Brevet FR2726681A1 — publié le 19960510

DISPOSITIF D'ATTENUATION ACOUSTIQUE A DOUBLE PAROI ACTIVE La présente invention concerne un dispositif d'atté- nuation acoustique du type comprenant deux plaques sensible- ment parallèles délimitant un espace de forme rectangulaire, des moyens de détection de bruit disposés entre les deux plaques, des moyens d'émission de contre-bruits disposés entre les deux plaques, et des moyens de régulation pour commander les moyens d'émission de contre- bruits de manière à minimiser une grandeur fournie par les moyens de détection de bruit. L'invention a des applications par exemple dans le domaine de l'isolation phonique de locaux, dans la réali- sation de capotages pour équipements bruyants, ou dans le domaine de l'isolation des habitacles de moyens de trans- port. Une application importante est dans la réalisation de doubles vitrages. Un dispositif du type indiqué ci-dessus, dit double paroi active, repose sur le principe de fonctionnement rappelé ci-après. La fréquence de résonance masse-ressort-masse d'une paroi double constituée par deux plaques rectangulaires parallèles séparées par une lame d'air d'épaisseur d est donnée par la relation: 1 Po_ (1 fmrm = ((l+ m) (1) avec: Po: masse volumique du milieu situé entre les plaques (1,18 Kg/m3 dans le cas de l'air). co: célérité du son dans le milieu situé entre les plaques (340 m/s dans le cas de l'air). poC2: rigidité de la lame d'air d ml,m2: masse surfacique des plaques (en kg/m2) Cette fréquence de résonance est généralement comprise entre 50 et 250 Hz. Globalement, pour une fréquence f donnée, on considère le comportement acoustique d'une paroi double de la manière suivante: - f comporte comme une paroi simple de masse équivalente. - f = fmrm: les deux plaques, fortement couplées par la lame d'air, vibrent en opposition de phase. Ceci se traduit par de fortes variations de volume de la lame d'air (phénomène de respiration" des plaques) et par une faible isolation acoustique par la double paroi. - f > fmrm: les mouvements des deux plaques sont découplés par la lame d'air. L'isolation acoustique de la paroi augmente alors rapidement avec la fréquence. Le dispositif d'atténuation vise à compenser la fai- ble isolation acoustique procurée par la double paroi au voisinage de fmrm Le principe consiste à empêcher -via un système électro- acoustique- toute variation de volume de la lame d'air. Le champ de pression acoustique dans la lame d'air peut s'écrire sous la forme d'une série modale: p(xYz, y t), z, z) =. eût (2) 0 m- O n-o avec: Clmn: amplitude du mode 1,m,n e1mn: base modale associée à la cavité considérée. Dans le cas d'une lame d'air de forme parallélépipédique: 4'n "(x,y, z) =cos (lxx/Lx) cos (rrmy/Ly) cos (nxz/Lz) (3) Lx,Ly,Lz(=d): dimensions de la lame d'air (: pulsation (= 2nf) x,y: coordonnées spatiales parallèlement aux plaques z: coordonnée spatiale perpendiculairement aux plaques t: temps. La fréquence propre f1mn d'un mode d'indices (l,m,n) de la lame d'air est donnée par la relation: c0 1 (xJnt 2 nir (4) ZJfiç22 LX),L" Lz La variation de volume de la lame d'air est directe- ment proportionnelle à l'amplitude du mode (0,0,0) sans que l'amplitude des autres modes au voisinage de la fréquence de résonance de la paroi fmrm ne soit affectée. Or il est difficile de mesurer et d'exciter uniquement ce mode par des actions qui, a priori, font intervenir l'ensemble des modes. En effet, l'expression de la pression acoustique donnée ci- dessus (2) montre que la mesure effectuée par un microphone inclura les réponses d'autres modes que le mode (0,0,0). Il est souhaitable, pour obtenir une atténuation efficace, de réduire la contribution dans la grandeur à minimiser des modes de fréquence basse autres que le mode (0,0,0), et de faire en sorte que les moyens d'émission de contre-bruits excitent le mode (0,0,0) de façon prépondé- rante en excitant le moins possible les autres modes de la lame d'air. C'est un but de l'invention que d'améliorer ainsi l'efficacité de l'atténuation fournie par un dispositif à double paroi active. Dans ce but, l'invention propose un dispositif d'atténuation acoustique du type indiqué au début, carac- térisé en ce que les moyens d'émission de contre-bruits comprennent quatre actionneurs dont les positions respec- tives parallèlement aux plaques correspondent approximati- vement aux milieux des côtés de la forme rectangulaire dudit espace intérieur, en ce que les moyens de détection de bruit comprennent quatre capteurs dont les positions respectives parallèlement aux plaques correspondent approximativement aux quatre points situés sur les plus grands côtés de la forme rectangulaire dudit espace intérieur et distants chacun d'un quart de la longueur d'un grand côté par rapport à un coin de ladite forme rectangulaire, en ce que les quatre actionneurs sont commandés en phase, et en ce que la grandeur à minimiser est représentée par la somme des signaux de sortie des quatre capteurs. Avec cette disposition, les capteurs et les action- neurs n'interagissent pratiquement pas avec les modes d'ordre impair de l'espace situé entre les deux plaques (c'est-à-dire les modes dont les indices sont du type (l,m,n) avec 1 ou m impair), ni avec le mode (2,0, 0) qui est celui ayant la fréquence propre la plus basse parmi les modes d'ordre pair autre que le mode (0,0,0). On peut donc obtenir un contrôle satisfaisant du mode (0,0,0) sans affecter sensiblement l'efficacité de l'atténuation par l'excitation de modes à basse fréquence propre. Dans une autre forme de réalisation de l'invention reposant sur le même principe, les positions respectives des capteurs et des actionneurs sont interverties, c'est-à-dire que les moyens de détection de bruit comprennent quatre cap- teurs dont les positions respectives parallèlement aux plaques correspondent approximativement aux milieux des côtés de la forme rectangulaire dudit espace intérieur, et que les moyens d'émission de contre-bruits comprennent quatre actionneurs dont les positions respectives parallèle- ment aux plaques correspondent approximativement aux quatre points situés sur les grands côtés de la forme rectangulaire dudit espace intérieur et distants chacun d'un quart de la longueur d'un grand côté par rapport à un coin de ladite forme rectangulaire. Les deux modes de réalisation ci-dessus ont l'avan- tage que les capteurs et les actionneurs sont situés sur les bords des plaques. Cet avantage est important lorsque les plaques sont transparentes ou lorsque l'espace interplaques n'est pas aisément accessible (double paroi préfabriquée par exemple). Il n'est pas nécessaire de prévoir une structure particulière entre les plaques pour soutenir les actionneurs ou les capteurs. On a également constaté qu'il était avantageux qu'un gaz plus léger que l'air, par exemple de l'hélium, occupe l'espace intérieur situé entre les deux plaques. Cette dimi- nution de la densité du milieu situé entre les plaques entraîne une augmentation de la célérité du son dans ce milieu et donc une augmentation des fréquences propres associées aux différents modes (cf.formule (4)). Il en ré- sulte une moindre contribution à la transmission acoustique des modes autres que le mode (0,0,0), et donc une meilleure atténuation par le contrôle sélectif du mode (0,0,0). D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description ci-après d'un exemple de réalisation préféré mais non limitatif. Aux dessins annexes: - la figure 1 représente schématiquement un dispositif d'atténuation acoustique selon l'invention, vu en coupe suivant la ligne I indiquée sur la figure 2; - la figure 2 est une vue schématique illustrant la position des capteurs et des actionneurs du dispositif de la figure 1; - la figure 3 est un graphique montrant l'atténuation acoustique que peut procurer un dispositif tel que celui des figures 1 et 2; - la figure 4 est un graphique illustrant une gamme de paramètres préférés dans un dispositif selon l'invention; et - les figures 5A à 5F sont des graphiques montrant l'atténuation acoustique qu'on peut obtenir avec différents exemples de constitution des plaques. Le dispositif représenté à la figure 1 constitue une double paroi active utilisable pour procurer une isolation acoustique entre les espaces situés de part et d'autre de la paroi. La paroi comprend deux plaques rectangulaires paral- lèles 10, 11 délimitant entre elles un espace intérieur 12 de forme rectangulaire. Les plaques sont représentées planes sur la figure. On comprendra toutefois qu'elles pourraient présenter une certaine courbure, tout en restant sensi- blement parallèles. Des capteurs 13 et des actionneurs 14 sont disposés entre les deux plaques 10, 11 pour respecti- vement détecter les bruits régnant dans l'espace 12 et émettre des contre-bruits dans l'espace 12. Les capteurs 13 et les actionneurs 14 sont placés sur les bords de l'espace intérieur 12. La disposition des capteurs 13 et des actionneurs 14 parallèlement aux plaques est illustrée à la figure 2. Les actionneurs 14 sont au nombre de quatre et disposés aux quatre points constituant les milieux des côtés de l'espace rectangulaire 12. Les cap- teurs 13 sont au nombre de quatre et disposés chacun sur un grand côté de l'espace rectangulaire 12, à une distance d'un quart de la longueur d'un grand côté par rapport à un coin. Les capteurs 13 peuvent être des microphones à élec- trets choisis pour avoir des caractéristiques de sensibilité et de phase ne variant pas plus de 1 % d'un capteur à l'autre. Les actionneurs 14 peuvent être des haut-parleurs. Un exemple de haut-parleur utilisable est le modèle AUDAX BMX 400 qui représente un bon compromis entre le débit volumique et l'encombrement (puissance nominale 15 W, fréquence de résonance de l'ordre de 150 Hz, diamètre extérieur 77,8 mm, masse totale 290 g). Une unité de régulation 18 et prévue pour commander les actionneurs 14 de manière à minimiser un signal d'erreur e fourni par les capteurs 13. Le signal d'erreur à minimiser est constitué par la somme amplifiée des signaux de sortie des quatre capteurs 13, délivrée par un sommateur 22. L'unité de régulation 18 comprend un processeur de traite- ment de signal 23 programmé de façon connue pour appliquer l'algorithme du gradient (LMS) avec référence filtrée. Ce mode de filtrage adaptatif à réponse impulsionnelle finie est bien connu dans le domaine de l'annulation de bruit (voir par exemple les ouvrages "Traitement numérique du signal par M. Bellanger, Editions Masson, Paris 1981; et "Adaptive signal processing" par B. Widrow et S.D. Stearns, Prentice Hall, 1985). Un microphone de référence 24, situé du côté de la source des bruits à atténuer, fournit un signal de référence qui est appliqué à un filtre passe-bande 21 dont la sortie, adressée au processeur 23, est soumise au filtrage à réponse impulsionnelle finie. Les coefficients du filtre sont mis à jour à chaque cycle d'échantillonnage pour minimiser le signal d'erreur e. Le processeur 23 adresse alors le même signal de commande aux actionneurs 14, de sorte que les actionneurs 14 sont commandés en phase. Dans un exemple de réalisation typique, les deux plaques 10, 11 sont réalisées en plexiglass et ont pour masse surfacique ml=m2=6 kg/m2. Elles délimitent un espace intérieur 12 d'épaisseur d=5 cm dont la forme rectangulaire a des côtés de longueur LX=l,6 m et Ly,=l,2 m. L'espace 12 étant rempli d'air, la fréquence de résonance masse-ressort- masse (formule (1)) vaut fmrm=150 Hz. La fréquence critique des plaques est de 6 400 Hz. Les fréquences de résonance des premiers modes pairs de la lame d'air (formule (2)) sont données au tableau I. (l,m,n) (2,0,0) (0,2,0) (2,2,0) (4,0,0) (4,2,0) flmn(HZ) 216 290 362 434 522 TABLEAU I La somme des signaux de sortie des quatre capteurs, qui représente le signal e à minimiser, reflète la réponse du mode (0,0,0) de l'espace 12 situé entre les plaques 10, 11. Dans le signal d'erreur e, il n'y a pratiquement pas de contribution des modes d'ordre impair (l,m,n) avec 1 ou m impair compte tenu de la disposition symétrique des cap- teurs, ni du mode d'ordre pair de fréquence propre la plus basse (2,0,0). Hormis le mode (0,0,0), le mode contribuant au signal e et ayant la fréquence propre la plus basse est le mode (4,0,0) si Lx 2 2Ly ou le mode (0,2,0) si Lx Mais la fréquence propre de ce mode est relativement éloignée de la fréquence de résonance fmrm, de sorte que l'influence de ce mode et des modes d'indices supérieurs sur la transmission acoustique n'est pas déterminante. Du fait de leurs positions, les actionneurs comman- dés en phase n'excitent pratiquement pas les modes d'ordre impair, ni les modes (2,0,0) et (0,2,0). Ainsi, l'excitation des actionneurs 14 agit principalement pour compenser la transmission par le mode (0,0,0) sans augmenter sensiblement les amplitudes des autres modes de basse fréquence propre. La figure 3 montre des résultats de simulations de l'atténuation acoustique procurée par le dispositif de la figure 1 (sans le filtre 21) dans l'exemple des paramètres indiqués ci-dessus. La courbe en trait interrompu correspond aux valeurs de l'indice d'affaiblissement R en fonction de la fréquence f du bruit à atténuer dans le cas ou il y a un contrôle actif du mode (0,0,0), et la courbe en trait plein correspond aux mêmes valeurs en l'absence de contrôle actif. On voit que le contrôle actif selon l'invention augmente sensiblement l'indice d'affaiblissement dans la gamme des basses fréquences voisines de la fréquence de résonance fmrm' Pour les fréquences éloignées de fmrm, il n'y a pas toujours une amélioration de l'indice d'affaiblissement et, dans certains cas, il peut même se produire une légère dété- rioration. C'est pourquoi on prévoit le filtre passe-bande 21 dans l'unité de régulation 18. Ce filtre 21, auquel est appliqué le signal de référence avant le filtrage à réponse impulsionnelle finie, laisse passer les fréquences pour les- quelles le contrôle du mode (0,0,0) a un effet favorable sur l'indice d'affaiblissement, c'est-à-dire les fréquences com- prises entre fmrm/2 et min(2 fmrm f200), f200 désignant la plus petite fréquence propre des modes d'ordre pair: f200 = c0/max(Lx, L), o c0 désigne la célérité du son dans le milieu situé entre les deux plaques 10, 11. On comprendra que diverses modifications de l'exem- ple décrit ci-dessus en référence aux figures 1 et 2 sont envisageables sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, il est possible d'intervertir les positions respectives des capteurs et des actionneurs (figure 2) en obtenant un aussi bon contrôle sélectif du mode (0,0,0). Il est également possible de garnir l'intérieur des plaques avec un isolant phonique tel que de la laine de verre. On peut encore utiliser un mode de régulation autre que le filtrage adaptatif précédemment décrit. Dans un mode de réalisation particulièrement avanta- geux, l'espace 12 situé entre les plaques 10, 11 est occupé par un gaz plus léger que l'air. Ceci augmente la célérité du son dans le milieu situé entre les plaques, ce qui dimi- nue la densité des modes propres aux basses fréquences (for- mule (4)), tandis que la fréquence de résonance fmrm n'est que peu modifiée. La contribution relative du mode (0,0,0) à la transmission acoustique est alors augmentée de sorte que l'efficacité du contrôle actif de ce mode est améliorée. Cet effet est d'autant plus marqué que le gaz est léger. L'hélium est donc un exemple préféré pour ce gaz. Cet effet se produit également pour des configurations des capteurs et des actionneurs autres que celle représentée à la figure 2. Ainsi, dans le cas de la double paroi indiqué ci-dessus à titre d'exemple et avec une configuration à quatre capteurs et un actionneur central, le demandeur a mesuré expérimenta- lement les indices d'affaiblissement moyens Rm, en dB(A), donnés au tableau II lorsque l'espace 12 est rempli d'air ou d'hélium. Ces mesures ont été effectuées avec deux types de bruit à atténuer: un bruit rose et un bruit routier. On constate que l'amélioration de l'atténuation fournie par l'hélium est nettement plus importante lorsqu'on met en oeuvre le contrôle actif du mode (0,0,0). bruit rose bruit routier Rm (dB(A)) Rm (dB(A)) sans contrôle 33 27 air actif avec contrôle 40 35 actif sans contrôle 35 28 hélium actif avec contrôle 49 43 actif TABLEAU II ll Le demandeur a réalisé de nombreuses simulations pour déterminer les paramètres des plaques donnant lieu à une bonne atténuation acoustique par le contrôle du mode (0,0,0). Sur la figure 4, on a représenté en hachuré le domaine de paramètres fournissant les meilleures caractéristiques d'atténuation. Le domaine correspond aux constitutions des plaques pour lesquelles la transmission acoustique autour de la fréquence de résonance fmrm est essentiellement régie par le mode (0,0,0). Il correspond aux relations: fc / (LxLy)2 > 800 et fmrm 300 et fmrm fmrm est la fréquence de résonance masse-ressort- masse donnée par la formule (1); et f200 = c0/max(Lx, Ly) est la fréquence propre du mode pair de la cavité ayant la plus faible fréquence propre. Des exemples de courbes d'atténuation (indice d'affaiblissement R en fonction de la fréquence) obtenues en simulant diverses constitutions des plaques sont représentés aux figures 5A à 5F qui correspondent respectivement aux points A à F sur le diagramme de la figure 4. Les courbes en trait plein illustrent l'indice d'affaiblissement en l'absence de contrôle actif, et les courbes en trait interrompu illustrent l'indice d'affaiblissement simulé en soustrayant la contribution du mode (0,0,0). Les configurations des plaques sont présentées au tableau III ci-dessous. On peut constater aux figures 5A à 5F que les cas (C,E et F) pour lesquels sont vérifiées les relations (5) ou (6) sont ceux conduisant à l'amélioration la plus importante de l'atténuation autour de la fréquence de résonance fmrm Un contrôle actif utilisant une configuration de capteurs et d'actionneurs qui fournisse une approximation satisfaisante de la réponse du mode (0,0,0) conduira à une amélioration sensible de l'atténuation lorsque les matériaux et les dimensions des plaques obéissent aux relations (5) ou (6). cO (Ol l ll l (O9 0 L9 ' 0: 'I 8 ú 'O0 6 '0 9P '0 0 0/:; N ( u,/ZH) 000 tZ 000 ú 006 OSS 0oTT 0ú x S 0'0 9 0'0:T0' ' 05 0'0 SO '000 (uI) p L'O 0 ú ú'lI ú z (u) kXiq 8'L 8'L L'il 9's1 L'il 9's1 (zui/b) u 9WagUIOli5B g:;puIolbfie sanbed :aFtoe:ETDP eToF 3 sToq 9oA STOq sap nieT:lleu a 3S ciS D S s ainbT; REVENDICATIONS 1. Dispositif d'atténuation acoustique, comprenant deux plaques (10,11) sensiblement parallèles délimitant un espace intérieur (12)de forme rectangulaire, des moyens de détection de bruit (13) disposés entre les deux plaques, des moyens d'émission de contre-bruits (14) disposés entre les deux plaques, et des moyens de régulation (18) pour commander les moyens d'émission de contre-bruits de manière à minimiser une grandeur (e) fournie par les moyens de détection de bruit, caractérisé en ce que les moyens d'émission de contre-bruits comprennent quatre actionneurs (14) dont les positions respectives parallèlement aux plaques (10,11) correspondent approximativement aux milieux des côtés de la forme rectangulaire dudit espace intérieur (12), en ce que les moyens de détection de bruit comprennent quatre capteurs (13) dont les positions respectives parallèlement aux plaques (10,11) correspondent approxima- tivement aux quatre points situés sur les grands côtés de la forme rectangulaire dudit espace intérieur (12) et distants chacun d'un quart de la longueur d'un grand côté par rapport à un coin de ladite forme rectangulaire, en ce que les quatre actionneurs (14) sont commandés en phase, et en ce que la grandeur à minimiser est représentée par la somme des signaux de sortie des quatre capteurs (13). 2. Dispositif d'atténuation acoustique, comprenant deux plaques (10,11) sensiblement parallèles délimitant un espace intérieur (12) de forme rectangulaire, des moyens de détection de bruit (13) disposés entre les deux plaques, des moyens d'émission de contre-bruits (14) disposés entre les deux plaques, et des moyens de régulation (18) pour commander les moyens d'émission de contre-bruits de manière à minimiser une grandeur (e) fournie par les moyens de détection de bruit, caractérisé en ce que les moyens de détection de bruit comprennent quatre capteurs dont les positions respectives parallèlement aux plaques (10, 11) correspondent approximativement aux milieux des côtés de la forme rectangulaire dudit espace intérieur (12), en ce que les moyens d'émission de contre-bruits comprennent quatre actionneurs dont les positions respectives parallèlement aux plaques (10,11) correspondent approximativement aux quatre points situés sur les grands côtés de la forme rectangulaire dudit espace intérieur (12) et distants chacun d'un quart de la longueur d'un grand côté par rapport à un coin de ladite forme rectangulaire, en ce que les quatre actionneurs (14) sont commandés en phase, et en ce que la grandeur à minimiser est représentée par la somme des signaux de sortie des quatre capteurs (13). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les matériaux et les dimensions des plaques (10,11) sont choisis de façon que soient vérifiées les relations: fc / (LxLy)2 > 800 et fmrm 300 et fmrm fmrm est la fréquence de résonance du système masse- ressort-masse constitué par les deux plaques (10,11) et le milieu situé entre elles, et f200 est une fréquence propre donnée par la formule f200 = cO / max (Lx, Ly), o co désigne la célérité du son dans le milieu situé entre les deux plaques (10,11). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur (24) fournissant un signal de référence, et un filtre passe-bande (21) auquel est appliqué le signal de référence, la sortie du filtre passe-bande (21) étant soumise à un filtrage adaptatif à réponse impulsionnelle finie pour commander les actionneurs (14), le filtre passe- bande (21) laissant passer les fréquences comprises entre fmrm/2 et min(2 fmrm, f200), O fmrm est la fréquence de résonance du système masse- ressort-masse constitué par les deux plaques (10,11) et le milieu situé entre elles, et f200 est une fréquence propre donnée par la formule f200 = cO / max (Lx,Ly), o co désigne la célérité du son dans le milieu situé entre les deux plaques, et Lx et Ly désignent les longueurs des côtés de la forme rectangulaire de l'espace intérieur (12) situé entre les deux plaques (10,11). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'un gaz plus léger que l'air occupe l'espace intérieur (12) situé entre les deux plaques (10,11). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit gaz plus léger que l'air est de l'hélium.