Brevet FR2715244A1 — publié le 19950721

La présente invention est relative à un procédé et à un dispositif d'absorption de l'énergie d'ondes acoustiques et, plus particulièrement, à un tel procédé et un tel dispositif permettant 1 l'absorption d'ondes acoustiques à l'aide de structures légères et de faible encombrement, y compris dans le domaine des basses fréquences. De telles structures trouvent de nombreuses applications, en particulier dans les nacelles de réacteurs d'avions, le capotage de machines-outils, les chambres anéchoiques etc... Elles prennent la forme de panneaux disposés à l'interface entre un espace dans lequel se forment et/ou se propagent des ondes acoustiques et un espace extérieur au précédent. Ces panneaux présentent des structures variées conçues pour absorber le plus possible l'énergie d'ondes acoustiques incidentes tout en réfléchissant et/ou en transmettant le moins d'énergie possible. On sait que la transmission d'énergie acoustique par un tel panneau peut être minimisée en renforçant le poids de ces panneaux, suivant l'enseignement de la loi dite "des masses n, Si l'on souhaite concevoir des panneaux légers, pour abaisser le coût des matériaux nécessaires à leur fabrication et pouvoir les utiliser par exemple dans le domaine des transports où l'on recherche l'allégement des structures, il faut renoncer à la mise en oeuvre de cette loi. On connaît à cet égard des panneaux d'isolation phonique constitués en des matériaux définissant des cavités propres à absorber de l'énergie acoustique par la mise en oeuvre du principe du résonateur de Helmholtz. Lorsqu'on souhaite absorber de l'énergie acoustique dans une bande non étroite de basses fréquences, par exemple autour de 80 Hz, les dimensions des cavités à prévoir sont cependant telles que l'épaisseur des panneaux d'absorption devient très encombrante. On connaît aussi du brevet US-A-4 253 543 un dispositif d'isolation phonique constitué par une membrane souple collée sur des parties de surface en relief distribuées sur toute la surface d'un cadre de support alvéolé réalisé en un matériau perméable à l'air, l'ensemble cadre/membrane étant maintenu à distance d'une surface acoustiquement réfléchissante par des supports ménageant un espace d'air entre le cadre et cette surface. La déformation de la membrane sous l'effet du passage d'une onde acoustique chasse ou aspire l'air des alvéoles à travers la matière poreuse du cadre qui absorbe ainsi l'énergie de l'onde acoustique.Le dispositif décrit dans ce brevet présente une efficacité maximale autour de 500 Hz et perd pratiquement toute efficacité en dessous de 125 Hz. I1 ne convient donc pas à l'absorption de plus basses fréquences, de l'ordre de 80 Hz par exemple. De toute manière, du fait que ce dispositif absorbe l'énergie d'une onde acoustique par perte de charge dans un matériau poreux, une tentative pour étendre son efficacité à de telles basses fréquences conduirait à accroître très sensiblement le volume de 1' espace séparant le cadre de la paroi réfléchissante, ceci au détriment de son encombrement. La présente invention a donc pour but de fournir un procédé et un dispositif d'absorption de l'énergie d'ondes acoustiques autorisant cette absorption à l'aide d'un dispositif en forme de panneau qui soit à la fois léger et de faible encombrement, c'est-à-dire de faible épaisseur. La présente invention a aussi pour but de fournir un tel procédé et un tel dispositif permettant d'absorber des ondes acoustiques dans de larges bandes de basses fréquences, incluses dans le domaine allant de 30 a 750 Hz par exemple. La présente invention a encore pour but de fournir un tel procédé et un tel dispositif assurant l'absorption d'une fraction importante de l'énergie acoustique reçue. On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un procédé d'absorption de l'énergie d'ondes acoustiques se propageant dans un milieu borné par une face d'une paroi déformable, ce procédé étant remarquable en ce qu'on agence la paroi de manière que les ondes acoustiques incidentes forcent un écoulement laminaire d'un fluide visqueux dans l'espace adjacent à l'autre face de la paroi, propre à absorber l'énergie des ondes acoustiques, dans un large domaine de fréquences. Comme on le verra plus loin le procédé suivant l'invention, d'absorption d'énergie acoustique par le frottement d'un fluide visqueux en écoulement laminaire, permet de constituer un dispositif d'absorption en forme de panneau mince, léger et très efficace aux très basses fréquences, conformément aux buts poursuivis par la présente invention. Pour la mise en oeuvre de ce procédé, l'invention fournit un dispositif comprenant a) une paroi déformable supportée par un cadre fixe maintenant, au repos, cette paroi dans un premier plan et b) une pluralité de plaques fixes distribuées dans un deuxième plan parallèle au premier et écartées de celui-ci d'une distance prédéterminée, chaque plaque définissant, avec la partie de la paroi déformable qui lui fait face, un amortisseur visqueux passif. Suivant l'invention, les plaques sont bordées par des passages assurant une libre circulation du fluide autour de cellesci. Dans un mode de réalisation préféré du dispositif selon l'invention, la paroi déformable est constituée par une membrane souple tendue sur le cadre. La tension de la membrane est liée à une fréquence d'accord correspondant à une bande de fréquences acoustiques prédéterminée, par une relation propre à assurer cette absorption. Selon une caractéristique avantageuse du dispositif suivant l'invention, la distance séparant le plan de repos de la membrane du plan des plaques est choisie pour empêcher une réflexion sensible des ondes acoustiques reçues par la membrane. Une telle disposition est particulièrement commode lorsque l'on souhaite utiliser le dispositif dans une chambre anéchoique. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel - les figures 1A et 1B sont des schémas permettant d'expliquer le principe qui est à la base de la présente invention, - la figure 2 est une coupe transversale schématique d'un dispositif, en forme de panneau, conçu pour mettre en oeuvre le procédé d'absorption d'ondes acoustiques suivant la présente invention, - la figure 3 est une vue perspective partielle d'une structure de support de plaques incorporées au dispositif de la figure 2, - la figure 4 est une vue perspective partielle d'une variante de la structure représentée à la figure 3, et - la figure 5 est une vue schématique partielle d'un autre mode de réalisation du dispositif suivant l'invention. On se réfère à la figure 1A où l'on a représenté schématiquement par la flèche F une onde acoustique incidente sur une paroi 1 séparant un espace 2 dans lequel se propage cette onde, d'un espace 3 dans lequel se trouve un fluide visqueux tel que de l'air, par exemple. L'espace 2 est lui-même rempli de fluide pour la propagation de l'onde acoustique, ce fluide pouvant être, ou non, le même que celui qui remplit l'espace 3. Suivant la présente invention, la paroi 1 est constituée de manière à se déformer sous la pression d'une onde acoustique incidente, que celle-ci soit normale (comme représentée) ou non à la surface de la paroi. Commodément, une telle paroi peut être constituée par une membrane souple tendue sur un cadre fixe (non représenté). Suivant une caractéristique essentielle de la présente invention, on dispose à proximité de la membrane 1, du coté de l'espace 3 défini ci-dessus, une plaque 4 plane, mince et rigide. La plaque 4 est fixe et disposée parallèlement et à distance du plan définissant la position de la membrane 1 au repos, de manière qu'une lame d'air S les sépare. Quand une onde acoustique crée une surpression de l'air (par rapport à la pression atmosphérique par exemple) au niveau de la membrane 1, celle-ci se déforme en se rapprochant de la surface en regard de la plaque 4, ce qui a pour effet de chasser 1air présent entre elles, air qui s'écoule latéralement suivant les flèches fl. Cet écoulement laminaire forcé d'un fluide visqueux tel que de la air exige de l'énergie, précisément celle fournie par l'onde acoustique ayant déformé la membrane tendue, énergie qui se trouve alors absorbée. La propagation de l'onde acoustique vers l'espace 3 peut être ainsi efficacement arrêtée au niveau de l'ensemble membrane/plaque. Lorsque l'onde acoustique crée une dépression au niveau de la membrane 1 (figure 1B) cette dépression a pour effet d'aspirer la membrane souple dans l'espace 2, aspiration qui crée un appel d'air entre cette membrane et la plaque 4. L'écoulement d'air qui s'ensuit alors suivant les flèches f2, à partir de la périphérie de la plaque 2, absorbe également de l'énergie par frottement du fluide visqueux en écoulement laminaire, énergie également fournie par l'onde acoustique incidente. De ce qui précède, il résulte que la membrane I, par sa tension T et son inertie due à son poids, constitue un oscillateur très amorti ayant une fréquence centrale f0 telle que où T, Pm et e sont respectivement la tension linéique, la masse volumique et l'épaisseur de la membrane, s, l'aire de la plaque 4. Cette fréquence centrale, où est réalisée parfaitement l'adaptation d'impédance, peut être réglée de manière à assurer l'absorption d'ondes acoustiques d'un certain domaine de fréquences centré sur cette fréquence. On peut agir pour cela, par exemple, sur la tension où la masse surfacique p,.e de la membrane, ou encore sur la surface s de la plaque. Suivant une caractéristique avantageuse de la présente invention, cette fréquence peut être réglée, par exemple, à une valeur très basse en utilisant une membrane lourde, faiblement tendue. On a représenté à la figure 2 un mode de réalisation préféré d'un dispositif suivant l'invention, pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus. Le dispositif prend la forme d'un panneau comprenant un cadre 6 sur lequel on tend et on fixe la membrane 1 suivant les bords de celle-ci. A l'intérieur du cadre, on trouve une pluralité de plaques adjacentes 414243 etc... disposées parallèlement et à une distance ho du plan de repos de la membrane 1, dans un plan où ces plaques sont distribuées régulièrement. Les plaques peuvent prendre diversea formes, carrées, rectangulaires, ou circulaires, par exemple. Elles sont maintenues à une distance fixe du plan de repos de la membrane par des moyens de support dont on a représenté deux exemples non limitatifs aux figures 3 et 4. A la figure 3, il apparaît que les plaques 4i, carrées, sont fixées sur une grille ou treillis 7 de barrettes plates disposées dans des plans perpendiculaires au plan des plaques. Suivant une caractéristique importante du dispositif selon l'invention, ces plaques sont dimensionnées de manière à dégager autour d'elles des passages permettant une libre circulation d'un fluide de part et d'autre de ces plaques, sans pertes de charge sensibles. La grille 7 peut être elle-même fixée au cadre 6 ou à un fond 8 (voir figure 2) solidaire de ce cadre et distant de la membrane 1, le dispositif prenant alors la forme d'un panneau d'épaisseur E. Suivant une disposition dont on décrira l'importance dans la suite, le fond 8 est régulièrement percé d'ouvertures 9i. A la figure 4, on a représenté une variante de la structure de plaques et de moyens de support de ces plaques représentée à la figure 3. Cette variante présente l'avantage de pouvoir être réalisée de manière économique par simple emboutissage d'une tôle métallique 10. L'emboutissage provoque la découpe de plaques 4i, circulaires par exemple, et de pattes Il, pliées perpendiculairement à ces dernières et supportant celles-ci dans un plan écarté du plan de base de la tôle 10. L'opération d'emboutissage dégage ainsi autour de chaque disque des ouvertures circulaires telles que 12, de dimensions calculées pour assurer une libre circulation du fluide, de part et d'autre de la tôle emboutie. On revient au dispositif suivant l'invention représenté à la figure 2 pour expliquer avec plus de détail comment fixer les caractéristiques de ce dispositif pour l'adapter à l'absorption d'ondes acoustiques de telle ou telle bande de basses fréquences. A cet égard, on remarquera qu'en basses fréquences, c'est-à-dire pour des longueurs d'ondes acoustiques dans l'air très supérieures, à la fois, à l'épaisseur E du panneau, à la dimension moyenne des ouvertures 9i et à la distance D séparant ces ouvertures, la raideur de la couche de gaz comprise entre la membrane 1 et le fond 8 est pratiquement nulle, grâce à la présence des passages ménagés entre les plaques 4 et à ces ouvertures 9i. C'est pourquoi on peut considérer que la fréquence centrale quand elle est basse, ne dépend que de la tension linéique T et de la masse surfacique de la membrane. En choisissant convenablement ces caractéristiques, on peut alors régler facilement la fréquence centrale, entre 30 et 750 Hz par exemple, même lorsque l'épaisseur totale E du panneau est faible. On sait qu'une onde acoustique plane se propageant dans un espace infini rempli d'un fluide tel que de l'air, par exemple, fait prendre à une tranche d'air perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde, une vitesse vibratoire u liée à la pression fluctuante p de l'air au niveau de cette tranche par la relation P = pO.cO.U où pO et c0 sont respectivement la masse volumique et la vitesse du son dans l'air, la quantité "pO.cOw etant appelée impédance par analogie électrique. L'absorption sans réflexion de l'onde acoustique par le dispositif suivant l'invention exige alors que la membrane de celui-ci "suive" les déplacements de la tranche d'air adjacente, de manière à opposer la résistance adéquate à la propagation de cette onde acoustique. Ce suivi implique alors que la vitesse vibratoire v de la membrane soit égale et en phase avec la vitesse vibratoire de la tranche d'air adjacente. Comme on l'a vu plus haut, la pression acoustique p exerce sur une lame d'air 5 située entre la membrane 1 et une plaque 4i de surface s, une force F = p. s qui provoque un écoulement laminaire de l'air de la lame. La théorie des écoulements laminaires enseigne que cette force est alors liée à la vitesse v de la membrane par la relation 76. où est la viscosité dynamique de l'air. En identifiant d'une part les deux expressions données ci-dessus de la force F et, d'autre part, les vitesses v et u, conformément à la contrainte posée par la présente invention, on a F = p . s = #0 . C0 . u.s = # . . s . u 16 h0 d'où l'on tire l'expression # 0 .s 16 #0C0 Si l'onde arrive sur la membrane avec une incidence # par rapport à la normale plutôt que perpendiculairement, comme posé par hypothèse dans les calculs ci-dessus, on démontre que le deuxième membre de cette équation incorpore en outre le facteur multiplicatif cos. Ainsi, suivant l'invention, quelle que soit la fréquence d'accord choisie, la distance ho séparant le plan des plaques 4i du plan de repos de la membrane 1 doit être fixée à la valeur pour assurer l'absorption sans réflexion d'une onde acoustique d'incidence ç A titre d'exemple, pour des ondes frontales, avec des plaques ou disques de 16 cm2 de surface, la formule précédente donne ho = 0,2 mm alors qu'avec des plaques de 4 cm2 on trouve ho = 0,1 mm. I1 apparaît ainsi que les enseignements de la présente invention permettent de régler l'impédance mécanique des oscillateurs constitués par la membrane et chacune des plaques qui lui font face, de manière à absorber parfaitement, sans réflexion, des ondes acoustiques incidentes. On a pu vérifier expérimentalement que le dispositif suivant l'invention reste anéchoique (c'est-à-dire sans réflexion) dans une large bande autour de la fréquence d'accord. C'est ainsi qu'avec une membrane de masse surfacique de 0,75 kg/m' tendue pour la fréquence centrale f0 = 80 Hz et disposée à la distance ho des plaques déterminée comme indiqué ci-dessus, l'oscillateur présente, vis-à-vis d'ondes frontales, un amortissement réduit de 60%, ce qui correspond à une bande de fréquences absorbées, allant de 50 à 150 Hz à 3 dB près. Avec une fréquence centrale réglée à f0 = 250 Hz, la bande de fréquences correspondante s'étend de 175 à 325 Hz. Dans une autre expérience avec une membrane fine, on a pu obtenir une adaptation d'impédance par dissipation visqueuse dans une très large bande de 30 à 750 Hz. On revient à la figure 2 pour expliquer le rôle des ouvertures 9j, de dimension moyenne ou de diamètre 9, distribuées régulièrement avec un pas D sur le fond 8 du dispositif. Il est clair que, pour régler la fréquence d'accord du panneau par la seule tension T de la membrane, il est nécessaire que la couche de gaz comprise entre la membrane et le fond 8 ne présente pas une raideur trop forte. I1 faut pour cela ouvrir le fond vers l'extérieur, c'est le rôle des ouvertures 9i, sans pour autant autoriser alors un rayonnement d'énergie acoustique à travers ces ouvertures. Suivant l'invention, pour ce faire, on choisit d très inférieur à la longueur d'onde correspondant à la fréquence d'accord. Le nombre des ouvertures est choisi en fonction du pourcentage d'énergie acoustique dont on peut admettre la transmission. On peut démontrer à cet égard que l'énergie transmise est d'autant plus faible que le nombre d'ouvertures 9i est grand, pour une surface de panneau donnée, la surface totale des ouvertures devant cependant être limitée pour garder au fond 8 une rigidité suffisante. On a représenté schématiquement à la figure 5 une structure de panneau dérivée de celle de la figure 2 et conçue pour être accordée sur plusieurs fréquences, de manière à élargir la bande de fréquences absorbée par le panneau. Dans le mode de réalisation de la figure 5, on a représenté, à titre d'exemple, une structure irrégulière de cloisons 13, à mailles carrées, par exemple. Contrairement à la structure de support 7 du mode de réalisation de la figure 3, les cloisons 13 de la structure de la figure 5 viennent en appui contre la membrane 1, sans collage de ltune sur 1' autre, la membrane étant ainsi tendue avec une tension uniforme T sur un cadre (non représenté) tel que le cadre 6 de la figure 2.Dans les mailles, des plaques carrées 14i,15i de longueurs de côtés a,a' respectivement, sont fixées (par des moyens non représentés) à proximité de la membrane, suivant deux agencements de plaques imbriqués l'un dans l'autre, en ménageant autour de chaque plaque un espace suffisant pour un libre passage de gaz, comme dans le mode de réalisation de la figure 2. Les mailles équipées des plaques de côtés a et a' sont alors accordées sur les deux fréquences f0,f0, suivantes Ainsi on peut calculer a et a' pour que les mailles équipées de plaques présentant ces dimensions soient accordées respectivement, par exemple, sur 125 et 250 Hz. Dans cette hypothèse, a' = 2a.Si on a choisi 4 et a pour que l'amortissement réduit à 250 Hz soit par exemple de 60%, l'amortissement réduit variant avec (a/4)3, atteindra 480% à 125 Hz. Un panneau ainsi conçu s'avère alors parfaitement efficace dans une très large bande de basses fréquences, soit de 50 à 325 Hz environ. I1 apparaît maintenant que l'invention permet d'atteindre les buts que l'on s'étaient fixés, à savoir réaliser un panneau d'absorption d'ondes acoustiques léger (d'un poids de l'ordre de 2 à 4kg/m2 environ), peu encombrant et efficace dans de larges bandes de basses fréquences. Sa capacité d'adaptation d'impédance en fait un panneau de choix pour ltéquipement de chambres anéchoiques et, plus généralement, pour le capotage de machines bruyantes et l'isolation phonique de locaux. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. Ainsi, bien que l'invention soit décrite ci-dessus dans le cas de la propagation d'ondes acoustiques dans l'air, elle s'étend évidemment à une telle propagation dans d'autres gaz ou d'autres fluides, qui peuvent d'ailleurs être différents de part et d'autre de la membrane. REVENDICATIONS 1. Procédé d'absorption de l'énergie d'ondes acoustiques se propageant dans un milieu (2) borné par une face d'une paroi (1) déformable, caractérisé en ce qu'on agence la paroi de manière que les ondes acoustiques incidentes forcent un écoulement laminaire d'un fluide visqueux dans l'espace (5) adjacent à l'autre face de la paroi, propre à absorber l'énergie des ondes acoustiques. 2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend a) une paroi déformable (1) supportée par un cadre fixe (6) maintenant, au repos, cette paroi dans un premier plan et b) une pluralité de plaques (4i) fixes distribuées dans un deuxième plan parallèle au premier et écarté de celui-ci d'une distance (ho) prédéterminée, chaque plaque (4i) définissant, avec la partie de la paroi déformable qui lui fait face, un amortisseur visqueux passif. 3. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que les plaques {4i) sont bordées par des passages assurant une libre circulation du fluide autour de celles-ci. 4. Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que la paroi déformable (1) est constituée par une membrane souple tendue sur le cadre (6). 5. Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que la tension (T) de la membrane (1) est liée à la fréquence centrale (fO) d'une bande de fréquences acoustiques prédéterminée à absorber, par la relation T, p, et e étant respectivement la tension linéique, la masse volumique et l'épaisseur de la membrane, s, la surface d'une plaque élémentaire. 6. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la distance (ho) séparant le plan de repos de la membrane (1) du plan des plaques (4i) est choisie pour empêcher une réflexion sensible des ondes acoustiques reçues par la membrane. 7. Dispositif conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que la distance (4) est choisie telle que h0 = #. .S.cos# 16.#0.C0 étant la viscosité dynamique du fluide, s la surface.d'une plaque élémentaire, ç l'angle d'incidence de l'onde acoustique sur la membrane, pO la masse volumique du fluide, et c0 la vitesse du son dans ce fluide. 8. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications S à 7, caractérisé en ce qu'il comprend, en arrière de l'ensemble constitué par la membrane (1), son cadre (6) de support et les plaques fixes (4i), un espace limité par une paroi ajourée (8) disposée dans une position fixe parallèlement et à distance dudit ensemble, cette paroi (8) étant percée d'ouvertures (9i) distribuées sur toute sa surface, ces ouvertures (9t) présentant une dimension moyenne (d) très inférieure à la longueur d'onde correspondant à la fréquence d'accord (f0). 9. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que les plaques (4X) sont fixées sur une grille (7) solidaire du cadre (6) de support de la membrane (1). 10. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que les plaques (4i) sont portées par des pattes (11i) formées par emboutissage d'une tôle (10), dans un plan parallèle à celui de la tôle, en dégageant autour de chaque plaque un libre passage (12) pour le fluide, à travers la tôle emboutie (10). 11. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs groupes imbriqués de plaques disposées chacune dans une maille d'une structure de cloisons (13) en contact avec la membrane, les surfaces des plaques de chaque groupe étant égales entre elles et calculées pour assurer l'accord des amortisseurs visqueux du dispositif avec une fréquence d'accord (fa,f'O) particulière à chaque groupe de plaques. 12. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 11, caractérisé en ce que les plaques (4i;14i;15i) sont de forme carrée, rectangulaire ou circulaire. 13. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 12, dimensionné pour l'absorption d'ondes acoustiques d'une large bande de basses fréquences. 14. Utilisation du dispositif conforme à 1une quelconque des revendications 1 à 13, dans un capotage de machines, un local insonorisé ou une chambre anéchoique.