Brevet FR2644112A1 — publié le 19900914

VITRAGE DE PROTECTION ACOUSTIQUE POUR VEHICULE L'invention concerne un vitrage pour véhicule - et particulièrement pour véhicule automobile - possédant des performances d'isolation acoustique améliorées et spécia- lement par rapport aux bruits d'origine aérodynamique. Parmi toutes les qualités concourant au confort dans les moyens de transport modernes comme les trains et les automobiles, le silence devient déterminant. En effet, les autres sources de désagrément d'origine mécanique, thermi- que, de visibilité, etc... ont été peu à peu maîtrisées. Mais, l'amélioration du confort acoustique présente de nouvelles difficultés, les bruits eux-mêmes comme les bruits du moteur, bruits de roulement ou de suspension ont déjà été traités à leur origine ou au cours de leur propa- gation, soit aérienne (revêtements absorbants en particu- lier) ou dans les solides (pièces de liaison en élastomère par exemple). Les bruits aérodynamiques, c'est-à-dire crées par le frottement de l'air sur le véhicule en déplacement ont pu, au moins en partie, être eux-mêmes traités à leur source, c'est-à-dire que, pour économiser l'énergie, les formes ont été modifiées, on a amélioré la pénétration dans l'air et diminué les turbulences qui sont elles-mêmes sources de bruit. Cependant, aussi bien dans la conception des voitures des trains modernes rapides que dans celle des automobiles, ce qui pouvait être fait pour traiter les sources de bruits aérodynamiques l'a été et ce qui subsiste est irréductible, soit que les bruits soient ceux d'un écoulement laminaire parfait soit que la réduction des turbulences qui sub- sistent nécessite des mesures disproportionnées et dont le coût serait incompatible avec la rentabilité du projet étudié. Parmi les parois du véhicule qui séparent la source de bruit aérodynamique extérieure de l'espace intérieur o se trouve le passager, les vitrages sont évidemment les plus difficiles à traiter. On ne peut utiliser les absorbants pâteux ou fibreux réservés aux parois opaques et pour des raisons pratiques ou de poids, les épaisseurs ne peuvent être augmentées inconsidérément. L'invention propose des vitrages qui réalisent une bonne isolation contre les bruits d'origine aérodynamique sans que leur poids et/ou leurs épaisseurs soient trop augmentés. Les vitrages selon l'invention ont un indice d'affai- blissement acoustique qui ne se différencie pour aucune des fréquences supérieures à 800 hertz, de plus de 5 décibels d'un indice de référence décroissant de 9 dB par octave entre 800 et 2000 hertz et de 3 dB par octave au-dessus de 2000 hertz. Un des moyens de réaliser un tel vitrage consiste à employer deux verres monolithiques séparés par une lame d'air et dont les épaisseurs diffèrent l'une de l'autre de plus de 20 %. C'est le cas pour des verres d'épaisseurs respectives 2,6 et 3,2 mm par exemple ou, autre exemple, pour des verres d'épaisseurs 3,2 et 3,9 mm. Dans une variante, on propose que la différence des épaisseurs atteigne 40 % et un moyen proposé pour atteindre cet objectif consiste à utiliser des verres d'épaisseurs respectives 2 et 3 mm environ par exemple. Les vitrages isolants précédents auront de préférence une lame d'air intercalaire de 3 mm environ par exemple. Une autre manière de réaliser un vitrage selon l'in- vention consiste à utiliser un vitrage feuilleté dont l'intercalaire ait un amortissement à la flexion à la fré- quence critique supérieur à 0,15. Les épaisseurs des deux verres pourront être identiques. Selon une variante, cette épaisseur commune sera de 2,2 mm. Une manière de réaliser l'amortissement souhaité consiste à utiliser comme intercalaire un composé com- portant d'une part une résine thermoplastique résultant de la copolymérisation de 80 à 98,5 % en poids de chlorure de vinyle et de 1 à 10 % de méthacrylate de glucydyle ainsi que de 0,5 à 10 % d'éthylène et, d'autre part de 10 à 40 % en poids d'un plastifiant. Les figures et la description de l'invention qui suivent permettront de comprendre quel était le problème technique à résoudre et comment on en est arrivé à proposer la solution selon l'invention. La figure 1 représente le spectre d'un bruit de route standard dans la partie des médiums et des aigus. Sur la figure 2 on a représenté le spectre d'un bruit mesuré à l'intérieur d'une automobile à vitesse moyenne. La figure 3 présente, elle, le spectre qu'on souhaite atteindre à l'intérieur d'une voiture à grande vitesse et la figure 4, l'indice d'affaiblissement acoustique selon l'invention qui permet de l'obtenir. La figure 5 présente une méthode permettant la déter- mination de l'amortissement à la fréquence critique des résines qui permettent de réaliser des vitrages feuilletés conformes à l'invention. Les figures 6 et 7 illustrent elles aussi cette mé- thode. Les bruits tel qu'ils sont perçus à l'intérieur des véhicules terrestres en mouvement à grande vitesse ont des origines multiples mais chacun selon son origine affecte une zone déterminée du spectre des fréquences acoustiques. D'une manière générale, dans une automobile, par exemple, les bruits d'origine mécanique, moteur, transmission en- gendrent des sons de fréquences basses et même, des infra-sons, les bruits d'origine aérodynamique, dus aux frottements du véhicule dans l'air affectant les fréquences les plus élevées. Lorsqu'on veut étudier de tels bruits à leur source, à proximité immédiate et à l'extérieur de la paroi d'un vé- hicule en mouvement, on doit affronter des difficultés ex- périmentales extrêmes dues aux frottements des microphones dans l'air, il faut donc utiliser des moyens indirects tels que par exemple la méthode dite de "la double pesée". Elle consiste à faire successivement deux mesures du bruit à l'intérieur du véhicule, la première avec le véhicule ar- rêté, la source de bruit étant à l'extérieur, parfaitement connue. Cette première mesure permet d'accéder aux carac- téristiques de l'affaiblissement acoustique de toute la carrosserie. La deuxième mesure se fait à la vitesse choi- sie et dans des conditions réelles. Elle permet grâce au calcul inverse de déterminer quel était précisément le spectre du bruit extérieur dont on a constaté l'effet à l'intérieur. Une telle méthode appliquée à une voiture confortable, c'est-à-dire dans laquelle les bruits autres que ceux d'origine aérodynamique ont été réduits au maximum, montre qu'à une vitesse de l'ordre de 130 Km/h, ce bruit aérody- namique extérieur est assez peu différent dans le domaine des aigus, d'un bruit de route normalisé tel qu'il est proposé habituellement. C'est ainsi en particulier que le bruit de route standard de la norme française NF-S 31051 est très voisin de ce bruit aérodynamique. On a représenté un tel bruit exprimé en dB(A), figure 1 (les très hautes fréquences y sont extrapolées). Les bruits d'origine aérodynamique étant dus essen- tiellement à l'écoulement de l'air sur les parois, on peut d'ailleurs s'attendre à ce que le spectre'des bruits aéro- dynamiques d'un wagon de chemin de fer soient peu diffé- rents de celui d'un véhicule automobile. Des vérifications ont montré que c'était bien le cas. Il en découle que les développements qui suivent concernent des vitrages destinés aussi bien aux voitures de chemin de fer qu'aux véhicules routiers. La notion de confort acoustique relève de l'appré- ciation individuelle de chacun. Les études faites sur le confort dans les véhicules roulant à grande vitesse mon- trent que le véhicule est considéré comme silencieux lors- que deux conditions sont remplies, d'une part, le niveau sonore moyen est bas, et d'autre part, la courbe repré- sentant te spectre est régulière, sans qu'aucune fréquence émerge de l'ensemble. C'est ainsi que BRYAN, par exemple (A 264411l tentative criterion for acceptable noise levels in passe- nger vehicles - JOURNAL OF SOUND AND VIBRATION 1977 - 48 (4) p. 525) présente un spectre de bruit mesuré dans un véhicule roulant à 100 Km/h et considéré par les usagers comme silencieux. La figure 2 reproduit le spectre en question exprimé en dB(A). Pour réaliser des conditions de confort acoustique à vitesse élevée, la demanderesse s'est donc fixé un objectif qui tienne compte des observations précédentes. Il est en effet apparu que si l'on réussissait à obtenir à l'inté- rieur d'un véhicule roulant à grande vitesse, un spectre de bruit de même nature que celui considéré comme donnant une impression de silence dans un véhicule à vitesse moyenne, le confort acoustique serait assuré. La figure 3 présente l'objectif à atteindre exprimé en dB(A). C'est le spectre du bruit qu'on désire obtenir à l'intérieur d'un véhicule roulant à vitesse élevée c'est-à-dire pour lequel le bruit extérieur aurait un spectre comparable à celui de la figure 1. La demanderesse a trouvé que le vitrage d'un véhicule respectant ces conditions devait avoir un indice d'affai- blissement acoustique dont la courbe représentative s'écarte le moins possible de la courbe reproduite figure 4. Celle-ci se caractérise par une pente de 9 décibels par octave de 800 à 2000 hertz et de 3 décibels par octave de 2000 à 10000 hertz. Le niveau de la courbe (36 dB à 1600 hertz sur la figure 4) est beaucoup moins important pour le confort subjectif des passagers que son allure, c'est-à- dire, ses deux pentes successives et surtout, sa régularité qui garantit l'absence d'émergence de fréquences isolées. Une courbe globalement décalée parallèlement à elle-même vers le bas serait moins satisfaisante mais serait conforme à l'invention et donnerait néanmoins une bonne impression de confort. De même une courbe décalée vers les isolements supérieurs améliorerait le confort sans sortir du cadre de l'invention. Parmi les vitrages susceptibles de répondre au critère précédent on trouve les verres simples, les vitrages iso- lants ou les vitrages feuilletés. TABLEAU I IFréquencel Indice d'affaiblissement acoustique (dB) (Hz) 0 1 | 2 3 4 5 6 7 ___ __I I ll l l l l l I I I I I I! I i I 800 1 27 31 133 132 1 32 1 32 27 127 1000 30 35 36 1 35 1 36 1 36 30 31 1250 i33 136 137 136 136 136 31 1 33 1600 I 36 I 35 j 38! 36 I 37 I 37 1 34 1 35,5 2000 I 39 I-33 j 39! 36 1 38 137,5 1 38 I 38,5 2500 I 40 132 139 135 I 39- 1 38 1 41 I 40,5 X 3150 I 41 I 33 1 39 I 35 I 39 137,5 40 I 39 I 4000 i 42 I 35 I 38 I 35 I 40 138,5 1 39 I 37,5 5000 143.1 38 136 138 139 139 42 1 40 6300 144 140 138 141 141 1 431 42 [ 8000 I 45 I 45 I 41 i 44 i 43 I 44 1 43! 44t,5 t 10000 J 46 J 47 45 I 49 I 47 1 48 1 46 I 47,5[ I__ _ __ 1__I _ ____ Le tableau I présente les indices d'affaiblissement acoustique pour différents types de vitrages. Ce sont dans l'ordre: n O: l'affaiblissement acoustique de l'invention, à 9 dB puis 3 dB par octave, n 1: plaque de verre (éventuellement trempé) de 5 mm d'épaisseur n 2:verre feuilleté 2,2 - 1,5 - 2,6 avec résine polyuréthane n 3:verre feuilleté 2,2 - 0,76 - 2,2 avec PVB à 250C n 4:verre feuilleté 2,2 - 0,76 - 2,2 avec PVB à oC n 5:verre feuilleté 2,2 - 1,1 - 2,2 avec résine PVC spéciale n 6:vitrage isolant 2,0 (3) 3,2 et n 7:vitrage isolant 2,6 (3) 3,2 (les chiffres précédents correspondent aux épaisseurs en millimètres, ces épaisseurs sont données à titre d'exemple, elles pourraient être sensiblement modifiées sans qu'on sorte du cadre de l'invention. Cette remarque s'applique aux vitrages 4, 5, 6 et 7). Les mesures de ces indices d'affaiblissement acous- tique ont été réalisées selon la norme ISO-140 dans une installation conforme à ladite norme sur des échantillons de dimensions 80 x 50 cm. L'échantillon de verre simple silico-sodo-calcique de mm d'épaisseur avait subi une trempe thermique tradi- tionnelle. Les échantillons 3 et 4 étaient des vitrages feuille- tés à base de polyvinylbutyral (PVB) l'épaisseur du film était de 0,76 mm. Pour faire varier les performances acoustiques, en particulier "l'amortissement à la flexion à la fréquence critique" qui sera défini plus loin, on a mo- difié la température de l'échantillon au moment de la me- sure. De même, les échantillons 2 et 5 sont des verres feuilletés dont l'intercalaire est de nature différente pour obtenir des propriétés acoustiques différentes. L'in- tercalaire de l'échantillon n0 2 est un polyuréthane ther- moplastique d'une épaisseur de 1,5 nmm du type MORTHANE PE 192 fourni par la Société MORTON THIOKOL. Quant à l'échan- tillon no 5, son intercalaire est un film à base de polychlorure de vinyle (PVC) modifié tel qu'il est décrit dans le brevet US 4 382 996. Il s'agit d'un composé com- portant d'une part une résine thermoplastique résultant de la copolymérisation de 80 à 98,5 % en poids de chlorure de vinyle et de 1 à 10 % de méthacrylate de glucydyle ainsi que de 0,5 à 10 % d'éthylène et, d'autre part de 10 à 40 % en poids d'un plastifiant. Son épaisseur est de 1,15 mm. Les échantillons 6 et 7 quant à eux sont des vitrages isolants traditionnels, seules leur lame d'air est réduite à 3 mm pour des raisons d'encombrement et leurs épaisseurs choisies pour des raisons acoustiques. Les résines utilisées comme intercalaires ont été choisies pour leurs amortissements différents. On va main- tenant décrire, en référence à la figure 5, la méthode qui permet de faire le choix d'une résine utilisable dans le cadre de l'invention. On sait que l'énergie acquise par un objet soumis à un choc engendre un phénomène de vibration et qu'aussitôt après le choc, l'objet redevenu libre vibre suivant son mode propre. A chaque mode est associée une fréquence de vibration. L'amplitude de la vibration dépend de l'excita- tion initiale, c'est-à-dire de la composante spectrale du choc (amplitude du choc à la fréquence étudiée) et de la zone d'impact du choc, la déformation normale étant plus ou moins importante selon que le choc se produit à un ventre ou à un noeud de vibration. Pour qu'un mode propre soit excité, il faut: (1) que la déformation provoquée au point d'impact ne se situe pas sur un noeud de vibration du mode, (2) que le spectre d'énergie de choc ait une compo- sante à la fréquence de résonance du mode. Cette dernière condition est également remplie et, pour un barreau libre à ses extrémités, par exemple, il suffit de taper à l'une des extrémités pour exciter tous les modes. En réalité, on n'arrive à mesurer que les dix premiers modes, au maximum. L'énergie vibratoire acquise par un choc se dissipe au cours du temps et ce d'autant plus rapidement que le matériau est plus amorti. Pour un matériau donné, les modes se dissipent d'au- tant plus vite que la fréquence de résonance associée est plus élevée, de sorte qu'au bout d'un certain temps, et pendant une certaine durée, seul le premier mode subsiste. Le principe de la mesure consiste donc à effectuer l'analyse des fréquences de vibration d'un barreau soumis à un choc et à repérer la position des fréquences de réso- nance (fréquences pour lesquelles l'amplitude de vibration est nettement plus importante que dans le reste du spec- tre). Pour effectuer la mesure (figure 5), on utilise suc- cessivement des barreaux 20 de 9 cm de longueur et de 3 cm de largeur, d'abord en un verre de 4 mm d'épaisseur, puis en un verre feuilleté 4-X-4, dans lequel des feuilles de verre de 4 millimètres d'épaisseur sont assemblées par une couche de X millimètres d'épaisseur de la résine à tester. Le barreau 20 repose sur deux supports de mousse 21, placés sensiblement aux noeuds de vibration du premier mode (mode fondamental) de flexion dynamique du barreau. Celui-ci est excité par un choc exercé en frappant l'une de ses extrémités libres par un petit objet 22, tel qu'une règle. La réponse transitoire du barreau à cette excitation est recueillie par un microphone 23, disposé sur un support 24, très près de la surface du barreau 20, au milieu de celui-ci (ventre de pression). Le signal temporel recueilli par le microphone 23 est amplifié par l'amplificateur 25, puis analysé en fréquence par un analyseur Fourier 26. On procède en général à une dizaine d'essais pour un même barreau 20, afin de réduire l'influence des bruits extérieurs. Comme on le voit sur les figures 6 et 7, les courbes obtenues, gui représentent l'amplitude A des vibrations en fonction de la fréquence de celles-ci, respectivement pour un barreau de verre monolithique et pour un barreau de verre feuilleté comprenant une résine à tester dans le ca- dre de la présente invention, permettent de déceler avec précision la fréquence de résonance du mode fondamental de vibration de flexion (fréquence critique). Dans les exem- ples représentés, la fréquence critique du barreau de verre feuilleté est de 2472 Hz. Le test qui vient d'être décrit et qui est d'une grande simplicité de mise en oeuvre permet de déterminer l'amortissement à la flexion V du barreau 20, que l'on dé- finit comme le rapport A f /fc o Af représente la différence des fréquences correspondant à une amplitude égale à celle de la fréquence critique fc' divisée par g. Les résultats des mesures d'indice d'affaiblissement acoustique figurant sur le tableau I permettent de calculer pour chaque fréquence la différence positive ou négative entre l'indice de référence (colonne O) et l'indice d'un produit donné (ne 1 à 7). Pour chaque vitrage on calcule ensuite la différence des valeurs extrêmes de ces différences calculées à chaque fréquence. Ainsi par exemple pour le vitrage n 1, la plus grande valeur positive se présente pour 1000 Hz, elle est de + 5. La plus petite valeur négative, à 2500 comme à 3150 Hz est de - 8, la différence des extrêmes sera donc 5-(-8) = 13 et l'écart correspondant par rapport à l'indice de référence est donc ici de 6,5 dB. Il est possible en effet de décaler la courbe de référence pour que les écarts positifs et né- gatifs aient la même valeur absolue, ici 6,5 dB. On voit ainsi que lorsqu'on parle d'une "différence des extrêmes" qui a la valeur E pour un vitrage donné, celà signifie que l'indice d'affaiblissement acoustique du vitrage en ques- tion ne se différencie pour aucune fréquence de plus de E/2 décibels de l'indice de référence. Pour chaque vitrage, on a également calculé la moyenne des différences en question. Par ailleurs, dans chaque cas, on a calculé l'écart- type a, de toutes ces différences. Cette valeur est très intéressante car elle rend compte de l'émergence de cer- taines fréquences dans le spectre de bruit tel qu'il est perçu dans le véhicule en mouvement. Lorsque le spectre est régulier, l'écart-type reste faible, au contraire si ce spectre est très perturbé, a augmente. t Différence Moyenne Ecart-type Amortis- | des des des [ sement Extrêmes différences t différences | | E(dB) (dB) (dB) () i0 i I _______ I { %)__ I I i I I I il 1 3 -2,2 | 4,6 I - I 121 -13 1 -0,6 1 4,2 I 12! 13 I 13 1 -1,2 1 4,2! 16. 14 I 10 1 -0,1 I 3,0 I 19 I 1 10 1 -0,1 X 3,3 I 20 I 16 1 4 1 -1,o 1 1,1! - 17 1 5,5 1 -0,6 -i 1,7 [ - I _I I I I Le tableau présente les résultats pour les sept exem- ples considérés. On a également fait figurer les amortis- sements mesurés sur les résines mises en oeuvre dans les feuilletés 2, 3, 4 ou 5. Ces résultats montrent d'une part, le très bon com- portement des vitrages isolants, ils s'écartent peu de la courbe-cible (moyenne des différences 1,0 et - 0,6 dB respectivement) mais surtout, l'écart-type de leurs diffé- rences est remarquablement faible (respectivement 1,1 et 1,7 dB). Les deux exemples cités (vitrages 6 et 7) ne sont pas limitatifs, on a noté également le bon comportement d'autres combinaisons conmme par exemple 3,2 et 3,9 mm. Le vitrage monolithique de 5 mm se montre médiocre. Avec les vitrages feuilletés on note surtout l'in- fluence déterminante de l'amortissement sur l'écart-type des différences, c'est-à-dire, en réalité sur la dispersion de ces différences, donc sur l'émergence de fréquences gê- nantes dans le spectre de bruit résultant. La résine de polyuréthane thermoplastique, vitrage n 2, avec un amor- tissement V de 12 % fournit des différences des extrêmes E et un écart-type a élevés (respectivement 13 dB-et 4,2 dB). En revanche, avec une même résine, le polyvinylbutyral, en variant seulement la température, qui passe de 25 C (vi- trage n' 3) à 350C (vitrage n 4) on constate une amélio- ration de 28 % du a. Cette amélioration est due uniquement à la variation de l'amortissement à la fréquence de coïn- cidence qui passe de 16 à 19 % lorsque la température du PVB s'élève. Dans la pratique, cependant, il est nécessaire de disposer d'un produit qui garde ses propriétés dans une gamme de températures importante. Le PVC modifié du feuilleté n 5 montre des propriétés d'amortissement élevées (20 %) dans une gamme de tempéra- ture très large, il donne donc une réponse très satisfai- sante au problème de la protection acoustique d'un véhicule contre les bruits aérodynamiques. Par ailleurs, l'utilisation généralisée de vitrages feuilletés sur un véhicule présente des avantages supplé- mentaires évidents: sur les voitures de chemin de fer, il 2644'112 supprime le risque de projection de fragments en cas de casse brutale comme ce serait le cas avec un verre trempé et, sur une automobile, il est retardateur d'effraction, c'est-à-dire que quelqu'un qui voudrait pénétrer par ef- fraction dans un véhicule en stationnement pour effectuer un vol aurait besoin d'un temps nettement plus long dans le cas o tous les vitrages sont feuilletés. On voit ainsi que l'invention propose une solution générale au problème de l'isolement acoustique aux bruits aérodynamiques d'un véhicule terrestre à grande vitesse. Cette solution se concrétisant dans deux types de vitrages adaptés, l'un qui appartient à la famille des vitrages à isolation thermique améliorée: vitrage isolant à lame d'air, l'autre à celle des vitrages retardateurs d'effrac- tion: vitrage feuilleté à intercalaire plastique. REVENDICATIONS 1. Vitrage de protection acoustique pour véhicule caractérisé en ce qu'il est constitué par l'association de deux feuilles de verre avec une lame d'air ou un film plastique intercalaires et en ce que, pour les fréquences supérieures à 800 hertz, son indice d'affaiblissement acoustique ne se différencie pour aucune fréquence, de plus de 5 décibels d'un indice de référence diminuant de 9 dB par octave jusqu'à 2000 Hz et de 3 dB par octave aux fré- quences supérieures. 2. Vitrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écart-type o des différences de son indice d'affai- blissement acoustique par rapport à l'indice de référence reste inférieur à 4 dB. 3. Vitrage selon la revendication 1 ou la revendica- tion 2, caractérisé en ce qu'il comporte deux verres mono- lithiques dont l'épaisseur diffère de plus de 20 %, les deux verres étant séparés par une lame d'air. 4. Vitrage selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un vitrage isolant comportant un verre simple de 2,6 mm associé à un verre simple de 3,2 mm. 5. Vitrage selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un vitrage isolant comportant un verre simple de 3,2 mm associé à un verre simple de 3,9 mm. 6. Vitrage selon la revendication 1 ou la revendica- tion 2, caractérisé en ce qu'il comporte deux verres mono- lithiques dont l'épaisseur diffère d'au moins 40 %. 7. Vitrage selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un verre de 2 mm associé à un verre de 3 mm. 8. Vitrage selon l'une des revendications 3 à 7, ca- ractérisé en ce que la lame d'air a une épaisseur de 3 mm. 9. Vitrage selon la revendication 1 ou la revendica- tion 2, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un vitrage feuilleté dont la feuille plastique intercalaire possède un amortissement à la flexion supérieur à 0,15. 10. Vitrage selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'épaisseur des deux verres est identique et égale à 2,2 mm. 11. Vitrage -selon la revendication 9, caractérisé en ce que la feuille intercalaire est à base d'un composé comportant d'une part une résine thermoplastique résultant de la copolymérisation de 80 à 98,5 % en poids de chlorure de vinyle et de 1 à 10 % de méthacrylate de glucydyle ainsi que de 0,5 à 10 % d'éthylène et, d'autre part de 10 à 40 % en poids d'un plastifiant.