Brevet FR2693754A1 — publié le 19940121

i CAISSON ISOLANT ACOUSTIQUE L'invention concerne l'isolation acoustique d'un caisson plan à parois multiples et plus particulièrement d'un vitrage isolant. Les vitrage isolants, constitués de deux ou plusieurs feuilles de verre associées ensemble par l'intermédiaire d'un cadre intercalaire qui les maintient à une certaine15 distance l'une de l'autre en emprisonnant entre elles une lame de gaz, de l'air sec en général, sont utilisés dans la majorité des cas pour améliorer l'isolement thermique des locaux ou même éventuellement des véhicules de transport terrestre.20 Les systèmes les plus courants utilisent des verres avec une épaisseur commune de 4 mm séparés par un espace compris entre 6 et 12 mm Tels qu'ils sont, ces vitrages ont des performances acoustiques limitées, notablement in- férieures à celles d'un verre monolithique de même masse25 surfacique globale. On dispose dans l'industrie de différents moyens pour améliorer les performances acoustiques des vitrages iso- lants Le plus courant consiste à utiliser des verres d'épaisseurs fortes et différentes Ce moyen a une effica-30 cité limitée, il accroît le poids du vitrage ce qui peut obliger à utiliser une fenêtre renforcée, par ailleurs, l'augmentation de coût n'est pas négligeable Un autre moyen courant consiste à remplacer les verre monolithiques par des verres feuilletés Ici, l'efficacité est limitée et35 l'accroissement du coût, supérieur au cas précédent. Un moyen difficilement utilisable pour les vitrages destinés à équiper des fenêtres mais courant dans les cloisons intérieures ou dans les véhicules de chemin de fer consiste à accroître l'épaisseur de la lame d'air Mais -2- c'est seulement pour des épaisseurs d'air de plusieurs centimètres ( 5 ou 6) que l'effet est sensible ce qui in- terdit de réaliser de telles variantes en vitrages isolants scellés. 5 Un moyen efficace réside dans l'utilisation de feuil- letés spéciaux C'est ainsi que la demande de brevet euro- péen EP 100 701 Bl décrit un vitrage isolant comportant un ou deux éléments feuilletés dont la résine est "telle qu'un barreau de 9 cm de longueur et de 3 cm de largeur, consti-10 tué d'un verre feuilleté comprenant deux feuilles de verre de 4 mm d'épaisseur réunies par une couche de 2 mm de cette résine, ait une fréquence critique qui diffère au plus de 35 % de celle d'un barreau de verre ayant la même longueur, la même largeur et 4 mm d'épaisseur" Le principe de fonc- tionnement de ce type de vitrage basé sur une faible rai- deur de la résine, indépendamment de son amortissement permet une très nette amélioration par rapport au vitrage feuilleté ordinaire mais le prix en est également sensi- blement supérieur.20 Le problème que l'invention se donne pour tâche de résoudre est de fournir un vitrage isolant fait de verres monolithiques usuels mais avec une performance améliorée, sans que le coût de fabrication augmente trop. L'invention se donne également pour tâche plus gé- néralement, de fournir une solution simple et bon marché au problème de l'isolation acoustique de caissons étanches à parois doubles ou multiples remplis de gaz et/ou d'air. Aucune des solutions techniques évoquées précédemment dans le cas des vitrages n'utilise des vitrages isolants scellés faits de verres monolithiques usuels puisqu'elles proposent d'agir sur leurs épaisseurs ou sur leur nature (feuilletés normaux ou spéciaux) En revanche, certaines études ont proposé d'utiliser des verres d'épaisseur stan- dard et d'installer à la périphérie du vitrage des résona- teurs d'Helmholtz accordés sur la cavité du double vitrage (voir MASON and FAHY, Journal of Sound and Vibration, Vol 124 ( 2) page 367 à 379 Academic Press Ltd 1988) Mais ce système, puisqu'il est accordé sur une fréquence, agit surtout dans un domaine autour de celle-ci, mais, sur les -3- autres fréquences, ou bien il n'agit que peu, ou même il agit négativement Par ailleurs, le volume du résonateur doit être une fraction importante de celui de la cavité proprement dite de l'ordre de 15 % ce qui pour un vi- 5 trage de 1 m 2 en 12 mm d'épaisseur nécessite d'installer à la périphérie du vitrage plusieurs "bouteilles" dont la capacité totale est de près de 2 litres: cette solution n'est pas adaptée aux conditions habituelles de fabrication des vitrages isolants ni d'une manière générale, à l'iso-10 lation acoustique de caissons d'épaisseur comparable. Selon l'invention, un caisson comportant au moins une cavité plate constituée de deux plaques parallèles assem- blées à leur périphérie à l'aide d'un cadre intercalaire, la cavité étant remplie de gaz et/ou d'air, comporte un15 guide d'onde en communication avec la cavité dont les élé- ments: section du guide d'onde, surface et répartition des orifices de liaison avec la cavité sont déterminés de manière à désaccorder les ondes acoustiques et mécaniques qui naissent, respectivement dans la cavité et sur les plaques20 lorsque le caisson est soumis à un champ acoustique inci- dent De préférence, le désaccord entre ondes acoustiques et mécaniques est évalué par le calcul des coefficients de couplage énergétique entre les modes acoustiques et méca- niques, ces coefficients étant minimisés.25 En général, au moins une des parois du guide d'onde longe l'une des plaques parallèles de la cavité, et de préférence, le guide d'onde occupe la périphérie du caisson et alors, trois de ses parois longent respectivement les plaques et le cadre intercalaire.30 La variante préférée du caisson comporte des plaques parallèles transparentes, à base de verre silico-sodo- calcique associées en un vitrage isolant et un guide d'onde avec une section rectangulaire et qui est constitué par les deux parois vitrées, par la face du cadre intercalaire di- rigée vers la cavité et par la face d'un autre profilé disposé parallèlement au cadre intercalaire. Dans le cas d'un vitrage rectangulaire, les orifices de liaison du guide d'onde avec la cavité sont placés au moins sur chacun des quatre côtés, ils sont par exemple au -4- nombre de huit disposés respectivement dans les coins et au milieu des côtés, alors, les orifices de liaison dans les coins sont sensiblement plus petits que ceux des côtés et de préférence neuf fois plus petits. 5 La technique de l'invention telle qu'elle est dans sa variante la plus élaborée, vitrage isolant rectangulaire avec guide d'onde périphérique relié à la cavité par des ouvertures réparties le long du guide, permet d'améliorer sensiblement les performances acoustiques d'un vitrage10 traditionnel avec des moyens faciles à mettre en oeuvre et bon marché. La description et les figures qui suivent permettront de comprendre l'invention et d'en apprécier les avantages. Parmi les figures, la figure 1 montre un exemple de réalisation d'un vitrage selon l'invention, les figures 2 et 3 présentent des détails du même vi- trage et, la figure 4 montre les résultats acoustiques d'un vi- trage selon l'invention en comparaison avec le même vitrage non équipé du dispositif de l'invention. Le principe de l'invention est le suivant: pour aug- menter l'isolement acoustique d'un caisson fait de deux plaques parallèles, séparées par un espace faible et re- liées à leur périphérie par un cadre, réalisant ainsi une cavité, on propose de réaliser sur la périphérie du caisson un guide d'onde de section (A) qui communique avec la lame d'air ou de gaz emprisonnée entre les deux parois, par l'intermédiaire d'ouvertures de section (s) et espacées d'une distance caractéristique (d) Le rôle principal de ce guide d'onde étant de désaccorder les ondes acoustiques et mécaniques qui naissent respectivement dans la lame d'air ou de gaz et sur les parois lorsque le système caisson à double paroi est soumis à un champ acoustique incident. Pour déterminer les caractéristiques géométriques op- timales (A,s,d), on utilise une méthode de calcul qui con- siste à discrétiser la lame d'air ou de gaz et les parois par des éléments finis acoustiques et mécaniques Les élé- ments finis acoustiques permettent de calculer de façon -5- très précise la modification des modes acoustiques internes de la lame d'air par l'adjonction du guide d'onde, tandis que les éléments finis mécaniques permettent de calculer de façon aussi précise les modes propres des deux parois. 5 Pour tenir compte du couplage vibro-acoustique entre les parois et la lame de gaz ou d'air, on utilise une for- mulation mixte mise au point par l'équipe du Professeur HAMDI à l'Université de Technologie de Compiègne Voir "Méthodes de discrétisation par éléments finis et éléments finis de frontière" par HAMDI in Rayonnement acoustique des structures, Eyrolles éditeur, Paris 1988 Cette formulation repose sur l'application du principe de Hamilton au système couplé fluide-structure, décrit en termes des composantes modales acoustiques et mécaniques qui constituent les in-15 connues du problème L'avantage principal de cette formu- lation est de faire apparaître explicitement les coeffi- cients de couplage énergétiques entre les modes acoustiques internes et les modes mécaniques des parois. Le principe de la méthode consiste donc à rechercher les dimensions caractéristiques du guide d'onde de façon à minimiser les coefficients de couplage énergétique. Pour calculer l'indice d'affaiblissement du système double paroi muni du guide d'onde, on utilise ensuite une méthode d'éléments finis de frontière, également mise au point par l'équipe de recherche du Professeur HAMDI, qui permet de calculer l'impédance de rayonnement des parois et l'indice d'affaiblissement du système à double paroi soumis à un champ acoustique d'ondes planes incidentes. En résumé, la méthode est la suivante: à partir d'une structure de base donnée, par exemple un vitrage isolant comprenant deux plaques de verre de 4 mm d'épaisseur sé- parées par une lame d'air de 12 mm, on imagine un guide d'onde compatible avec les caractéristiques de la struc- ture Dans le cas d'un vitrage par exemple, on préférera en général le placer à la périphérie Le calcul dicte les éléments A, S et d qui, a priori, donneront les meilleurs résultats tout en restant compatibles avec le produit fi- nal (Ainsi pour un vitrage isolant, on évitera que le guide d'onde périphérique n'empiète trop profondément dans 6- le champ de vision du vitrage) Le logiciel de calcul mis au point consiste en défi- nitive à exécuter les 6 étapes suivantes: 1 Maillage par éléments finis de la lame de gaz ou d'air et des parois, 2 Calcul des modes vibratoires des parois, 3 Calcul des modes acoustiques de la lame de gaz ou d'air en absence et en présence du guide d'onde, 4 Calcul des coefficients de couplage énergétique entre les modes acoustiques et mécaniques C'est à ce mo- ment que l'on peut voir si le découplage se produit et pour quelles fréquences Le but est en effet de provoquer une rupture d'impédance entre plaques et guide d'onde, 5 Calcul des matrices d'impédance de rayonnement acoustique des parois, 6 Calcul de l'indice d'affaiblissement du système double paroi. Le résultat de cette modélisation du caisson matéria- lisé par la courbe de l'indice d'affaiblissement acoustique en fonction de la fréquence permet de juger de l'effet fourni par le guide d'onde choisi Le calcul permet de mo- difier de façon itérative un, deux ou trois des paramètres A, S et d qui définissent le guide de manière à améliorer l'indice d'affaiblissement, l'expérience permet alors de25 vérifier la validité du résultat acoustique du nouvel en- semble caisson guide d'onde. Exemple La méthode précédente a été appliquée à un double vi- trage 4 ( 12)4 fait de deux plaques de verre flotté de 4 mm d'épaisseur séparées par une lame d'air de 12 mm et assem- blées avec un cadre en aluminium rempli d'un desséchant (tamis moléculaire) et collées grâce à du butyl et du polysulfure Les dimensions du vitrage étaient 1,23 x 1,48 m 2. Les différentes étapes de la méthode décrite plus haut appliquées au vitrage ont fini par aboutir à la suite d'approximations successives, à un produit représenté fi- gures 1, 2 et 3. Il s'agissait de réaliser, à la périphérie du vitrage, 7 - un guide d'onde de section 240 mm 2 communiquant par huit orifices de liaison avec la cavité dont quatre, de section 54 mm 2 aux quatre coins du vitrage et quatre, de section 480 mm 2 aux milieux de ses côtés. Sur la figure 1 on voit le vitrage 1 avec ses verres 2 et son profilé périphérique 3, Sur la figure 3, on a représenté la colle 4 et le desséchant 5 Tous ces éléments sont traditionnels Le guide d'onde, lui est représenté en 6 sur les figures 1, 210 et 3 Il est matérialisé par quatre parois: les surfaces internes 7 et 8 des verres, la paroi interne 9 du cadre intercalaire et pour la quatrième paroi, on a utilisé la face externe 10 d'un profilé 11 identique au profilé du cadre Ce profilé est collé entre les deux verres comme le15 profilé du cadre Il est découpé en tronçons de longueur telle qu'ils laissent entre eux les orifices de liaisons définis plus haut, c'est-à-dire avec une surface de 54 mm 2 pour l'orifice 12 des coins et de 480 mm 2 pour ceux 13 du milieu des côtés Les profilés sont vides mais leurs ex-20 trémités sont bouchées. Des mesures acoustiques en vraie grandeur ont été ef- fectuées sur un vitrage identique à celui qu'on vient de décrire et, par comparaison, sur un vitrage de mêmes di- mensions mais qui n'était pas équipé du guide d'onde de25 l'invention. Les essais étaient réalisés selon la norme ISO 140 dans deux chambres réverbérantes de volumes respectifs 62 et 86 m 3. Les résultats sont représentés figure 4 On voit en abscisse les fréquences (en k Hz) et en ordonnée, les in- dices d'affaiblissement acoustique La courbe 14 représente les résultats du vitrage isolant traditionnel 4 ( 12)4 rempli d'air tandis que la courbe 15, montre ceux d'un vitrage de mêmes dimensions, toujours en 4 ( 12)4, mais avec le guide35 d'onde périphérique de l'invention On constate qu'entre Hz et 2500 Hz, le vitrage de l'invention est supérieur d'une valeur comprise entre 2 et 5 d B à un vitrage ordi- naire L'allure générale de la courbe montre que l'effet ne se manifeste pas à une fréquence localisée comme c'est le -8- cas avec les résonateurs de Helmholtz mais sur une large bande du spectre audible. Une mesure acoustique a été également réalisée en in- corporant au guide d'onde, au milieu de chacun de ses seg- ments, entre deux orifices de communication, un tampon d'un matériau absorbant (mousse): le résultat était légèrement amélioré (de l'ordre de 0,5 d B). A partir des courbes précédentes, on a calculé les valeurs globales de l'indice d'affaiblissement acoustique, d'une part selon la norme française NF-S 31 051 (indice d'affaiblissement respectivement pour un bruit de route, R,, et pour un bruit rose, R os) et selon la norme ISO 717 (R,). Les résultats étaient les suivants 4 ( 12)4 4 ( 12)4 4 ( 12)4 + guide d'onde + guide d'onde + amortisst 26,3 29,6 29,9 29,5 32,1 32,7 Rw 30 33 33 Ces résultats globaux montrent que l'amortissement, même s'il joue un certain rôle, n'est pas déterminant et qu'il l'est en tous cas beaucoup moins que le guide d'onde. En effet, celui-ci produit parfaitement son effet en venant perturber le couplage que la lame d'air réalise habituel- lement entre la première et la deuxième plaque La fonction du guide est de permettre à l'onde sonore de circuler, c'est pourquoi il est important que le nombre des orifices de communication entre la cavité et le guide ne soit pas trop important ce qui gênerait cette libre circulation. Il ressort de ce qui précède que l'invention propose une solution inattendue et très éloignée non seulement des systèmes qui agissent sur les plaques proprement dites (épaisseurs, vitrages feuilletés, résines spéciales) mais même de ceux qui agissent sur la cavité (résonateurs d'Helmholtz ou absorbants périphériques) Par rapport à ces autres traitements elle a l'avantage d'être bon marché, 9 - facile à mettre en oeuvre dans l'industrie et esthétique- ment discrète. - REVENDI CATIONS 1 Caisson comportant au moins une cavité plate cons- tituée de deux plaques parallèles assemblées à leur péri- phérie à l'aide d'un cadre intercalaire, la cavité étant 5 remplie de gaz et/ou d'air, caractérisé en ce qu'il com- porte un guide d'onde en communication avec la cavité dont les éléments: section du guide d'onde, surface et répar- tition des orifices de liaison avec la cavité sont déter- minés de manière à désaccorder les ondes acoustiques et10 mécaniques qui naissent, respectivement dans la cavité et sur les plaques lorsque le caisson est soumis à un champ acoustique incident. 2 Caisson selon la revendication 1, caractérisé en ce que le désaccord entre ondes acoustiques et mécaniques est évalué par le calcul des coefficients de couplage énergé- tique entre les modes acoustiques et mécaniques et en ce que ce sont ces coefficients qui sont minimisés. 3 Caisson selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que au moins une des parois du guide d'onde longe l'une des plaques parallèles de la cavité. 4 Caisson selon la revendication 3, caractérisé en ce que le guide d'onde occupe la périphérie du caisson et en ce que trois de ses parois longent respectivement les pla- ques et le cadre intercalaire.25 5 Caisson selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaques parallèles sont transpa- rentes, à base de verre silico-sodo-calcique et sont asso- ciées en un vitrage isolant. 6 Caisson selon la revendication 4 et la revendica- tion 5, caractérisé en ce que le guide d'onde a une section rectangulaire et est constitué par les deux parois vitrées, par la face du cadre intercalaire dirigée vers la cavité et par la face d'un autre profilé disposé parallèlement au cadre intercalaire.35 7 Caisson selon la revendication 6, caractérisé en ce que le vitrage isolant est rectangulaire et que les ori- fices de liaison du guide d'onde avec la cavité sont dis- posés au moins sur chacun des quatre côtés. 8 Caisson selon la revendication 7, caractérisé en ce là 1 - que les orifices de liaison du guide d'onde avec la cavité sont au nombre de huit disposés respectivement dans les coins et au milieu des côtés. 9 Caisson selon la revendication 8, caractérisé en ce que les orifices de liaison dans les coins sont sensible- ment plus petits que ceux des côtés et de préférence neuf fois plus petits.