Brevet FR2778780A1 — publié le 19991119

La présente invention concerne le domaine technique visant la réduction du bruit, au sens général, et elle vise, plus précisément, la réalisation d'un matériau assurant une atténuation du bruit tout en présentant un faible poids spécifique. L'objet de l'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans les secteurs de l'aéronautique, de l'automobile ou du spatial. Dans les domaines techniques ci-dessus, il est connu d'utiliser des matériaux composites allégés dits "nids d'abeilles" qui sont formés par des parois ondulées à section semi-polygonale assemblées entre elles par soudure, collage ou brasage, afin de constituer un matériau tridimensionnel à section polygonale. Un tel matériau présente des limites pratiques d'utilisation provenant essentiellement de l'anisotropie de ces propriétés mécaniques et de son caractère non formable sans destruction de ses propriétés mécaniques. Il est connu, par ailleurs, par le brevet FR 2 585 445, un matériau présentant un poids spécifique réduit compatible en particulier, avec une utilisation dans le secteur aérospatial tout en offrant d'excellentes caractéristiques mécaniques permettant de l'utiliser comme matériau constitutif d'une structure travaillante. Le matériau décrit par ce brevet comporte une pluralité de billes géométriquement agencées selon une répartition du type cristallographique compact et assemblées les unes aux autres exclusivement par leur zone de contact. Si ce matériau possède un faible poids spécifique et présente de bonnes caractéristiques mécaniques, même à hautes températures, un tel matériau n'offre pas des propriétés intéressantes d'atténuation acoustique. Il apparaît ainsi le besoin de disposer d'un matériau présentant une faible masse volumique et des bonnes caractéristiques mécaniques et d'atténuation acoustique. La Déposante a exprimé d'une manière plus générale, le besoin de disposer d'un matériau de faible masse volumique conçu pour permettre une modification de ses propriétés acoustiques en fonction de la plage de fréquence à atténuer. L'objet de la présente invention vise donc à satisfaire ce besoin en proposant un procédé pour réaliser, à partir de sphères assemblées entre elles, un matériau d'absorption acoustique pour un bruit. Selon l'invention, le procédé consiste - à définir une plage fréquentielle d'absorption efficace pour le matériau, - et à constituer un matériau comportant au moins une couche de sphères assemblées entre elles et présentant une impédance normale spécifique adaptée pour permettre une absorption du bruit dans la plage fréquentielle déterminée. Un autre objet de l'invention vise à proposer un matériau d'absorption acoustique pour un bruit, comportant des sphères assemblées entre elles. Selon l'invention, le matériau d'absorption acoustique est constitué par au moins une couche de sphères présentant chacune une impédance normale spécifique déterminée, de manière à permettre l'absorption du bruit dans une plage fréquentielle déterminée. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci- dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation et de mise en oeuvre de l'objet de l'invention. La fig. 1 est une vue en coupe montrant de manière schématique un exemple de réalisation d'un matériau conforme à l'invention. La fig. 2 illustre la variation du coefficient d'absorption ca en fonction de la fréquence pour deux types de matériaux conformes à l'invention. Les fig. 3 et 4 illustrent deux autres exemples de réalisation d'un matériau conforme à l'invention. Tel que cela ressort plus précisément de la fig. 1, le matériau 1 selon l'invention est conçu pour assurer une atténuation ou absorption acoustique d'une onde sonore provenant d'une source de bruit 2 illustrée de manière schématique et pouvant être de toute nature connue en soi. Conformément à l'invention, le matériau 1 comporte au moins une et, dans l'exemple illustré, trois couches Cl, C2, C3 réalisées chacune à partir de sphères respectivement S,, S2, S3. Chaque couche CI, C2, C3 ou d'une manière générale, C, est constituée d'un agglomérat de sphères ou de billes creuses S1, S2, S3, ou d'une manière générale S., pouvant être du type métallique, par exemple, nickel, étain ou argent ou du type organique, tel que céramique ou époxy. Les sphères creuses présentent des diamètres externes inférieurs à 5 mm et des épaisseurs de peau contrôlées par le processus de fabrication, supérieures à 5 Àm pour assurer la tenue mécanique des sphères. Il est à noter que le matériau selon l'invention n'est pas limité à la mise en oeuvre de sphères creuses et peut être fabriqué à partir de sphères pleines, par exemple, réalisées en verre. D'une manière préférée, chaque couche est formée à partir de sphères identiques entre elles mais différentes d'une couche à l'autre du point de vue de leur taille, de leur nature et de leur mode d'assemblage. Il est à noter qu'il peut être prévu qu'une ou plusieurs couches se trouvent formées chacune à partir de sphères non identiques, par exemple, présentant des diamètres différents. Pour réaliser l'assemblage des sphères en vue de constituer une couche, il peut être prévu de réaliser un assemblage par un liant du type résine époxy. Dans une autre forme d'assemblage, un liant de type métallique est déposé par traitement thermique lors d'une opération de brasage. Dans une autre forme d'assemblage, la liaison des sphères creuses peut être réalisée à partir d'une opération d'un dépôt électrolytique. D'autres procédés peuvent être envisagés. Le liant d'assemblage des sphères est déterminé en fonction des caractéristiques mécaniques requises pour le matériau mais aussi en fonction de son environnement d'utilisation. Les conditions d'environnement en termes de pression acoustique, de niveaux vibratoires, de température, d'hygrométrie, d'agressions chimiques et d'ambiance corrosive, définissent le type de liant à utiliser pour l'assemblage des sphères. Dans une utilisation dans un environnement sévère, l'assemblage des sphères par brasage permet d'obtenir un matériau totalement métallique qui préserve son intégrité structurale et, par suite, ses propriétés acoustiques. D'une manière générale, le liant d'assemblage ne doit pas obstruer les pores du matériau pour qu'il conserve ses propriétés acoustiques. Les sphères ainsi assemblées constituent une couche d'un matériau à structure rigide et poreuse pouvant être qualifié de résistif. Il est à noter que le mode d'assemblage des sphères, du type aléatoire ou organisé selon une répartition cristallographique, est déterminé pour chaque couche en fonction des caractéristiques souhaitées et définies dans la suite de la description. Pour chaque couche, les sphères créent par leur cohésion, des conduits de circulation d'air qui définissent un réseau interstitiel. Il peut ainsi être obtenu une dissipation de l'onde acoustique en chaleur par frottement de l'air en mouvement dans ce réseau interstitiel. Chaque couche de résistif Ca présente une impédance normale spécifique déterminée P, tel que ' = Z. / Z0, avec: Z. = P / V, o P correspond à la pression acoustique à la surface de la couche et V à la vitesse acoustique normale à la surface de la couche, et Z0 = p. C, correspondant à l'impédance du milieu environnant ou externe de masse volumique p et de célérité C. L'impédance de chaque couche dépend des grandeurs physiques élémentaires suivantes: - la porosité qui représente le rapport du volume ouvert sur le volume total de la couche de résistif; - la résistance à l'écoulement qui relie la vitesse de circulation de l'air dans la couche de résistif à la variation de pression; - la tortuosité qui caractérise la forme du conduit de circulation de l'air de la couche de résistif. Ces trois grandeurs physiques élémentaires sont définies pour chaque couche de résistif et sont liées au type de sphères utilisées et à leur assemblage. Il doit être considéré que l'augmentation de la valeur de la résistance à l'écoulement entraîne une réduction de l'absorption acoustique. Ainsi, une résistance à l'écoulement trop importante (> 100 000 Pa.s) implique une circulation limitée de l'air dans le réseau interstitiel et donc une absorption acoustique réduite. Toutefois, une résistance à l'écoulement trop faible ( l'efficacité d'absorption de la couche de résistif dans une zone de fréquence étroite. La porosité qui est liée entre autre au mode d'assemblage des sphères, permet de maîtriser la largeur de la bande d'efficacité fréquentielle de la couche de résistif. Ainsi, une augmentation de la valeur de la porosité entraîne une augmentation de la largeur de la plage d'efficacité fréquentielle de la couche de résistif. Selon une caractéristique préférée de réalisation, la porosité de chaque couche doit être maximale tout en conservant une résistance à l'écoulement importante. Cependant, la porosité étant liée à la résistance à l'écoulement, il est nécessaire d'obtenir le meilleur couple porosité- résistance à l'écoulement. La porosité d'une couche est liée à l'organisation de l'assemblage des sphères de la façon suivante pour un même type de sphères: TYPE D'ASSEMBLAGE POROSITE - Assemblage en vrac........... 36 % - Assemblage cubique........... 47 % - Assemblage hexagonal......... 40 % - Assemblage tétraédrique........ 26 % La tortuosité de la couche de résistif augmente l'efficacité en basse fréquence de la couche en allongeant le circuit de circulation de l'onde acoustique dans le réseau interstitiel. Ainsi, l'augmentation de la valeur de la tortuosité permet d'accroître l'absorption des basses fréquences de l'onde sonore. Selon une caractéristique préférée de réalisation, il est prévu de mettre en oeuvre au moins deux couches de résistif C.. Selon cette variante avantageuse de l'invention, les différentes couches de résistif C. sont assemblées de manière superposée, en étant organisées de manière à permettre en combinaison, l'absorption du bruit dans une plage fréquentielle déterminée. Les différentes couches de résistif C, sont empilées selon un sens donné, de manière à réaliser une succession de couches avec des impédances progressives. Cet agencement des couches permet à l'onde incidente de rentrer progressivement dans le milieu poreux, afin d'y dissiper de l'énergie acoustique par effet viscothermique. Ainsi, il peut être prévu de disposer les couches de résistif C,, de manière que les valeurs de leur résistance à l'écoulement suivent une progression selon un sens donné d'empilement des couches. Dans un premier exemple de réalisation, les couches de résistif C, sont agencées de façon que leur résistance à l'écoulement présente des valeurs qui sont inférieures d'une couche à l'autre selon un sens d'empilement des couches considéré comme analogue au sens de progression de l'onde incidente à travers le matériau complexe 1. Il peut ainsi être obtenu une réduction progressive de la vitesse de l'onde acoustique à l'intérieur du matériau. Selon cet exemple, chaque couche C, à C3 présente respectivement une résistance à l'écoulement égale à 10 000, 25 000 et 30 000 Pa.s. Ainsi, il peut être prévu d'empiler les couches C1, C2, C3 selon cet ordre en disposant la couche C, la plus proche de la source de bruit 2, de sorte que les valeurs de la porosité augmentent selon le sens de propagation de l'onde acoustique. Ce genre d'empilement permet d'obtenir un type donné d'absorption acoustique, tel qu'illustré par la courbe A de la fig. 2 donnant la variation du coefficient d'absorption ex en fonction de la fréquence f de l'onde acoustique. Il apparaît ainsi que ce genre d'empilement permet d'obtenir une atténuation accentuée centrée autour d'une fréquence (de l'ordre de 2 300 Hz dans l'exemple illustré) et sur une bande fréquentielle relativement limitée. Il est à noter qu'il peut être prévu d'inverser l'ordre de l'empilement des couches C1 à C3 telles que décrites ci-dessus, de manière à obtenir d'autres propriétés d'absorption acoustique, telles qu'illustrées par la courbe B de la fig. 2. Selon cet exemple pour lequel les valeurs de la porosité diminuent selon le sens de propagation de l'onde acoustique, le matériau permet une atténuation en basse fréquence moins importante mais offre un spectre d'atténuation plus large. Selon une autre caractéristique de l'invention, il peut être prévu d'empiler les couches de résistif C. de manière que les valeurs de leur porosité suivent une progression selon un sens donné d'empilement des couches. Dans un premier exemple de réalisation, les couches de résistif CD sont agencées de façon que leur porosité présente des valeurs qui sont supérieures d'une couche à l'autre, selon un sens d'empilement des couches, considéré comme correspondant au sens de progression de l'onde incidente à travers le matériau complexe 1. Par exemple, chaque couche CI à C3 possède respectivement une porosité égale à 45 %, 36 % et %. Selon l'exemple considéré, les couches CI à C3 sont empilées selon cet ordre en partant de la source de bruit 2, de sorte que les valeurs de la porosité diminuent selon le sens de progression de l'onde incidente. Bien entendu, il peut être envisagé d'inverser l'ordre d'empilement des couches de manière que les valeurs de la porosité augmentent selon le sens de progression de l'onde incidente. Tel que cela ressort plus précisément de la description qui précède, l'objet de l'invention permet de définir un matériau 1 apte à traiter certaines plages fréquentielles en fonction des couches de résistif, de leur empilement et des sphères utilisées. A cet effet, le procédé de fabrication consiste à définir une plage fréquentielle d'absorption efficace pour le matériau et à réaliser au moins une couche à partir de sphères assemblées entre elles et présentant une impédance normale spécifique adaptée pour permettre une absorption du bruit dans la plage fréquentielle déterminée. Selon une variante préférée de réalisation, il est prévu de réaliser au moins deux couches de sphères présentant chacune une impédance normale spécifique déterminée. Ces couches sont ensuite montées de manière superposée en étant organisées de manière à permettre en combinaison, l'absorption de l'onde sonore dans la plage fréquentielle déterminée. Il doit être considéré que le matériau selon l'invention peut se présenter sous différentes formes possibles. Selon une forme de présentation élémentaire, le matériau complexe 1 peut être constitué uniquement par une couche de résistif ou par l'assemblage des différentes couches de résistif choisies. Par exemple, il peut être prévu d'assurer l'assemblage entre les différentes couches par un collage en déposant une résine aux interfaces entre les couches pour assurer leur fixation. Dans le cas d'un assemblage des couches par voie thermique, une poudre de brasure est déposée à l'interface entre les différentes couches à assembler. Cette poudre est choisie pour avoir un point de fusion inférieur au point de fusion du brasage des couches de résistif. Le chauffage du matériau complexe est ainsi effectué jusqu'à la température de fusion de la poudre de brasage placée aux interfaces. Selon une autre caractéristique de présentation, la ou les différentes couches de résistif peuvent être associées à une structure porteuse 3. Tel que cela apparaît plus précisément à la fig. 3, cette structure porteuse 3 peut être constituée par une structure alvéolaire ou en" nid d'abeille" de tous types connus en soi. L'intégration des couches de résistif à l'intérieur d'une structure en "nid d'abeille" permet d'accroître les performances acoustiques du matériau ainsi constitué. Selon une autre variante de réalisation illustrée plus particulièrement à la fig. 4, il peut être prévu que la structure porteuse se trouve constituée par une plaque 6 et une contre-plaque 7 entre lesquelles la ou les couches de sphères sont agencées. De préférence, la plaque 6 située du côté de la source de bruit est ajourée ou perforée pour constituer un résonateur acoustique, par exemple, du type d'Helmholtz. Les couches peuvent être fabriquées les unes après les autres dans la structure porteuse ou être réalisées simultanément. Dans ce dernier cas, il doit être prévu des séparateurs entre les différentes couches pour éviter l'interpénétration des sphères d'une couche avec les sphères d'une couche adjacente. Il est à noter qu'il peut être prévu de laisser subsister à l'intérieur de la structure porteuse, comme illustré à la fig. 4, une lame d'air 8 permettant d'obtenir une masse volumique équivalente réduite à épaisseur constante. Cette lame d'air 8 qui se présente sous la forme d'une couche d'air de forme analogue aux couches de résistif est disposée dans l'empilement des couches à un endroit déterminé pour assurer l'absorption acoustique souhaitée. Le matériau d'absorption acoustique 1 selon l'invention possède une faible masse volumique tout en présentant des capacités d'absorption acoustique modifiables en fonction de la plage de fréquence à atténuer. Il doit être noté que les caractéristiques d'absorption acoustique du matériau évoluent en fonction de la fréquence. Le coefficient d'absorption oe peut, selon les couches de résistif utilisées, être compris entre 0,7 et 1,0 sur plusieurs tiers d'octaves consécutifs. Un avantage de ce matériau en configuration sphères creuses et liant métallique est son utilisation en tant que matériau de traitement acoustique dans un environnement o les plages de températures varient entre -100 C à + 1100 C. Ce matériau mono ou multicouches à base de sphères creuses est caractérisé par une faible masse volumique. En fonction du matériau constitutif utilisé, de l'épaisseur de peau et des technologies de fabrication, ce matériau présente une masse volumique variant entre 200 kg/m3 à plusieurs centaines de Kg/m3. Un tel matériau en configuration métallique présente les propriétés spécifiques suivantes: imputrescibilité, rigidité structurale, stabilité hygrométrique et isotropie mécanique. Les sphères creuses mises en oeuvre dans ce matériau possèdent des propriétés de porosité microscopique qui leur permettent de subir une variation de pression atmosphérique sans dégradation. Cette porosité permet au matériau d'être appliqué dans des zones humides, car il évacue progressivement l'eau ou tout autre liquide susceptible d'être présent dans son environnement. Le matériau selon l'invention est particulièrement adapté pour assurer un traitement acoustique dans le secteur de l'aéronautique (traitement moteur, nacelle, fan, tuyère d'aéronef), dans le secteur spatial (traitement de composants de moteur de lanceur ou d'équipement de satellite,...) ou dans le secteur de l'automobile (silencieux d'échappement, encapsulage moteur). L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS: 1 - Procédé pour réaliser, à partir de sphères assemblées entre elles, un matériau d'absorption acoustique pour un bruit, caractérisé en ce qu'il consiste: - à définir une plage fréquentielle d'absorption efficace pour le matériau, - et à constituer un matériau comportant au moins une couche (Cj) de sphères assemblées entre elles et présentant une impédance normale spécifique adaptée pour permettre une absorption du bruit dans la plage fréquentielle déterminée. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste - à constituer au moins deux couches (CO) à partir de sphères assemblées entre elles et différentes d'une couche à l'autre, présentant chacune une impédance normale spécifique déterminée, - et à assurer le montage superposé d'au moins deux couches (C) de sphères pour constituer le matériau d'absorption acoustique, les couches de sphères étant organisées de manière à permettre en combinaison, l'absorption du bruit dans la plage fréquentielle déterminée. 3 - Procédé selon la revendication I ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste, pour chaque couche de sphères (Ce), à déterminer leur impédance normale en définissant la porosité, la résistance à l'écoulement et la tortuosité pour chacune d'entre elles. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste, pour chaque couche de sphères (Ca), à déterminer leur porosité dont l'augmentation de la valeur entraîne une augmentation de la largeur de la plage fréquentielle d'absorption acoustique. - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste, pour chaque couche de sphères (Cn), à déterminer leur résistance à l'écoulement dont l'augmentation de la valeur entraîne une réduction de l'absorption acoustique. 6 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste, pour chaque couche de sphères (C,), à déterminer leur tortuosité dont l'augmentation de la valeur permet d'accroître l'absorption des basses fréquences. 7- Procédé selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce qu'il consiste à agencer les couches de sphères (CO), de manière que les valeurs de leur porosité suivent une progression selon un sens donné d'empilement des couches. 8- Procédé selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce qu'il consiste à agencer les couches de sphères (CO), de manière que les valeurs de leur résistance à l'écoulement suivent une progression selon un sens donné d'empilement des couches. 9 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il consiste à monter les couches de sphères dans une structure porteuse (3). - Matériau d'absorption acoustique pour un bruit, comportant des sphères assemblées entre elle, caractérisé en ce qu'il est constitué par au moins une couche (C) de sphères (S) présentant chacune une impédance normale spécifique déterminée, de manière à permettre l'absorption du bruit dans une plage fréquentielle déterminée. 11i - Matériau d'absorption acoustique selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux couches (C) de sphères (S. ) assemblées entre elles et différentes d'une couche à l'autre, les couches de sphères (C,) présentant chacune une impédance normale spécifique déterminée en étant organisées de manière à permettre en combinaison, l'absorption du bruit dans une plage fréquentielle déterminée. 12 - Matériau d'absorption acoustique selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte une structure porteuse (3) dans laquelle les couches de sphères sont agencées. 13 - Matériau d'absorption acoustique selon la revendication 12, caractérisé en ce que la structure porteuse (3) est une structure alvéolaire dans laquelle la ou les couches de sphères sont agencées. 14 - Matériau d'absorption acoustique selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que la structure porteuse (3) est constituée par une plaque (6) et une contre-plaque (7) entre lesquelles la ou les couches de sphères (CO) sont agencées. - Matériau d'absorption acoustique selon la revendication 14, caractérisé en ce que la plaque (6) est une structure ajourée pour constituer un résonateur acoustique. 16 - Matériau d'absorption acoustique selon les revendications 10 à 15, caractérisé en ce qu'il comporte une lame d'air (8).