'un matériau composite à matrice polymère et renfort fibreux.

25 Figure 6B, selon une variante de ce dernier mode de réalisation, la troisième couche (604) comporte également un réseau de trous noirs acoustiques (611). Figure 6C, selon un autre mode de réalisation, compatible avec les précédents, les trous noirs acoustiques sont rempli par un matériau de remplissage (620) viscoélastique. Ce matériau de remplissage participe à l'amortissement et à la 30 dissipation anéchoïque des vibrations et permet d'obtenir une surface uniforme sur la première face du panneau objet de l'invention. La description ci-avant et les exemples de réalisation montrent que l'invention 3028906 10 atteint les objectifs visés, en particulier elle permet d'obtenir un amortissement des vibrations dans les bandes de fréquences audibles, plus particulièrement dans les moyennes et basses fréquence en allégeant le panneau. Ces caractéristiques acoustiques sont avantageusement combinées avec des poches et des amincissement 5 locaux utilisées, notamment dans le domaine aéronautique pour alléger les panneaux.

Claims

REVENDICATIONS1. Panneau structural (200) comprenant une face avant et une face arrière caractérisé en ce qu'il comporte : a. sur sa face avant une pluralité de trous noirs acoustiques bidimensionnels (210, 610) distribués à la surface du panneau selon un réseau apte à créer une bande d'arrêt pour une plage de fréquences inférieures à la plus basse fréquence dissipée par l'un quelconque des trous noirs acoustique bidimensionnel présent sur ledit panneau ; b. des moyens viscoélastiques (230, 630) liés au panneau et recouvrant les bords des trous noirs acoustiques bidimensionnels dudit panneau.
2. Panneau selon la revendication 1, dans lequel les moyens viscoélastiques comprennent un revêtement viscoélastique (230) appliqué sur la face arrière du panneau lequel revêtement obstrue les perçages centraux (211) des trous noirs bidimensionnels
3. Panneau structural selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel les moyens viscoélastiques comprennent une peinture appliquée sur la face avant du panneau.
4. Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant : c. un matériau (620) de remplissage viscoélastique remplissant les poches des trous noirs acoustiques.
5. Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant : d. un raidisseur (420) s'entendant entre les trous noirs acoustiques bidimensionnels.
6. Panneau selon la revendication 5, dans lequel le raidisseur (420) s'étend à la surface du panneau selon une trace parabolique et un trou noir acoustique bidimensionel est centré sur le foyer de ladite trace 3028906 12
7. 58. 9. 10 10. 15 11. 12. 20 parabolique Panneau selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, comprenant : e. un panneau (602, 604) de renfort plaqué sur la face arrière du panneau de manière à prendre le revêtement (630) viscoélastique en sandwich entre les deux panneaux (601, 602, 60). Panneau selon les revendications 1 à 7, dans lequel le profil de décroissance de l'épaisseur vers son centre de chaque trou noir acoustique bidimensionnel est un profil parabolique. Panneau selon les revendications 1 à 8, dans lequel le pourtour de la poche d'un trou noir acoustique bidmensionnel est circulaire et que le diamètre, d, du trou (211) formant les bords dudit trou noir est compris entre 1/20 ème et 1/5 ème du diamètre, D, du pourtour de la poche. Panneau selon l'une quelconque des revendications précédentes, constitué d'un matériau métallique Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, constitué d'un matériau à matrice polymère. Procédé pour la fabrication d'un panneau selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à : i. réaliser les trous noirs acoustiques bidimensionnels sur la face avant par usinage ; ii. réaliser le raidisseur par fabrication additive.