Brevet FR2878643A1 — publié le 20060602

Ex. No. 1 -1- 2878643 La présente invention concerne les dispositifs d'ab._, sorption acoustique destinés à être utilisés dans des environnements liquidas, par exemple immergés dans l'eau. Ces dispositifs seront appelés par la suite "dispositifs anéchoides". L'inven- tion s'étend en outre aux revêtements anéchoides de surfaces, un tel revêtement anéchoide comportant un ou plusieurs dispositifs individuels conformes à l'invention. On a proposé de construire une cellule anéchoide comprenant un évidement peu profond, à paroi cylindrique, ménagé IO dans une plaque de métal et recouvert d'un diaphragme flexible emprisonnant un volume de liquide visqueux entre le diaphragme et la base de l'évidement, ce liquide visqueux s'écoulant dans le sens radial de l'évidement lorsqu'une énergie acoustique vient frapper le diaphragme. Ces cellules anéchoides sont fortement tributaires de la façon dont le diaphragme est séparé de la base de l'évidement. Dans certaines conditions, par exemple en cas de pression statique élevée, cette séparation est réduite par la déformation du diaphragme et dépasse donc les conditions d'amortissement critique, rendant la cellule instable. Le dispositif anéchoide selon la présente invention comprend au moins un diaphragme flexible, une plaque de résistance essentiellement inflexible, et un volume de fluide normale-ment emprisonné entre le diaphragme flexible et la plaque de résistance, la flexion du diaphragme sous le choc d'une onde acoustique faisant passer une partie du fluide à travers la plaque de résistance. Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, le dispositif anéchoide comprend une paire de diaphragmes exten- sibles espacés l'un de l'autre, l'un étant un diaphragme avant et l'autre un diaphragme arrière, un volume de fluide emprisonné entre les diaphragmes, et une plaque de résistance divisant le volume en deux chambres communiquant entre elles à travers la plaque de résistance, la flexion du diaphragme avant sous le choc d'une onde acoustique faisant passer le fluide d'une chambre dans l'autre à travers la plaque de résistance. Dans un autre aspect de l'invention, le dispositif anéchoide comprend un corps de cellule comportant une ouverture essentiellement cylindrique fermée aux deux extrémités par des diaphragmes extensibles emprisonnant entre eux un volume con-tenant un fluide ledit volume étant divisé en deux chambres par une plaque de résistance disposée entre les diaphragmes. De préférence, le dispositif comporte un évidement coa- xial à l'ouverture cylindrique et communiquant avec elle, le diaphragme arrière étant monté dans ledit évidement. De préférence, dans un dispositif tel que décrit au paragraphe précédent et monté sur une surface de telle façon que le diaphragme avant sera dirigé dans le sens opposé à la sur- face et que le diaphragme arrière fera face à celle-ci, l'environnement ambiant pouvant accéder librement au diaphragme faisant face à la surface. De préférence, un dispositif anéchoide selon l'invention, comportant des diaphragmes avant et arrière, comportera un flasque circonférentiel venant s'appliquer à l'extrémité jointive d'un cylindre monté contre une surface, ledit cylindre possédant des ouvertures permettant à l'environnement ambiant d'accéder librement au diaphragme arrière. De préférence, un dispositif tel que décrit dans l'un 20 quelconque des paragraphes précédents comporte des organes destinés à compenser la pression statique locale. Dans un dispositif tel que décrit dans le paragraphe précédent et comportant deux diaphragmes, les organes de compensation de la pression statique locale peuvent comporter, par exemple, une matière multicellulaire déformable analogue à de l'éponge montée contre l'un des diaphragmes. Mais, de préférence, les organes de compensation de la pression statique locale comportent un soufflet étanche contenant un gaz tel que l'air, monté contre l'un des diaphragmes. Selon un autre aspect de l'invention, une plaque de résistance appropriée à un dispositif anéchoide tel que décrit ci-dessus comporte une série de trous, fentes, ou autres perforations dans une plaque rigide. De préférence, un dispositif anéchoide selon l'invention présente une impédance acoustique comprise entre une fois et 0,1 fois l'impédance acoustique caractéristique de l'environnement liquide dans,lequel il est destiné à être utilisé. L'impédance acoustique d'un dispositif selon l'invention pourra avantageusement se situer aux environs du tiers de 40 l'impédance acoustique caractéristique dudit environnement liquide. La séparation des dispositifs dans un revêtement tel que mentionné plus haut, sera de préférence comprise entre 0 et 0,5 de la longueur d'onde maximum du son incident à la plus haute fréquence devant être reçue par le revêtement. Selon un autre aspect de l'invention, un revêtement anéchoide pour surface comprend une série de dispositifs, tous conformes à l'invention, étroitement juxtaposés. On devra remarquer que les dimensions et les propriétés physiques de la plaque de résistance et de sa structure porteuse sont telles que le mouvement de la plaque sous le choc de l'onde acoustique incidente sera faible en comparaison du mouvement du fluide. L'invention est décrite ci-après plus en détail en se référant à un exemple préféré, non limitatif, de réalisation, illustrant les caractéristiques ci-dessus et en laissant appa- raître d'autres, représenté sur les dessins annexés, dans les- quels: - la figure 1 est une coupe transversale d'une cellule 20 anéchoide selon l'invention; et - la figure 2 est une vue en plan d'une partie isolée d'une plaque de résistance convenant à la présente invention. Dans un but illustratif, la cellule anéchoide est repré- sentée, sur la figure 1, montée contre une surface 2 au moyen de rivets 4 et immergée dans de l'eau 48, mais il est évident que ni la surface 2, ni les rivets 4, ni l'eau 48 ne font par-tie de la cellule faisant l'objet de la présente invention. La cellule anéchoide 14 comporte un corps 24 ayant une ouverture centrale essentiellement cylindrique 26 fermée, à chaque extrémité, par un diaphragme avant 28 en caoutchouc et par un diaphragme arrière 30 en caoutchouc, emprisonnant un volume 32 contenant de l'huile de silice visqueuse. Le volume 32 est divisé en deux chambres 38 et 40 par une plaque de résistance rigide 34. La cellule est pourvue d'un évidement 42 coaxial à l'ouverture 26 et communiquant avec elle, dans lequel est monté le diaphragme arrière en caoutchouc 30 et contenant un soufflet à air 44. Un flasque 20, périphérique au corps 24 de la cellule, comporte une pluralité d'alésages filetés 13 que traversent des vis 16 pour se visser dans les alésages filetés 22 percés dans le rebord frontal d'un bois15 -4-- 2878643 seau 8 à parois cylindriques. La base du boisseau est pourvue d'alésages 6 que traversent des rivets 4 pour s'enfoncer dans la surface 2. Les parois latérales cylindriques du boisseau 8 sont pourvues d'ouvertures 10 par lesquelles l'eau environnante 48 peut pénétrer librement, et elles laissent un espace cylindrique 12 entre le soufflet à air 44 et la surface a. Le soufflet 44 a pour fonction d'éliminer tous effets passagers de pression apparaissant dans l'eau contenue dans l'espace cylindrique 12 mais de transmettre au diaphragme arrière 30 la pres- sion statique due à la profondeur d'immersion. Le corps 24, les diaphragmes 28 et 30, la plaque de résistance 14 et le soufflet à air 44 sont maintenus en place par des rivets et des boulons, non représentés pour plus de clarté. Tout mode d'assemblage approprié peut être utilisé à cette fin, la seule condition étant l'étanchéité du système à l'eau extérieure et aux fuites de l'intérieur aux pressions supportées au cours du fonctionnement. Pour donner une efficacité maximale, le diaphragme avant 28 devra être plan ou offrir une surface convexe aux ondes acoustiques se déplaçant dans l'eau. Il sera donc souhaitable qu'au moment du montage de l'appareil le volume 26 soit légèrement surchargé de fluide visqueux. La plaque de résistance 34 elle-même comporte une pluralité de perforations circulaires 36 réalisées dans une plaque, ce que montre particulièrement bien la figure 2. L'expérience a révélé qu'en pratique il convenait de fabriquer une plaque de résistance ayant une densité de 1, 045 trous équidistants de 1 mm de diamètre dans une surface de 13 cm et d'utiliser, comme fluide visqueux, de l'huile de silice de 2 000 centistokes. On obtient ainsi un dispositif dont l'impédance acoustique caractéristique est environ le tiers de celle de l'eau, le dispositif étant particulièrement efficace avec une impédance acoustique caractéristique comprise entre une fois et 0,1 fois celle de l'eau. Les procédés usuels d'usinage sont quelque eu compliqués lorsqu'on les applique à la fabrication de plaques ayant une telle densité de trous. De ce qui précède on voit qu'en fonctionnement la hauteur de pression statique due à la profondeur s'applique tant au diaphragme avant 28 qu'au diaphragme arrière 30. Les variations passagères de pression produites par des ondes acoustiques ne parviennent qu'au diaphragme avant 28, l'autre diaphragme 30 étant immunisé contre ces variations par l'itinéraire tortueux menant à l'espace cylindrique 12 et, bien plus encore, par la répulsion du soufflet à air 42. Par conséquent, la pression d'une onde acoustique 46 traversant l'eau 48 et parvenant au diaphragme avant 28 déforme d'abord ce dernier en direction de la surface 2 et refoule ainsi une partie du fluide visqueux à travers les perforations 36 de la plaque de résistance 34, une grande partie de l'énergie cinétique étant ainsi absorbée en surmontant les contraintes élevées de cisaillement ainsi produites et en poussant le diaphragme arrière 30. Pendant l'alternance négative de l'onde acoustique, le diaphragme arrière 30 se relâche, renvoie le fluide visqueux à travers la plaque de résistance 34 et rétablit le diaphragme avant 28 essentiellement dans sa position d'origine. Il s'établit donc un mouvement harmonique simple suramorti, mené par l'impact des ondes acoustiques sur le diaphragme avant 28. L'expérience a révélé que la perte par réflexion pour des ondes acoustiques frappant une cellule de ce genre et possédant des propriétés physiques tel-les que décrites ci- dessus était de l'ordre de 20 décibels. Il convient de souligner à nouveau ici que tout mouvement de la plaque de résistance ou du corps de la cellule lors de l'impact d'une onde acoustique est négligeable en comparaison du mouvement du diaphragme et du fluide visqueux. On pourra réaliser un revêtement anéc hoide pour grande surface immergée ou submersible en fixant à ladite surface une pluralité de cellules telles que celle qui vient d'être décrite. L'expérience a révélé que, pour obtenir dans ce cas les meil- leurs résultats, la séparation des cellules ne devait pas dé-passer la moitié de la longueur d'onde maximum du son incident à la plus haute fréquence devant être reçue par le revêtement. Si l'on considère analytiquement une cellule unique, et en particulier l'écoulement de fluide à travers un seul trou de la plaque de résistance 34, l'équation du mouvement du fluide dans le trou est 2u + 1 J _ 1 11+ J dans laquelle: J = vitesse des particules dans le fluide visqueux, r = coordonnée radiale, = coefficient de viscosité dynamique, = densité du fluide visqueux, = temps, = coordonnée longitudinale. Pour des pressions variant sinusoidalement, on peut démontrer que la solution de l'équation (1) est 8)i 4 Z= + - iu-) (2) 3 dans laquelle: Z = impédance acoustique spécifique de surface, = épaisseur de la plaque de résistance, a/ = rayon du trou. Pour une série de trous par unité de surface, la solution devient: 8) 4 ut.) PX Z = ana, + 3 'Fr n e2 (3) On voit que la dimension critique est désormais le rayon des trous, lequel est parfaitement stable et indépendant de la pression statique. La largeur de bande pour une perte par ré-flexion de 20 décibels est donnée par les formules: 6 p. 2 = 5 (4) î0t. c,ù 2 20 5r0ti l (5) dans laquelle ' 20 est la largeur de bande pour une perte par réflexion de 20 décibels. De même une solution pour l'écoulement de fluide visqueux à travers une plaque de résistance ayant une longueur de fente de par unité de surface serait: 12./J Q 6 Z = 3 + 5 d (6) où d, est la largeur de fente, et 2o Tï 6t.,. 2 i (7) Les termes obtenus pour désigner la longueur de bande dans les équations 5 à 7 dont quelque peu troublants car/ - de même que O ou d, ne sont pas des variables indépendantes mais sont liées par les conditions de concordance qui sont: 8 & tr n o4 -= ( ) W pour des trous (8) où ( c) W est l'impédance acoustique spécifique de l'eau et 12 m-- ( C 3 == ) vV pour des fentes (9) rrY- â Si l'on considère le cas de trous circulaires distribués symétriquement, comme sur la figure 2, on peut démonteer que: _ (-ev)J (11) îTG,/ en éliminant entre les équations (5) et (11) et en posant OL' h on a p 2 fi = 3 ( f) 80 Ïe et pareillement, pour une distribution de fentes de d K dans laquelle b est la moitié de la séparation 2b des fentes de centre à centre: ("c)& K = 12 x W où x est la coordonnée transversale d'une fente. La valeur maximale théorique de la largeur de bande de l'un ou l'autre type de plaque plane est donnée en posant 2 U 3 b 2 et que l'équation (8) devient 16 Ve b3 (10) (12) (13) K = 1 ce qui donne, pour des trous circulaires: V' 20 max = 80 (14) et pour des fentes: ( C) %i max = 12 1.q (15) Il ressortiraittde ces équations que le meilleur résultat s'obtient avec une plaque de résistance percée de fentes, mais cet avantage est plus que dépassé en pratique par la plus grande rigidité de la plaque percée de trous circulaires et c'est la raison pour laquelle on préfère utiliser cette der- mère dans les éléments et cellules anéchoïdes de la présente invention. Il y a une limite maximale aux dimensions latérales de la plaque de résistance au-delà de laquelle son impédance dé-croît rapidement. On a constaté qu'il était commode d'utiliser une série de trous d'une densité d'environ 500 trous pour 6,,5 cm2, chaque trou ayant environ 1 mm de diamètre, et d'utiliser une plaque de résistance de dimensions appropriées et de 2 mm d'épaisseur, mais il est évident que ces dimensions sont interdépendantes et fonction du fluide utilisé, et que les dimensions individuelles devront être fixées en utilisant les critères exposés comme suggestions pour la résolution d'un problème particulier. Le mode de réalisation particulier de l'invention qui vient d' être décrit et représenté ne doit pas être considéré comme limitant le domaine de l'invention. En particulier, la forme des perforations de la plaque de résistance, bien que circulaire, de préférence, pourrait être celle de fentes ou toute autre forme, bien que celles-ci soient plus difficiles à réaliser. De même la structure particulière de la cellule anéchoïde représentée ne constitue qu'un exemple et non une limitation de l'invention. R E N E N D I C Â T I O N S =========================== 1.-Dispositif anéchoide caractérisé en ce qu'il comprend au moins un diaphragme flexible, une plaque de résistance essentiellement inflexible, et un volume de fluide normalement emprisonné entre le diaphragme flexible et la plaque de résistance, la flexion du diaphragme sous le choc d'une onde acoustique faisant passer une partie du fluide à travers la plaque de résistance. 2.- Dispositif anéchoide selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il comprend une paire de diaphragmes extensibles espacés l'un de l'autre, l'un étant un diaphragme avant et l'autre un diaphragme arrière, un volume de fluide emprisonné entre les diaphragmes, et une plaque de résistance divisant le volume en deux chambres communiquant entre elles à travers la plaque de résistance, la flexion du diaphragme avant faisant passer le fluide d'une chambre dans l'autre à travers la plaque de résistance. 3.- Dispositif anéchoide selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un corps de cellule comportant une ouverture essentiellement cylindrique fermée aux deux extrémités par les diaphragmes extensibles, le volume de fluide et la plaque de résistance étant contenus dans l'ouverture cylindrique. 4.- Dispositif anéchoide selon la revendication 3, carac- térisé en ce que le corps de cellule comporte un évidement coaxial à l'ouverture cylindrique et communiquant avec elle, le diaphragme arrière étant monté dans ledit évidement. 5.- Dispositif anéchoide selon une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé-en ce qu'il est monté sur une surfa- ce de façon que le diaphragme avant soit dirigé dans le sens opposé à la surface et que le diaphragme arrière soit dirigé vers celle-ci et qu'il comporte des organes permettant à l'environnement ambiant d'accéder librement au diaphragme dirigé vers la surface. 6.- Dispositif anéchoide selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un flasque circonférentiel prenant contact avec la face jointive d'un cylindre monté sur la sur-face, ledit cylindre possédant des ouvertures permettant à l'environnement ambiant d'accéder librement au diaphragme arrière. 7.- Dispositif anéchoide selon une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend des organes destinés à compenser la pression statique locale. 8.- Dispositif anéchoide selon une quelconque des reven- dications 2 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte une matière multicellulaire déformable, analogue à de l'éponge, montée contre le diaphragme arrière pour compenser la pression statique locale. 9.- Dispositif anéchoide selon une quelconque des reven- dications 2 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un soufflet étanche contenant un gaz, monté contre le diaphragme arrière pour compenser la pression statique locale. 10.- Dispositif anéchoide selon une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la plaque de résistance comporte une série de perforations dans une plaque rigide. 11.- Dispositif anéchoide selon une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il possède une impédan- ce acoustique comprise entre une fois et 0,1 fois l'impédance acoustique caractéristique d'un environnement liquide dans lequel il est destiné à être utilisé. 12.- Dispositif anéchoide selon la revendication 11, caractérisé en ce que son impédance acoustique est égale au tiers de l'impédance acoustique caractéristique d'un environ- nement liquide dans lequel il doit être utilisé. 13.- Dispositif anéchoide selon une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le diaphragme avant présente une surface convexe vers l'extérieur. 14.- Dispositi$ anéchoides selon une quelconque des reven-dications 1 à 13, caractérisés en ce qu'ils sont disposés sur une surface et constituent un revêtement anéchoide pour cette surface. 15.- Dispositi$ anéchoides selon la revendication 13, caractérisés en ce qu'ils sont séparés par une distance au plus égale à la moitié de la longueur d'onde maximale du son incident à la fréquence la plus élevée devant être reçue par le revêtement.