Brevet FR2888386A1 — publié le 20070112

La présente invention concerne un ensemble d'insonorisation, essentiellement destiné à l'insonorisation d'espaces sensiblement clos, tels que l'habitacle d'une automobile, ainsi que l'application d'une mousse de matière plastique de tortuosité élevée à une telle insonorisation. L'invention concerne les problèmes acoustiques qui se posent dans un espace sensiblement clos, tel que l'habitacle d'une automobile, au voisinage de sources de bruit telles qu'un moteur, le contact de pneumatiques avec une route, etc. Avant la description de la technique antérieure, il convient de définir quelques termes utiles pour la compréhension de l'invention. En général, dans le domaine des basses fréquences, les ondes acoustiques subissent un "amortissement" par des matériaux sous forme de feuilles simples ou doubles (sandwich) ou par un effet de porosité et d'élasticité d'un système masse-ressort, notamment à mousse viscoélastique. Un système d'insonorisation assure une "isolation" lorsqu'il empêche l'entrée d'ondes acoustiques à moyennes et hautes fréquences dans l'espace insonorisé, essentiellement par réflexion des ondes vers les sources de bruit ou l'extérieur de l'espace insonorisé. Un système insonorisant fonctionne par "absorption acoustique" (dans le domaine des moyennes et hautes fréquences) lorsque l'énergie des ondes acoustiques se dissipe dans un matériau absorbant. L'invention concerne essentiellement l'insonorisation dans la gamme des moyennes et hautes fréquences. En général, il est relativement simple d'obtenir une bonne insonorisation à hautes fréquences avec des moyens simples, mais, dans le domaine des moyennes fréquences (surtout entre 400 et 1 000 Hz), le problème de l'insonorisation est d'autant plus aigu que l'oreille humaine est très sensible dans cette gamme de fréquences. Bien entendu, les différents phénomènes précités, c'est-à-dire l'amortissement, l'isolation et l'absorption, existent rarement sous forme isolée, et ils sont le plus 2888386 2 souvent présents à des degrés divers. Ainsi, le bruit dans un espace clos ne contenant pas de sources de bruit est le résultat des contributions de toutes les sources acoustiques, notamment du moteur d'une automobile, et du filtrage dû aux différentes actions des matériaux insonorisants présents. En conséquence, l'insonorisation d'un espace clos est la résultante de nombreux effets, et il est souhaitable d'obtenir un bon compromis entre l'insonorisation obtenue et les divers moyens mis en oeuvre pour l'obtention de cette insonorisation. Par exemple, il n'est pas nécessaire d'assurer une absorption importante de certaines ondes dans l'espace clos si celles-ci ont été déjà pratiquement éliminées par l'isolation. On considère maintenant les principales solutions qui 15 ont été mises en oeuvre antérieurement, en référence aux figures 1 à 3 des dessins annexés. La figure 1 représente un exemple de système masse-ressort utilisé de façon classique pour assurer l'isolation, notamment au niveau du tablier séparant l'habitacle du compartiment moteur d'une automobile. La référence 10 désigne une tôle de support. Une couche 12 d'une couche à effet ressort, telle qu'une mousse ayant éventuellement des propriétés viscoélastiques, porte une couche 14 d'un matériau du type "masse lourde", c'est-à-dire la couche repré- sentant la masse du système masse-ressort. Un tel système masse-ressort est connu pour la bonne isolation qu'il assure. La référence 16 désigne simplement une couche de décoration qui n'a pas d'effet fonctionnel dans le cas considéré. Le problème posé par le système représenté sur la figure 1 est que, du fait de sa faible absorption, la couche 14 formant masse lourde doit avoir un poids important. Ainsi, on utilise couramment des couches ayant une masse surfacique de l'ordre de 3 à 7 kg/m2. En outre, un tel système est peu efficace dans le domaine des moyennes fréquences. Comme on cherche à alléger les automobiles pour des raisons de réduction de consommation, de pollution, etc., on 2888386 3 a proposé un système tel que représenté sur la figure 2, par exemple dans le document WO 98/18 657. Dans ce système "à double perméabilité", une couche poreuse de découplage 18 est au contact de la tôle 10 de support, de préférence avec interposition partielle d'air, et elle est surmontée d'une couche microporeuse éventuelle d'armature 20 et d'une autre couche poreuse 22, avec éventuellement une couche de décoration 16. Dans un exemple, la plus "lourde" des couches est un feutre phénolique comprimé, et l'autre un feutre souple non comprimé. L'action de ce système est dû à sa double perméabilité, c'est-à-dire à la différence de perméabilité entre les couches poreuses. Son avantage est qu'il est léger, mais son inconvénient est qu'il n'assure pratiquement pas d'isolation: il ne convient donc pas lorsqu'une telle isolation est nécessaire, par exemple pour le tablier d'une automobile. On connaît aussi, d'après le document WO 03/069 596, un système d'insonorisation élaboré qui comprend deux groupes de couches, dont un second groupe 24 du type masse- ressort comprend une couche 28 de type masse lourde associée à une couche poreuse formant ressort 26. Ce second groupe constitue un système masse-ressort classique, mais la masse de la couche lourde 28 et l'épaisseur de la couche formant ressort 26 sont réduites, par exemple d'un tiers à la moitié, par rapport au système classique illustré par la figure 1. Par exemple, la couche de type masse lourde, au lieu d'avoir une masse surfacique de 6,5 kg/m2, peut posséder une masse surfacique de 4 kg/m2 seulement. Cette réduction est possible grâce à la présence du premier groupe de couches 30. Le premier groupe comprend une couche poreuse 32, de type ressort acoustique, et une couche extérieure 34 qui présente une résistance élevée au passage de l'air, et peut aussi éventuellement être utilisée comme couche de déco- ration active pour l'insonorisation. Cette couche extérieure 34 peut être formée d'un feutre ayant une résistivité au passage de l'air de l'ordre de 3 à 20 fois supérieure à celle de l'autre couche 32. 2888386 4 Ce système constitue donc une sorte de combinaison des deux systèmes décrits en référence aux figures 1 et 2, mais avec un poids nettement réduit par rapport au premier système grâce à l'allégement de la couche 28 de type masse lourde, et une efficacité nettement accrue par rapport au second système grâce à la présence du système masse-ressort. Le système représenté sur la figure 3 présente d'excellentes propriétés d'insonorisation car le groupe de couches 30, par son effet d'absorption surtout aux moyennes fré- quences, compense le plus faible effet d'isolation assuré par le système du groupe de couches 24. La contrepartie de l'efficacité du système de la figure 3 est son coût relativement élevé. En effet, sa fabrication nécessite un procédé en deux étapes successives effectuées dans des installations séparées dont le coût est élevé. On s'est rendu compte de façon surprenante selon l'invention que l'effet d'absorption, notamment aux moyennes fréquences, obtenu avec le groupe de couches 30 de la figure 3, c'est-à-dire l'effet de deux couches superposées ayant des résistances très différentes au passage de l'air, pouvait être obtenu avec une seule couche de mousse de caractéristiques particulières. Ces caractéristiques particulières sont une porosité élevée et surtout une tortuosité élevée, ces caractéristiques pouvant être obtenues avec une seule couche de mousse. L'invention concerne donc l'application d'un tel matériau à l'insonorisation des espaces clos, et l'application de ce matériau à un ensemble d'insonorisation ayant un fonctionnement analogue à celui qu'on a décrit en référence à la figure 3, et dans lequel un système masseressort est associé à une couche de mousse de tortuosité élevée. La "tortuosité" est un paramètre couramment utilisé pour la caractérisation des matériaux poreux. Pour la description des différents paramètres utilisés pour définir les phénomènes d'absorption acoustique des milieux poreux, on peut se référer au document "Absorption acoustique dans les milieux poreux", de D. Lafarge, Y. Auregan et al., Communication au Congrès ONERA, 16 janvier 2003. Ce document 2888386 5 décrit notamment les effets de frottement visqueux, les effets inertiels de masse, les échanges thermiques, et les pertes solidiennes, et il se réfère à différents paramètres tels que la perméabilité de Darcy, la tortuosité et la ion- gueur caractéristique visqueuse. On sait que la tortuosité peut être mesurée par détermination de la pente de la courbe représentant la variation du carré de l'indice de réfraction pour la longueur d'onde acoustique utilisée en fonction de l'inverse de la racine carrée de la fréquence. En pratique, la tortuosité est liée à la forme des trajets de circulation dans un matériau poreux. Des pores traversant de façon rectiligne une feuille à faces parallèles en direction perpendiculaire à ces faces ont une tortuosité égale à 1. Les mousses à cellules ouvertes couramment utilisées ont une tortuosité comprise entre 1 et 1,35. Selon l'invention, on utilise, pour la couche unique jouant le rôle des deux couches 32 et 34 du système décrit en référence à la figure 3, une couche unique d'une mousse ayant une tortuosité supérieure à 1,4, pouvant atteindre 3 et de préférence de l'ordre de 2. C'est la combinaison d'une porosité élevée (au moins égale à 0,9 et de préférence à 0,95) et de la tortuosité élevée (supérieure à 1,4) qui donne ces propriétés élevées d'absorption acoustique à ce matériau. Plus précisément, l'invention concerne l'application d'une mousse de matière plastique à cellules ouvertes de tortuosité supérieure à 1,4 à l'insonorisation d'espaces sensiblement clos. Dans cette application, cette mousse forme avantageusement une couche associée à un groupe de couches de type masse-ressort comprenant une couche ayant une fonction de masse lourde viscoélastique et une couche formant ressort. L'invention concerne aussi un ensemble d'insonorisation comprenant des couches superposées, du type qui comporte un premier groupe de couches ayant une bonne résistance au pas-sage de l'air, et un second groupe de couches à fonction masse-ressort, le second groupe comportant une couche ayant 2888386 6 une fonction de masse lourde viscoélastique et une couche de type ressort; selon l'invention, le premier groupe de couches comprend une couche d'une mousse à cellules ouvertes de porosité élevée, de tortuosité élevée et de bonne résis- tance au passage de l'air, cette couche ayant, grâce à sa tortuosité élevée, d'excellentes propriétés d'absorption acoustique aux fréquences moyennes et hautes. De préférence, le premier groupe de couches ne comprend que la couche de mousse de tortuosité élevée. Dans un mode de réalisation avantageux, la couche de mousse de tortuosité élevée est élastique. De préférence, la couche de tortuosité élevée a une porosité supérieure à 0,9, et de préférence à 0,95. De préférence, la couche de tortuosité élevée a une résistivité à l'écoulement de l'air comprise entre 10 000 et 000 N.s/m4, et de préférence de l'ordre de 30 000 N.s/m'. De préférence, la mousse de la couche de tortuosité élevée est formée d'une matière plastique choisie parmi les polyuréthannes et les résines mélamines. De préférence, la couche de masse lourde viscoélastique a une masse inférieure d'un tiers au moins à la masse d'une couche de masse lourde d'un système d'isolation classique à masse lourde et ressort. De préférence, la couche de type ressort du second groupe de couches a une tortuosité au plus égale à 1,4, et la couche de tortuosité élevée a une tortuosité comprise entre 1,4 et 3, de préférence de l'ordre de 2. Dans le cas où les sources de bruit nécessitent une plus grande insonorisation dans la plage des basses fré- quences entre 200 et 400 Hz, il est possible d'utiliser, pour la couche de type ressort, une mousse viscoélastique (par exemple à cellules partiellement fermées) qui a l'avantage de donner un amortissement structural dans la plage des basses fréquences entre 200 et 400 Hz et dont le facteur de pertes est de l'ordre de 0,2 à 0,45, alors que celui de la couche de tortuosité élevée est de l'ordre de 0,1 à 0,2. La réduction de pente d'isolation, c'est-à- dire des pertes par transmission, de cette couche viscoélastique est compensée 2888386 7 par la bonne pente d'isolation de la couche de tortuosité élevée. Il est avantageux que l'ensemble d'insonorisation ait une épaisseur supérieure à 20 mm. L'ensemble d'insonorisation peut en outre comporter une couche de décoration du côté de la couche de tortuosité élevée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: les figures 1 à 3, déjà décrites, représentent les structures de trois systèmes connus d'insonorisation; et la figure 4 est une coupe schématique d'un ensemble d'insonorisation selon l'invention, disposé sur une tôle de support. Sur la figure 4, la référence 10 désigne, comme sur les autres figures, une tôle destinée à porter l'ensemble d'insonorisation selon l'invention, par exemple un tablier séparant un compartiment moteur d'un habitacle d'automobile. Celui-ci comprend d'abord un second groupe 24 de couches comprenant, comme le système de la figure 3, une première couche 26 formant ressort et une seconde couche 28 formant masse lourde. La première couche 26 formant ressort est une mousse souple à cellules ouvertes, par exemple de matière thermoplastique, ayant de bonnes propriétés d'absorption et de découplage mécanique. Le matériau de la couche 28, qui est imperméable, contient des matériaux denses, tels que des déchets de bitume, de la craie, du sulfate de baryum, liés par une matière thermoplastique, par exemple une polyoléfine telle que le polyéthylène. On peut aussi citer comme liant un copolymère éthylène-acétate de vinyle, ou un terpolymère éthylène-propylène-diène monomère. Cet ensemble peut être analogue à celui qui est représenté sur la figure 3. Ce second groupe de couches porte une couche 36, constituant à elle seule un premier groupe de couches et formée d'une mousse de tortuosité élevée, telle qu'une mousse souple de 2888386 8 polyuréthanne de porosité supérieure à 0,9 et de tortuosité voisine de 2. La mousse de porosité élevée et de tortuosité élevée utilisée selon l'invention est de préférence une mousse de polyuréthanne ou de résine de mélamine. Elle peut être pratiquement rigide, mais elle est de préférence souple. Dans un exemple, on prépare une telle mousse de tortuosité élevée par fabrication du polyuréthanne avec un rapport isocyanate/polyol nettement supérieur aux valeurs couramment utilisées. Ces valeurs dépendent de chaque couple isocyanate-polyol. La mousse obtenue a des pores de distribution irrégulière, de formes et de liaisons complexes. Sa porosité est élevée, c'est-à-dire supérieure à 0,9, et de préférence à 0, 95, cette porosité étant déterminée simplement par le rapport du poids de la mousse et du poids de la matière correspondante non poreuse. Sa résistivité à l'écoulement de l'air est élevée, comprise entre 10 000 et 90 000 N.s/m4, et habituellement de l'ordre de 30 000 N.s/m4. Un exemple d'une telle mousse est obtenu avec 100 parties de polyéther polyol et de 65 parties de di-isocyanate de diphénylméthane. On considère maintenant des essais qui ont été réalisés dans une installation simulant le tablier d'une automobile. Des ensembles ont été réalisés avec les systèmes des figures 1, 3 et 4 ayant des configurations donnant toutes des per- formantes acoustiques pratiquement équivalentes. Ces performances correspondaient à une réduction de bruit de 38 dB à 400 Hz, de 50 dB à 500 Hz, et de 57 dB environ dans la plage de 800 Hz à 1 250 Hz environ, la réduction étant encore plus importante aux fréquences supérieures. Pour l'obtention de ces performances, le système tel que représenté sur la figure 1 (sans la couche de décoration 16) comprenait une couche de mousse de polyuréthanne 12 de 20 mm d'épaisseur, ayant une masse surfacique de 1,2 kg/m2. La couche 14 de masse lourde, avait une masse surfacique de 6,5 kg/m2. Le poids d'un élément insonorisant de 1 m2 était donc de 7,7 kg. Dans l'exemple de la figure 3, la couche 26 de mousse à effet ressort, de même qualité que dans le système de la 2888386 9 figure 1, avait une épaisseur de 15 mm, et une masse surfacique de 0,9 kg/m2. La couche de type masse lourde 28 avait une masse surfacique réduite à 4 kg/m2. La réduction de la masse de cette couche s'accompagnait ainsi d'une réduction de l'épaisseur de la couche de mousse ressort. La troisième couche 32 était constituée d'une mousse thermoplastique identique à celle de la couche 26, mais d'épaisseur plus faible égale à 7 mm, et de masse surfacique égale à 0,49 kg/m2. La couche extérieure 34 était formée d'un feutre de 5 mm d'épaisseur. La masse surfacique de l'ensemble formé était de 5,5 kg. Dans l'exemple ayant la structure de la figure 4, les couches 26 et 28 étaient les mêmes que dans l'exemple précédent, et la couche 36 était formée d'une mousse de polyuréthanne de tortuosité voisine de 2, ayant une masse surfacique de 0,6 kg/m2 et ayant une épaisseur de 10 mm. La masse surfacique de l'ensemble réalisé était aussi de 5,5 kg/m2. Dans les trois réalisations, les mousses des couches 20 12, 26 et 32 étaient une même couche de mousse de poly- uréthanne de masse volumique de 60 kg/m3. Ainsi, pour des performances acoustiques identiques aux fréquences moyennes et élevées, le système connu décrit en référence à la figure 1 avait un poids de 7,7 kg/m2, et les systèmes représentés d'une part sur la figure 3 et d'autre part sur la figure 4 avaient un poids de 5,5 kg/m2, soit une réduction de poids de 28 % par rapport au système de la figure 1. Le système connu de la figure 3 nécessite un procédé de fabrication relativement élaboré en deux étapes, du fait de la disposition nécessaire de quatre couches. En pratique, les deux étapes successives sont effectuées dans des installations séparées, si bien que le coût de l'ensemble obtenu est élevé. Avec le système décrit en référence à l'invention, l'ensemble représenté sur la figure 4 (à l'exclusion de la tôle 10) peut être fabriqué soit en une seule opération lorsque la mousse a été préparée et n'a plus qu'à être 2888386 10 associée, soit dans une seule installation en deux opérations liées, moins coûteuses que deux opérations séparées, lorsque la mousse de tortuosité élevée est préparée en même temps. Grâce à ce procédé de fabrication simplifié et à la plus faible consommation de matières (réduction de poids), les ensembles d'insonorisation selon l'invention peuvent être fabriqués à un coût comparable à celui des ensembles représentés sur la figure 1, et très inférieur à celui des ensembles représentés sur la figure 3. On peut aussi noter que les ensembles des deux modes de réalisation des figures 3 et 4 donnent des résultats identiques avec des structures dont la seule différence est le remplacement de deux couches (32, 34) de la figure 3 par une seule couche (36) de la figure 4, avec pratiquement la même épaisseur. On ne peut donc pas considérer que le système de la figure 4 est un système "dégradé" par rapport à celui de la figure 3: au contraire, il constitue un perfectionnement puisque, pour des résultats acoustiques équivalents, il simplifie la fabrication et réduit significativement le coût. On peut enfin noter que la fabrication des ensembles d'insonorisation réalisés selon l'invention se prête bien à la formation d'orifices bien adaptés au passage des éléments devant traverser l'ensemble, tels une colonne de direction, des pédales de frein et d'accélérateur, etc. En conséquence, grâce à l'utilisation de cette mousse de tortuosité élevée, il est possible d'obtenir des propriétés aussi bonnes que celles que donne le système connu décrit en référence à la figure 3, mais à un coût bien moindre que celui de ce système. Par rapport au système connu représenté sur la figure 1, la réduction de poids est très importante et correspond donc à une réduction de consommation et de pollution des véhicules dans lesquels ces systèmes sont utilisés. Par rapport au système de la figure 2, l'invention donne des propriétés acoustiques bien meilleures, puisque le 2888386 11 système de la figure 2 ne permet pas d'obtenir une isolation suffisante. Bien qu'on se soit référé au tablier d'une automobile, l'invention a des applications bien plus étendues: dans une automobile, elle convient notamment au plancher, au toit, à toute surface interne à l'habitacle, mais elle convient aussi de façon générale à tout espace sensiblement clos qui se trouve au voisinage de sources de bruit extérieur. 2888386 12 REVENDICATIONS 1. Ensemble d'insonorisation comprenant des couches superposées, du type qui comporte: - un premier groupe de couches (36) ayant une bonne résistance au passage de l'air, et - un second groupe (24) de couches à fonction masse-ressort, le second groupe comportant une couche (28) ayant une fonction de masse lourde viscoélastique et une couche (26) de type ressort, caractérisé en ce que le premier groupe de couches comprend une couche (36) d'une mousse à cellules ouvertes de porosité élevée, de tortuosité élevée et de bonne résistance au passage de l'air, cette couche (36) ayant, grâce à sa tortuosité élevée, d'excellentes propriétés d'absorption acoustique aux fréquences moyennes et hautes. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier groupe de couches ne comprend que la couche (36) de mousse de tortuosité élevée. 3. Ensemble selon l'une des revendications 1 et 2, 20 caractérisé en ce que la couche (36) de mousse de tortuosité élevée est élastique. 4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche (36) de tortuosité élevée a une porosité supérieure à 0,9. 5. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche (36) de tortuosité élevée a une résistivité à l'écoulement de l'air comprise entre 10 000 et 90 000 N. s/m . 6. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la mousse de la couche (36) de tortuosité élevée est formée d'une matière plastique choisie parmi les polyuréthannes et les résines mélamines. 7. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche (28) de masse lourde viscoélastique a une masse inférieure d'un tiers au moins à la masse d'une couche (14) de masse lourde d'un système d'isolation classique à masse lourde et ressort. 2888386 13 8. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche (26) de type ressort du second groupe de couches a une tortuosité au plus égale à 1,4, et la couche (36) de tortuosité élevée a une tortuosité comprise entre 1,4 et 3. 9. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il a une épaisseur supérieure à 20 mm. 10. Application d'une mousse de matière plastique à cellules ouvertes de tortuosité supérieure à 1,4 à l'insonorisation d'espaces sensiblement clos.