Brevet FR2739213A1 — publié le 19970328

La présente invention concerne un procédé d'atténuation de l'amplitude de l'onde de pression rayonnée par la surface d'un matériau soumis à des vibrations d'origine mécanique et/ou acoustique au niveau d'une surface incidente ou réflèchie par cette dernière. La présente invention concerne également le matériau réalisé en application du procédé objet de l'invention. Lorsqu'une paroi est soit soumise à une onde de pression incidente, soit mise en vibration par des moyens mécaniques, l'onde de pression incidente où les vibrations se transmettent à travers la structure du matériau depuis sa surface incidente jusqu'à sa surface rayonnante. L'invention concerne aussi bien les ondes acoustiques que le domaine des ondes infrasonores et ultrasonores. L'invention vise à réduire l'amplitude des ondes transmises en évitant à un système mécanique vibrant de générer une onde acoustique dans le milieu qui l'entoure, ou en séparant une zone bruyante d'une autre zone, soit pour séparer deux zones ne devant pas communiquer, soit pour isoler un appareil bruyant, soit pour protéger un système sensible contre les vibrations mécaniques induites par les ondes de pression. Les gains obtenus par l'invention peuvent aller jusqu'à quelques dizaines de décibel dans le cas des ondes acoustiques. Pour diminuer l'énergie par exemple acoustique transmise par une paroi, plusieurs solutions sont utilisées à ce jour. La première solution consiste à augmenter la masse des parois séparant la source sonore de la zone à protéger. Cette solution est efficace sur une large bande de fréquences. Un doublement de la masse de parois permet un gain d'environ 4dB (décibels) ; mais entraine un encombrement accru et un surplus de masse. I1 est difficile d'utiliser cette solution lorsque des gains de plusieurs dizaines de dB sont recherchés. Un autre moyen pour réaliser de fortes isolations acoustiques est le recours aux parois multiples. Par exemple, une paroi double composée d'une première paroi, d'un vide d'air ou d'un matériau souple et d'une seconde paroi. Ce type de complexe permet d'augmenter l'isolation acoustique sans augmenter de façon trop importante la masse, si le matériau souple est de très faible densité. Toutefois, une telle solution implique souvent l'utilisation de complexes souples d'épaisseur importante. On peut aussi envisager l'utilisation de matériaux poreux pour réaliser une isolation acoustique. L'énergie contenue dans l'onde acoustique incidente est dissipée par augmentation de la viscosité apparente du milieu par rapport à l'air à l'intérieur des pores du matériau. Ce type de solution nécessite une bonne adéquation entre la taille des pores et les composantes fréquentielles principales présentes dans le spectre du bruit dont on veut éviter la transmission ou la réflexion. Cette solution implique aussi l'utilisation de structures relativement épaisses. Le but de cette invention est de proposer une solution qui donne une atténuation acoustique très importante (plusieurs dizaines de dB) grâce à un matériau de faible épaisseur. Cette invention permet ainsi de réaliser des isolations acoustiques très importantes pour une masse supplémentaire relativement faible. Un autre but de l'invention est d'éviter la mise en vibration du matériau. A cet effet, le procédé, selon 1 invention, d'atténuation de l'amplitude de l'onde de pression rayonnée par la surface d'un matériau soumis à des vibrations, d'origine mécanique et/ou acoustique, au niveau d'une surface incidente, ledit matériau étant composé d'une structure élastique pesante de conformation anisotrope se caractérise essentiellement en ce que par conformation de la géométrie interne de la structure du matériau sont réalisées une déviation et une localisation des vibrations internes à la structure. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la modification du sens de vibration de l'onde s'effectue depuis un sens principalement perpendiculaire à la surface incidente jusqu'à un sens principalement parallèle ou voisin d'une parallèle de la surface rayonnante. Suivant une autre caractéristique du procédé, le sens des vibrations de l'onde est transformé de linaire en rotatif ne générant pas d'onde acoustique. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la structure interne du matériau entre la surface incidente et la surface rayonnante est constituée par la combinaison par assemblage et/ou superposition et/ou juxtaposition de motifs géométriques en plusieurs dimensions conférant à la structure du matériau une architecture dissymétrique. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaitront à la lecture de la description ciaprès de formes de réalisation de l'invention données à titre d'exemple explicatifs illustrés par les dessins joints dans lesquels - la figure 1 est une vue représentant un schéma de transmission d'une onde à travers un matériau - la figure 2 est un schéma illustrant une forme de réalisation du procédé objet de l'invention ;; - la figure 3 représente un exemple de réalisation d'un matériau mettant en oeuvre le procédé objet de l'invention - la figure 4 représente la propagation de l'onde dans le cas d'un exemple de réalisation représenté à la figure 3 - la figure 5 représente un autre exemple de réalisation d'un matériau mettant en oeuvre le procédé objet de l'invention, - la figure 6 représente une autre forme de réalisation de l'invention, En figure 1 est représenté schématiquement le principe de transmission d'une onde de pression entre deux milieux A et B séparés par un matériau 1 qui peut être une paroi dont la structure interne est anisotrope. L'invention s' applique aux ondes de pression sonores, ultrasonores ou infrasonores ; l'onde sonore énoncée dans la présente description n'est donnée qu'à titre d'exemple. L'onde sonore émise en A génère une pression incidente dont le sens est représenté par la flèche 2. Cette onde est partiellement réflèchie par la surface incidente 3 (flèche 4) et est transmise à travers la structure interne du matériau qu'elle met en vibration jusqu'à la surface rayonnante 5 dont la vibration est transmise au milieu B (flèche 6). Selon la masse et l'épaisseur de la paroi 1, l'onde transmise sera plus ou moins atténuée. Il va de soi que l'onde transmise par la surface rayonnante 5 peut être générée non par une onde sonore émise en A mais par une mise en vibration mécanique du matériau ou de la paroi 1 qui va générer une onde de pression. Le procédé selon l'invention a pour objet l'atténuation de l'onde de pression générée par la surface rayonnante 5 du matériau 1 soumis à des vibrations 2, d'origine mécanique et/ou acoustique, au niveau de la surface incidente 3, ledit matériau étant composé d'une structure élastique pesante de conformation anisotrope. Par matériau à structure élastique, on entend un matériau dont les particules génèrent des efforts proportionnels aux déplacements relatifs qui leurs sont imposés. Lorsqu'un tel matériau est soumis à des efforts variant au cours du temps, ces efforts provenant de sollicitations mécaniques ou d'une onde de pression, les surfaces du matériau répondent par des mouvements qui génèrent des ondes de pression, notamment sonores, qui sont rayonnées par lesdites surfaces. Selon le procédé objet de l'invention, par une conformation de la géométrie interne du matériau est réalisée une déviation de l'onde avec localisation des vibrations et/ou modification des directions des vibrations dans la structure. Comme représenté schématiquement en figure 2, les vibrations 2 qui ont une direction sensiblement perpendiculaire à la surface incidente 3 sont déviées par la géométrie de la structure anisotrope du matériau 1 jusqu'à une direction schématisée par la flèche 7 sensiblement parallèle de la surface rayonnante 5, la transmission du milieu A au milieu B étant de ce fait très sensiblement atténuée (flèche 6). Cette déviation est obtenue par conformation adaptée de la structure ou microstructure du matériau qui transforme des mouvements superficiels de la surface incidente ou des contraintes surfaciques dues à la pression d'une onde onde de pression2, en déformations complexes internes à la partie anisotrope du matériau. Les déformations complexes de la structure interne du matériau sont telles qu'elles minimisent la génération par la surface d'une onde acoustique dans une région de l'espace que l'on cherche à protéger. A titre d'exemple, cette invention peut être appliquée en déviant d'un angle désiré la direction de l'onde vibratoire 2 en transformant la translation des particules de la surface du matériau exposée à la source de vibrations (acoustique et/ou mécanique) en mouvements dans une ou des directions différentes d'autres particules de la structure du matériau qui ne génèrent pas d'onde acoustique transmise au niveau de la zone à protéger. Selon l'invention sont supprimées les zones d'interface du matériau susceptibles de pouvoir générer une onde sonore. En effet, les ondes sonores sont engendrées par une translation de surfaces solides perpendiculaire au contact avec le milieu aérien. L'invention permet de convertir les translations de particules en rotations locales de celles-ci. Les zones du matériau qui sont le siège de rotations internes convertissent ainsi l'énergie acoustique en énergie cinétique et élastique interne sans émission d'onde acoustique. Cette invention repose sur le contrôle des degrés de liberté internes des particules constituant la structure interne du matériau. Le comportement physique auquel répond le matériau revendiqué, peut être modélisé par les équations suivantes si on note X le vecteur d'état des degrés de liberté des particules constituant le matériau (tant intérieurs que surfaciques), le comportement de la structure élastique, pesante du matériau peut être modélisé par une équation différentielle du type (M) (d2X/dt2) + (F) (dX/dt) + (K)X = (S) (P) + (A) avec (M), (F), (K), (S) des matrices dépendant de la nature et de la géométrie de la structure interne, (P) Vecteur de pression acoustique générée par la surface du matériau et (A) vecteur dépendant de la sollicitation imposée au matériau (acoustique et/ou mécanique).A partir de cette équation différentielle, il est possible d'obtenir la fonction de transfert entre l'onde acoustique (P) générée par le matériau et la sollicitation appliquée (A) ; le changement de direction des vibrations passe par l'optimisation de cette fonction de transfert. L'optimisation de la micro-géométrie interne et la nature du matériau permettent une diminution de l'énergie rayonnée par l'onde acoustique (P). Selon l'invention, la structure interne du matériau est telle qu'entre surface incidente et surface rayonnante, elle soit composée d'une combinaison, par juxtaposition ou superposition ou emboitement transversal ou longitudinal de motifs géométriques pluridimensionnels qui réalisent une structure anisotrope dissymétrique, c'est à dire présentant suivant l'un quelconque de ses axes des motifs pleins dissymétriques et des cavités dissymétriques qui contribuent à perturber la transmission de l'onde. L'élément dénommé motif dans la présente description est un corps géométrique entrant dans la composition de la structure du matériau. Ce corps a au moins deux dimensions. Il peut être formé par des assemblages de poutres, de barre, de volumes pleins, de surfaces planes ou de formes plus complexes. En figure 3 est représenté un exemple de réalisation de motifs constituant la structure du matériau entre surface incidente 3 et surface rayonnante 5. Chacun des motifs 8 en forme de poutre est au contact de la surface incidente et de la surface rayonnante et présente deux parties 9 et 10 inclinées et incurvées en sens inverse l'une par rapport à l'autre et formant un angle entre elles. Les motifs 8 sont incurvés en sorte d'être dissymétriques par rapport au moins un plan parallèle à la direction de l'onde de pression incidente. La partie 9 du motif forme un angle aigu avec la surface incidente 3, la partie 10 du motif est cintrée à son extrémité suivant un rayon. Le motif 8 est répété et combiné par juxtaposition autant de fois que souhaité entre les surfaces 3 et 5 avec un intervalle 11 entre chacun des dits motifs définissant des cavités 11 qui sont comme les motifs eux-mêmes également dissymétriques. En figure 4 est représentée schématiquement le parcours et la déviation de l'onde de pression 2, par exemple dans le cas de figure représenté en figure 3. Les vibrations de l'onde schématisée par la flèche 2 sur la surface incidente et perpendiculaire à celle-ci sont déviées par le motif 8 pour s'orienter comme schématisé par la flèche 12 qui indique la direction principale des vibrations en ce point du motif. Les particules situées au milieu du motif au point B répondent en effet aux sollicitations de l'onde de pression par des mouvements dont la direction est proche de celle de l'axe X. La surface rayonnante est alors soumise à de très faibles mouvements selon Y qui sont majoritairement responsables de l'onde de pression transmise à la surface rayonnante, les vibrations de l'onde passant ainsi d'un sens sensiblement perpendiculaire à la surface incidente à un sens sensiblement parallèle à la surface rayonnante ou faiblement sécant à celle-ci, avec rotation au niveau de B. Les motifs 8 sont le siège des vibrations. Les particules les constituant sont animées à la fois de translations et aussi de rotations autour des différents axes dépendant des formes de motifs. La conception de motifs particuliers permet de privilégier les rotations des particules entraînant diverses torsions des motifs concernés avec une possibilité de concentration des vibrations. L'avantage des rotations sur les translations est le faible rayonnement acoustique des motifs. En figure 5 est représentée une forme de réalisation du motif tridimensionnel composé de poutres et de volumes ponctuels pleins. Le motif comprend une poutre inclinée 13 qui touche la surface incidente (non représentée) suivie d'une poutre 14 formant un angle obtu avec la poutre 13. Les poutres 13 et 14 sont au contact des surfaces incidentes 3 et rayonnantes 5 (non représentées). Au point 15 de raccordement des poutres 13 et 14 sont fixées des poutres transversales 16 en extrémité dés qu'elles sont montées de masses 17 qui fonctionnent comme accumulateur de vibration. Suivant l'épaisseur du matériau, qui peut par exemple aller de deux centimètres d'épaisseur à quelques millimètres, la structure du matériau peut par exemple être réalisée par découpe au laser, par collage, pliage, assemblage de plusieurs couches ou par stéréolithographie (polymerisation de résine par laser). L'application présentée figure 6 consiste à réaliser une dissipation de l'énergie des vibrations 2 en ajoutant un matériau viscoélastique dans des zones 18 où l'énergie de l'onde vibratoire est concentrée par la microgéométrie du matériau. La structure du matériau permet de dévier et de privilégier un ou des degrés de liberté du matériau pour lequel l'amortissement viscoélastique est le plus efficace. L'application de l'invention permet donc de dévier l'énergie de l'onde vibratoire 2 puis de la dissiper sous forme de chaleur dans des zones bien définies et selon des directions qui impliquent certains modes de vibration de la paroi non acoustiquement rayonnante. REVENDICATIONS : 1. Procédé d'atténuation de l'amplitude de l'onde de pression (6) rayonnée par la surface (5) d'un matériau soumis à des vibrations d'origine mécanique et/ou acoustique, au niveau de sa surface incidente (3), ledit matériau étant composé d'une structure (1) élastique pesante de conformation anisotrope caractérisé en ce que par conformation de la géométrie interne de la structure du matériau sont réalisées une déviation et une localisation des vibrations internes (7) à la structure. 2. Procédé d'atténuation selon la revendication 1 de l'amplitude de l'onde de pression rayonnée par la surface incidente (3) d'un matériau (1) soumis à des vibrations d'origine mécanique et/ou acoustique (2), ledit matériau étant composé d'une structure élastique pesant de conformation anisotrope caractérisé en ce que par conformation de la géométrie interne de la structure du matériau sont réalisées une déviation et une localisation des vibrations internes (7) à la structure. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la modification du sens des vibrations internes s'effectue depuis un sens principalement perpendiculaire à la surface incidente (3) jusqu'à un sens sensiblement parallèle ou voisin d'une parallèle de la surface rayonnante. 4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la modification du sens des vibrations internes est transformée de linéaire en rotatif. 5. Procédé selon les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que la structure du matériau présente une pluralité de motifs (8) internes géométriques combinés entre eux et réalisant une succession et/ou combinaison transversale et/ou longitudinale dissymétrique. 6. Procédé selon les revendications 1, 3 et 4 caractérisé en ce que la structure interne du matériau est dissymétrique par rapport à au moins un plan parallèle à la direction de l'onde de vibration incidente (2). 7. Procédé selon les revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la structure (1) interne du matériau réalise une déviation et une localisation des vibrations et que l'énergie vibratoire est dissipée à l'aide de matériaux viscoélastiques (18) disposés au niveau des zones de concentration. 8. Matériau réalisé par mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que sa géométrie interne réalise une déviation de l'onde avec localisation des vibrations et/ou modification des directions des vibrations (7) internes à la structure. 9. Matériau selon la revendication 6 caractérisé en ce que sa structure interne est dissymétrique par rapport à au moins un plan parallèle à la direction de l'onde de vibration incidente. 10. Matériau selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'entre surface incidente (3) et surface rayonnante (5), la structure du matériau est constituée d'une combinaison de motifs (8) géométriques pluridimensionnels ménageant des cavités (11) dissymétriques. 11. Matériau selon la revendication 6 caractérisé en ce que les motifs (8) sont constitués de parties (9, 10) inclinées formant un angle entre elles et en contact avec les surfaces incidente (3) et rayonnante (5). 12. Matériau selon les revendications 6 et 10 caractérisé en ce qu'au moins une des parties (10) est inclinée par rapport à la surface incidente (3) du matériau ou à la surface rayonnante (5). 13. Matériau selon la revendication 10 caractérisé en ce qu'au moins une des parties (9) est inclinée par rapport à la surface incidente (3) ou rayonnante (5). 14. Matériau selon la revendication 6 caractérisé en ce que les motifs (8) sont réalisés par assemblage de poutres (13, 14, 16) et de volumes (17). 15. Matériau selon les revendications 8 à 14 caractérisé en ce que la structure interne (1) du matériau qui dévie et localise les vibrations est associée à un matériau viscoélastique (18) dans des zones où l'énergie de l'onde vibratoire est concentrée.