WO2023247898A1 - Panneau absorbant acoustique large bande basé sur un métamatériau bicouche - Google Patents

Panneau absorbant acoustique large bande basé sur un métamatériau bicouche Download PDF

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WO2023247898A1
WO2023247898A1 PCT/FR2023/050932 FR2023050932W WO2023247898A1 WO 2023247898 A1 WO2023247898 A1 WO 2023247898A1 FR 2023050932 W FR2023050932 W FR 2023050932W WO 2023247898 A1 WO2023247898 A1 WO 2023247898A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
resonator
conduit
elementary cell
acoustic
Prior art date
Application number
PCT/FR2023/050932
Other languages
English (en)
Inventor
Mahmoud ADDOUCHE
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique
Université de Franche-Comté
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National De La Recherche Scientifique, Université de Franche-Comté filed Critical Centre National De La Recherche Scientifique
Publication of WO2023247898A1 publication Critical patent/WO2023247898A1/fr

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/172—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general using resonance effects

Definitions

  • the invention relates to an elementary cell of absorbent acoustic metamaterial and also to an absorbent acoustic panel comprising at least one elementary cell of absorbent acoustic metamaterial.
  • An acoustic absorbent material allows part of the incident sound wave to be dissipated and only a fraction of it to be reflected.
  • the performance of such a device is measured in terms of absorption rate a (also called absorption coefficient) and frequency bandwidth A in which this absorption rate a is guaranteed.
  • An effective absorber panel will have an acoustic impedance very close to that of air over the frequency band considered.
  • Inherently absorbent materials such as foams, wools and fibrous materials make up the vast majority of sound absorption solutions used in various areas of industry. However, the use of this type of solution is not always suitable and sometimes, simply not conceivable depending on the applications.
  • a resonator diversification technique which consists of building a panel composed of several of its resonators, each having a resonance frequency close to the other and circumscribed in the targeted frequency band.
  • the incident acoustic wave has simultaneous access to all the conduits of these resonators.
  • This is a transverse coupling (acoustic openings on the same surface parallel to that of the panel) of acoustic resonators. It is a technique used in particular for the sound-absorbing “liner” covering of aircraft engines.
  • the limitation of this method lies in the direct proportionality link that there is between the quality factor of each of the diversified resonators and the absorption rate a that they induce at their respective resonance frequency.
  • Another technique is the superposition of absorbent layers which aims in particular to combine in an additive manner the acoustic performances of the different layers.
  • the latter are often of distinct natures. This is the case, for example, of structures which combine a layer of intrinsically absorbent material such as foams, wool and fibrous materials with another layer made up of acoustic resonators in the form of a body bottom or several cavities.
  • This technique is often presented as an artifice aimed at enhancing the effectiveness of the intrinsically absorbent material. We can also present things differently by stating that it is the affixing of a thin layer of intrinsic absorber (a foam, in this case) on a structure of judiciously sized resonators which improves the absorption of such composite structure.
  • This technique is therefore an improvement on previous techniques since they consist of covering with a layer of porous material (most often a foam) a panel of Fabry-Perot or Helmholtz type acoustic resonators coupled transversely.
  • a layer of porous material most often a foam
  • Fabry-Perot or Helmholtz type acoustic resonators coupled transversely.
  • This makes it possible to sufficiently widen the operational frequency band by smoothing out the ripples in the absorption coefficient.
  • the latter having been altered due to a choice of sizing of the acoustic resonators which favors the extent of the absorption frequency band on the account of the frequency constancy of the absorption coefficient.
  • This technique of mixed superposition of absorbent layers is not possible in decontaminated and purified environments and in hostile environments (for example, extreme temperature and/or latent humidity).
  • This type of acoustic absorber presents significant limitations linked on the one hand to the fragility of the membranes and on the other hand to the relative narrowness of the operational frequency band. Indeed, the membranes have a limited lifespan directly linked to the duration of exposure and the sound power absorbed. This is aggravated by the part stuck on it and whose mass increases with the lowering of the targeted frequencies.
  • each of one or more resonators of the second layer is dimensioned so as to position its respective characteristic frequency f k on a frequency interval A/ ⁇ 5 where A/ is the frequency band of the first resonator and ⁇ represents a minimal frequency difference;
  • conduit of the first layer and/or the cavity of the second layer comprises at least one conduit of the type selected from:
  • the at least one tube-type conduit comprises one or more elbows
  • conduit of the first layer and/or the cavity of the second layer comprises at least two conduits mounted in cascade, each conduit being of the type selected from:
  • At least one of the two conduits is of the tube type comprising one or several elbows;
  • the conduit of the first layer has substantially the shape of a prism, preferably the prism being a parallelepiped, a cube, a cylinder, a cone or a hexagonal prism;
  • the second inlet opening of at least one of the cavities of the second layer further comprises an extension which extends into the conduit of the first layer, preferably the extension being straight or folded into the conduit of the first layer layer ;
  • the material of the first layer and/or the material of the second layer is of the type selected from:
  • an expanded material preferably selected from a stone, a clay, a cork, a plastic, a natural rubber, a synthetic rubber and a resin;
  • the first layer is in contact with the second layer.
  • the acoustic panel can be flat or curved.
  • an acoustic plate comprising at least one acoustic panel, the plate being able to be fixed on a surface to be soundproofed, preferably a wall and/or a ceiling, preferably the plate is flat or curved.
  • FIG. 1 is an example, according to a plane [yz], of a generic representation of the structural constitution of an elementary cell according to the invention
  • FIG. 2 is an example of a section of the second layer (deep layer) of the example in FIG. 1 according to a plane [xz] operated along the f axis;
  • FIG. 3 is an example of a section of the second layer (deep layer) of the example in FIG. 1 according to a plane [xz] operated along the f axis;
  • FIG. 5 is an example of a section of the first layer (surface layer) of the example in FIG. 1 according to a plane [xz] operated along the y axis;
  • FIG. 6 is an example of a section of the first layer (surface layer) of the example in FIG. 1 according to a plane [xz] operated along the y axis;
  • FIG. 8 is an example of a view of the example of FIG. 7;
  • FIG. 9 is an example of a view of an example of an acoustic panel comprising elementary cells of FIG. 7;
  • FIG. 10 is an example of sections of the acoustic panel of FIG. 9;
  • FIG. 11 is a graph with examples of the calculated values of the absorption coefficient a of the first layer of an elementary cell (curve 1102), of the second layer of an elementary cell (curve 1101), of an elementary cell ( curve 1103) and measured values of a plate comprising more than one absorbent panel (curve 1105) as a function of the frequency of an incident sound wave, measured in Hz;
  • FIG. 14 is an example of a perspective view of an acoustic panel comprising elementary cells of FIG. 12;
  • FIG. 15 is an example of sections of the acoustic panel of FIG. 14;
  • FIG. 16 is a graph with examples of the calculated values of the absorption coefficient a of the first layer of an elementary cell (curve 1602), of the second layer of an elementary cell (curve 1601), of an elementary cell ( curve 1603) and measured values of a plate comprising more than one absorbent panel (curve 1605) as a function of the frequency of an incident sound wave, measured in Hz;
  • FIG. 17 is a photo of an example of a generic representation of a plate comprising at least one panel corresponding to the panel shown in FIG. 14.
  • FIG. 20 is a graph with examples of the calculated values of the absorption coefficient a of the first layer of an elementary cell (curve 2002), of the second layer of an elementary cell (curve 2001), of an elementary cell ( curve 2003) and measured values of an acoustic panel (curve 2005) as a function of the frequency of an incident sound wave, measured in Hz;
  • FIG. 23 is a graph with examples of the calculated values of the absorption coefficient a of the first layer of an elementary cell (curve 2302), of the second layer of an elementary cell (curve 2301), of an elementary cell ( curve 2303) and measured values of an acoustic panel (curve 2305) as a function of the frequency of an incident sound wave, measured in Hz.
  • the present invention relates to an elementary cell of absorbent acoustic metamaterial.
  • the elementary cell comprises a first layer comprising a first resonator.
  • the first resonator forms a conduit comprising a first inlet opening and an outlet opening.
  • the elementary cell further comprises a second layer comprising one or more resonators.
  • Each resonator of the second layer forms a cavity comprising a second input opening connected to the output opening of the conduit of the first resonator so that all or part of an incident sound wave received by the first input opening can penetrate in each resonator of the second layer via this second input opening.
  • An “elementary cell” designates a unitary element which can be positioned with other unitary elements, to form, for example, an acoustic panel, or possibly, an acoustic plate.
  • An “acoustic absorbing metamaterial” means a metamaterial developed to manipulate and dissipate an incident sound wave in a sub-wavelength thickness.
  • a “duct” refers to an acoustic channel that the incident or reflected sound wave passes through.
  • the conduit designates an empty volume that a sound wave (also called an “acoustic wave”) can access to propagate there, by entering through an entrance opening and leaving through an exit opening, i.e. the duct has two acoustic openings.
  • empty means a space without material forming the resonator; we therefore understand that the conduit includes air or any gas allowing an acoustic wave to propagate.
  • the conduit of the first layer may comprise at least one conduit of the type selected from a tube and a chamber.
  • the at least one tube-type conduit may comprise one or more bends in the first layer.
  • the conduit of the first layer may comprise at least two conduits mounted in cascade (that is to say, in successive stacks), each conduit being of the type selected from a tube, a chamber.
  • at least one of the two conduits may be of the tube type comprising one or more bends in the first layer.
  • at least one of the two conduits may be of the tube type extending inside a tube or chamber type conduit which precedes or succeeds it. All or part of the conduit of the first layer may have substantially the shape of a prism, preferably the prism being a parallelepiped, a cube, a cylinder, a cone or a hexagonal prism.
  • An “exit opening” means an acoustic opening that allows a wave incident sound coming out of a resonator.
  • an “acoustic opening” designates an access allowing an incident sound wave to enter a resonator or a reflected sound wave to exit the resonator.
  • the surface (A) of an acoustic opening means the area of the section of the duct or cavity to which this opening provides access. This area can change and evolve along the conduit or cavity going from point A to point B, points A and B being arbitrary points along the length of the conduit or cavity.
  • the variable A represents a position between A and B, along the conduit or cavity; this is the position along the path of a propagating sound wave (e.g. an incident sound wave).
  • the shape and dimensions of the section of the conduit or the cavity can thus vary between the inlet opening of the conduit (or the cavity) and the outlet opening of the conduit (or the bottom of the cavity).
  • the effective length A ⁇ ] designates the length perceived by the sound wave when propagating from point A to point B along the path of length L. This length differs from L due to the thermo viscous effects of air and of the variation of the section area along the acoustic path.
  • a “cavity” designates an empty volume to which the wave has access to propagate and reflect when leaving through the same access. It is therefore a blocked conduit.
  • the cavity can be made up of a succession of tubes and chambers with a single acoustic opening, that is to say only one entrance opening.
  • empty means a space without material forming the resonator; we therefore understand that the cavity includes air or any gas allowing an acoustic wave to propagate.
  • the cavity can have various symmetrical or regular shapes such as for example a cuboid, a cylinder, a cone, a prism, preferably the prism being a parallelepiped or a hexagonal prism, a cube or a cylinder.
  • At least one cavity of the second layer may comprise at least one conduit of the type selected from a tube and a chamber.
  • the at least one tube-type conduit may comprise one or more bends in the second layer.
  • at least one cavity of the second layer may comprise at least two conduits mounted in cascade of the type selected from a tube, a chamber.
  • at least one of the two conduits may be of the tube type comprising one or more bends in the second layer, and more preferably at least one of the two conduits may be of the tube type extending inside a conduit of the tube or chamber type which precedes or succeeds it.
  • a “chamber” designates a conduit of aspect ratio high global (the term “global” designating a calculation carried out by integration over the entire domain of definition of lambda, or from A to B). That is to say, a room is a conduit comprising a conduit section larger, and even considerably larger, than the length perceived by the sound wave propagating from point A to point B along the path of length L.
  • a “tube” refers to a conduit with an aspect ratio weak. That is to say, a tube is a conduit comprising a section of conduit equal to or smaller than, and even considerably smaller than, the length perceived by the sound wave propagating from point A to point B along the path of length L.
  • FIG. 1 shows an example of a section, along a plane [yz], of an elementary cell 109 of absorbent acoustic metamaterial comprising a first layer 101 (also called the surface layer) and a second layer 102 (also called the deep layer) .
  • the first layer 101 is the one which first receives the incident wave to be attenuated which enters the metamaterial through the first entrance opening 112.
  • the first layer 101 comprises a first resonator 103.
  • the first resonator 103 forms a conduit comprising a first inlet opening 112 and an outlet opening 124a, 124b, 124c, 124d, 124e.
  • the first input opening 112 gives the incident sound wave access to this first resonator 103 and therefore to this first layer 101.
  • the first input opening 112 can be flat on the surface of the first resonator (i.e. that is, without an outward extension of the resonator 103) to reduce the thickness of the absorbent metamaterial.
  • the first resonator 103 forms a conduit which, in this example, comprises a composition of a tube 111 followed by a chamber 116, the first inlet opening 112 being able to receive an incident sound wave coming from the outside.
  • the conduit formed by the resonator 103 of the surface layer 101 is a succession of conduits (that is to say, conduits mounted in cascade). Such a succession of conduits can have a section shape which evolves between the tube 111 and the chamber 116.
  • the tube 111 can be straight in the chamber 116.
  • the tube 111 can be confused (that is to say, the tube 111 can join the chamber in a regular way instead of opening into the chamber 116) with the chamber 116 so that the entire conduit is folded into the first layer 101.
  • the second layer 102 of FIG. 1 includes, in this example, five acoustic resonators 104a, 104b, 104c, 104d, 104e. Each resonator 104a, 104b, 104c, 104d, 104e of the second layer 102 forms a cavity.
  • Each cavity comprises a second inlet opening 115a, 115b, 115c, 115d, 115e connected to the outlet opening 124a, 124b, 124c, 124d, 124e of the conduit of the first resonator 103 so that all or part of a wave incident sound received by the first input opening 112 can penetrate into each resonator 104a, 104b, 104c, 104d, 104e of the second layer via this second input opening 115a, 115b, 115c, 115d, 115e.
  • Each cavity may include a conduit in the form of a tube 118a, 118b, 118c, 118d, 118e.
  • the cavity may include a conduit in the form of a chamber. Additionally or alternatively, the cavity may comprise at least one conduit of the type selected from a tube, a chamber. It will be understood that the number of acoustic resonators of the second layer 102 can vary depending on the examples.
  • the first layer 101 is placed against the second layer 102, that is to say that the first layer 101 is in contact against the second layer 102.
  • one or more layers of materials can be interposed between the first and second layers 101, 102; in this case the first layer 101 is no longer in (direct) contact against the second layer 102.
  • the first and/or the second layer may comprise one or more sub-layers.
  • the first and/or the second layers may very well be made up of several strata; for example, due to the shape of the conduits which change over several layers but which are nevertheless in the same layer.
  • Each resonator of the second layer 102 comprises a second input opening 115a, 115b, 115c, 115d, 115e opening into the chamber 116 of the first resonator 103 of the first layer 101.
  • the second input opening 115a, 115b, 115c, 115d, 115e allows the propagation of an acoustic wave.
  • incident sound background received by the first resonator 103 is propagated towards all of the resonators 104a, 104b, 104c, 104d, 104e of the second layer.
  • the sound wave reflected by the bottom of the cavities of the second layer 102 can be propagated through the first resonator 103 to the first input opening 112 of the elementary cell 109.
  • at least one among the one or more cavities formed by one or more resonators 104a, 104b, 104c, 104d, 104e of the second layer 102 may comprise a succession of conduits of different nested shapes (i.e., “stacked” or “cascaded”) in a continuous or discontinuous manner.
  • the second inlet opening 115a, 115b, 115c, 115d, 115e of at least one of the cavities of the second layer 102 may comprise an extension 117a, 117b, 117c, 117d, 117e which extends into the conduit of the first layer 101.
  • the extension 117a, 117b, 117c, 117d, 117e can be straight or folded (or may include “elbows”) in the conduit of the first layer 101.
  • Such an extension 117a, 117b, 117c, 117d, 117e can be chosen for reasons of dimensional optimization and acoustic performance.
  • each resonator 104a, 104b, 104c, 104d, 104e of the second layer 102 connected to the outlet opening 124a, 124b, 124c, 124d, 124e of the conduit of the first resonator 103 allows each resonator of the second layer 102 to comprise a cavity 118a, 118b, 118c, 118d, 118e connected to the outside (outside the cell) via the resonator 103.
  • the acoustic openings 115a, 115b, 115c , 115d, 115e of the resonators 104a, 104b, 104c, 104d, 104e of the second layer 102 are therefore an access to the second layer 102 for an acoustic wave which has passed through the first layer 101.
  • the conduit of the first layer 101 can have substantially the shape of a prism, preferably the prism being a parallelepiped, a cube, a cylinder, a cone or a hexagonal prism.
  • the chamber 116 may have substantially the shape of a prism, preferably the prism being a parallelepiped, a cube, a cylinder or a hexagonal prism.
  • the shape of all or part of the conduit of the first layer 101 can be chosen to occupy the maximum of the volume allocated to it on the elementary cell 109.
  • the shape has intrinsically only a limited impact for the processing of frequencies low (for example ⁇ lKHz).
  • frequencies low for example ⁇ lKHz.
  • the second layer 102 could include six resonators and have a triangular shape.
  • the shape of one or more conduits of each cavity of the second layer 102 can also be chosen as a function of the targeted frequency for each resonator 104a, 104b, 104c, 104d, 104e forming each cavity.
  • these individual resonance frequencies can have higher or lower frequency values.
  • one or more of the cavities of the second layer 102 may have at least one conduit which has, for example, without being limited to, substantially the shape of a prism, preferably the prism being a parallelepiped, a cube, a cone, cylinder or hexagonal prism.
  • the shape of said one or more conduits of the cavities of the second layer 102 can be chosen to occupy the maximum of the volume of the elementary cell 109, in particular of the second layer 102. This can be done thanks to the bends (or "folding") or a succession of duct elbows of different shapes.
  • each resonator of the second layer 102 can bring the shape, for example, of a resonator 104a, 104b, 104c, 104d, 104e closer to that of a resonator of Helmholtz type or a Fabry-Perot type resonator.
  • one of the conduits can simply take the form of a tube 111 of length equal to the thickness of the external wall of the cell 109 thus giving direct access to the conduit which succeeds it, for example to the chamber 116.
  • at least one of the two conduits may be of the tube 111 type which extends inside a conduit of the tube 111 or chamber 116 type which precedes it or which succeeds.
  • the tube 111 extends inside the chamber 116. With the chamber 116, they can represent the first resonator 103 of the first layer 101, in the form of a Helmholtz resonator with a drilled bottom. The central frequency and the bandwidth of such a resonator are linked, among other things, to the ratio length relative to the width of the tube-type conduit 111 and to the volume of the chamber-type conduit 116.
  • the conduit of the first layer 101 can comprise a single conduit of tube type 111.
  • the tube 111 can be dimensioned to constitute only the beginning of a long tube which is given the shape of a folded tube as illustrated in the example shown in FIG . 6.
  • the resonators 103, 104a, 104b, 104c, 104d, 104e of the two layers 101, 102 form an inertial part and a compliant part which neutralize each other to present a close impedance of that of the air (or gas used as a replacement) over the frequency bandwidth targeted by the unit cell 109. Thanks to this design, each of the two layers 101, 102 does not need to be individually sized to maximize the sound absorption coefficient. Consequently, a very significant reduction in the bulk of the elementary cell 109 is obtained.
  • the curves 2001, 2002, 2003, 2004 correspond to theoretical results of numerical calculation for a single elementary cell for a normal incidence.
  • the 2005 curve corresponds to measurements in an impedance tube with an internal cross-section of 7 cm x 7 cm (also called / ⁇ z/t tube) for a panel made up of 2 x 3 elementary cells (3 x 23 mm and 2 x 34.5 mm to make a panel with dimensions of 6.9 cm x 6.9 cm).
  • the 2004 curve is the result of an integration in thirds of octaves of the theoretical response 2003 of a single unit cell.
  • the 2005 curve comes from the integration in thirds of octaves of the measurement results of a panel comprising 6 unit cells.
  • the absorption curves 2001 and 2002 correspond, respectively, to each of the resonators of the second layer 102 and to the resonator of the first layer, all calculated independently.
  • the curves 2003, 2004 show the result of the longitudinal coupling obtained by the two layers.
  • the same acoustic absorption signature such as an elementary cell according to the invention can be obtained with one or more dimensional choices.
  • the elementary cell 1809 has a different construction from that of the elementary cell 2109 since the resonator 1803 of the first layer 1801 in the cell 1809 of FIG. 18 and 19A, 19B and 19C have the shape of a Fabry-Perot resonator while the resonator 2103 of the first layer 2101 in cell 2109 of FIG. 21 and FIGS. 22A, 22B and 22C has the shape of a Helmholtz resonator with a drilled bottom.
  • the absorption levels obtained are comparable to those of intrinsically absorbent materials such as wool, foam and fibrous materials. Unlike these conventional sound absorption solutions, the elementary cell can enable such extended absorption efficiency at low frequencies with sub-wavelength cell thicknesses.
  • the material of the first layer 101 and/or the material of the second layer 102 may be of the type selected from a rigid material, a soft material, a solid material, a structured material, an expanded material, an extruded material, a malleable material , a substantially non-sound or acoustic absorbing material and/or an inert material.
  • a “solid” material means a material that has no voids or has a low porosity value of less than 20%.
  • such material may include, without limitation, a metal, an alloy, a ceramic, a terracotta, clay, concrete, a natural or artificial stone slab, plastic, glass and/or a agglomerated textile.
  • a “structured” material designates a material comprising a constituent pattern.
  • such material may include, but is not limited to, natural wood species and derived woods (for example, MDF (“medium density fireboard”), and/or chipboard).
  • An “expanded” material designates a material which has undergone a physical and/or thermal and/or chemical operation to increase its volume.
  • such material may include, but is not limited to, stone, clay, cork, plastic, natural rubber, synthetic rubber and/or resin.
  • a “malleable” material means a material that is easily influenced, or easily bendable.
  • a malleable material capable of being hammered or pressed into shape without breaking or crack.
  • such material may include, without limitation, metal, plastic, natural wood, natural rubber, synthetic rubber, paper and/or cardboard.
  • a “substantially non-sound or acoustic absorbent” material designates a material in which sound or acoustic dissipation is practically zero or negligible. However, such a material does not prevent the dissipation of sound or acoustic power at the interfaces between the material and another material (air).
  • the elementary cell is an example of this phenomenon since this cell can be constructed entirely of one or more substantially non-absorbing materials and can nevertheless allow acoustic absorption by thermo-viscous dissipation in the thin layer of air which is in contact with the walls of the construction.
  • FIG. 5 shows another possible generic form among others of the resonator 503 of the first layer 501.
  • this resonator 503 can be compared to a Helmholtz type resonator with a pierced bottom (opening towards the resonators of the second layer) which is characterized by a conduit comprising a cascade assembly of a constricted tube type conduit 511 called "neck of the resonator” and a chamber type conduit 516 called “belly of the resonator”.
  • This tube 511 can open (or “extend”) into the chamber 516 of the conduit of the first layer 501.
  • access 524 (also called the exit opening) through the bottom of the belly towards the resonators of the second layer constitutes the point of differentiation with the true Helmholtz resonator which has a background normally totally obstructed.
  • the “neck” 511 can be folded with an acoustic opening surface that can be variable over its entire length.
  • the dimensional variables b and B represent, respectively, the projection on the plane [xz] of the “neck” 511 and the “belly” 516.
  • An acoustic panel can consist of at least one elementary cell.
  • the acoustic panel may comprise a single elementary cell.
  • the panel acoustics may include several elementary cells with similar or distinct characteristics.
  • the panel can be flat or curved.
  • segments 741, 742 come from a multiple cut made on two planes perpendicular to the characteristic surface of the acoustic panel.
  • Segment 743 corresponds to a transparent representation of segment 741 with a different perspective which makes it possible to identify and locate the resonators 704a, 704b, 704c, 704d, 704e of the second layer 702 (FIG. 8).
  • each of the ten elementary cells 709 has a characteristic area of 600mm x 60mm and a thickness of 54mm.
  • FIG. 8 represents a cavalier perspective view of a cell 709 like that of FIG. 7.
  • FIG. 7 is an example of a projection along a plane [xz] of the elementary cell 709, comprising a resonator 703 in the form of a conduit comprising a first inlet opening 712 and an outlet opening 715.
  • a plate (see example FIG. 17) can be manufactured by assembling 30 panels 700 totaling a surface area of, for example, 10.8 m 2 . The values for the associated dimensions are recorded in the table noted Table 1.
  • FIG. 15 shows an example of a panel 1200 using unit cells with the same shape as unit cell 1209 shown in FIG. 12.
  • FIG. 12 is an example of a projection along a plane [xz] of the elementary cell 1209, comprising a resonator 1203 in the form of a conduit comprising a first inlet opening 1212 and an outlet opening 1215.
  • FIG. 15 shows the segments 1241, 1242 resulting from a multiple cut carried out on two planes perpendicular to the characteristic surface of the panel 1200.
  • the segment 1243 corresponds to a transparent representation of a segment 1241 with a different perspective which makes it possible to identify and to locate the five resonators 1204 of the second layer 1202 and the resonator 1203 of the first layer 1201.
  • FIG. 12 is an example of a projection along a plane [xz] of the elementary cell 1209, comprising a resonator 1203 in the form of a conduit comprising a first inlet opening 1212 and an outlet opening 1215.
  • the areas of removed material 1204a, 1204b, 1204c, 1204d, 1204e, 1203 of the elementary cell 1209 make it possible to identify five resonators of the second layer (the deep layer) connected to the single resonator 1203 of the first layer 1201 of the elementary cell 1209 according to this invention.
  • the cut made at mark 1219 provides an overview of the resonators 1203, 1204a of the first layer 1201 and the second layer 1202, respectively.
  • the length and acoustic opening of the resonator 1204a may be different depending on the position of the cutting mark 1219 along the edge 1210. This is due to the presence of five different resonators 1204a, 1204b, 1204c, 1204d, 1204e in the second layer 1202.
  • This elementary cell 1809 does not differ from the elementary cells 709 and 1209 shown in FIG. 7 and FIG. 12, respectively, only by the dimensions of the different constituent elements.
  • the dimensional variables of such an example of a unit cell 1809 are shown in FIG. 18 along the x and z axes and FIG. 19A and 19C along the y axis. The associated values are recorded in Table 1.
  • Such an elementary cell 1809 can be manufactured, for example, in PLA with a 3D printer. Such manufacturing can be carried out in several stages where each of the resonators of the first layer and the second layer is produced independently of a single printing phase before a final step of assembling all of the resonators.
  • FIG. 22b gives a cavalier perspective view through transparency of an elementary cell 2109.
  • the areas of material removed 2104a, 2104b, 2104c, 2104d, 2104e, from the elementary cell 2109 make it possible to identify five resonators 2104a, 2104b, 2104c, 2104d , 2104e of the deep layer 2102 connected to the single resonator 2103 of the first layer 2101 of the elementary cell 2109 according to this invention (FIG. 22A).
  • the second layer 2102 of this elementary cell 2109 of FIG. 21 and FIGS. 22A, 22B and 22C is identical to the second layer 1802 of the elementary cell 1809 of FIG. 18 and FIGS. 19A, 19B and 19C.
  • FIG. 21 is an example of a projection along a plane [xz] of the elementary cell 2109, comprising a resonator 2103 in the form of a conduit comprising a first inlet opening 2112 and an outlet opening 2124.
  • FIG. 21 also shows a second input opening 2115 for one of the resonators 2104.
  • This elementary cell 2109 of FIG. 21 and FIGS. 22A, 22B and 22C do not differ from the elementary cell 1809 shown in FIG. 18 and FIGS. 19A, 19B and 19C, than by the first layer 1801 and 2101. In the case of this elementary cell 2109 of FIG. 21 and FIGS.
  • the resonator 2103 of the first layer 2101 has the shape of a Helmholtz resonator pierced at its bottom by access openings to the resonators 2104a, 2104b, 2104c, 2104d, 2104e of the second layer 2102.
  • the dimensional variables of such an example of an elementary cell 2109 are shown in FIG. 21 along the x and z axes, and FIGs. 22A and 22C along the y axis.
  • the associated values are recorded in Table 1.
  • Such an elementary cell 2103 can be manufactured, for example, in PLA with a 3D printer. Such manufacturing can be carried out in several stages where each of the resonators of the first layer and the second layer is produced independently of a single printing phase before a final step of assembling all of the resonators.
  • Another object of the invention is to provide an acoustic plate comprising at least one such acoustic panel.
  • the plate may be able to be fixed to a surface to soundproof, preferably a wall and/or a ceiling.
  • the plate may be flat or curved.
  • Two exemplary prototypes of such a plate were made from 2x30 panels, totaling an area of 2x10.8 m 2 . In these examples, the two plates consist of the panels of FIG. 9 and FIG. 14, respectively.
  • a photograph of one of two plates formed with 30 panels, each panel being a panel of FIG. 14, is shown in FIG. 17. The manufacturing was carried out using a classic process for manufacturing wood panel furniture (for example, wood species, OSB, medium, chipboard).
  • the machining process required traditional tools and means for this type of manufacturing (for example, a circular table saw, angle trimmer, gluing, drilling).
  • the required machining precision was only ⁇ 2 mm for elementary cells of 600 mm side.
  • the material used for the manufacture of this full-scale prototype is MDF which was chosen for its significantly lower price than that of other woods.
  • the storage and transport of these prototypes were carried out under the same conditions and with the same means as those of furniture or wooden DIY materials and products.

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Abstract

La divulgation concerne une cellule élémentaire de métamatériau acoustique absorbant. La cellule élémentaire comprend une première couche comprenant un premier résonateur. Le premier résonateur forme un conduit comprenant une première ouverture d'entrée et une ouverture de sortie. La cellule élémentaire comprend en outre une deuxième couche comprenant un ou plusieurs résonateurs. Chaque résonateur de la deuxième couche forme une cavité comprenant une deuxième ouverture d'entrée reliée à l'ouverture de sortie du conduit du premier résonnateur de sorte que tout ou partie d'une onde sonore incidente reçue par la première ouverture d'entrée puisse pénétrer dans chaque résonateur de la deuxième couche via cette deuxième ouverture d'entrée. La cellule élémentaire sert à l'amélioration de l'acoustique et du confort sonore d'une manière simple et efficace.

Description

Panneau absorbant acoustique large bande basé sur un métamatériau bicouche
Domaine technique de l’invention
L’invention concerne une cellule élémentaire de métamatériau acoustique absorbant et également un panneau acoustique absorbant comprenant au moins une cellule élémentaire de métamatériau acoustique absorbant.
Etat de la technique antérieure
Un matériau acoustique absorbant permet de dissiper une partie de l’onde sonore incidente et de ne réfléchir qu’une fraction de cette dernière. Les performances d’un tel dispositif se mesurent en termes de taux d’absorption a (aussi appelé coefficient d’absorption) et de bande passante fréquentielle A dans laquelle ce taux d’absorption a est garanti. Un panneau absorbant efficace aura une impédance acoustique très proche de celle de l’air sur la bande de fréquence considérée. Les matériaux intrinsèquement absorbants comme les mousses, les laines et les matériaux fibreux constituent l’immense majorité des solutions d’absorption sonore utilisées dans divers domaines de l’industrie. Cependant, l’utilisation de ce genre de solutions n’est pas toujours adaptée et des fois, tout simplement pas concevable selon les applications. En effet, ces matériaux sont fragiles et très souvent polluants de sorte qu’ils sont toujours enchâssés dans un cadre et recouverts de panneaux comportant des perforations ou toutes autres ouvertures qui permettent à l’onde incidente d’atteindre le matériau absorbant. Cela, avec une dégradation des performances acoustiques en comparaison avec ceux du matériau absorbant nu. Ils sont, de ce fait, écartés dans les applications et les environnements pour lesquels le taux de pollution particulaire doit être maintenu à des niveaux drastiquement faibles et/ou le maintien des performances doit être durable en toutes circonstances (par exemple, humidité, inondation et/ou températures extrêmes). De plus, l’efficacité de ces matériaux poreux chute brutalement aux fréquences basses correspondant aux cinq premières octaves de la bande sonore (<1 kHz). C’est ainsi, tout un pan des besoins en amélioration du confort acoustique et de la réduction des bruits qui est inabordable avec ce type de matériaux absorbants.
Les performances très limitées en basse fréquence des solutions classiques à base de matériaux poreux (par exemple les laines, les mousses, les fibres, et les matériaux extrudés) sont habituellement remplacées par des absorbants à résonances de type Helmholtz. De tels panneaux d’absorption sont fabriqués avec des matériaux solides car leurs propriétés acoustiques sont dues aux dimensions géométriques des résonateurs Helmholtz. La caractéristique d’absorption de ce genre de résonateur a la forme d’une résonance de Lorentz où le facteur de qualité et la fréquence de résonance sont accordés avec ces valeurs dimensionnelles. L’idéal pour un dispositif absorbant possédant une telle caractéristique d’absorption est que la réduction de la fréquence centrale puisse se faire sans augmentation sensible du facteur de qualité de manière à ne pas rétrécir la bande fréquentielle d’absorption. De cette manière, il serait possible de traiter les basses fréquences sur une large bande. Ce n’est malheureusement pas le cas des résonateurs acoustiques de type Helmholtz pour qui une dualité entre le facteur de qualité et la fréquence de résonance existe. En effet, la largeur de la bande fréquentielle où l’absorption s’opère est proportionnelle à la fréquence centrale à la puissance 4. Ainsi, quand un redimensionnement du résonateur d’Helmholtz est réalisé pour réduire de moitié la fréquence de résonance de ce dernier, sa bande passante devient 16 fois plus petite.
Pour remédier à cela, on utilise une technique de diversification de résonateurs qui consiste à construire un panneau composé de plusieurs de ses résonateurs, chacun possédant une fréquence de résonance proche de l’autre et circonscrite dans la bande fréquentielle visée. L’onde acoustique incidente a un accès simultané à tous les conduits de ces résonateurs. Il s’agit d’un couplage transversal (ouvertures acoustiques sur une même surface parallèle à celle du panneau) de résonateurs acoustiques. C’est une technique utilisée notamment, pour le revêtement insonorisant « liner » des moteurs d'avion.
L’inconvénient de ces résonateurs est d’ordre dimensionnel puisque la fabrication de tels panneaux nécessite une précision d’usinage au moins au 1/20 de millimètre pour des diamètres de conduit ne dépassant pas les 3.5 mm et un rapport de forme pouvant atteindre 1 :15. Le coût élevé d’une telle fabrication et la durée de vie réduite de ces panneaux à cause de l’obstruction des conduits (ou plutôt capillaires) constituent le frein principale à l’utilisation de cette technique.
On connait un autre type de panneaux absorbants à résonances, lesquels sont également constitués de résonateurs de type Fabry-Perot. Ces résonateurs se présente sous la forme de conduits dont la longueur effective correspond au 1/4 de la longueur d’onde pour laquelle l’absorption est la plus élevée. Il s’agit également d’un type de résonateur dont la caractéristique d’absorption à la forme d’une résonance de Lorentz. Mais, contrairement aux résonateurs de type Helmholtz, il est possible d’ajuster la fréquence de résonance et le facteur de qualité d’une manière indépendante. En effet, la longueur effective du conduit est le seul paramètre qui fixe la fréquence de résonance. Le facteur de qualité peut alors être ajusté par le biais de la section du conduit. De cette manière, on peut cibler des fréquences très basses en fabricant des conduits très longs mais repliés suffisamment de fois pour être implanté dans une faible épaisseur de panneau.
Dans ce cas encore, un dimensionnement uniforme des résonateurs d’un panneau absorbant entrave l’élargissement de la bande fréquentielle. La technique de la diversification des résonateurs est également utilisée pour élargir la bande fréquentielle d’absorption de ces résonateurs.
La limitation de cette méthode réside dans le lien de proportionnalité direct qu’il y a entre le facteur de qualité de chacun des résonateurs diversifiés et le taux d’absorption a qu’ils induisent à leur fréquence de résonance respective. Ainsi, pour obtenir une absorption acoustique constante sur toute une bande fréquentielle, il faut optimiser d’une manière simultanée l’air de la section de chaque conduit pour maximiser son taux d’absorption a et également la longueur de conduit pour que les fréquences de résonance restent suffisamment voisines. Cela a pour effet direct l’augmentation du nombre de résonateurs élémentaires nécessaires pour garantir une absorption maximale sur la bande fréquentielle visée. De ce fait, cette dernière aura comme limite l’épaisseur maximale permise du panneau absorbant.
Une autre technique est la superposition des couches absorbantes qui vise notamment à conjuguer de manière additive les performances acoustiques des différentes couches. Ces dernières étant souvent de natures distinctes. C’est le cas, par exemple, des structures qui associent une couche de matériau intrinsèquement absorbant comme les mousses, les laines et les matériaux fibreux avec une autre couche constituée de résonateurs acoustiques sous la forme d’un fond de caisse ou de plusieurs cavités. Cette technique est souvent présentée comme un artifice visant à rehausser l’efficacité du matériau intrinsèquement absorbant. On peut également présenter les choses différemment en affirmant que c’est l’apposition d’une fine couche d’absorbant intrinsèque (une mousse, en l’occurrence) sur une structure de résonateurs judicieusement dimensionnés qui améliore l’absorption d’une telle structure composite. Cette technique est donc une amélioration des précédentes techniques puisqu’elles consistent à couvrir d’une couche de matériau poreux (le plus souvent une mousse) un panneau de résonateurs acoustiques de type Fabry-Perot ou Helmholtz couplés transversalement. Cela permet d’élargir suffisamment la bande de fréquence opérationnelle en lissant les ondulations du coefficient d’absorption. Ce dernier ayant été altéré en raison d’un choix de dimensionnement des résonateurs acoustiques qui favorise l’étendue de la bande de fréquence d’absorption sur le compte de la constance fréquentielle du coefficient d’absorption. Cette technique de superposition mixte de couches absorbantes (intrinsèquement ou pas) n’est pas envisageable dans les environnements décontaminés et purifiés et dans les milieu hostile (par exemple, température extrême et/ou humidité latente).
Dans la catégorie des absorbants acoustiques utilisant exclusivement des matériaux inertes, il existe une technique plus récente qui consiste à fabriquer des panneaux absorbants constitués de résonateurs membranaires. Ce type de résonateur est constitué d’une cavité d’air obstruée par une membrane sur laquelle est collée une pièce massive pour augmenter son inertie et cibler ainsi les basses fréquences.
Ce type d’absorbant acoustique présente des limitations non négligeables liées d’une part à la fragilité des membranes et d’autre part à la relative étroitesse de la bande de fréquences opérationnelles. En effet, les membranes ont une durée de vie limitée directement liée à la durée d’exposition et à la puissance sonore absorbée. Cela est aggravé par la pièce collée dessus et dont la masse augmente avec l’abaissement des fréquences ciblées.
Il n’existe donc pas de métamatériau acoustique absorbant qui puisse à la fois permettre de garder une efficacité d'absorption sonore maximale sur une bande passante significativement importante pour un encombrement réduit, et présenter une robustesse et une largeur de bande fréquentielle opérationnelle importante.
Résumé de l’invention
On propose une cellule élémentaire de métamatériau acoustique absorbant. La cellule élémentaire comprend une première couche comprenant un premier résonateur. Le premier résonateur forme un conduit comprenant une première ouverture d’entrée et une ouverture de sortie. La cellule élémentaire comprend en outre une deuxième couche comprenant un ou plusieurs résonateurs. Chaque résonateur de la deuxième couche forme une cavité comprenant une deuxième ouverture d’entrée reliée à l’ouverture de sortie du conduit du premier résonnateur de sorte que tout ou partie d’une onde sonore incidente reçue par la première ouverture d’entrée puisse pénétrer dans chaque résonateur de la deuxième couche via cette deuxième ouverture d’entrée.
La cellule élémentaire peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le premier résonateur présente en outre un taux d’absorption non nul étendu sur une bande fréquentielle A/ qui est centrée autour d’une fréquence caractéristique fo pour laquelle le coefficient d’absorption ao( =/o) est maximal sur cette bande fréquentielle A la valeur maximale étant, par exemple, inférieur à 30% ;
- chacun des uns ou plusieurs résonateurs de la deuxième couche présente en outre un taux d’absorption non nul étendu respectivement sur une bande fréquentielle A/k, plus étroite que la bande fréquentielle A qui est centrée respectivement autour d’une fréquence caractcristiquc/k pour laquelle le coefficient d’absorption ak(/=/ k) est maximal sur cette bande fréquentielle A/k, la valeur maximale étant, par exemple, inférieur ou égal à 30% ;
- chacun des uns ou plusieurs résonateurs de la deuxième couche est dimensionné de manière à positionner sa fréquence caractéristique respective f k sur un intervalle de fréquence A/ ±5 où A/ est la bande fréquentielle du premier résonateur et § représente une différence de fréquence minime ;
- le conduit de la première couche et/ou la cavité de la deuxième couche comprend au moins un conduit du type sélectionné parmi :
- un tube ;
- une chambre ; de préférence le au moins un conduit du type tube comprend un ou plusieurs coudes ;
- le conduit de la première couche et/ou la cavité de la deuxième couche comprend au moins deux conduits montés en cascade, chaque conduit étant du type sélectionné parmi :
- un tube ;
- une chambre ; de préférence au moins un des deux conduits est du type tube comprenant un ou plusieurs coudes ;
- au moins un des deux conduits est du type tube se prolongeant à l’intérieur d’un conduit du type tube ou chambre qui le précède ou qui lui succède ;
- tout ou une partie du conduit de la première couche a sensiblement la forme d’un prisme, de préférence le prisme étant un parallélépipède, un cube, un cylindre, un cône ou un prisme hexagonal ;
- tout ou une partie de la cavité de la première couche a sensiblement la forme symétriques ou régulière d’un cuboïde, un cylindre, un cône ou un prisme hexagonal, un parallélépipède, un cube ou un cylindre ;
- la deuxième ouverture d’entrée d’au moins une des cavités de la deuxième couche comprend en outre une extension qui s’étend dans le conduit de la première couche, de préférence l’extension étant droite ou repliée dans le conduit de la première couche ;
- le matériau de la première couche et/ou le matériau de la deuxième couche est du type sélectionné parmi :
- un matériau rigide ;
- un matériau mou ;
- un matériau plein, de préférence sélectionné parmi un métal, un alliage, une céramique, une terre cuite, l’argile, le béton, une plaque de pierre naturelle ou artificielle, le plastique, le verre et un textile aggloméré ;
- un matériau structuré de préférence sélectionné parmi les essences naturelles de bois et les bois dérivés ;
- un matériau expansé, de préférence sélectionné parmi une pierre, une argile, un liège une matière plastique, un caoutchouc naturel, un caoutchouc synthétique et une résine ;
- un matériau extrudé de préférence sélectionné parmi un métal un alliage et un polymère ;
- un matériau malléable, de préférence sélectionné parmi un métal, un plastique, un bois naturel, un caoutchouc naturel, un caoutchouc synthétique, du papier, du carton ;
- un matériau sensiblement non-absorbant acoustiquement ; et/ou
- un matériau inerte ; et/ou
- la première couche est en contact contre la deuxième couche.
On propose également un panneau acoustique comprenant au moins une cellule élémentaire.
Le panneau acoustique peut être plat ou incurvé.
On propose également une plaque acoustique comprenant au moins un panneau acoustique, la plaque étant apte à être fixée sur une surface à insonoriser, de préférence un mur et/ou un plafond, de préférence la plaque est plate ou incurvée.
Description brève des dessins
Des modes de réalisation de l’invention vont être maintenant décrits au moyen d’exemples non-limitatifs de l’invention, et en référence aux figures, où : FIG. 1 est un exemple, selon un plan [yz] , d’une représentation générique de la constitution structurelle d’une cellule élémentaire selon l’invention ;
FIG. 2 est un exemple d’une coupe de la deuxième couche (couche profonde) de l’exemple de FIG. 1 selon un plan [xz] opérée suivant l’axe f ;
FIG. 3 est un exemple d’une coupe de la deuxième couche (couche profonde) de l’exemple de FIG. 1 selon un plan [xz] opérée suivant l’axe f ;
FIG. 4 est un exemple d’une coupe de la première couche (couche superficielle) de l’exemple de FIG. 1 selon un plan [xz] opérée suivant l’axe y ;
FIG. 5 est un exemple d’une coupe de la première couche (couche superficielle) de l’exemple de FIG. 1 selon un plan [xz] opérée suivant l’axe y ;
FIG. 6 est un exemple d’une coupe de la première couche (couche superficielle) de l’exemple de FIG. 1 selon un plan [xz] opérée suivant l’axe y ;
FIG. 7 est un exemple d’une projection selon un plan [xz] d’un exemple d’une cellule élémentaire selon l’invention ;
FIG. 8 est un exemple d’une vue de l’exemple de la FIG. 7 ;
FIG. 9 est un exemple d’une vue d’un exemple d’un panneau acoustique comprenant des cellules élémentaires de la FIG. 7 ;
FIG. 10 est un exemple de coupes du panneau acoustique de la FIG. 9 ;
FIG. 11 est un graphe avec des exemples des valeurs calculées du coefficient d’absorption a de la première couche d’une cellule élémentaire (courbe 1102), de la deuxième couche d’une cellule élémentaire (courbe 1101), d’une cellule élémentaire (courbe 1103) et des valeurs mesurées d’une plaque comportant plus d’un panneau absorbant (courbe 1105) en fonction de la fréquence d’une onde sonore incidente, mesuré en Hz ;
FIG. 12 est un exemple d’une projection selon un plan [xz] d’une cellule élémentaire selon l’invention ;
FIG. 13 est un exemple d’une vue de l’exemple de la FIG. 12 ;
FIG. 14 est un exemple d’une vue en perspective cavalière d’un panneau acoustique comprenant des cellules élémentaires de la FIG. 12 ;
FIG. 15 est un exemple de coupes du panneau acoustique de la FIG. 14 ;
FIG. 16 est un graphe avec des exemples des valeurs calculées du coefficient d’absorption a de la première couche d’une cellule élémentaire (courbe 1602), de la deuxième couche d’une cellule élémentaire (courbe 1601), d’une cellule élémentaire (courbe 1603) et des valeurs mesurées d’une plaque comportant plus d’un panneau absorbant (courbe 1605) en fonction de la fréquence d’une onde sonore incidente, mesuré en Hz ;
FIG. 17 est une photo d’un exemple d’une représentation générique d’une plaque comprenant au moins un panneau correspondant au panneau représenté FIG. 14.
FIG. 18 est un exemple d’une projection selon un plan [xz] d’une cellule élémentaire selon l’invention ;
FIG. 19A, FIG. 19B et FIG. 19C sont des exemples de la cellule élémentaire de la FIG. 18 qui montrent une vue de dessus de la cellule, une vue en perspective transparente de la cellule et une vue en perspective de l’évidement de la cellule, respectivement ;
FIG. 20 est un graphe avec des exemples des valeurs calculées du coefficient d’absorption a de la première couche d’une cellule élémentaire (courbe 2002), de la deuxième couche d’une cellule élémentaire (courbe 2001), d’une cellule élémentaire (courbe 2003) et des valeurs mesurées d’un panneau acoustique (courbe 2005) en fonction de la fréquence d’une onde sonore incidente, mesuré en Hz ;
FIG. 21 est un exemple d’une projection selon un plan [xz] d’une cellule élémentaire selon l’invention ;
FIG. 22A, FIG. 22B et FIG. 22C sont des exemples de la cellule élémentaire de la FIG. 21 qui montrent une vue de dessus de la cellule, une vue en perspective transparente de la cellule et une vue en perspective de l’évidement de la cellule respectivement ;
FIG. 23 est un graphe avec des exemples des valeurs calculées du coefficient d’absorption a de la première couche d’une cellule élémentaire (courbe 2302), de la deuxième couche d’une cellule élémentaire (courbe 2301), d’une cellule élémentaire (courbe 2303) et des valeurs mesurées d’un panneau acoustique (courbe 2305) en fonction de la fréquence d’une onde sonore incidente, mesuré en Hz.
Description détaillée de l’invention
La présente invention concerne une cellule élémentaire de métamatériau acoustique absorbant. La cellule élémentaire comprend une première couche comprenant un premier résonateur. Le premier résonateur forme un conduit comprenant une première ouverture d’entrée et une ouverture de sortie. La cellule élémentaire comprend en outre une deuxième couche comprenant un ou plusieurs résonateurs. Chaque résonateur de la deuxième couche forme une cavité comprenant une deuxième ouverture d’entrée reliée à l’ouverture de sortie du conduit du premier résonnateur de sorte que tout ou partie d’une onde sonore incidente reçue par la première ouverture d’entrée puisse pénétrer dans chaque résonateur de la deuxième couche via cette deuxième ouverture d’entrée.
La présente invention permet donc de répondre aux besoins évoqués ci-dessus. En particulier, l’invention propose un dispositif servant à l’amélioration de l’acoustique et du confort sonore d’une manière simple et efficace. Ceci est réalisé par une cellule élémentaire de métamatériau acoustique absorbant comprenant une première couche et une deuxième couche qui sont couplées de telle sorte qu’une onde sonore incidente peut pénétrer dans la cellule élémentaire via la première couche et finir sa course après avoir pénétrée dans la deuxième couche via leurs conduits respectifs. Le fait d’avoir une première couche couplée avec une deuxième couche, et donc d’avoir les résonnateurs de la deuxième couche qui sont montés en cascade avec le résonnateur de la première couche (c’est-à-dire, les résonateurs peuvent être représentés par des quadripoles d’impédance), crée un couplage longitudinal qui permet de profiter de la largeur de la bande fréquentielle du résonateur de la première couche et en même temps du rehaussement du taux d’absorption apportée par les résonateurs de la deuxième couche. Cela correspond à une adaptation d’impédance acoustique dont l’efficacité est due au fait que la première couche se comporte comme un résonateur acoustique à faible coefficient de qualité avec une forte valeur d’inertance acoustique, pendant que la deuxième couche réagit en multiple résonateurs à forte valeur de compliance qui sont distribués sur une bande de fréquence opérationnelle élargie. Combiné, ces deux éléments se comportent comme un résonateur acoustique effectif possédant une plage de résonance étendue dans laquelle l’impédance effective est très proche de celle de l’air. Par conséquent, le métamatériau acoustique absorbant permet d’obtenir un taux d’absorption a optimale pour une large bande de fréquence. En outre, les deux couches qui composent ce métamatériau acoustique absorbant ont, chacune prise à part, des performances exigées très limitées qui autorisent ainsi un encombrement très faible. Cela a pour conséquence une réduction significative de l’encombrement d’un tel dispositif d’absorption acoustique large bande à basse fréquence.
Une « cellule élémentaire » désigne un élément unitaire qui peut être positionnée avec d’autres éléments unitaires, pour former, par exemple, un panneau acoustique, ou éventuellement, une plaque acoustique.
Un « métamatériau acoustique absorbant » désigne un métamatériau développé pour manipuler et faire dissiper une onde sonore incidente dans une épaisseur sub-longueur d’onde.
Un « résonateur » est synonyme par la suite de l’expression : résonateur acoustique.
Un « conduit » désigne un canal acoustique que l’onde sonore incidente ou réfléchie traverse. Le conduit désigne un volume vide qu’une onde sonore (appelé également « onde acoustique ») peut accéder pour s’y propager, en entrant par une ouverture d’entrée et sortant par une ouverture de sortie, c’est-à-dire le conduit a deux ouvertures acoustiques. Ici « vide » signifie un espace sans matériau formant le résonnateur ; on comprend donc que le conduit comprend de l’air ou tout gaz permettant à une onde acoustique de se propager. Le conduit de la première couche peut comprendre au moins un conduit du type sélectionné parmi un tube et une chambre. De préférence, le au moins un conduit du type tube peut comprendre un ou plusieurs coudes dans la première couche. Le conduit de la première couche peut comprendre au moins deux conduits montés en cascade (c’est-à-dire, en empilement successif), chaque conduit étant du type sélectionné parmi un tube, une chambre. De préférence, au moins un des deux conduits peut être du type tube comprenant un ou plusieurs coudes dans la première couche. Additionnellement ou alternativement, au moins un des deux conduits peut être du type tube se prolongeant à l’intérieur d’un conduit du type tube ou chambre qui le précède ou qui lui succède. Tout ou une partie du conduit de la première couche peut avoir sensiblement la forme d’un prisme, de préférence le prisme étant un parallélépipède, un cube, un cylindre, un cône ou un prisme hexagonal.
Une « ouverture d’entrée » désigne une ouverture acoustique qui permet à une onde sonore incidente d’entrer dans un résonateur.
Une « ouverture de sortie » désigne une ouverture acoustique qui permet à une onde sonore incidente de sortir d’un résonateur. Ici une « ouverture acoustique » désigne un accès permettant à une onde sonore incidente de pénétrer dans un résonateur ou à une onde sonore réfléchie de sortir du résonateur. La surface
Figure imgf000011_0001
(A) d’une ouverture acoustique désigne l’aire de la section du conduit ou de la cavité pour lesquels cette ouverture donne accès. Cette aire peut changer et évoluer le long du conduit ou de la cavité en allant du point A jusqu’au point B, les points A et B étants des points arbitraires sur la longueur du conduit ou de la cavité. La variable A représente une position entre A et B, le long du conduit ou de la cavité ; il s’agit de la position le long du trajet d’une onde sonore propagative (par exemple une onde sonore incidente). La forme et les dimensions de la section du conduit ou de la cavité peuvent ainsi varier entre l’ouverture d’entrée du conduit (ou de la cavité) et l’ouverture de sortie du conduit (ou le fond de la cavité). La longueur effective A^^] désigne la longueur perçue par l’onde sonore en se propageant du point A vers le point B le long du trajet de longueur L. Cette longueur diffère de L en raison des effets thermo visqueux de l’air et de la variation de l’aire de la section le long du trajet acoustique.
Une « cavité » désigne un volume vide auquel l’onde a accès pour s’y propager et se réfléchir en sortant par le même accès. C’est donc un conduit obstrué. La cavité peut être constituée d’une succession de tubes et de chambres avec une seule ouverture acoustique, c’est-à-dire qu’une seule ouverture d’entrée. Ici « vide » signifie un espace sans matériau formant le résonnateur ; on comprend donc que la cavité comprend de l’air ou tout gaz permettant à une onde acoustique de se propager. La cavité peut avoir diverses formes symétriques ou régulières comme par exemple un cuboïde, un cylindre, un cône, un prisme, de préférence le prisme étant un parallélépipède ou un prisme hexagonal, un cube ou un cylindre. Au moins une cavité de la deuxième couche peut comprendre au moins un conduit du type sélectionné parmi un tube et une chambre. De préférence, le au moins un conduit du type tube peut comprendre un ou plusieurs coudes dans la deuxième couche. Comme pour le conduit, au moins une cavité de la deuxième couche peut comprendre au moins deux conduits montés en cascade du type sélectionnés parmi un tube, une chambre. De préférence, au moins un des deux conduits peut être du type tube comprenant un ou plusieurs coudes dans la deuxième couche, et encore de préférence au moins un des deux conduits peut être du type tube se prolongeant à l’intérieur d’un conduit du type tube ou chambre qui le précède ou qui lui succède.
Le volume définit par la cavité peut être un volume effectif égale à VABLj qui diffère du calcul purement géométrique selon le produit de forme
Figure imgf000011_0002
(A) xA^^] . De même, le rapport entre la longueur d’onde sonore considéré et les dimensions de la cavité ou du conduit peut être biaisé ; tout cela en lien avec les propriétés thermo visqueuses de l’air ou du fluide considéré.
Une « chambre » désigne un conduit de rapport de forme
Figure imgf000011_0003
global élevé (le terme « global » désignant un calcul effectué par intégration sur tout le domaine de définition de lambda, ou de A à B). C’est-à-dire, une chambre est un conduit comprenant une section de conduit plus grande, et même considérablement plus grande, que la longueur perçue par l’onde sonore en se propageant du point A vers le point B le long du trajet de longueur L.
Un « tube » désigne un conduit de rapport de forme
Figure imgf000012_0001
faible. C’est-à- dire, un tube est un conduit comprenant une section de conduit égale à ou plus petit que, et même considérablement plus petit que, la longueur perçue par l’onde sonore en se propageant du point A vers le point B le long du trajet de longueur L.
Une « couche » désigne une structure composée d’au moins un résonateur acoustique pour former un métamatériau acoustique. Le ou les résonateurs acoustiques composant la première et la deuxième couche peuvent être de même nature ou bien différents (par exemple, Helmholtz, Quart-d’onde, ou un conduit ou une cavité comprenant au moins deux conduits montés en cascade). Une « première couche » désigne la couche par laquelle pénètre l’onde sonore dans la cellule élémentaire. Une « deuxième couche » désigne la couche dans laquelle l’onde sonore finit sa course après être passée par la première couche.
La FIG. 1 montre un exemple d’une coupe, selon un plan [yz] , d’une cellule élémentaire 109 de métamatériau acoustique absorbant comprenant une première couche 101 (appelée aussi la couche superficielle) et une deuxième couche 102 (appelée aussi la couche profonde). La première couche 101 est celle qui reçoit en premier l’onde incidente à atténuer qui pénètre dans le métamatériau par la première ouverture d’entrée 112. La première couche 101 comprend un premier résonateur 103. Le premier résonateur 103 forme un conduit comprenant une première ouverture d’entrée 112 et une ouverture de sortie 124a, 124b, 124c, 124d, 124e. La première ouverture d’entrée 112 donne à l’onde sonore incidente un accès à ce premier résonateur 103 et donc à cette première couche 101. La première ouverture d’entrée 112 peut être plate sur la surface du premier résonateur (c’est-à-dire, sans une extension vers l’extérieur du résonateur 103) pour réduire l’épaisseur du métamatériau absorbant. Le premier résonateur 103 forme un conduit qui, dans cet exemple, comprend une composition d’un tube 111 suivi d’une chambre 116, la première ouverture d’entrée 112 étant apte à recevoir une onde sonore incidente provenant de l’extérieur. Il s’agit là d’un exemple où le conduit formé par le résonateur 103 de la couche superficielle 101 est une succession de conduits (c’est-à-dire, des conduits montés en cascade). Une telle succession de conduits peut avoir une forme de section qui évolue entre le tube 111 et la chambre 116. En effet, le tube 111 de longueur « / » peut accéder dans la chambre 116 avec un prolongement dans la chambre 116 d’une longueur de « l-le », le étant l’épaisseur de la paroi 128 séparant le résonateur 103 de la première couche 101 et le milieu produisant l’onde acoustique à absorber. La première ouverture d’entrée 112 du conduit peut être sensiblement confondue avec la surface extérieure de la première couche 101. Le tube 111 peut déboucher (ou « se prolonger ») dans la chambre 116 du conduit de la première couche 101. Le tube 111 peut être droit ou replié dans la première couche 101. C’est-à-dire, le conduit peut comprendre un ou plusieurs coudes (ou est « replié ») dans la première couche 101. Le tube 111 peut être replié dans la chambre 116. Le tube 111 peut être droit dans la chambre 116. Le tube 111 peut être confondu (c’est-à-dire, le tube 111 peut se joindre à la chambre de façon régulière au lieu de déboucher dans la chambre 116) avec la chambre 116 pour que le conduit entier soit replié dans la première couche 101.
La deuxième couche 102 de la FIG. 1 comprend, dans cet exemple, cinq résonateurs acoustiques 104a, 104b, 104c, 104d, 104e. Chaque résonateur 104a, 104b, 104c, 104d, 104e de la deuxième couche 102 forme une cavité. Chaque cavité comprend une deuxième ouverture d’entrée 115a, 115b, 115c, 115d, 115e reliée à l’ouverture de sortie 124a, 124b, 124c, 124d, 124e du conduit du premier résonnateur 103 de sorte que tout ou partie d’une onde sonore incidente reçue par la première ouverture d’entrée 112 puisse pénétrer dans chaque résonateur 104a, 104b, 104c, 104d, 104e de la deuxième couche via cette deuxième ouverture d’entrée 115a, 115b, 115c, 115d, 115e. Chaque cavité peut comprendre un conduit sous la forme d’un tube 118a, 118b, 118c, 118d, 118e. Additionnellement ou alternativement, la cavité peut comprendre un conduit sous la forme d’une chambre. Additionnellement ou alternativement, la cavité peut comprendre au moins un conduit du type sélectionné parmi un tube, une chambre. On comprendra que le nombre de résonnateurs acoustiques de la deuxième couche 102 peut varier selon les exemples.
Toujours dans l’exemple de la FIG. 1, la première couche 101 est disposée contre la deuxième couche 102, c’est-à-dire que la première couche 101 est en contact contre la deuxième couche 102. Dans des exemples, une ou plusieurs couches de matériaux peuvent être intercalées entre la première et la deuxième couche 101, 102 ; dans ce cas la première couche 101 n’est plus en contact (direct) contre la deuxième couche 102. On comprendra que la première et/ou la deuxième couche peuvent comprendre une ou plusieurs sous-couches. En d’autres termes, la première et/ou la deuxième couches peuvent très bien être constituées de plusieurs strates ; par exemple, en raison de la forme des conduits qui changent sur plusieurs strates mais qui sont pourtant dans une même couche. On comprendra également que quelle que soit la constitution de la première et la deuxième couche, la première couche présente une forte inertance et la deuxième couche présente une forte compliance. Chaque résonateur de la deuxième couche 102 comprend une deuxième ouverture d’entrée 115a, 115b, 115c, 115d, 115e débouchant dans la chambre 116 du premier résonnateur 103 de la première couche 101. La deuxième ouverture d’entrée 115a, 115b, 115c, 115d, 115e permet la propagation d’une onde acoustique. Ainsi, Fonde sonore incidente reçue par le premier résonnateur 103 est propagée vers l’ensemble des résonateurs 104a, 104b, 104c, 104d, 104e de la deuxième couche. De même, l’onde sonore réfléchie par le fond des cavités de la deuxième couche 102 peut être propagée à travers le premier résonateur 103 jusqu’à la première ouverture d’entrée 112 de la cellule élémentaire 109. De façon similaire à ce qui a été décrit pour le résonateur 103 de la première couche 101 formant un conduit, au moins un parmi les uns ou plusieurs cavités formées par les uns ou plusieurs résonateurs 104a, 104b, 104c, 104d, 104e de la deuxième couche 102 peut comprendre une succession de conduits de différentes formes emboîtés (c’est-à-dire, « empilés » ou « en cascade ») d’une manière continue ou discontinue. Deux différences subsistent néanmoins dans cette similitude : (i) les résonateurs 104a, 104b, 104c, 104d, 104e de la deuxième couche 102 correspondent à des cavités et sont donc obstrués et (ii) comme montré dans la FIG. 1, chaque cavité formée par chaque résonateur 104a, 104b, 104c, 104d, 104e peut avoir une deuxième ouverture d’entrée 115a, 115b, 115c, 115d, 115e unique (et une ouverture acoustique unique) qui peut déboucher l’une comme les autres dans le conduit de la première couche 101 avec une extension 117a, 117b, 117c, 117d, 117e de longueurs « pk=\..n ». En effet, la deuxième ouverture d’entrée 115a, 115b, 115c, 115d, 115e d’au moins une des cavités de la deuxième couche 102 peut comprendre une extension 117a, 117b, 117c, 117d, 117e qui s’étend dans le conduit de la première couche 101. Additionnellement, l’extension 117a, 117b, 117c, 117d, 117e peut être droite ou repliée (ou peu comprendre des « coudes ») dans le conduit de la première couche 101. Une telle extension 117a, 117b, 117c, 117d, 117e peut être choisie pour des raisons d’optimisation dimensionnelle et de performances acoustiques. Additionnellement ou alternativement, au moins une cavité de la deuxième couche 102 peut comprendre au moins deux conduits montés en cascade du type sélectionné parmi un tube, une chambre. Au moins un des deux conduits peut être du type tube, comprenant un ou plusieurs coudes dans la deuxième couche 102. Au moins un des deux conduits peut être du type tube qui se prolonge à l’intérieur d’un conduit du type tube ou chambre qui le précède ou qui lui succède. Au moins un des conduits peut être replié sur tout ou une partie du résonateur 103 de la première couche 101.
La deuxième ouverture d’entrée 115a, 115b, 115c, 115d, 115e de chaque résonateur 104a, 104b, 104c, 104d, 104e de la deuxième couche 102 reliée à l’ouverture de sortie 124a, 124b, 124c, 124d, 124e du conduit du premier résonnateur 103 permet chaque résonnateur de la deuxième couche 102 à comprendre une cavité 118a, 118b, 118c, 118d, 118e reliée vers l’extérieur (en dehors de la cellule) via le résonnateur 103. Les ouvertures acoustiques 115a, 115b, 115c, 115d, 115e des résonateurs 104a, 104b, 104c, 104d, 104e de la deuxième couche 102 sont donc un accès vers la deuxième couche 102 pour une onde acoustique qui a traversé la première couche 101. De cette manière, on peut conjuguer l’effet réactif des résonateurs 104a, 104b, 104c, 104d, 104e de la deuxième couche 102 à l’effet inertiel du résonateur acoustique 103 de la première couche 101.Tout ou une partie du conduit de la première couche 101 peut avoir sensiblement la forme d’un prisme, de préférence le prisme étant un parallélépipède, un cube, un cylindre, un cône ou un prisme hexagonal. Par exemple, la chambre 116 peut avoir sensiblement la forme d’un prisme, de préférence le prisme étant un parallélépipède, un cube, un cylindre ou un prisme hexagonal. La forme de tout ou une partie du conduit de la première couche 101 peut être choisie pour occuper le maximum du volume qui lui est alloué sur de la cellule élémentaire 109. La forme n’a intrinsèquement qu’un impact limité pour le traitement des fréquences basse (par exemple <lKHz). Par exemple, si la cellule élémentaire 109 a une forme hexagonale, une cavité hexagonale peut permettre de profiter du plus gros espace possible de la cellule élémentaire 109. Dans ce cas, la deuxième couche 102 pourrait comprendre six résonateurs et avoir une forme triangulaire. La forme des uns ou plusieurs conduits de chaque cavité de la deuxième couche 102 peut être choisie également en fonction de la fréquence visée pour chaque résonateur 104a, 104b, 104c, 104d, 104e formant chaque cavité. Alternativement, au lieu d’être circonscrites à la bande de fréquence visée pour l’ensemble de la cellule élémentaire 109, ces fréquences de résonances individuelles peuvent avoir des valeurs de fréquence plus élevées ou plus basses.
Dans des exemples, une ou plusieurs des cavités de la deuxième couche 102 peuvent avoir au moins un conduit qui a, par exemple, sans être limité à, sensiblement la forme d’un prisme, de préférence le prisme étant un parallélépipède, un cube, un cône, un cylindre ou un prisme hexagonal. La forme des dites un ou plusieurs conduits des cavités de la deuxième couche 102 peut être choisie pour occuper le maximum du volume de la cellule élémentaire 109, notamment de la deuxième couche 102. Cela peut se faire grâce au coudes (ou « repliement ») ou à une succession de coudes de conduits de formes différentes.
Quelle que soit sa forme, le conduit de la première couche 101 (c’est à dire le conduit formé par le premier résonateur de la première couche 101) donne accès à n résonateurs 104a, 104b, 104c, 104d, 104e qui se trouvent dans la deuxième couche 102. La deuxième couche 102 peut avoir une épaisseur d et une surface caractéristique S[wz] . Ces résonateurs 104a, 104b, 104c, 104d, 104e la deuxième couche 102 forment des cavités, chacun ayant la forme d’un conduit obstrué. Chaque résonateur n°k (avec k = 1. . n) peut avoir une longueur effective lk et une ouverture acoustique d’une surface égale à Sk(Â). La variation de la géométrie de chaque résonateur de la deuxième couche 102, d’un bout à l’autre peut rapprocher la forme, par exemple, d’un résonateur 104a, 104b, 104c, 104d, 104e de celle d’un résonateur de type Helmholtz ou d’un résonateur de type Fabry-Perot. En effet, la notation Sk (A) , désigne une section de conduit qui est une fonction de la position A>0 le long du conduit jusqu’au fond obstrué (A =Zk).
Comme déjà dit plus haut, le conduit de la première couche 101 peut comprendre au moins deux conduits montés en cascade, chaque conduit étant du type sélectionné parmi un tube, une chambre. L’ouverture d’entrée 112 donne à l’onde sonore incidente un accès vers la première couche 101 et le conduit de type tube 111 relie l’ouverture d’entrée 112 au conduit de type chambre 116. Comme montré dans la FIG. 1, au moins un des deux conduits de type tube 111 peut être droit dans la première couche 101. Additionnellement ou alternativement, au moins un des deux conduits peut être du type tube 111 comprenant un ou plusieurs coudes dans la première couche 101. Additionnellement ou alternativement, un des conduits peut prendre simplement la forme d’un tube 111 de longueur égale à l’épaisseur de la paroi externe de la cellule 109 donnant ainsi un accès direct au conduit qui lui succède, par exemple à la chambre 116. Additionnellement ou alternativement, au moins un des deux conduits peut être du type tube 111 qui se prolonge à l’intérieur d’un conduit du type tube 111 ou chambre 116 qui le précède ou qui lui succède.
Dans l'exemple de la FIG. 1, le tube 111 se prolonge à l’intérieur de la chambre 116. Avec la chambre 116, ils peuvent représenter le premier résonateur 103 de la première couche 101, de la forme d’un résonateur Helmholtz à fond percé. La fréquence centrale et la largeur de bande d’un tel résonateur sont liées, entre autres, au ratio longueur par rapport à la largeur du conduit de type tube 111 et au volume du conduit de type chambre 116. Alternativement, le conduit de la première couche 101 peut comprendre un seul conduit de type tube 111. Le tube 111 peut être dimensionner pour ne constituer que le début d’un long tube à qui on donne une forme de tube replié comme cela est illustré dans l’exemple représenté par la FIG. 6. Le résonnateur de la première couche 101 peut être dimensionné différemment de manière à avoir exactement la même réponse acoustique avec une différence majeur au niveau du rapport de remplissage de la façade de la cellule 109. En effet, le choix d’un résonateur 103 sous la forme d’un conduit comprenant un conduit de type petit tube 111 (également appelé « canal ») donnant accès à un conduit de type chambre 116 volumineuse permet de réduire le rapport entre la surface de l’ouverture d’entrée du conduit et la surface totale de la façade. Le résonateur en forme de conduit comprenant au moins un conduit de type tube replié dans la couche 101 peut présenter une ouverture acoustique plus importante qui peut donner lieu à un avantage esthétique. Ce dernier cas de dimensionnement du résonateur de la première couche a l’avantage d’être moins exigeant d’un point de vue de la précision d’usinage. En effet, la fréquence centrale et la largeur de bande peut être très sensible au ratio ouverture acoustique sur longueur de canal dans le cas où le conduit comprend un conduit de type tube 111 donnant accès à une chambre 116 volumineuse. Dans le cas d’un long tube replié, la fréquence centrale est liée à la longueur effective du tube pendant que la largeur de bande est reliée à l’ouverture acoustique. Ces deux dimensions peuvent avoir une tolérance élevée de l’erreur ou de la précision d’usinage.
Une cellule élémentaire selon l’invention, par exemple telle que représentée dans l’exemple de la FIG.l, permet des performances décuplées qui vont bien au-delà du simple cumul des niveaux d’absorption de chacune des deux couches de résonateurs acoustiques. En effet, la première couche 101 et la deuxième couche 102 sont agencées de telle sorte que les résonateurs 104a, 104b, 104c, 104d, 104e de la deuxième couche peuvent recevoir Fonde sonore incidente après qu’elle est traversée le résonateur 103 de la première couche 101. Le fait d’avoir plusieurs résonateurs 104a, 104b, 104c, 104d, 104e dans la deuxième couche constitue un couplage transversal dans la deuxième couche. Cette deuxième couche, prise seule, présente une absorption très faible comme indiqué par 1101 dans FIG. 11. Le résonateur 103 de la première couche, pris également seul, présente une absorption acoustique très faible comme indiqué par 1102 dans FIG. 11. La première couche 101 et la deuxième couche 102 sont agencées de telle sorte qu’un couplage longitudinale ou un montage en cascade peut être réalisé entre le résonateur 103 de la première couche et les résonateurs de la deuxième couche 104a, 104b, 104c, 104d, 104e, qui produit une absorption acoustique étendue comme cela est démontré par 1103 dans FIG. 11. Les effets de ce couplage se traduisent par l’allongement de la bande de fréquence où l’absorption est maintenue à un niveau maximal. Pour ce faire, un dimensionnement optimal et unique est préféré. Un dimensionnement spécifique de la cellule élémentaire 109 peut être d’abord opéré pour cibler la fréquence centrale et la largeur de bande visées, tout en respectant certaines contraintes géométriques (par exemple, l’épaisseur des couches 101, 102, la surface caractéristique de la cellule 109, ainsi que divers critères concernant, notamment, le ratio ouverture acoustique sur surface caractéristique). Les résonateurs 104a, 104b, 104c, 104d, 104e de la deuxième couche 102 peuvent être dimensionnés de manière à ajuster le coefficient d’absorption sur toute la largeur fréquentielle ciblée. Le premier résonnateur 103 est un résonateur acoustique qui peut présenter une impédance avec une forte inertie alors que les uns ou plusieurs résonateurs 104a, 104b, 104c, 104d, 104e de la deuxième couche 102 peuvent être des résonateurs acoustiques avec une impédance acoustique qui présente une forte compliance.
Ainsi, en obtenant un couplage longitudinal grâce aux deux couches 101, 102, les résonateurs 103, 104a, 104b, 104c, 104d, 104e des deux couches 101, 102 forment une partie inertielle et une partie compliante qui se neutralisent pour présenter une impédance proche de celle de l’air (ou du gaz utilisé en remplacement) sur la largeur de bande fréquentielle ciblée par la cellule unitaire 109. Grâce à cette conception, chacune des deux couches 101, 102 n’a pas besoin d’être individuellement dimensionnée pour maximiser le coefficient d’absorption acoustique. Par conséquent, une réduction très sensible de l’encombrement de la cellule élémentaire 109 est obtenue. Le premier résonateur peut présenter un taux d’absorption non nul étendu sur une bande fréquentielle A/ qui est centrée autour d’une fréquence caractéristique fo pour laquelle le coefficient d’absorption a.o(J=fo) est maximal sur cette bande fréquentielle A la valeur maximale étant, par exemple, inférieur à 30%. Chacun des uns ou plusieurs résonateurs de la deuxième couche 102 peut présenter un taux d’absorption non nul étendu respectivement sur une bande fréquentielle A/^, plus étroite que la bande fréquentielle A qui est centrée respectivement autour d’une fréquence caractéristique^ pour laquelle le coefficient d’absorption QLkJ=fk) est maximal sur cette bande fréquentielle A/ , la valeur maximale étant, par exemple, inférieur ou égal à 30%. Chacun des uns ou plusieurs résonateurs de la deuxième couche 102 peut être dimensionné de manière à positionner sa fréquence caractéristique respective fk sur un intervalle de fréquence A/ ± 8 où A/ est la bande fréquentielle du premier résonateur 103 et § représente une différence de fréquence minime. C’est-à-dire, 8 est une tolérance sur la bande fréquentielle A fk étant la fréquence caractéristique respective sur un intervalle approximatif de celui de f.
Comme mentionné précédemment, ces deux couches de résonateurs 101, 102 permettent d’obtenir un couplage longitudinal pour permettre une adaptation d’impédance optimale donnant lieu à un niveau d’absorption a maximal allant, par exemple, entre 90% et 100%, ou entre 90% et 99%, pour une atténuation équivalente entre, par exemple, -10 dB et -20 dB. Les uns ou plusieurs résonateurs 104a, 104b, 104c, 104d, 104e de la deuxième couche 102 peuvent être positionnés pour comprendre une bande passante fréquentielle A/fe et l’ensemble des bandes passantes fréquentielles A/fe peuvent être sélectionnées pour qu’elles recouvrent sensiblement la bande passante fréquentielle A de la cellule avec une tolérance de ± 8. Des exemples des valeurs des coefficients d’absorption ai et ak sont montrés dans les FIG. 11 et FIG. 16.
Dans la FIG. 11, les courbes 1101, 1102, 1103, 1104 correspondent à des résultats théoriques de calcul numérique pour une seule cellule élémentaire pour une incidence normale alors que la courbe 1105 correspond aux mesures de réduction du temps de réverbération en situation réelle pour une plaque d’une surface de 10,8 m2, (c’est à dire, un assemblage comprenant au moins un panneau) constituée de 30 panneaux (voir FIG. 9, qui représente un panneau 700 de 10 cellules élémentaires 709) de 600mm x 600mm x 54mm de côté. La courbe 1104 est le résultat d’une intégration en tiers d’octaves de la réponse 1103 d’une seule cellule élémentaire. Les courbes d’absorption 1101 et 1102 correspondent, respectivement, à chacun des résonateurs de la deuxième couche et au résonateur de la première couche, toutes mesurées indépendamment. Les courbes 1103, 1104 montrent la résultante du couplage longitudinale obtenu par les deux couches.
Dans la FIG. 16, les courbes 1601, 1602, 1603, 1604 correspondent à des résultats théoriques de calcul numérique pour une seule cellule élémentaire pour une incidence normale alors que la courbe 1605 correspond aux mesures de réduction du temps de réverbération en situation réelle pour une plaque d’une surface de 10.8 m2 (voir Fig. 17 qui montre une plaque qui a été utilisée pour les mesures en chambre de réverbération au CSTB -Centre Scientifique et Technique du Bâtiment-) constituée de 30 panneaux (voir par exemple, le panneau de la FIG. 14) de 600mm x 600mm x 111mm de côté. La courbe 1604 est le résultat d’une intégration en tiers d’octaves de la réponse 1603 d’une seule cellule élémentaire. Les courbes d’absorption 1601 et 1602 correspondent, respectivement, à chacun des résonateurs de la deuxième couche et au résonateur de la première couche, toutes mesurées indépendamment. Les courbes 1603, 1604 montrent la résultante du couplage longitudinale obtenu par les deux couches.
Dans la FIG. 20, les courbes 2001, 2002, 2003, 2004 correspondent à des résultats théoriques de calcul numérique pour une seule cellule élémentaire pour une incidence normale. La courbe 2005 correspond à des mesures dans un tube d’impédance avec une cross-section interne de 7 cm x 7 cm (aussi appelé tube de /<z /t)pour un panneau constitué de 2 x 3 cellules élémentaires (3 x 23 mm et 2 x 34,5 mm pour rendre un panneau ayant des dimensions de 6,9 cm x 6,9 cm). La courbe 2004 est le résultat d’une intégration en tiers d’octaves de la réponse théorique 2003 d’une seule cellule unitaire. La courbe 2005 est issue de l’intégration en tiers d’octaves des résultats de mesures d’un panneau comportant 6 cellules unitaires. Les courbes d’absorption 2001 et 2002 correspondent, respectivement, à chacun des résonateurs de la deuxième couche 102 et au résonateur de la première couche, toutes calculées indépendamment. Les courbes 2003, 2004 montrent la résultante du couplage longitudinale obtenu par les deux couches.
Dans la FIG. 23, les courbes 2301, 2302, 2303, 2304 correspondent à des résultats théoriques de calcul numérique pour une seule cellule élémentaire pour une incidence normale. La courbe 2305 correspond à des mesures dans un tube d’impédance (aussi appelé tube de Kundt) pour un panneau constitué de cellules élémentaires. La courbe 2304 est le résultat d’une intégration en tiers d’octaves de la réponse théorique 2303 d’une seule cellule unitaire. La courbe 2305 est issue de l’intégration en tiers d’octaves des résultats de mesures d’un panneau de 6 cellules unitaires. Les courbes d’absorption 2301 et 2302 correspondent, respectivement, à chacun des résonateurs de la deuxième couche et au résonateur de la première couche, toutes calculées indépendamment. Les courbes 2303, 2304 montrent la résultante du couplage longitudinale obtenu par les deux couches.
Dans les FIG’s. 11, 16, 20 et 23, on voit les courbes 1102, 1602, 2002 et 2302 pour le coefficient d’absorption théorique sous incidence normale dans la première couche. On voit aussi les courbes 1101, 1601, 2001 et 2301 pour le coefficient d’absorption théorique sous incidence normale dans la deuxième couche. Les courbes 1103, 1603, 2003 et 2303 montrent la performance théorique sous incidence normale de l’accumulation des performances des autres courbes 1101, 1102, 1601, 1602, 2001, 2002, 2301 et 2302. Chaque résonateur des deux couches ne dépasse pas dans ces exemples un taux d’absorption de 30%, ce qui correspond à un indice de réflexion en amplitude de plus de -1,5 dB. Toujours dans ces exemples, la configuration de la cellule élémentaire engendre une adaptation d’impédance donnant lieu à un niveau d’absorption maximal allant de a— 90% à a— 99% (une variation correspondant à la gamme de changement d’amplitude des « ripples » le long de la bande passante) pour une atténuation équivalente entre -10 dB et -20 dB, respectivement.
L’efficacité d’une telle adaptation d’impédance est due au fait que la première couche peut se comporter comme un résonateur acoustique avec une forte valeur d’inertance acoustique et un faible coefficient de qualité, pendant que la deuxième couche peut réagir en résonateur composite large bande à forte valeur de compliance. Combinés, ces deux éléments peuvent se comporter comme un résonateur acoustique effectif possédant une plage de résonance étendue dans laquelle l’impédance effective est très proche de celle de l’air.
La cellule élémentaire permet ainsi d’élargir la largeur de la bande fréquentielle où le taux d’absorption minimal visé est garanti en contournant les obstacles qui sont à l’origine des carences d’une solution d’absorbeurs basés sur un couplage transversal. En effet, avec le couplage longitudinal obtenu par la première couche et la deuxième couche, et comme montré par les FIG. 11, FIG. 16, FIG. 20 et FIG. 23, le niveau de l’absorption peut être amélioré considérablement. En outre, la combinaison des deux couches permet de lier, d’une manière exclusive, la largeur de bande de la cellule élémentaire à celle du résonateur de la première couche.
Les deux points de conception traditionnellement limitatifs que sont le coefficient de qualité et le niveau d’absorption à la résonance, sont utilisés à profit dans la présente invention. En effet, en considérant par exemple l’exemple de la FIG. 1 , la première couche 101 qui affecte directement la largeur de la bande fréquentielle peut être conçue avec un premier résonateur 103 possédant une ouverture 111 acoustique très large sans être inquiété par les faibles niveaux d’absorption qui en résultent et de plus, la couche profonde 102 qui sert à rehausser ces niveaux est composés d’une série de résonateurs 104a, 104b, 104c, 104d, 104e avec de très faibles ouvertures acoustiques qui réduise son encombrement.
La cellule élémentaire selon l’invention permet de dépasser la dualité limitative qui lie la bande passante et le niveau de l’absorption des résonateurs connus couplés transversalement. En considérant, par exemple, l’exemple de la FIG. 1, le couplage longitudinal obtenu selon l’invention (c’est-à-dire que les résonnateurs 104a, 104b, 104c, 104d, 104e de la deuxième couche 102 sont montés en cascade (on pourrait également dire en série) avec le résonnateur 103 de la première couche 101) permet d’obtenir un couplage dans l’axe de propagation de l’onde incidente : les résonnateurs 104a, 104b, 104c, 104d, 104e de la deuxième couche 102 sont montés en cascade avec le résonnateur 103 de la première couche 101, et une onde incidente pénètre en premier dans la premier résonateur et pénètre ensuite dans les deuxièmes résonnateurs montés en cascade. Cela permet de construire une cellule élémentaire 109 qui se comporte comme un résonateur acoustique global, où l’inertance effective est principalement imposée par les dimensions des résonateurs de la première couche 101 et où la compliance effective est modelée par les résonateurs de la deuxième couche profonde 102 qui font face au résonateur de la première couche 101.
Une même signature d’absorption acoustique telle qu’une cellule élémentaire selon l’invention peut être obtenue avec une ou plusieurs choix dimensionnels. Comme montré dans les FIG. s 18 et 19A, 19B, 19C et les FIG.s 21 et 22A, 22B et 22C, la cellule élémentaire 1809 a une construction différente de celle de la cellule élémentaire 2109 puisque le résonateur 1803 de la première couche 1801 dans la cellule 1809 de la FIG. 18 et 19A, 19B et 19C a la forme d’un résonateur de Fabry-Perot alors que le résonateur 2103 de la première couche 2101 dans la cellule 2109 de la FIG. 21 et des FIGs. 22A, 22B et 22C a la forme d’un résonateur de Helmholtz à fond percé. Malgré cette différence de dimensions et de formes, la signature d’absorption acoustique 2003 et 2004 correspondant à la cellule élémentaire 1809 de la FIG. 18 et des FIGs. 19A, 19B et 19C est sensiblement équivalente à la signature d’absorption acoustique 2303 et 2304 correspondant à la cellule élémentaire 2109 de la FIG. 21 et des FIG’s. 22A, 22B et 22C.
Les niveaux d’absorption a obtenus sont assimilables à ceux des matériaux intrinsèquement absorbants comme par exemple des laines, des mousses et des matériaux fibreux. Contrairement à ces solutions classiques d’absorption sonore, la cellule élémentaire peut permettre une telle efficacité d’absorption étendue aux basses fréquences avec des épaisseurs de cellule sub-longueur d’onde.
En considérant l’exemple de la FIG. 1, les mécanismes physiques induisant l’absorption acoustique dans la cellule élémentaire 109 peuvent être la conséquence de la structuration réalisée dans la masse des matériaux constitutifs de la cellule élémentaire 109. C’est-à-dire, l’absorption acoustique de la cellule élémentaire 109 peut être déterminée seulement en fonction de sa configuration géométrique plutôt que la nature absorbante des matériaux dont elle est constituée. Tout matériau solide (rigide ou mou) peut être valable pour réaliser la solution décrite dans cette invention.
Le matériau de la première couche 101 et/ou le matériau de la deuxième couche 102 peut être du type sélectionné parmi un matériau rigide, un matériau mou, un matériau plein, un matériau structuré, un matériau expansé, un matériau extrudé, un matériau malléable, un matériau sensiblement non-absorbant sonore ou acoustique et/ou un matériau inerte.
Un matériau « rigide » désigne un matériau qui n’est pas facile à comprimer, plier et/ou manipuler pendant la mise en œuvre de la cellule élémentaire 109. Dans des exemples, un tel matériau peut comprendre, mais n’est pas limité, le bois, les métaux et/ou le verre. Dans des exemples, toute la cellule élémentaire 109 peut comprendre un ou plusieurs matériaux rigides. Plusieurs matériaux rigides peuvent être assemblés sans colle (par exemple, à chaud, sous pression et/ou sous contrainte).
Un matériaux « mou » désigne un matériau qui se comprime, plie et/ou se manipule facilement. Un matériau mou peut avoir des propriétés entre ceux des liquides et des solides. Il peut, par exemple, avoir un module d’élasticité de Young entre 0,001 GPa et 0,1 GPa. Exemples d’un tel matériau peut inclure, sans limitation, un polymère. Plusieurs matériaux mous peuvent être assemblés sans colle (par exemple, à chaud et/ou sous pression).
Un matériau « plein » désigne un matériau qui ne comporte pas de vide ou qui a une faible valeur de porosité moins de 20%. Dans des exemples, un tel matériau peut comprendre, sans limitation, un métal, un alliage, une céramique, une terre cuite, l’argile, le béton, une plaque de pierre naturelle ou artificielle, le plastique, le verre et/ou un textile aggloméré.
Un matériau « structuré » désigne un matériau comportant un motif constituant. Dans des exemples, un tel matériau peut comprendre, mais n’est pas limité à, les essences naturelles de bois et les bois dérivés (par exemple, MDF (« medium density fireboard »), et/ou agglomérés).
Un matériau « expansé » désigne un matériau qui a subi une opération physique et/ou thermique et/ou chimique pour augmenter son volume. Dans des exemples, un tel matériau peut comprendre, mais n’est pas limité à une pierre, une argile un liège, à une matière plastique, un caoutchouc naturel, un caoutchouc synthétique et/ou une résine.
Un matériau « extrudé » désigne un matériau qui a subi une opération thermomécanique ou mécanique le contraignant à traverser une matrice ou filière. Dans des exemples, un tel matériau peut comprendre, mais n’est pas limité à, un métal, un alliage et/ou un polymère.
Un matériau « malléable » désigne un matériau facilement influencé, ou facilement pliable. Un matériau malléable capable d'être martelé ou pressé en forme sans se casser ou se fissurer. Dans des exemples, un tel matériau peut comprendre, sans limitation, un métal, un plastique, un bois naturel, un caoutchouc naturel, un caoutchouc synthétique, du papier et/ou du carton.
Un matériau « sensiblement non-absorbant sonore ou acoustique » désigne un matériau au sein duquel la dissipation sonore ou acoustique est pratiquement nulle ou négligeable. Cependant, un tel matériau n’interdit pas la dissipation de la puissance sonore ou acoustique au niveau des interfaces entre le matériau et un autre matériau (l’air). La cellule élémentaire est un exemple de ce phénomène puisque cette cellule peut être construite entièrement d’un ou plusieurs matériaux sensiblement non-absorbants et peut permettre pourtant une absorption acoustique par dissipation thermo-visqueuse dans la fine couche d’aire qui est en contact avec les parois de la construction.
Un matériau « inerte » désigne un matériau inactif physiquement, chimiquement et/ou biologiquement. Dans des exemples, le matériau de la première couche et/ou le matériau de la deuxième couche peut être du type sélectionné parmi un matériau avec une détérioration structurelle très lente et une émission de particules et de poussières très faible.
Dans des exemples, le matériau de la première couche et/ou le matériau de la deuxième couche peut être du type sélectionné parmi les matériaux qui ne réagissent que très faiblement ou très lentement à des conditions particulières d’utilisation que sont la température ambiante, le taux d’humidité, la pression atmosphérique et le mélange gazeux de l’air.
La cellule élémentaire selon la présente invention offre une absorption acoustique meilleur que celle des matériaux actuels sur les basses fréquences. Cela, en conservant les propriétés de résistance mécanique, d’intégrité physico-chimique et sécurité sanitaire que les mousses, les laines et les matériaux fibreux sont dans l’incapacité de garantir.
Les FIG. 2 à FIG. 6 donnent des exemples de la première et deuxième couche de la FIG.l. La présente invention n’est pas limitée à ces exemples.
La FIG. 2 montre une forme générique possible parmi d’autres des résonateurs 204 de la deuxième couche 202. La deuxième ouverture d’entrée 215 du conduit de type tube 218 qui représente un de ces résonateurs 204 peut varier sur toute sa longueur. Le résonateur 204 de la deuxième couche 202 peut être de type quart-d’onde (c’est-à-dire un résonateur de type Fabry-Perot avec un fond obstrué). Cela, en partant de la partie intégrée dans le résonateur de la première couche (représentée que partiellement sur cette figure) à la partie intégrée à la deuxième couche 202. La variable dimensionnelle bk représente la projection de l’ouverture acoustique sur le plan [xz] du résonateur numéro k parmi les n résonateurs de la deuxième couche 202.
La FIG. 3 montre une variante de la forme représentée dans la FIG. 2 pour laquelle le résonateur 304 de la deuxième couche 302 comprend une deuxième ouverture d’entrée 315 donnant accès à un conduit de type tube 318 comprenant des coudes qui débouche sur le conduit de type chambre 326 du résonateur numéro k . Comme mentionné précédemment, le tube 318 peut être replié pour augmenter la longueur du conduit afin d’ajuster la fréquence centrale et la largeur de bande du résonateur 304. Avec le tube 318, la chambre 326 forme un résonateur 304 de type Helmholtz.
La FIG. 4 montre une forme générique possible parmi d’autres du résonateur 403 de la première couche 401. Ce premier résonateur 403 forme un conduit comprenant une première ouverture d’entrée 412 et une ouverture de sortie 424. Ce résonateur 403 peut être constitué d’un conduit de type tube 411 donnant accès à un autre conduit de type tube 416. Les deux conduits de type tube 411, 416 peuvent être repliés dans la première couche. Ensemble, les deux tubes 411, 416 peuvent former un résonateur 403 de type Fabry-Perot. Les dimensions de ces tubes 411, 416 sont variables sur toutes leurs longueurs et peuvent, par exemple, se confondre dans certaines configurations (voir FIG. 6). Les variables dimensionnelles b et B représentent, respectivement, la projection sur le plan [xz] de l’ouverture acoustique du tube 411 et celle du tube 416 qui lui succède. Dans ce cas, le résonateur 403 de la première couche 401 correspond à un assemblage en cascade de deux conduits 411, 416, tous deux de type Fabry-Perot.
La FIG. 5 montre une autre forme générique possible parmi d’autres du résonateur 503 de la première couche 501. Dans ce cas, ce résonateur 503 est assimilable à un résonateur de type Helmholtz procédant un fond percé (ouverture vers les résonateurs de la deuxième couche) qui se caractérise par un conduit comprenant un assemblage en cascade d’un conduit de type tube 511 resserré appelé « cou du résonateur » et d’un conduit de type chambre 516 appelée « ventre du résonateur ». Ee tube 511 peut déboucher (ou « se prolonger ») dans la chambre 516 du conduit de la première couche 501. Cependant, l’accès 524 (aussi appelé l’ouverture de sortie) par le fond du ventre vers les résonateurs de la deuxième couche constitue le point de différentiation avec le vrai résonateur d’Helmholtz qui a un fond normalement totalement obstrué. Ee « cou » 511 peut être replié avec une surface d’ouverture acoustique pouvant être variable sur toute sa longueur. Les variables dimensionnelles b et B représentent, respectivement, la projection sur le plan [xz] du « cou » 511 et du « ventre » 516.
La FIG. 6 montre une autre forme générique possible parmi d’autres du résonateur de la première couche 601. Dans cet exemple, ce résonateur 603 est de type Fabry-Perot obtenu par assemblage et ajustement dimensionnel du conduit de type tube 611 et du conduit de type tube 616, les deux conduits formant un conduit de type tube replié. Les variables dimensionnelles b et B sont la projection de la première ouverture d’entrée acoustique 612 sur les deux axes du plan [xz] . L’exemple illustré dans cette figure correspond à un résonateur 603 sous forme d’un conduit acoustique replié. Le conduit de type tube 611 et le conduit de type tube 616 du premier résonnateur 103 peuvent être confondus pour former un seul et même conduit dont la section peut évoluer d’un bout à l’autre du conduit par la variation de sa forme, de ses dimensions et de sa tortuosité. Dans ce cas de figure, la longueur effective de ce conduit peut converger vers le quart de la valeur de longueur d’onde à la résonance.
Un panneau acoustique peut être constitué d’au moins une cellule élémentaire. Le panneau acoustique peut comprendre une seule cellule élémentaire. Le panneau acoustique peut comprendre plusieurs cellules élémentaires de caractéristiques similaires ou distinctes. Le panneau peut être plat ou incurvé.
Selon la méthode de fabrication, ce panneau peut être monolithique ou le résultat d’un assemblage. La désignation par les termes de métamatériaux acoustiques ou métamatériaux absorbants de cette invention est due au fait que cette dernière peut être vue comme un panneau effectif qui se comporte comme un matériau bien plus épais et intrinsèquement absorbant. Le panneau peut être dimensionné sur la base de contraintes géométriques, par exemple, une surface caractéristique, une épaisseur égale à la somme de la première couche et la deuxième couche ainsi que divers critères concernant, notamment, le ratio d’ouverture sur la surface de panneau.
La FIG. 10 représente un exemple d’un panneau 700 comprenant des cellules élémentaires 709 avec la même forme que la cellule élémentaire 709 montrée en coupe dans la FIG. 7. Comme montré sur la FIG. 7, la première couche 701 peut comprendre un résonateur 703 du style Fabry-Perot, formé par le conduit de type tube 711 et le conduit de type tube replié 716. La deuxième couche 702 est constitué d’un ensemble 704 de plusieurs résonateurs 704a, 704b, 704c, 704d, 704e, qui peuvent chacun et individuellement prendre la forme d’un résonateur quart-d’onde replié. Le matériau de la première couche et/ou le matériau de la deuxième couche peut être du type sélectionné parmi un matériau rigide, un matériau mou, un matériau plein, un matériau structuré, un matériau expansé, un matériau extrudé, un matériau malléable, un matériau sensiblement non-absorbant et/ou un matériau inerte. Le matériau utilisé peut inclure, par exemple, du MDF qui peut être usiné avec un procédé classique de fabrication de meuble en panneau de bois (par exemple, une scie circulaire sur table, une rogneuse d’angle, un collage et/ou un perçage).
Dans la FIG. 10, les segments 741, 742 sont issus d’une coupe multiple opérée sur deux plans perpendiculaires à la surface caractéristique du panneau acoustique. Le segment 743 correspond à une représentation en transparence du segment 741 avec une perspective différente qui permet d’identifier et de localiser les résonateurs 704a, 704b, 704c, 704d, 704e de la deuxième couche 702 (FIG. 8).
Comme montré dans la FIG.9, chacune des dix cellules élémentaires 709 a une surface caractéristique de 600mm x 60mm et une épaisseur de 54mm . La FIG. 8 représente une vue en perspective cavalière d’une cellule 709 comme celle de la FIG. 7. La FIG. 7 est une exemple d’une projection selon un plan [xz] la cellule élémentaire 709, comprenant un résonateur 703 en forme de conduit comprenant une première ouverture d’entrée 712 et une ouverture de sortie 715. Les zones de matière retirée 704a, 704b, 704c, 704d, 704e, 703 de la cellule élémentaire 709 permettent d’identifier cinq résonateurs 704a, 704b, 704c, 704d, 704e de la deuxième couche 702 connectés à l’unique résonateur 703 de la première couche 701 de la cellule élémentaire 709. La coupe opérée 719 permet d’avoir un aperçu des résonateurs 703, 704a de la première couche 701 et de la deuxième couche 702. La FIG. 7 montre une deuxième ouverture d’entrée 715 pour un des résonateurs 704. L’ouverture acoustique et la longueur des résonateurs 704 de la deuxième couche peut être différente selon la position du repère de coupe 719 le long de l’arrête 710. Cela en raison de la présence de cinq différents résonateurs 704a, 704b, 704c, 704d, 704e dans la deuxième couche 702. Les variables dimensionnelles de la cellule élémentaire 709 de cet exemple sont indiquées dans la FIG. 7 selon les axes x et z et dans la FIG. 8 selon l’axe y . Une plaque (voir exemple FIG. 17) peut être fabriqué en assemblant 30 panneaux 700 totalisants une surface de, par exemple, 10,8 m2. Les valeurs pour les dimensions associées sont consignées dans le tableau noté Table 1.
La FIG. 15 représente un exemple d’un panneau 1200 en utilisant des cellules élémentaires avec la même forme que la cellule élémentaire 1209 montrée dans la FIG. 12. La FIG. 12 est une exemple d’une projection selon un plan [xz] la cellule élémentaire 1209, comprenant un résonateur 1203 en forme de conduit comprenant une première ouverture d’entrée 1212 et une ouverture de sortie 1215. La FIG. 15 montre les segments 1241, 1242 issus d’une coupe multiple opérée sur deux plans perpendiculaires à la surface caractéristique du panneau 1200. Le segment 1243 correspond à une représentation en transparence d’un segment 1241 avec une perspective différente qui permet d’identifier et de localiser les cinq résonateurs 1204 de la deuxième couche 1202 et le résonateur 1203 de la première couche 1201. La FIG. 12 montre une deuxième ouverture d’entrée 1215 pour un des résonateurs 1204. La FIG. 14 montre aussi dix cellules élémentaires 1209 assemblées en forme d’un panneau 1200. Le panneau acoustique est constitué de 10 cellules élémentaires, chacune des cellules ayant une surface caractéristique 600mm x 60mm et une épaisseur de 54mm. La FIG. 13, donne une vue en perspective cavalière d’une cellule élémentaire 1209. La coupe opérée 1219 permet d’avoir un aperçu des résonateurs 1203, 1204a de la première couche 1201 et de la deuxième couche 1202, respectivement. Les zones de matière retirée 1204a, 1204b, 1204c, 1204d, 1204e, 1203 de la cellule élémentaire 1209 permettent d’identifier cinq résonateurs de la deuxième couche (la couche profonde) connectés à l’unique résonateur 1203 de la première couche 1201 de la cellule élémentaire 1209 selon cette invention. La coupe opérée au repère 1219 permet d’avoir un aperçu des résonateurs 1203, 1204a de la première couche 1201 et de la deuxième couche 1202, respectivement. La longueur et l’ouverture acoustique du résonateur 1204a peut être différente selon la position du repère de coupe 1219 le long de l’arrête 1210. Cela, en raison de la présence de cinq différents résonateurs 1204a, 1204b, 1204c, 1204d, 1204e dans la deuxième couche 1202. Les variables dimensionnelles d’un tel exemple d’un panneau 1200 sont indiquées dans la FIG. 12 selon les axes x et z et FIG. 13 selon l’axe y. Les valeurs associées sont consignées dans la Table 1. Une plaque peut être fabriqué en assemblant 30 panneaux 1200 totalisants une surface de, par exemple, 10,8 m2. Le matériau utilisé peut être, par exemple, du MDF qui a été usiné avec un procédé classique de fabrication de meuble en panneau de bois (par exemple, une scie circulaire sur table, une rogneuse d’angle, un collage et/ou un perçage).
La FIG. 19B, donne une vue en perspective cavalière par transparence d’une cellule élémentaire 1809. Les zones de matière retirée 1804a, 1804b, 1804c, 1804d, 1804e, 1803 de la cellule élémentaire 1809 permettent d’identifier cinq résonateurs 1804a, 1804b, 1804c, 1804d, 1804e de la couche profonde 1802 connectés à l’unique résonateur 1803 de la première couche 1801 de la cellule élémentaire 1809 selon cette invention (FIG. 18). La FIG. 18 est une exemple d’une projection selon un plan [xz] la cellule élémentaire 1809, comprenant un résonateur 1803 en forme de conduit comprenant une première ouverture d’entrée 1812 et une ouverture de sortie 1824. La FIG. 18 montre aussi une deuxième ouverture d’entrée 1815 pour un des résonateurs 1804. Cette cellule élémentaire 1809 ne diffère des cellules élémentaires 709 et 1209 représentées dans la FIG. 7 et la FIG. 12, respectivement, que par les dimensions des différents éléments constitutifs. Les variables dimensionnelles d’un tel exemple d’une cellule élémentaire 1809 sont indiquées dans la FIG. 18 selon les axes x et z et FIG. 19A et 19C selon l’axe y. Les valeurs associées sont consignées dans la Table 1. Une telle cellule élémentaire 1809 peut être fabriquée, par exemple, en PLA avec une imprimante 3D. Une telle fabrication peut être réalisée en plusieurs étapes où chacun des résonateurs de la première couche et de la deuxième couche est réalisé indépendamment d’une seule phase d’impression avant une étape finale d’assemblage de l’ensemble des résonateurs.
La FIG. 22b, donne une vue en perspective cavalière par transparence d’une cellule élémentaire 2109. Les zones de matière retirée 2104a, 2104b, 2104c, 2104d, 2104e, de la cellule élémentaire 2109 permettent d’identifier cinq résonateurs 2104a, 2104b, 2104c, 2104d, 2104e de la couche profonde 2102 connectés à l’unique résonateur 2103 de la première couche 2101 de la cellule élémentaire 2109 selon cette invention (FIG. 22A). La deuxième couche 2102 de la cette cellule élémentaire 2109 de la FIG. 21 et les FIGs. 22A, 22B et 22C est identique à la deuxième couche 1802 de la cellule élémentaire 1809 de la FIG. 18 et les FIGs. 19A, 19B et 19C. La FIG. 21 est une exemple d’une projection selon un plan [xz] la cellule élémentaire 2109, comprenant un résonateur 2103 en forme de conduit comprenant une première ouverture d’entrée 2112 et une ouverture de sortie 2124. La FIG. 21 montre aussi une deuxième ouverture d’entrée 2115 pour un des résonateurs 2104. Cette cellule élémentaire 2109 de la FIG. 21 et les FIGs. 22A, 22B et 22C ne diffère de la cellule élémentaire 1809 représentée FIG. 18 et les FIGs. 19A, 19B et 19C, que par la première couche 1801 et 2101. Dans le cas de cette cellule élémentaire 2109 de la FIG. 21 et les FIGs. 22A, 22B et 22C, le résonateur 2103 de la première couche 2101 à la forme d’un résonateur de Helmholtz percé en son fond par des ouvertures d’accès aux résonateurs 2104a, 2104b, 2104c, 2104d, 2104e de la deuxième couche 2102. Les variables dimensionnelles d’un tel exemple d’une cellule élémentaire 2109 sont indiquées FIG. 21 selon les axes x et z, et FIGs. 22A et 22C selon l’axe y. Les valeurs associées sont consignées dans la Table 1. Une telle cellule élémentaire 2103 peut être fabriquée, par exemple, en PLA avec une imprimante 3D. Une telle fabrication peut être réalisée en plusieurs étapes où chacun des résonateurs de la première couche et de la deuxième couche est réalisé indépendamment d’une seule phase d’impression avant une étape finale d’assemblage de l’ensemble des résonateurs.
Un autre objet de l’invention est de fournir une plaque acoustique comprenant au moins un tel panneau acoustique. La plaque peut être apte à être fixé sur une surface à insonoriser, de préférence un mur et/ou un plafond. De préférence, la plaque peut être plate ou incurvée. Deux prototypes exemplaires d’une telle plaque ont été fabriqués de 2x30 panneaux, totalisant une surface de 2x10,8 m2. Dans ces exemples, les deux plaques sont constituées des panneaux de la FIG. 9 et de la FIG. 14, respectivement. Une photographie d’une des deux plaques formées avec 30 panneaux, chaque panneau étant un panneau de la FIG. 14, est représentée sur la FIG. 17. La fabrication a été réalisé avec un procédé classique de fabrication de meuble en panneau de bois (par exemple, essences de bois, OSB, médium, aggloméré). Le procédé d’usinage a nécessité des outils et des moyens classiques pour ce type de fabrication (par exemple, une scie circulaire sur table, rogneuse d’angle, collage, perçage). La précision d’usinage exigée n’a été que de ± 2 mm pour des cellules élémentaires de 600 mm de côté. Le matériau utilisé pour la fabrication de ce prototype à échelle réelle est le MDF qui a été choisi pour son prix sensiblement plus faible que celui des autres bois. Le stockage et le transport de ces prototypes se sont fait dans les mêmes conditions et avec les mêmes moyens que ceux des meubles ou des matériaux et produits de bricolage en bois.
[Table 1]
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Claims

Revendications
1. Cellule élémentaire (109, 709, 1209, 1809, 2109) de métamatériau acoustique absorbant comprenant :
- une première couche (101, 401-701, 1201, 1801, 2101) comprenant un premier résonateur (103, 403-703, 1203, 1803, 2103), le premier résonateur formant un conduit comprenant une première ouverture d’entrée (112, 412, 612, 712, 1212, 1812, 2112) et une ouverture de sortie (124a, 124b, 124c, 124d, 124e, 724, 1224, 1824, 2124);
- une deuxième couche (102-302, 702, 1202, 1802, 2102) comprenant un ou plusieurs résonateurs (104a, 104b, 104c, 104d, 104e, 204, 304, 704, 1204, 1804, 2104), chaque résonateur de la deuxième couche formant une cavité (118a, 118b, 118c, 118 d, 118e, 218, 318) comprenant une deuxième ouverture d’entrée (115a, 115b, 115c, 115d, 115e, 215, 315, 715, 1215, 1815, 2115) reliée à l’ouverture de sortie du conduit du premier résonnateur de sorte que tout ou partie d’une onde sonore incidente reçue par la première ouverture d’entrée puisse pénétrer dans chaque résonateur de la deuxième couche via cette deuxième ouverture d’entrée.
2. Cellule élémentaire selon la revendication 1, dans laquelle :
- le premier résonateur présente en outre un taux d’absorption non nul étendu sur une bande fréquentielle A/ qui est centrée autour d’une fréquence caractéristique fo pour laquelle le coefficient d’absorption ao(j=fo) est maximal sur cette bande fréquentielle A la valeur maximale étant, par exemple, inférieur à 30% ; et
- chacun des uns ou plusieurs résonateurs de la deuxième couche présente en outre un taux d’absorption non nul étendu respectivement sur une bande fréquentielle k, plus étroite que la bande fréquentielle A qui est centrée respectivement autour d’une fréquence caractéristique fk pour laquelle le coefficient d’absorption af k) est maximal sur cette bande fréquentielle A^, la valeur maximale étant, par exemple, inférieur ou égal à 30%.
3. Cellule élémentaire selon la revendication 2, dans laquelle chacun des uns ou plusieurs résonateurs de la deuxième couche est dimensionné de manière à positionner sa fréquence caractéristique respective fk sur un intervalle de fréquence A/i<5 où A/ est la bande fréquentielle du premier résonateur et ô représente une différence de fréquence minime.
4. Cellule élémentaire selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le conduit de la première couche et/ou la cavité de la deuxième couche comprend au moins un conduit du type sélectionné parmi :
- un tube ;
- une chambre ; de préférence le au moins un conduit du type tube comprend un ou plusieurs coudes.
5. Cellule élémentaire selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le conduit de la première couche et/ou la cavité de la deuxième couche comprend au moins deux conduits montés en cascade, chaque conduit étant du type sélectionné parmi :
- un tube ;
- une chambre ; de préférence au moins un des deux conduits est du type tube comprenant un ou plusieurs coudes.
6. Cellule élémentaire selon la revendication 5, dans laquelle au moins un des deux conduits est du type tube se prolongeant à l’intérieur d’un conduit du type tube ou chambre qui le précède ou qui lui succède.
7. Cellule élémentaire selon l’une quelconque des revendications 4 à 6, dans laquelle tout ou une partie du conduit de la première couche a sensiblement la forme d’un prisme, de préférence le prisme étant un parallélépipède, un cube, un cylindre, un cône ou un prisme hexagonal.
8. Cellule élémentaire selon l’une quelconque des revendications 4 à 6, dans laquelle tout ou une partie de la cavité de la deuxième couche a sensiblement la forme symétriques ou régulière d’un cuboïde, un cylindre, un cône ou un prisme hexagonal, un parallélépipède, un cube ou un cylindre.
9. Cellule élémentaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la deuxième ouverture d’entrée d’au moins une des cavités de la deuxième couche comprend en outre une extension qui s’étend dans le conduit de la première couche, de préférence l’extension étant droite ou repliée dans le conduit de la première couche.
10. Cellule élémentaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le matériau de la première couche et/ou le matériau de la deuxième couche est du type sélectionné parmi :
- un matériau rigide ;
- un matériau mou ;
- un matériau plein, de préférence sélectionné parmi un métal, un alliage, une céramique, une terre cuite, l’argile, le béton, une plaque de pierre naturelle ou artificielle, le plastique, le verre et un textile aggloméré ;
- un matériau structuré de préférence sélectionné parmi les essences naturelles de bois et les bois dérivés ;
- un matériau expansé, de préférence sélectionné parmi une pierre, une argile, un liège une matière plastique, un caoutchouc naturel, un caoutchouc synthétique et une résine ;
- un matériau extradé de préférence sélectionné parmi un métal un les alliage et un polymère ;
- un matériau malléable, de préférence sélectionné parmi un métal, un plastique, un bois naturel, un caoutchouc naturel, un caoutchouc synthétique, du papier, du carton ; - un matériau sensiblement non-absorbant acoustiquement ; et/ou
- un matériau inerte.
11. Cellule élémentaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la première couche est en contact contre la deuxième couche.
12. Panneau acoustique comprenant au moins une cellule élémentaire selon l’une quelconque des revendications 1 à 11.
13. Panneau acoustique selon la revendication 12, lequel est plat ou incurvé.
14. Plaque acoustique comprenant au moins un panneau acoustique selon la revendication 13, la plaque étant apte à être fixée sur une surface à insonoriser, de préférence un mur et/ou un plafond, de préférence la plaque est plate ou incurvée.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018047153A1 (fr) * 2016-09-12 2018-03-15 Acoustic Metamaterials Group Limited Absorbeur de bruit en métamatériau acoustique
US20190063318A1 (en) * 2017-08-29 2019-02-28 Mra Systems, Llc. Acoustic liner having internal structure
US20190185171A1 (en) * 2017-12-15 2019-06-20 The Boeing Company Wave-Shaped Acoustic Insert and Core
US20200173362A1 (en) * 2017-07-25 2020-06-04 Safran Aircraft Engines Acoustic panel and associated propulsion unit
CN114044013A (zh) * 2021-11-24 2022-02-15 中车南京浦镇车辆有限公司 一种局域共振系统及减震降噪车体型材板件

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018047153A1 (fr) * 2016-09-12 2018-03-15 Acoustic Metamaterials Group Limited Absorbeur de bruit en métamatériau acoustique
US20200173362A1 (en) * 2017-07-25 2020-06-04 Safran Aircraft Engines Acoustic panel and associated propulsion unit
US20190063318A1 (en) * 2017-08-29 2019-02-28 Mra Systems, Llc. Acoustic liner having internal structure
US20190185171A1 (en) * 2017-12-15 2019-06-20 The Boeing Company Wave-Shaped Acoustic Insert and Core
CN114044013A (zh) * 2021-11-24 2022-02-15 中车南京浦镇车辆有限公司 一种局域共振系统及减震降噪车体型材板件

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