Brevet FR2589950A1 — publié le 19870515

2589950- -1 AMORTISSEUR ACOUSTIQUE ANTI-BRUIT, NOTAMMENT POUR SOUPAPE DE DECHARGE La présente invention concerne un amortisseur acoustique ou silencieux qui peut être utilisé pour réduire de façon satisfaisante le bruit, notamment le bruit produit par des soupapes de décharge. La régulation de machines, dispositifs et récipients sollicitée par des fluides gazeux, en premier lieu par de l'air comprimé, est assurée par des soupapes de sûreté ou de décharge. La régulation est réalisée de telle sorte que, en cas de surpression, une quantité d'air convenable est déchargee dans. l'atmosphére pendant une courte période à partir du conduit de pression ou bien à partir du réservoir de la machine ou du dispositif, C'est ce que l'on appelle en pratique une dépressurisation. L'air qui traverse la soupape et qui subit une accélé- ration produit un bruit déterminé sous l'effet des forces non station- naires engendrées par suite de son contact avec des matières solides. Cela dure jusqu'à ce que la pression dans le conduit ou le réservoir soit réduite à la valeur désirée et que la soupape de décharge se ferme. Le bruit est également la conséquence de la conversion de l'énergie pneumatique se produisant dans un temps assez court et il présente une large bande de fréquence et un haut niveau. Le bruit est engendré en premier lieu par la turbulence et le spectre de bruit est également déterminé par la turbulence. Le bruit engendré par la turbulence commen- ce à se manifester à 500 Hz et il augmente rapidement à mesure que la fréquence croit. Simultanément, il apparaît également un spectre de bruit de plus basse fréquence, qui se situe également dans l'envi- ronnement acoustique de la soupape de décharge. La crête de ce spectre de bruit se produit généralement pour la fréquence fondamentale de résonance du volume fermé o se produit la décharge et elle diminue à mesure que la fréquence croit. Les deux spectres fondamentaux se rejoi- gnent dans la plage des fréquences moyennes, o le bruit de la décharge est minimal. 2^ 2589950 Le bruit des soupapes de décharge doit être réduit en vue de diminuer les perturbations de l'environnement par le bruit et c'est pourquoi, par exemple, des soupapes de décharge des systèmes de freinage pneumatiques de véhicules ainsi que des soupapes de décharge prévues dans des systèmes pneumatiques d'atelier sont pourvues d'amortisseurs acoustiques appelés couramment "silencieux". Il est connu, dans des soupapes de décharge de systèmes pneumati- ques, d'utiliser des silencieux en bronze fritté, o une partie de l'énergie acoustique de l'air s'écoulant pendant la décharge est conver- tie en chaleur par le frottement. Ces silencieux amortissent les bruits de hautes fréquences mais ils ne sont pratiquement pas efficaces pour des bruits de fréquences assez basses. Leur dimension, et par conséquent proportionnellement leur poids et leur coût, dépendent de la quantité d'air à décharger par unité de temps. Généralement, ils ont la forme d'une enveloppe cylindrique de grand encombrement ce qui doit être pris en considération -en même temps que leur possibilité de montage- lors de la conception de systèmes pneumatiques. La présente invention a pour but de créer un silencieux pour soupapes de décharge, dont la structure soit plus simple, la construc- tion moins coOteuse et les caractéristiques d'atténuation de bruit meilleures que ce que l'on obtient dans les réalisations connues. Pour atteindre l'objectif défini ci-dessus, il s'est avéré avantageux d'uti- liser des mousses de matière plastique, dont la propriété d'absorption de bruit est bien connue, et qui sont utilisables pour réduire le bruit dans des volumes fermées ou bien dans des canaux de passage d'air à faible vitesse tout en étant élastiquement déformables à un degré extraordinairement grand. L'objectif défini ci-dessus a été atteint par le fait que le corps en mousse de matière plastique est pourvu extérieurement d'une couche déformable assurant l'amortissement des bruits mais cependant perméable & l'air, ainsi que d'un raccord d'admission de fluide, adapté acousti- quement à ladite couche, de sorte que les bruits de haute fréquence aussi bien que de basse fréquence sont amortis efficacement avec un silencieux constitué a partir de ce système acoustique. L'objet de l'invention concerne également un silencieux pour dispositifs déchargeant des fluides gazeux, notamment des soupapes de décharge, ce silencieux comportant un corps en matière poreuse parcouru par le fluide déchargé, qui est élastiquement déformable et qui a une 3 2589950 structure à centre de symétrie -avantageusement de forme sphérique-, qui comporte un raccord central ajusté d'admission de fluide disposé coaxia- lement, pénétrant dans ce corps et pourvu d'une ouverture de sortie à effet d'amortissement acoustique, tandis que le corps en matière poreuse est enveloppé par une couche déformable, perméable à l'air, amortissant les sons et liée audit corps. Dans une forme avantageuse de réalisation de l'invention, le corps en matière poreuse est fabriqué en mousse de polyuréthane, dont le poids volumique est supérieur à 40 g/dm3, en étant de preference compris entre 64 et 85 g/dm3 et qui possède une aptitude de déformation élastique d'au moins 25%, tandis que la couche extérieure est formée d'un prépolymère de polyuréthane -le cas échéant, d'un polyester ou d'une laque à base de résine époxy-, la perméabilité à l'air de la matière poreuse du corps lié à la couche extérieure étant au maximum égale à la moitié de la perméabilité à l'air du corps en matière poreuse. L'expérience a montré que des échantillons dimensionnés en fonc- tion des impératifs acoustiques et contrôlés en pratique par des mesures présentent de bonnes propriétés d'amortissement des bruits lorsque les proportions dimensionnelles suivantes sont respectées pour un corps poreux de forme sphérique: Dk Ve Dk Dk > 2; Fa 1, > 10; Vo 2; l'ouverture acoustiquement caractéristique en-dessous des ouver- tures du raccord ajusté-; F: surface du canal d'entrée du raccord ajuste. e Dans le siège prévu dans le corps en matière poreuse, le diamètre intérieur du canal de passage de fluide du raccord d'admission, formé d'une matière plastique ayant un module d'Young minimal E = 5,6.109 N/m2, est choisi de telle sorte que, dans la plage de fréquences comprise entre 31-10 000 Hz, il soit plus petit que la moitié de la longueur de l'onde sonore se propageant dans le courant gazeux. Le raccord ajusté comporte une ouverture centrale de décharge de fluide disposée coaxia- lement à son canal d'admission de fluide et il est pourvu d'autres orifices de décharge de fluide faisant avec l'axe précité un angle d'environ 50 et ayant une section avantageusement égale ou inférieure à celle citée en premier. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure i est une vue en coupe longitudinale du silencieux conforme à l'invention; - la figure 2 représente un organe d'introduction de fluide, dans une vue prise dans la direction de son axe longitudi- nal; - la figure 3 représente une courbe caractéristique du bruit engendré par une soupape de décharge, avec et sans le silencieux conforme à l'invention; et - la figure 4 montre les différents composantes du bruit de la figure 3 amorti par le silencieux conforme à l'inven- tion. Un raccord ajusté 2 d'un silencieux 1 conforme à l'invention est pourvu d'un filetage 3 à l'aide duquel le raccord 2 peut être relié à une soupape pneumatique de décharge (non représentée). Un canal d'admis- sion de fluide 4 prévu dans le raccord 2 est agencé en vue de l'amortis- sement du bruit et comporte une paroi cylindrique lisse sur toute sa longueur jusqu'au niveau d'une partie de sortie 5. Le raccord 2 est fabriqué en "Danamid" ayant une propriété d'amortissement de bruit et son module d'Young dépasse la valeur E = 5,6.109 N/m2 considérée comme une limite inférieure. Le diamètre intérieur du canal d'admission de fluide 4 s'élève à 10 mm et est plus petit que la moitié de la longueur d'onde sonore progressant dans le courant de gaz et se situant dans une gamme de fréquences de 31-10 000 Hz. La partie de sortie 5 du raccord 2, pourvue d'orifices de sortie, est représentée en vue axiale sur la figure 2. Une ouverture centrale de sortie de fluide 6 et son canal court 7 sont disposés coaxialement au canal d'admission de fluide 4, la section de passage du canal court 7 étant plus petite que celle du canal d'admission 4. Les axes des autres orifices de sortie de fluide 8 et des canaux 9 font, avec l'axe du canal d'admission de fluide 4, un angle de , les orifices de sortie de fluide 8 étant placées dans des plans 10. La surface de section totale de l'ouverture centrale de sortie de fluide 6 et des orifices de sortie de fluide 8 n'est pas supérieure à la section de passage du canal d'admission de fluide 4. Sur une surface extérieure 11 du raccord 2 sont formés des épaule- ments 12 pour que le raccord 2 puisse être fixé correctement sur un siège 13 d'un corps sphérique, formé de mousse de polyuréthane 14 à structure à alvéoles ouverts, qui constitue le corps en matière poreuse, cette fixation étant réalisée par collage, dans l'exemple considéré. Le polyol utilisé pour la fabrication de la mousse de polyuréthane a un poids molaire de 6 000. Il est important que celui-ci ait un poids molaire supérieur à 3 000, que sa teneur en OH primaire soit supérieure à 20% et que le mélange soit constitué par du MDI et du TDI isotioniques mais on peut cependant utiliser l'un ou l'autre. Le volume de la mousse de polyuréthane s'élève à 75-85 g/dm3 -il est important que ce volume soit supérieur à 40 g/dm3- et sa flexibilité est supérieure à 25%. La perméabilité à l'air de la mousse de polyuréthane formant le corps sphérique 14 est la suivante, pour un échantillon de 50 x 50 x 25 mm découpé dans le sens de la largeur de 25 mm: pour une différence de pression de 0,2 mm d'eau: 2,0-3,0 1/min pour une différence de pression de 0,3 mm d'eau: 3,0-5,0 1/min 25. pour une différence de pression de 0,5 mm d'eau: 5,0-7,0 1/min Dans l'exemple considéré, le corps sphérique 14 en mousse de polyuréthane du raccord 2 a un diamètre de 70 mm et il établit, dans le cas d'une décharge par son canal d'admission 4, le débit d'air suivante: pour une différence de pression de 0,2 mm d'eau: 6,0- 8,0 1/min 30. pour une différence de pression de 0,3 mm d'eau: 8,5-11,0 1/min pour une différence de pression de 0,5 mm d'eau: 12,0-15,0 1/min Pour les résultats de mesure indiqués ci-dessus, le corps sphé- rique 14 en mousse de polyuréthane n'était pas encore pourvu d'une couche extérieure 15 perméable à l'air et assurant l'amortissement des bruits. Lors de l'immersion du corps sphérique 14 en mousse de polyuré- thane dans une solution d'un prépolymère de polyuréthane, il s'est formé un revêtement homogène sur la surface sphérique, qui constitue après durcissement une mince couche extérieure 15 présentant des propriétés de perméabilité à l'air mais également d'amortissement du bruit. Le silen- cieux 1 pourvu de la couche extérieure 15 présente la perméabilité à l'air suivante, lors d'une décharge par le canal d'admission 4: pour une différence de pression de 0,2 mm d'eau: 1,6 1/min 5. pour une différence de pression de 0,3 mm d'eau: 2,5 1/min pour une différence de pression de 0,5 mm d'eau: 3,6 1/min La perméabilité à l'air du corps sphérique 14 en mousse de polyu- réthane pourvu de la couche extérieure 15 est plus petite que la moitié, et notamment le quart en moyenne dans l'exemple considéré, de la per- méabilité à l'air du corps sphérique 14 en mousse de polyuréthane réalisé sans la couche extérieure 15. La perméabilité à l'air du silencieux 1 s'élève à 1 1/min, pour une pression égale ou supérieure à la valeur critique. Pour obtenir les propriétés d'amortissement de bruit les plus favorables, le silencieux 1 doit présenter les proportions dimension- nelles suivantes: D _ 7_ Ve 3,925 - - - = 7; e 179 0,02; Dk7 Dk k _ 7 = 2, 33; k = 7 = 1,4 p re o les symboles ont les significations suivantes: Dk diamètre extérieur du corps sphérique 14 en mousse de polyuréthane; D diamètre du canal d'admission de fluide 4; Ve volume du canal d'admission de fluide 4; Ve volume du canal d'admission de fluide 4; Vk volume du corps sphérique 14 en mousse de polyuréthane; Lp longueur du raccord 2 dans le siège 13 du corps sphérique 14 en mousse de polyuréthane, c'est-adire l'espacement entre la surface frontale 18 et l'épaulement 16; Le longueur du canal d'admission de fluide 4 du raccord 2, c'est-a- dire dans l'exemple considéré et avec la tolérance admise, l'espa- cement entre la surface frontale 18 et l'ouverture d'entrée 17. Sur la figure 3, est représentée une courbe (I) du bruit mesuré pour la soupape de décharge dans une condition de pression supérieure à la valeur critique tandis que la courbe (II) représente le bruit mesuré après réduction par le silencieux 1 et on voit que le degré de réduction I Z589950 du bruit est très important notamment dans les domaines inférieur à 250 Hz et supérieur à 2 kHz. Sur la figure 4, on a à nouveau indiqué la courbe (II) du bruit mesuré après réduction par le silencieux 1 et en outre ces composantes calculées (III-V). La composante (III) correspond à l'action calculée du raccord 2, la composante (IV) à l'action calculée du corps sphérique 14 en mousse de polyuréthane et la composante (V) met en évidence le bruit résultant amorti et calculé. Le bruit de choc calculé à amortir de la soupape de décharge est représenté par une composante (VI) et son bruit de turbulence calculé est représenté par une composante (VII). Le silencieux 1 fonctionne comme un système acoustique de la manière suivante: En ce qui concerne le bruit à amortir et se produisant lors de la décharge, le rapport entre les pressions d'air régnant en amont et en aval de la soupape de décharge constituent un facteur fondamental et l'air sort notamment de la soupape à la vitesse sonique déjà pour un rapport de pression de 1,89. De cette manière, il s'établit un écoule- ment amorti au travers de la soupape de décharge et cela signifie que l'écoulement pondéral atteint une valeur maximale. Pour cette valeur, il s'établit deux processus de génération de bruit. L'un d'eux concerne le mélangeage du gaz en turbulence sortant de la soupape de décharge avec l'air environnant, ce qui produit un bruit de turbulence (figure 1, composante (VIII), tandis que l'autre est le bruit de choc, qui se produit par suite de l'action alternée de la turbulence et de l'écoule- ment laminaire (figure 4, composante VI). Aussitôt que le fapport de pression n'a pas dépassé une valeur de 3, il est suffisant de prendre en considération seulement le bruit de turbulence mais, lorsque la valeur précitée augmente, le bruit de choc intervient également dans une proportion importante dans la génération du bruit. Pour que le silen- cieux 1 fonctionne correctement dans un large domaine de rapports de pressions, il doit amortir les effets des deux processus de génération de bruit. Dans le dernier cas, le silencieux 1 est également approprié pour l'amortissement acoustique de soupapes de décharge dans le cas de pressions inférieures à 3.105 Pa. La figure 3 montre la courbe I d'un bruit typique de décharge de soupapes de décharge et, en tenant compte de la génération du spectre calculée d'après la courbe I et concernant le bruit de choc (figure 4, composante VI) et du bruit de turbulence (figure 4, composante VII), on se rend compte clairement que le bruit de choc ne joue aucun rôle dans la formation du spectre fondamental du bruit de décharge, ce qui découle du rapport des pressions. Cela signifie que le spectre de bruit de la soupape de décharge est déterminé fondamentalement par le bruit de turbulence, ce qui est d'une part la conséquence des forces non station- naires, et d'autre part la conséquence du mélange avec l'air environ- nant. Pour obtenir un amortissement acoustique satisfaisant, on dispose à la suite de l'ouverture libre de la soupape de décharge un silen- cieux 1 formant un système acoustique fermé, à l'extrémité duquel il ne se produit aucun genre d'action de polarisation. Le gaz sortant de la soupape de décharge et le bruit produit dans cette zone sont transmis dans le canal d'admission de fluide 4 du raccord 2. Ce canal est uni- dimensionnel du point de vue acoustique ce qui signifie que, dans le domaine audible, ce canal n'exerce une action acoustique que dans sa direction longitudinale. Il se produit dans ce canal le mélange de l'écoulement turbulent dans une enceinte complètement fermée mais pour cette raison il n'y a pas contact avec l'air environnant se trouvant à l'extérieur. En outre, du fait que la voie de sortie 5 du raccord 2 est agencée de manière à exercer un effet d'amortissement de bruit, on a obtenu que l'énergie sonore pénétrant dans le corps sphérique 14 en mousse de polyuréthane soit exempte de tout bruit additionnel de canali- sation. Du fait que la voie de sortie 5 du raccord 2 présente, à cause des orifices de sortie de fluide 6, 8 et des canaux 7 et 9, une autre impédance que l'ouverture d'entrée 17, les ondes sonores se réfléchis- sent dans le canal d'admission de fluide 4, de sorte que qu'une quantité moindre d'énergie sonore est transmise à partir des orifices de sortie de fluide 6, 8. La zone suivante de réflexion est constituée, en vue d'une adaptation acoustique, par la matière poreuse délimitant les orifices de sortie de fluide 6, 8, c'est-a-dire que l'on obtient ce que l'on appelle une réflexion dans un trou qui est engendré par le corps sphérique 14 en mousse de polyuréthane. Dans le domaine des basses fréquences, la matière poreuse parti- cipe efficacement à l'amortissement des variations de la pression acoustique, c'est-a-dire qu'elle amortit le son. Dans le domaine des hautes fréquences, l'amortissement est assuré par l'inertie pondérale de la matière poreuse car les particules d'air parviennent dans les pores et perdent ici la majeure partie de leur énergie de déplacement. Le revêtement extérieur est étroitement associé au corps sphérique 14 en mousse de polyuréthane grâce à la consistance de la couche extérieu- re 15, de sorte qu'il est lié organiquement à la matière poreuse; ainsi le revêtement extérieur augmente par effet d'amortissement sonique la dissipation d'énergie de la matière poreuse sans que cet amortissement soit perturbé par l'élimination du gaz déchargé. La couche extérieure 15 protège le corps sphérique 14 en mousse de polyuréthane contre des encrassements extérieurs ou des mouillages qui pourraient influencer ces propriétés acoustiques. REVENDICATIONS 1.- Amortisseur acoustique pour réduire le bruit de dispositifs déchargeant des fluides gazeux, notamment des soupapes de décharge, qui comporte un corps en matière poreuse parcouru par un fluide, caractérisé en ce que le corps (14) en matière poreuse présente une structure élastiquement déformable, à symétrie circulaire -avantageusement en forme de sphère- et est pourvu d'un raccord ajusté d'admission de fluide (2), disposé coaxialement, pénétrant à l'intérieur du corps et comportant un ou plusieurs orifices de sortie (6, 8) agencés de manière à amortir le bruit et en ce que le corps en matière poreuse est entouré par une couche extérieure déformable et perméable à l'air (15) à laquel- le il est lié. 2.- Amortisseur acoustique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps (14) en matière poreuse est fabriqué en mousse de polyuréthane, dont le poids volumique est supérieur à 40 g/dm3, de préférence de 75-85 g/dm3, et à une aptitude de déformation élastique d'au moins 25%. 3.- Amortisseur acoustique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche extérieure (15) est formée d'un prépo- lymère de polyuréthane ou bien de polyester ou bien d'une laque de résine époxyde. 4.- Amortisseur acoustique selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que la perméabilité à l'air du corps (14) en matière poreuse lié à la couche extérieure (15) est au maximum-égale a la moitié de la perméabilité à l'air du corps (14) en matière poreuse. 5.- Amortisseur acoustique selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce qu'il présente, dans le cas d'un corps en matière poreuse (14) de forme sphérique, les proportions dimensionnelles suivantes: Dk Ve Dk Dk Fa k > 10; y 3,5; L- > 2; F:surface de l'ouverture de sortie de fluide du raccord (2) (c'est- a à-dire l'ouverture acoustiquement caractéristique au-dessous des ouvertures du raccord (2); F: surface du canal d'admission de fluide (4) du raccord (2). e 6.- Amortisseur acoustique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le raccord (2) formé de matière plastique est collé dans un siège (13) du corps (14) en matière poreuse et comporte un orifice central de sortie de fluide (6) disposé coaxialement au canal d'admis- sion de fluide (4) du raccord (2), ainsi que d'autres orifices de sortie de fluide (8) faisant un angle d'environ 50 avec l'axe précité et d'une section avantageusement égale ou inférieure à celle de l'orifice de sortie de fluide (6) cité en premier.