Brevet FR2685528A1 — publié le 19930625

DISPOSITIF D'ABSORPTION ACOUSTIQUE. NOTAMMENT POUR BASSE FRéQUENCE POUVANT ETRE IMMERGE La présente invention se rapporte aux dispositifs acoustiques qui permettent d'absorber les ondes acoustiques, plus particulièrement celles en basse fréquence, et qui peuvent être immergés, en particulier pour absorber les ondes sonores se propageant dans le milieu marin. En acoustique sous-marine, on utilise des sonars actifs qui permettent de détecter des objets immergés par réflexion d'une onde acoustique émise par le sonar et renvoyée par l'objet à détecter. A l'inverse on cherche souvent à empêcher une telle détection en absorbant l'onde acoustique pour qu'elle ne se réfléchisse pas vers le sonar. Pour cela on utilise des revêtements divers, dits anéchoïques. Cet anéchoisme n'est nécessaire bien entendu que pour les fréquences remises par les sonars. Or pour obtenir des portées de détection suffisamment grandes, on utilise dans les sonars des fréquences de l'ordre de quelques centaines de hertz à quelques Khz, dont l'absorption en fonction de la distance est suffisamment faible. Ces ondes acoustiques se situent donc dans le domaine des ondes sonores. Un bon revêtement anécholque devrait donc pouvoir absorber les ondes acoustiques dans une bande de fréquence suffisamment large pour couvrir celle d'émission des sonars actifs, et il devrait aussi présenter une épaisseur suffisamment faible pour ne pas perturber les autres caractéristiques, par exemple hydrodynamiques, du dispositif, un véhicule sous-marin par exemple, qu'il recouvre. A titre d'exemple, un tel revêtement anéchoïque devrait pouvoir absorber de manière efficace les ondes acoustiques sur une bande de fréquence s'étendant sur au moins un octave et ne pas dépasser une épaisseur d'une dizaine de centimètres. En outre, comme l'objet recouvert peut atteindre des immersions importantes, il est nécessaire que le revêtement supporte les contraintes dues à cette immersion, c'est-à-dire, d une part ne pas être détruit ni présenter une variation de performance irréversible pour une pression dite d'épreuve, et d'autre part présenter une variation relativement faible en fonction de l'immersion à laquelle il est soumis, de ses caractéristiques d'absorption. I1 est connu d'obtenir un matériau anéchoïque en fabriquant celui-ci de telle manière que son impédance soit adaptée à celle du milieu de propagation, l'eau de mer en général. En effet, dans ce cas le coefficient de réflexion à l'interface milieu de propagation/revêtement est minimal. Les matériaux anéchoïques classiques de ce type sont généralement constitués d'une matrice présentant de fortes pertes mécaniques, formée d'un polyuréthanne par exemple, dans laquelle sont dispersées des inclusions de différents types telles que des poudres de métaux lourds ou des billes de matière plastique creuses. Les matériaux composites de ce genre permettent, lorsqu'ils présentent une épaisseur de l'ordre de 50 mm, d'obtenir des réductions d'échos importantes, supérieures ou égales à - 20 dB, pour des fréquences supérieures à 50 kHz. Ces caractéristiques intrinsèques d'absorption sont toutefois d'autant meilleures que la fréquence à absorber est plus élevée. Pour les fréquences plus basses, par exemple comprises entre 20 et 50 kHz, il faut une épaisseur beaucoup plus importante et difficilement admissible pour obtenir avec de tels matériaux une absorption suffisante. Si on n 'augmente pas suffisamment l'épaisseur du matériau, les performances sont alors sérieusement dégradées. Pour pouvoir alors absorber des fréquences encore plus basses, par exemple entre 5 et 20 kHz, on a imaginé des systèmes dits "à conversion de mode". Dans ces systèmes l'onde de compression correspondant à l'arrivée de l'onde acoustique est convertie en onde de cisaillement. Celle-ci est absorbée dans le matériau qui assure dans une bande de fréquences déterminée une absorption suffisante pour des épaisseurs raisonnables inférieures à 100 ml, donc tout à fait acceptables. Un dispositif de ce type est décrit dans le brevet français 2 622 333 déposé par la demanderesse le 27 octobre lu87. Ce dispositif permet d'obtenir par exemple une atténuation de - 10 dB dans une bande de fréquences comprise entre 3 et 8 kHz. Toutefois ce système, comme tous les autres connus, est un système résonnant à structure périodique, qui doit être optimisé pour obtenir un compromis entre les performances recherchées telles que le niveau d'absorption, la gamme de fréquence efficace, et la tenue en pression... Dans ces conditions, et justement parce que ce système est par principe résonnant, l'atténuation obtenue n'est pas constante avec la fréquence. Il en est de même pour un autre dispositif, dit "en nids d'abeilles", décrit dans la demande de brevet français 2 656 718 déposé par la demanderesse le 28 décembre 1989 et où l'énergie est dissipée par frottement visqueux dans un matériau disposé dans des alvéoles. En outre dans ces systèmes résonnants la complexité des structures à obtenir conduit à des coûts de fabrication relativement importants, qui empêchent souvent de passer à un stade vraiment industriel. Pour pallier ces inconvénients l'invention propose de sacrifier une partie des caractéristiques d'atténuation, c'est-à-dire d'obtenir seulement un anéchoïsme partiel par exemple de l'ordre de - 6 dB, pour priviligier les caractéristiques permettant d'obtenir un dispositif tel que défini dans la revendication 1 et se comportant vraiment comme un revêtement, c'est-à-dire ayant une épaisseur faible, une simplicité de fabrication et de mise en place et donc un coût réduit. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent - la figure 1, une vue en coupe d'un dispositif selon l'invention; - la figure 2, une vue en coupe d'un détail de la figure 1 - les figures 3 à 5, des graphiques de caractéristiques de ce dispositif; et - la figure 6, une vue en perspective du dispositif de la figure 1. La structure du dispositif selon l'invention, dont une coupe est représentée schématiquement sur la figure 1, est, sinon non résonnante, tout au moins peu résonnante. Ceci est obtenu en minimisant l'effet de masse et en assurant la conversion de mode grâce à un effet de poinçonnement exercé par des surfaces dures arrondies sur un matériau formant une matrice à fortes pertes, présentant donc une tg iS élevée et dont le module de Young est adapté à cet effet de poinçonnement. Ce dispositif comprend une couche 101 d'un matériau, ou matrice, viscoélastique, formé par exemple d'un polyuréthanne, et qui est destiné à recouvrir le corps à protéger contre la détection. Un ensemble de poinçons 102 vient s'appuyer sur la couche 101, du côté où arrive tonde acoustique. Ces poinçons peuvent revêtir des formes relativement variées, étant entendu qu'ils présentent du côté de l'onde acoustique une surface sensiblement plane et de l'autre côté une section décroissant progressivement jusqu'à présenter une surface relativement arrondie de section faible qui repose sur la couche 101. La forme de ces poinçons pourrait donc être relativement quelconque, pourvu qu'elle obéisse aux règles ci-dessus. On pourrait avoir par exemple des formes ellipsoïdales, ou en forme de poire. Toutefois, pour faciliter la description, on se limitera dans la suite du texte à des poinçons de section ronde qui auront donc la forme soit de demi-sphères, soit de demi-cylindres. Le cas des demi-cylindres est préférable, puisqu'il permet d'avoir une surface continue pour recevoir les ondes acoustiques, les poinçons étant alors disposés côte à côte et jointifs du côté extérieur du dispositif. L'ensemble est entouré par une membrane formant une capote d'étanchéïté 103, qui permet notamment d'empêcher le liquide dans lequel est immergé le dispositif, l'eau de mer par exemple, de s'introduire entre les poinçons. De la sorte l'espace libre entre ceux-ci et la couche 101 est rempli d'un gaz, généralement de l'air si aucune précaution particulière n'a été prise au moment de la fabrication. Ce gaz forme un baffle 104. Ces poinçons sont réalisés en matériau rigide et indéformable, par exemple en acier. On peut avantageusement les rendre creux, afin de réduire leur masse, en gardant une épaisseur suffisante pour qu'ils n'implosent pas sous l'effet de la pression. En se référant à la figure 2 pour les notations, chaque poinçon 102 présente du côté de l'arrivée des ondes acoustiques une surface sensiblement plane S0. Il s'enfonce sur une distance h dans la matrice 101, qui présente elle-même une épaisseur x. Cet enfoncement sous l'effet de la pression extérieure détermine une surface de contact entre la matrice et le poinçon. Le coefficient de réflexion R du dispositif est donné par la formule (1) R a = 20 log dans laquelle Rg est l'impédance (réelle) du milieu extérieur, et Z = R+ . jX l'impédance du dispositif. Ro est donné par: (2) Rg = P0 S, où R0 est la masse volumique du milieu considéré et c0 la vitesse acoustique dans le milieu où est plongé le dispositif. Pour l'absorbeur proposé, en négligeant la masse du poinçon, la partie imaginaire X est donnée par la formule (3) X = - K ( # )/# dans laquelle K est donnée par la formule : (4) K ( to) = E ( 1ss) VW où est un coëfficient indépendant de la fréquence et de la pression et dépendant de la courbure du poinçon au niveau du contact avec la couche 101, et E ( ) est le module de Young du matériau 101. La partie réelle de Z est donnée par la formule (5) R = tg # .X où, de manière connue, # est l'angle de perte, c'est-à-dire le déphasage entre la pression acoustique et la vitesse acoustique en un point du matériau. Si #0 est la pulsation autour de laquelle on désire obtenir un anéchoïsme au moins partiel, il faut choisir un matériau qui présente une transition entre l'état vitreux et l'état plastique située à proximité de cette pulsation. Dans ce cas E( #) est sensiblement proportionnel à #, et tg # prend une valeur maximale. Pour obtenir alors une adaptation d'impédance à large bande, pour laquelle R = Rg, on choisit S et SO de manière à répondre à la formule: (6) tg # .X = tg # . &alpha; . #S E0 # #0 c0 S0 #0 Dans ces conditions le coefficient de réflexion est donné par 2 (7) Ra = - 10 log ( 1 + 4 tg A titre d'exemple, en utilisant pour le matériau de la couche 101 un matériau répondant à une formulation biphasée polyuréthanne/époxy à réseau interpénétré, on obtient aisément une valeur de tg 6 sensiblement égale à 1,5 soit un coefficient de réflexion Ra = - 10 dB. Bien entendu les poinçons pénètrent de plus en plus profondément dans la couche 101 au fur et à mesure que le dispositif est immergé, ce qui augmente la surface de contact avec cette couche, et donc la résistance à la pression. On a représenté sur la figure 3 l'enfoncement h du poinçon dans la couche en fonction de la force appliquée sur un poinçon hémisphérique de rayon 10 mm s'appuyant sur une matrice du type décrit plus haut. On constate que cette courbe est fortement non linéaire et qu'elle est proche d'une parabole. En conséquence la raideur, qui correspond à la dérivée de la courbe, est sensiblement proportionnelle à l'enfoncement. Ce dispositif présente donc la particularité de se raidir lorsqu'il est soumis à uen pression croissante, les - contraintes étant réparties sur une surface qui augmente avec la pression. En fait on obtient ainsi un dispositif en quelque sorte "autobloquant", ce qui garantit qu'en prenant des dimensions correctes sur le rayon de courbure initial du poinçon on empêche toute détérioration sous l'effet de la pression. Bien entendu la variation de la surface S avec la pression a pour effet de modifier l'adaptation d'impédance comme le montrent les formules vues plus haut. En choisissant alors pour S une valeur Sm pour une pression de fonctionnement moyenne, le coëfficient de réflexion est alors donné par Ainsi donc pour tg 6 = 1,5, Ra est inférieur à -7dB pour Sm/S compris entre 5,71 et 0,36 valeurs qui correspondent à une plage d'immersion très étendue. On a représenté à titre d'exemple sur la figure 4 la variation de Ra en fonction de Sm/S pour différentes valeurs de tgd Le poinçonnement d'une telle couche élastique correspond à un effet local dont l'étendue est de l'ordre de grandeur de la taille du poinçon.Ce phénomène est connu sous le nom d'effet Saint-Venant Pour apprécier cet effet, on a mesuré, dans les mêmes conditions que précédemment, l'enfoncement du poinçon en fonction de la force appliquée, pour plusieurs valeurs du rapport hauteur x de la couche sur le rayon r du poinçon. Le résultat de ces mesures est représenté sous la forme des graphiques de la figure 5, dans lesquels le rapport h/r est en abscisse et la force F, normalisée par rapport au produit de ESo du module de Young du matériau par la section droite du poinçon, en ordonnée. Ces courbes montrent que les poinçons s'enfoncent de manière importante dans la couche pour un rapport x/R ne dépassant pas 2. Ceci garantit donc que l'anéchoïsme est atteint pour des épaisseurs de la couche de l'ordre de la taille du poinçon élémentaire. On a représenté sur la figure 6 une vue écorchée (sans la capote d'étanchéité 103) d'un exemple de réalisation d'un panneau anéchoïque selon l'invention. Les poinçons 102 sont de forme hémicylindrique présentant une surface plane dirigée vers l'extérieur. Ils sont placés les uns à côté des autres de manière jointive pour former une surface supérieure continue correspondant à toute la surface extérieure du dispositif, de manière à recevoir toute l'onde acoustique qui vient heurter le dispositif. L'ensemble forme ainsi un panneau élémentaire qui peut être réalisé en grande série à de nombreux exemplaires. Pour revêtir la surface à rendre anéchoïque, on dispose alors ces panneaux les uns à côté des autres sur cette surface, de préférence en croisant les axes des poinçons selon les techniques habituelles des revêtements pour moyenner l'influence des petits défauts et obtenir un revêtement sensiblement isotrope vu d'une certaine distance. En procédant de la sorte on peut ainsi revêtir des surfaces très importantes, correspondant par exemple à toute la coque d'un bâtiment. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'absorption acoustique, notamment pour basse fréquence, pouvant être immergé, caractérisé en ce qu'il comprend une couche d'un matériau viscoélastique (101) destiné à dissiper l'énergie des ondes acoustiques incidentes et un ensemble de poinçons (102) juxtaposés présentant d'un côté une surface sensiblement plane destinée à recevoir les ondes acoustiques et de l'autre côté une surface sensiblement arrondie nettement plus petite que la surface plane et venant s'appuyer sur la surface de la couche viscoélastique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche viscoélastique (101) est faite d'un matériau pré sentant une transition vitreuse/plastique pour une fréquence moyenne de la bande de fréquence destinée à être absorbée. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les poinçons sont hémisphériques. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les poinçons sont hémicylindriques. 5. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les poinçons sont alignés les uns à côté des autres de manière jointive pour présenter une surface continue destinée à recevoir les ondes acoustiques. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 > caractérisé en ce que l'ensemble couche/poinçons est entouré d'une capote d'étanchéité empêchant le milieu extérieur de venir s'infiltrer entre la couche viscoélastique (101) et les poinçons (102).