FR3044812A1 - Metamateriau acoustique absorbant - Google Patents

Abstract

L'invention porte sur une cellule élémentaire (1) de métamatériau acoustique comprenant : - un corps (2) en matériau solide, et - au moins un résonateur sous forme d'une rainure (3) de largeur 1 et de profondeur p, ladite rainure (3) étant ouverte en surface dudit corps. L 'invention porte également sur un écran acoustique comprenant une telle cellule élémentaire.

Description

Métamatériau acoustique absorbant L'invention concerne le domaine des isolants acoustiques. En particulier, l'invention porte sur une cellule élémentaire d'un métamatériaux acoustique, et écran acoustique comprenant une telle cellule.

Les nuisances sonores dans la vie quotidienne, provenant par exemple de l'environnement extérieur, comme la proximité d'un axe routier ou aérien, ou bien intérieur comme le bruit des appareils ménagers, sont des facteurs de stress qui détériorent le confort de vie.

Les nuisances sonores existent également dans le domaine du bâtiment et dans divers domaines industriels.

Afin de retrouver le confort, il est souvent nécessaire d'isoler acoustiquement la source de bruit. Pour ce faire, des solutions permettant d'atténuer la propagation des ondes sonores existent. Cependant, les isolants acoustiques connus de l'état de la technique reposent sur l'utilisation de caractéristiques intrinsèques de matériaux en termes d'absorption ou de réflexion d'ondes sonores. Les matériaux classiquement utilisés à cette fin sont typiquement des matériaux poreux, telles que des mousses métalliques ou des matériaux polymères, la laine de roche, de verre, de coton, de liège ou de fibres de bois agglomérées.

Un problème que pose l'utilisation de tels matériaux réside dans le fait que le choix du matériau à utiliser est dicté par les caractéristiques intrinsèques du matériau, ce qui limite la possibilité de choix du matériau par rapport à une application donnée. De plus, le fait de se baser sur les propriétés intrinsèques du matériau limite également la gamme de fréquences de réponse du matériau ainsi que les techniques de fabrication.

En outre, les panneaux acoustiques fabriqués à partir de tels matériaux sont lourds et volumineux, notamment ceux utilisé pour les basses fréquences. L'objectif de la présente invention est de résoudre les problèmes des isolants acoustiques connus de l'état de la technique. En particulier, l'invention a pour objectif de proposer une solution d'isolation acoustique, efficace et permettant d'avoir une flexibilité dans le choix du matériau et la gamme de fréquences. L'invention vise également à réduire la dimension et le poids des panneaux acoustiques A cet effet, l'invention a pour objet une cellule élémentaire de métamatériau acoustique comprenant : - un corps en matériau solide, et - au moins un résonateur sous forme d'une rainure de largeur 1 et de profondeur p, ladite rainure étant ouverte en surface dudit corps en matériau solide.

La rainure ouverte en surface du corps en matériau solide, constitue une cavité raisonnante qui permet d'avoir un degré élevé de confinement spatial de l'énergie acoustique. Ce confinement permet en conséquence d'avoir une bonne absorption des ondes sonores. Cela permet également d'induire une réduction de la réflexion et de la transmission des ondes sonores.

De tels effets sont obtenus indépendamment de la nature du matériau solide, grâce la structuration du matériau solide en surface de manière à avoir une ou plusieurs cavité(s) raisonnante(s). De cette manière on s'affranchit donc de la nature du matériau.

En d'autres termes, même en utilisant un matériau solide dont les propriétés d'absorption acoustique intrinsèques ne sont pas importantes, le fait de le structurer de manière à avoir un métamatériau comprenant une ou plusieurs cavité(s) ouverte(s) en surface, permet d'améliorer considérablement l'absorption acoustique par ce matériau.

Ainsi, différents matériaux solides peuvent être utilisés, par exemple : le bois, le verre, les métaux et les polymères. Ceci permet donc une grande marge de manœuvre quant aux techniques de fabrication employées.

En outre, la flexibilité concernant le choix du matériau, permet de réduire le poids de ces écrans acoustique d'une manière significative.

La cellule élémentaire conforme à l'invention peut être utilisée pour une large gamme de fréquences, allant de 100Hz à 10kHz, ce qui correspond respectivement à des longueurs d'ondes entre 3,5 mètres et 3,5 centimètres.

Avantageusement, la rainure est cylindrique, polygonale ou rectiligne. La flexibilité en termes de géométrie de la rainure permet de choisir le motif que l'on veut, par exemple pour améliorer l'esthétique de la structure globale.

Avantageusement, ladite rainure est discontinue et se présente sous forme de secteurs séparés par le matériau solide constitutif du corps. Ceci permet d'élargir la bande fréquentielle d'absorption.

Selon un mode de réalisation de l'invention, le corps de cellule comporte plusieurs rainures. Ceci permet d'augmenter l'absorption d'ondes sonores.

Avantageusement, lesdites rainures sont concentriques. Ce mode de répartition présente l'avantage de garantir une l'homogénéité spatiale d'absorption des ondes sonores, due à la symétrie.

Avantageusement, la ou les rainure(s) présente(nt) une largeur 1 constante sur toute la profondeur p de ladite (lesdites) rainure(s).

Avantageusement, au moins deux rainures présentent des largeurs 1 et des profondeurs p différentes les unes des autres. Cela permet d'élargir la bande fréquentielle d'absorption et de contrôler l'efficacité d'absorption par fréquence. En effet, les dimensions géométriques des rainures permettent de contrôler à la fois la fréquence et l'efficacité de l'absorption. La profondeur p détermine la fréquence d'absorption de chaque rainure, et la largeur 1 détermine son efficacité d'absorption.

Avantageusement, le corps en matériau solide comporte au moins une entaille traversante. Une telle entaille permet la circulation de l'air et favorise les échanges thermiques entre deux milieux séparés par la cellule ou un panneau comprenant la cellule.

Avantageusement, la ou les rainure(s) est(sont) repliée(s) de manière à ne présenter qu'une ouverture et plusieurs plis à l'intérieurs de la cellule.

La technique de repliement de l'espace permet de réduire l'épaisseur d'une cellule. Cette réduction de l'épaisseur est notamment importante pour obtenir une absorption basse fréquences sans augmenter l'épaisseur de la cellule. A titre d'exemple, l'absorption d'une onde sonore de fréquence 1kHz (de longueur d'onde À=35cm), nécessiterait un résonateur sous forme de rainures dont la profondeur serait approximativement de À/4=9cm. En utilisant la technique de repliement de l'espace, l'épaisseur de la structure, définie par la profondeur de la rainure, peut être divisée par 10, tout en gardant les mêmes performances d'absorption.

Avantageusement, au moins une rainure contient un fluide ou polymère. Ledit fluide ou polymère peut être contenu à l'aide d'une fine membrane à la surface de la dite cellule. Cela permet d'induire ou d'augmenter l'absorption acoustique à des fréquences encore plus basses, en fonction de la nature du fluide, c'est-à-dire gaz ou liquide, ou du polymère.

Avantageusement, le corps de cellule est cylindrique, parallélépipédique ou pyramidal. Cette flexibilité concernant la forme globale de la cellule facilite la conception. L'invention concerne également un écran acoustique sous forme d'un panneau comprenant au moins une cellule élémentaire de métamatériau selon l'invention. Un tel écran peut comprendre uniquement des cellules élémentaires absorbantes selon l'invention, mais il peut également comprendre d'autres éléments acoustiques, par exemple des cellules acoustiques réflectrices.

Avantageusement, ledit écran acoustique comprend une multitude de cellules élémentaires selon l'invention, agencées de sorte que chaque cellule soit apte à agir sur une autre cellule voisine, de manière à modifier les fréquences de résonances. Cela permet également de générer une interaction favorable à l'absorption d'ondes sonores. L'interaction entre cellules permet d'élargir le spectre d'absorption et d'augmenter localement la transmission ou la réflexion, ce qui permet de mieux isoler une chambre ou d'en supprimer le bruit.

Par plan du panneau on entend, dans le sens de la présente demande, la surface du panneau qui peut être plate ou courbée.

Avantageusement, les cellules élémentaires sont agencées dans ledit panneau de manière périodique. Par exemple, selon des motifs particuliers de type carré, triangulaire ou en forme de nid d'abeille. Les motifs de périodicité permettent de favoriser l'émergence d'un effet d'atténuation dû à l'agencement en réseau d'unités résonantes. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante de modes de réalisation préférés donnés à titre d'exemples illustratifs, non limitatifs, en référence aux dessins parmi lesquels : - Les figures la à le représentent un premier exemple de réalisation d'une cellule élémentaire selon l'invention, comprenant une rainure simple en forme de cylindre ; - Les figures 2a et 2c représentent un deuxième exemple de réalisation, dans lequel la cellule élémentaire est parallélépipédique et comprend une rainure linéaire ; - Les figures 3a à 3d représentent un exemple de réalisation, dans lequel la cellule élémentaire est cylindrique et comprend trois rainures cylindriques concentrique ; - Les figures 4a à 4c représentent un exemple de réalisation, dans lequel la cellule est parallélépipédique et comprend trois rainures linéaires ; - Les figures 5a à 5c représentent un exemple de réalisation, dans lequel la cellule est cylindrique et comprend une rainure cylindrique repliée ; - Les figures 6a à 6c représentent un exemple de réalisation, dans lequel la cellule est parallélépipédique et comprend une rainure linéaire repliée. la figure 7 représente la réponse d'absorption d'ondes sonores d'une cellule élémentaire selon 1'invention.

La figure 8 montre une comparaison de courbes d'absorption obtenues avec des cellules élémentaires conformes à l'invention dont les rainures ont des largeurs différentes .

La figure la représente vue isométrique d'une cellule élémentaire 1 d'un métamatériau acoustique conforme à 1'invention. Les figures lb et le représentent respectivement une vue de dessus et une vue d'une coupe longitudinale suivant 1'axe AA de la cellule 1.

La cellule 1 comporte un corps solide 2 cylindrique comprenant une rainure 3 également cylindrique. La rainure 3 est caractérisée par une profondeur p et une largeur 1, comme le montre la figure le. La largeur 1 étant la distance entre les parois latérales de la rainure 3.

La présence de la rainure, qui constitue une cavité raisonnante, permet d'avoir un haut degré de confinement spatial de l'énergie acoustique, ce qui permet en conséquence d'absorber les ondes sonores et d'induire une réduction de la réflexion et de la transmission.

La profondeur p définit la fréquence de résonnance et la largeur 1 détermine l'efficacité de la cellule. Il est donc possible de jouer sur ces deux paramètres pour ajuster la fréquence et l'efficacité d'absorption des ondes sonores par la cellule élémentaire 1.

La figure 2a représente une vue isométrique d'une cellule élémentaire 1' parallélépipédique. Les figures 2b et 2c représentent respectivement une vue de dessus et une vue d'une coupe longitudinale suivant l'axe A ' A ', de la cellule 1 ' .

La cellule 1' comporte un corps solide 2' parallélépipédique comprenant une rainure 3' linéaire. La rainure 3 ' est caractérisée par une profondeur p ' et une largeur 1 ', comme dans le cas de 1 ' exemple de la figure le.

La figure 3a représente une vue isométrique d'une cellule élémentaire 10 comprenant un corps solide 2 0 cylindrique et trois rainures cylindriques concentrique 30, 31, 32 . Les figures 3b et 3c représentent respectivement une vue de dessus et une vue d'une coupe longitudinale suivant 1'axe BB, de la cellule 10.

Dans cette exemple de réalisation les trois rainures 30, 31, 32 ont la même profondeur et la même largeur comme le montre la figure 3c.

La figure 3d illustre une vue d'une coupe similaire à la vue illustré dans la figure 3c, d'une cellule 10' qui comprend un corps solide 20' cylindrique et trois rainures cylindriques concentrique 30', 31', 32'. La cellule 10' est identique à la celle 10 illustrée dans les figures 3a à 3C, sauf en ce qui concerne les profondeurs et largeurs des rainures 30', 31', 32' qui sont différentes pour chacune des trois rainures 31', 32', 33'. Ceci permet d'avoir une fréquence de résonance et une efficacité d'absorption différentes pour chaque rainure.

La figure 4a représente une vue isométrique d'une cellule élémentaire 10" parallélépipédique. Les figures 4b et 4c représentent respectivement une vue de dessus et une vue d'une coupe longitudinale suivant l'axe B"B", de la cellule 10".

La cellule 10" comporte un corps solide 20" parallélépipédique comprenant trois rainures 30", 31", 32" qui ont la même profondeur et la même largeur comme le montre la vue de coupe de la figure 4c.

Les figures 5a représente, une vue isométrique, d'une cellule élémentaire 100 selon un exemple de réalisation, dans lequel la cellule 100 comprend un corps solide 200 cylindrique et une rainure cylindrique 300 repliée. Les figures 5b et 5c représentent respectivement une vue de dessus et une vue d'une coupe longitudinale suivant l'axe CC, de la cellule 100.

La figure 5c illustre les replis de la rainure 300. Le repliement de la rainure 300 permet de réduire considérablement l'épaisseur de la cellule 100, tout en gardant l'efficacité d'absorption d'une rainure dont la profondeur correspond à la longueur des parois de la rainure 300.

La figure 6a représente une vue isométrique d'une cellule élémentaire 100' parallélépipédique, comprenant un corps solide 200' parallélépipédique et une rainure linéaire 300' repliée. Les figures 6b et 6c représentent respectivement une vue de dessus et une vue d'une coupe longitudinale suivant l'axe CC' de la cellule 100'.

La forme parallélépipédique présente l'avantage de permettre un meilleur remplissage de la surface d'un panneau acoustique.

La figure 7 illustre la réponse d'absorption d'une cellule élémentaire selon l'exemple de réalisation présenté sur les schémas des figures 3a à 3c, mais avec une profondeur différente pour chaque rainure. Cette cellule élémentaire a une hauteur globale de 196,5 mm et comprend 3 cavités résonantes sous formes de rainures cylindriques concentriques d'une largeur fixe de 2.7 mm, et des profondeurs différentes de 16 0.5 mm, 177 mm, et 193.5 mm, respectivement.

Ladite cellule a été fabriquée par 1 'imprimante 3D Projet SD3500, dont les caractéristiques de la résine Visijet Crystal utilisée sont présentées ci-dessous : - Densité (g/cm) : 1.02 (liquide, à 80°) - Module d'Young : 1463 MPa - Contrainte-flexion : 49 MPa

La caractérisation présentée et qui permet d'étudier les propriétés acoustiques de ladite cellule pour les fréquences audibles, est obtenue grâce à un tube à ondes stationnaire muni de 4 microphones. Nous avons utilisé un kit de tube de transmission de type 4206-T de la marque

Brüel&Kjær.

Le diamètre de tube de transmission utilisé est de 100 mm, ce qui permet de réaliser des mesures pour les intervalles de fréquence de [50 :1600]-Hz.

Un haut-parleur, placé à une extrémité du tube, génère du bruit blanc sur la bande fréquentielle qui nous intéresse.

Les mesures en pression sont réalisées en utilisant deux terminaisons à condition d'impédance différente.

La figure 7 montre notamment les trois premières fréquences de résonance pour lesquelles une absorption exaltée s'opère, avec des coefficients d'absorption atteignant jusqu'à 0,97.

Par exemple, les valeurs d'absorption obtenues sont : - 0.97 à 315 Hz ; - 0.95 à 353 Hz ; - 0.96 à 364 Hz ; - 0.95 à 1031 Hz ; - 0.96 à 1150 Hz ; - 0.93 à 1294 Hz.

Nous obtenons ainsi pour cette structure deux bandes d'absorption exaltées : - 1ère bande : centrée autour de 360Hz, et atteignant 0,87 avec une bande relative de 44:7% ; - 2nd bande : centrée autour de 1159Hz, et atteint 0,49 avec une bande relative de 44:6%.

La figure 8 est une comparaison des courbes d'absorption obtenues pour différentes largeur de rainures pour quatre cellules selon l'exemple de réalisation montré par les figures la à le.

Lesdites cellules ont chacune une rainure cylindrique d'une profondeur de 100 mm et des largeurs de rainures de 15 mm, 10 mm, 5 mm, et 2 mm, respectivement. Le rayon de chaque cellule est de 25 mm.

La figure 8 montre une augmentation de l'absorption à mesure que la largeur de rainures diminue. Cette absorption passe respectivement de 0.05 à 0.08 à 0.26 puis à 0.37 simplement en diminuant le paramètre de dimension 1.

Claims (14)

1. REVENDICATIONS

   1. Cellule élémentaire (1 ; 1' ; 10 ; 10' ; 10" ; 100 ; 100') de métamatériau acoustique comprenant : - un corps (2; 2'; 20; 20'; 20"; 200; 200') en matériau solide, et - au moins un résonateur sous forme d'une rainure (3; 3'; 30, 31, 32; 30', 31', 32'; 30", 31", 32" ; 300; 300') de largeur 1 et de profondeur p, ladite rainure (3; 3'; 30, 31, 32; 30', 31', 32'; 30", 31", 32" ; 300; 300') étant ouverte en surface dudit corps.
2. 2. Cellule (1 ; 1' ; 10 ; 10' ; 10" ; 100 ; 100') selon la revendication 1, selon laquelle ladite rainure (3; 3'; 30, 31, 32; 30 ' , 31 ' , 32 ' ; 30", 31", 32" ; 300; 300 ' ) est cylindrique, polygonale ou rectiligne.
3. 3. Cellule selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle ladite rainure est discontinue et se présente sous forme de secteurs séparés par le matériau solide constitutif du corps.
4. 4. Cellule (10 ; 10' ; 10" ) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le corps de cellule comporte plusieurs rainures (30, 31, 32 ; 30', 31', 32 ' ; 30", 31", 32").
5. 5. Cellule (10 ; 10') selon la revendication 4, dans laquelle lesdites rainures (30, 31, 32 ; 30', 31 ' , 32 ' ) sont concentriques.
6. 6. Cellule (1 ; 1 ' ; 10 ; 10 ' ; 10" ; 100 ; 100 ' ) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la ou les rainure ( s ) ( 3 ; 3 ' ; 30, 31, 3 2 ; 3 0', 31', 32'; 30", 31", 32" ; 300 ; 300') présentent une largeur 1 constante sur toute la profondeur p de ladite rainure ( 3 ; 3' ; 30, 31, 32; 30', 31', 32'; 30", 31", 32" ; 300; 300 ') .
7. 7. Cellule (10') selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans laquelle au moins deux rainures (30', 31', 32') présentent des largeurs 1 et/ou des profondeurs p différentes les unes des autres.
8. 8. Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle le corps comporte au moins une entaille traversante.
9. 9. Cellule (10 0; 100 ' ) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle la ou les rainure (s) (300; 300') est ( sont ) repliée ( s ) de manière à ne présenter qu'une ouverture et plusieurs plis à 1 ' intérieurs de la cellule (10 0; 100') .
10. 10. Cellule (1 ; 1' ; 10 ; 10 ' ; 10" ; 100 ; 100 ' ) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle au moins une rainure contient un fluide ou polymère.
11. 11. Cellule (1 ; 1' ; 10 ; 10' ; 10" ; 100 ; 100') selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans laquelle le corps de cellule (2; 2 ’ ; 20; 2 0'; 20"; 200; 200 ' ) est cylindrique, parallélépipédique ou pyramidal.
12. 12. Écran acoustique sous forme d'un panneau comprenant au moins une cellule élémentaire ( 1 ; 1 ' ; 10 ; 10 ' ; 10" ; 100 ; 100 ' ) selon l'une des revendications 1 à 11.
13. 13. Écran acoustique selon la revendication 12 comprenant une multitude de cellules élémentaires (1 ; 1' ; 10 ; 10f ; 10" ; 100 ; 100') agencées de sorte que chaque cellule (1 ; 1' ; 10 ; 10' ; 10" ; 100 ; 100') soit apte à agir sur une autre cellule (1; 1' ; 10; 10'; 10"; 100 ; 100') voisine, de manière à modifier les fréquences de résonances.
14. 14. Écran acoustique selon la revendication 13 dans lequel les cellules élémentaires (1 ; 1' ; 10 ; 10' ; 10" ; 100 ; 100') sont agencées dans ledit panneau de manière périodique.