Brevet FR2730335A1 — publié le 19960809

La présente invention concerne un dispositif anti-bruits notamment pour l'acoustique sous-marine. Le secteur technique de l'invention est le domaine de la fabrication de matériaux et d'écrans atténuateurs d'ondes acoustiques. Une des applications principales de l'invention est la réalisation de barrières anti-bruit permettant de réduire le bruit rayonné par une structure, soit dans un objectif de masquage de celle-ci vis à vis de systèmes adverses de détection acoustique, soit dans un objectif d'amélioration des capacités d'une antenne acoustique de réception ou d'émission placée sur la structure. Dans le deuxième cas, ladite barrière est placée entre la structure et l'antenne. I1 est connu par exemple en effet, que les systèmes de détection sous-marine comportent des antennes de réception destinées à capter des signaux de pression acoustique provenant soit d'un émetteur sonar réfléchi sur une structure (dans le cas d'un sonar actif), soit du bruit rayonné par un autre navire (dans le cas d'un sonar d'écoute passive). Les performances de détection de ces antennes de réception sont liées principalement à leur taille et à leur qualité en termes de bruit propre. En effet, ces antennes sont généralement placées sur un navire porteur, par exemple la coque d'un sous-marin, et le fait que celui-ci se déplace induit du bruit sur les antennes. Plus ce bruit est réduit, meilleure est la capacité de détection de l'antenne. Le bruit propre a deux origines principales - le bruit hydrodynamique, provoqué par les fluctuations de pression de l'écoulement le long de l'antenne; - le bruit rayonné en champ proche par la structure porteuse de l'antenne, qui peut être mise en mouvement par les vibrations des appareils de propulsion et machines placées à l'intérieur du navire. Le rôle de la barrière acoustique est alors, dans cette application, de réduire cette composante de bruit rayonné. Cette barrière anti-bruits consiste en une couche de matériau disposée entre la coque et la couche sensible de l'antenne contenant les capteurs acoustiques. Un matériau est considéré comme efficace lorqu'il présente un niveau de coefficient de transmission inférieur à -10 décibels dans la gamme de fréquence d'utilisation. En se basant sur le principe de base de l'efficacité acoustique, une barrière acoustique doit présenter une impédance acoustique caractéristique (produit de la masse volumique et de la célérité des ondes) nettement inférieure à celle de l'eau. D'autre part, l'une des difficultés technologiques pour réaliser des barrières acoustiques immergeables est qu'elles doivent subir des efforts importants liés à la pression hydrostatique, ce qui est par définition le cas pour les sous-marins. On connait des barrières acoustiques immergeables réalisées en matériaux dits "mous", tels que des élastomères contenant des micro-inclusions d'air en concentration plus ou moins importante. Les mousses de polyuréthane en sont un exemple. On peut citer également comme autre exemple de ce type de matériau la demande de brevet FR. 2.642.750 sur un "procédé de fabrication d'un matériau atténuateur d'ondes acoustiques et son application à la réalisation d'écrans acoustiques à immerger", qui décrit une préparation d'une solution aqueuse d'un monomère et d'un comonomère servant d'agent de réticulation dans laquelle on disperse une solution de poudre formée de grains poreux, de polymères réticulés se gonflant en présence d'eau.Ces matériaux sont parfois efficaces mais ont souvent l'inconvénient d'être trop compressibles et de performances acoustiques fortement dépendantes de la pression hydrostatique On connait aussi des barrières acoustiques constituées dans un matériau de type "Alberich", tel que décrit par exemple dans la publication de la Société Américaine d'Acoustique Volume 62 pages 298 à 307 de 1977, consistant en une couche de caoutchouc ou de matériau viscoélastique contenant des inclusions d'air de taille importante, tel que par exemple d'un diamètre de l'ordre du centimètre. Ces matériaux sont efficaces à des fréquences d'ondes acoustiques assez basses mais présentent également une dépendance assez forte avec la pression hydrostatique. Un troisième dispositif anti-bruits consiste en des réseaux de tubes élastiques, cités dans la littérature scientifique.La longueur des tubes doit être grande devant les dimensions de la section, et l'extrémité des tubes est obturée de façon à empêcher le pénétration d'eau à l'intérieur. Ce concept présente l'avantage de posséder des performances acoustiques indépendantes de l'immersion, jusqu'à une pression maximum fixée par la limite élastique du matériau des tubes. Afin d'obtenir de bonnes performances, la section des tubes décrits doit être de forme proche d'un ovale, d'un rectangle ou d'une ellipse. Pour la réalisation, ceci nécessite cependant l'utilisation de matériaux performants possédant des valeurs élevées de contrainte de résistance de limite élastique, et des procédés de réalisation particuliers comprenant un bobinage autour d'un mandrin, une injection de résine sous vide dans une enveloppe et une obturation des extrêmités du tube.Ces opérations ont un coût élevé. L'invention a pour but de proposer un dispositif antibruits possédant des performances acoustiques indépendantes de l'immersion, mettant en jeu des pièces mécaniques simples, faciles à assembler, et d'un coût de fabrication moindre que le précédent. L'invention a pour objet un dispositif anti-bruits notamment pour acoustique sous-marine formé d'un panneau constitué d'un ensemble de structures tubulaires, caractérisé en ce que celles-ci comportent deux plaques en matériau élastique ou viscoélastique, une première plaque reposant sur au moins deux appuis supportés par une deuxième plaque de telle sorte que les zones de contact entre les plaques et deux appuis soient proches du bord des plaques, les plaques étant enrobées par un matériau élastomère pour obtenir une forme de tube,et l'espace interne délimité par l'enrobage étant rempli d'un gaz. Le dispositif anti-bruits selon l'invention est aussi caractérisé en ce que le matériau utilisé pour réaliser les plaques est un métal, un composite verre-résine ou une matière plastique rigide. Dans un mode de réalisation préféré, les appuis d'une même plaque sont rendus solidaires par des entretoises. Le gaz de remplissage peut être de l'air. Dans une variante de réalisation, le dispositif selon l'invention comporte deux plaques latérales assurant l'étanchéité et/ou des joints associés. Dans une autre variante, le dispositif selon l'invention présente une butée évitant sa destruction en cas de pression extérieure trop élevée. Dans un autre mode de réalisation, une plaque est combinée à un réflecteur dur dans un panneau. Les éléments qui constituent le dispositif , en particulier le réflecteur dur , peuvent être incurvés de façon à suivre la courbure de la surface de la structure support qui doit la recevoir. Les performances acoustiques du dispositif sont quasiment indépendantes de la pression hydrostatique, ce qui est un avantage important par rapport à d'autres barrières remplissant le même rôle, dont celles des deux premiers dispositifs décrits précédemment. Avantageusement, le dispositif de la présente invention possède une faible compressibilité hydrostatique, de l'ordre de quelques pour cent pour une pression de 50 bars, ce qui est très favorable pour des applications sous-marines. La description et les figures ci-après représentent des exemples de réalisation mais n'ont aucun caractère limitatif La figure l est une coupe transversale d'une structure d'antenne de réception pour l'acoustique sous-marine; La figure 2 représente une barrière acoustique formée d'un réseau de tubes placés parallèlement les uns par rapport aux autres; La figure 3 représente la section d'un tube élastique de section proche d'un ovale selon l'état de la technique; La figure 4 est une vue en coupe d'un tube selon la présente invention; s Les figures 5 et 6 sont des vues en coupe d'autres versions de tubes selon l'invention; La figure 7 présente des courbes de résultats expérimentaux; La figure 8 est une vue en coupe d'une autre possibilité de réalisation du dispositif, intégrant un réflecteur dur. La figure 1 montre un panneau de barrière acoustique 1 permettant de protéger un élément d'antenne de réception Sonar 2 vis à vis des bruits (pression acoustique) 3 rayonnés par la structure support 4. Entre l'antenne et la barrière acoustique, on place souvent une plaque de réflecteur dur 5, qui a pour but d'améliorer la réponse des capteurs de l'antenne par rapport à la pression acoustique à détecter provenant du milieu extérieur 7. Dans une autre application, comme indiqué précédemment, cette structure ou dispositif l pourrait ne pas supporter d'antenne ni de réflecteur dur et ne servir alors qu'à isoler la structure support 4 du milieu ambiant 7 en plaçant par exemple des dispositifs élémentaires 1 les uns à côté des autres de façon à recouvrir partiellement ou totalement cette structure support. La figure 2 montre la constitution d'un panneau de barrière acoustique 1 par juxtaposition parallèlement les uns aux autres de tubes.Les tubes juxtaposés sont simplement positionnés dans un cadre métallique ou bien dans un moule rectangulaire dans lequel on coule une résine souple par exemple de polyuréthane dans laquelle les tubes sont noyés. La forme du panneau peut être éventuellement incurvée de façon à s'adapter à la forme de la structure support 4 lorsque celle-ci n'est pas plane, et par exemple cylindrique. La figure 3 représente la section ovale d'un tube élastique 8 selon l'état de la technique. La figure 4 représente un tube 9 dit tube "à bords appuyés", faisant l'objet de la présente invention, vu en coupe perpendiculairement par rapport à son axe. Celui-ci comporte deux plaques 10 en matériau élastique disposées parallèlement, une première plaque reposant sur deux appuis li supportés par une deuxième plaque, et un enrobage 12 en matériau de type élastomère ou caoutchouc.La zone de contact entre les plaques et les deux appuis est proche des bords de plaques. La section des plaques peut ne pas être rectangulaire. Les plaques 10 et les appuis 11 sont constitués dans un matériau élastique ou viscoélastique et possédent une résistance mécanique.Ils peuvent être, par exemple, de type métallique, plastique rigide ou composite fibre-résine.Les plaques sont découpées dans un panneau de 1 m2. Les appuis 11 doivent être conçus de telle sorte que les plaques 10 puissent reposer et fléchir librement : il n'y a donc pas de lien de type collage ou soudage entre ces éléments.On peut disposer des appuis intermédiaires entre bords de plaques. L'intérieur de la structure 13 est occupé par de l'air ou tout autre gaz pressurisé ou non. L'ensemble est surmoulé par une couche de matériau de type élastomère ou caoutchouc 12, dont la seule fonction est d'assurer l'étanchéité et de protéger les matériaux constituant les plaques et les appuis des agressions physico-chimiques de l'environnement marin. La longueur des tubes doit être nettement plus grande que les dimensions de leur section, afin de ne pas nuire à l'efficacité acoustique du dispositif : par exemple, si la largeur de la section est de 10 centimètres, la longueur des tubes doit être de l'ordre de 1 mètre. Les plaques 10 du dispositif sont principalement soumises à des efforts de flexion induits par les forces de pression statique et acoustique du milieu ambiant 7 et du milieu interne 13. En première approximation, et en négligeant l'effet du milieu interne, la valeur maximum SmaX des contraintes de flexion dans les plaques 10 a pour expression Smax = 3 Pmax (b/h)2 où h est l'épaisseur des plaques, b leur demi-largeur, et Pmax la valeur maximum de la pression statique externe. D'autre part, l'efficacité acoustique du dispositif est maximum lorsqu'une faible excitation acoustique 3 entraîne une amplitude importante des mouvements vibratoires de la plaque. Ceci se produit pour des valeurs de la fréquence de l'excitation acoustique proches de la première fréquence de résonance fres du dispositif, donnée de façon approchée par l'expression où E, v, p sont respectivement le module d'Young, le coefficient de Poisson et la masse volumique du matériau constituant les plaques 10. Après sélection du matériau constituant les plaques, de la fréquence fres et de l'immersion maximum Zrnax pour laquelle on souhaite que le dispositif soit efficace, les dimensions h et b des plaques d'un tube 9 sont déterminées par combinaison des expressions précédentes, et sont données par les formules suivantes Par ailleurs, SmaX et Pmax vérifient Pmax = zmax x 104, Smax = Slim / C5, où C5 est un coefficient de sécurité et Slim la valeur limite des contraintes de flexion. La variation volumique des tubes 9 soumis à la pression hydrostatique a pour expression où 1 est la hauteur de la section des tubes. En utilisant des matériaux courants (acier, composites fibre-résine...) pour constituer le matériau des plaques , les valeurs de compressibilité statique obtenues sont seulement de l'ordre de quelques pour cent à 50 bars. D'autre part, même lorsque les plaques fléchissent sous l'action de la pression externe, la valeur de la fréquence de résonance fres n'est pratiquement pas modifiée, et en conséquence, les performances acoustiques du dispositif sont indépendantes de l'immersion, tant que l'immersion maximum Zmax n'est pas atteinte. Par rapport aux tubes élastiques 8 de l'état de la technique,les tubes 9 selon l'invention de même matériau constitutif et de même taille de section de tube, conduisent à un faible coefficient de transmission pour une bande de fréquence plus large et située à plus basse fréquence que pour les tubes 8. La figure 5 représente un autre exemple de tube 9 vu en coupe perpendiculaire par rapport à son axe, dans lequel deux appuis extrêmes 11 de bords de plaques sont rendus solidaires par des entretoises 14, de façon à éviter le désassemblage du dispositif lorque celui-ci est soumis à une forte valeur de pression externe. La liaison entre les appuis et les entretoises empêche notamment les appuis de pivoter autour de leur axe. Les appuis et les entretoises peuvent constituer éventuellement une seule et même pièce mécanique, par exemple un profil rectiligne en forme de H. D'autre part, des plaques latérales 15 éventuellement associées à des joints 16 permettent d'améliorer l'étanchéité du dispositif. La figure 6 représente un autre exemple de tube 9 vu en coupe perpendiculaire par rapport à son axe, dans lequel la forme des entretoises 14 présente éventuellement une butée 17 évitant la rupture du matériau des plaques lorsque l'immersion zmax est dépassée. Il suffit en effet que l'espacement entre la partie supérieure de la butée 17 et la face interne des plaques 10 soit égal à la flèche de la plaque 10 lorsque celle-ci se déforme sous l'effet de la pression externe entre l'immersion nulle et l'immersion maximum. Un panneau ou dispositif anti-bruits d'environ un mètre carré de surface et 5 centimètres d'épaisseur, constitué de 10 tubes juxtaposés, a été réalisé pour tester le principe de la présente invention suivant l'exemple de la figure 5. Les plaques 10 étaient réalisées en PVC rigide, d'épaisseur h = 15 mm et de demi-largeur b = 32,5 mm. Le résultat de ces essais est représenté sur la figure 7, qui donne les courbes du coefficient de transmission du panneau 1 en fonction de la fréquence, lorque celui-ci est soumis à une onde acoustique plane en incidence normale, et ce pour différentes valeurs de pression hydrostatique, correspondant à des immersions égales en surface à la pression atmosphérique (courbe 191), puis de 150 mètres (courbe 192), 300 mètres (courbe 193), 450 mètres (courbe 194). On observe une très bonne efficacité acoustique entre 3 et 9 kHz, avec très peu de variation entre une immersion et une autre. Par ailleurs, il a été indiqué précédemment que les panneaux de barrière acoustique étaient souvent utilisés conjointement à d'autres couches de matériaux, comme des réflecteurs durs, des couches d'enrobage, ou des dômes protecteurs. La réflecteur dur 5, dans le cas de la présente invention, peut alors être facilement intégré à la barrière acoustique à tubes "à bords appuyés". Pour cela, il suffit de fixer directement une série d'appuis 11 sur le réflecteur dur suivant un espacement régulier, de poser les plaques 10 sur les appuis, et enfin de recouvrir l'ensemble d'une couche d'élastomère 12 pour en assurer l'étanchéité. Un exemple de dispositif de ce type est représenté en coupe sur la figure 8 Comme précédemment, cette structure peut être éventuellement incurvée pour se conformer à la structure support 4. Le nombre d'appuis peut être réduit à deux, si l'on dispose comme sur les figures 5 et 6 des entretoises entre deux appuis de bords de plaques extrêmes. Le fonctionnement du dispositif, tant du point de vue acoustique que de la résistance à la pression hydrostatique, est déterminé par la nature et les dimensions des plaques 10. Il est le suivant : autour d'une certaine fréquence de résonance liée aux largeur b et h des plaques et aux caractéristiques mécaniques du matériau élastique, lesdites plaques sont aisément mises en vibration par toute onde acoustique incidente sur la barrière. Cette dernière se comporte alors comme un réflecteur ou écran acoustique très efficace. REVENDICATIONS 1. Dispositif anti-bruits notamment pour acoustique sous-marine formé d'un panneau (1) constitué d'un ensemble de structures tubulaires (9), caractérisé en ce que celles-ci comportent deux plaques (10) en matériau élastique ou viscoélastique, une première plaque reposant sur au moins deux appuis (11) supportés par une deuxième plaque de telle sorte que les zones de contact entre les plaques et deux appuis soient proches du bord des plaques, les plaques étant enrobées par un matériau élastomère pour obtenir une forme de tube,et l'espace interne délimité par l'enrobage étant rempli d'un gaz. 2. Dispositif anti-bruits suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau utilisé pour réaliser les plaques (10) est un métal, un composite verre-résine ou une matière plastique rigide. 3. Dispositif anti-bruits suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les appuis (11) d'une même plaque (10) sont rendus solidaires par des entretoises (14). 4. Dispositif anti-bruits suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le gaz de remplissage est de l'air. 5. Dispositif anti-bruits suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte deux plaques latérales (15) assurant l'étanchéité et/ou des joints associés(16). 6. Dispositif anti-bruits suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il présente une butée (17) évitant sa destruction en cas de pression extérieure trop élevée. 7. Dispositif anti-bruits pour l'acoustique sous-marine formé d'un panneau (1) selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une plaque (10) en matériau élastique ou viscoélastique, reposant sur au moins deux appuis supportés par un réflecteur dur (5) de telle sorte que les zones de contact entre la plaque et deux appuis soient proches du bord de la plaque, la plaque et le réflecteur dur étant enrobées par un matériau élastomère,et l'espace interne délimité par l'enrobage étant rempli d'un gaz. 8. Dispositif anti-bruits suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les éléments qui le constituent, en particulier le réflecteur dur (5), sont incurvés de façon à suivre la courbure de la surface d'une structure support (4) qui doit la recevoir.