Brevet FR2926662A1 — publié le 20090724

DISPOSITIF D'ATTENUATION ET DE TRANSFORMATION SIMULTANEE DE L'ENERGIE ACOUSTIQUE EN ENERGIE ELECTRIQUE ET PROCEDE DE REALISATION D'UN TEL DISPOSITIF DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [001] La présente invention concerne un système d'atténuation et de transformation de l'énergie acoustique en énergie électrique ainsi qu'un procédé de réalisation d'un tel dispositif. ÉTAT DE LA TECHNIQUE [002] Généralement, les nuisances sonores sont atténuées à l'aide de panneaux d'isolation phonique, constitués le plus souvent de polyester, dans le cas d'une chambre, ou bien de béton, dans le cas d'un panneau d'isolation phonique en bord de route. Ces différents panneaux d'isolation phonique permettent d'atténuer le bruit en dissipant l'énergie acoustique sous forme de vibrations. Cependant l'énergie acoustique contenue dans le bruit est alors perdue. [003] L'art antérieur connaît par ailleurs le système du microphone qui permet de transformer l'énergie acoustique en énergie électrique. La demande de brevet US 2005/0218052 décrit dans ce domaine un générateur d'énergie à partir du bruit ambiant basé sur l'utilisation d'un microphone relié à un circuit électrique permettant de stocker l'énergie électrique produite par le microphone. Cependant le dispositif décrit dans ce document produit un courant électrique de faible intensité sur un spectre de fréquences très large. En effet, une membrane de microphone est dimensionnée pour vibrer quelque soit le son qui l'excite. OBJET DE L'INVENTION [004] La présente invention vise à pallier les inconvénients de l'état de la technique en proposant un dispositif d'atténuation et de transformation simultanée des nuisances sonores en énergie électrique, adapté pour atténuer efficacement et transformer de grande quantité de bruit en courant électrique. La présente invention concerne également un procédé de réalisation d'un tel dispositif. [005] Pour cela, la présente invention se propose de transformer l'énergie acoustique contenue dans un environnement sonore bruyant en énergie électrique en optimisant l'amplitude de vibration d'une plaque dans une gamme de fréquence restreinte. [006] Plus précisément, la présente invention a pour objet un dispositif d'atténuation et de transformation simultanée de l'énergie acoustique d'un environnement sonore en énergie électrique, comportant une plaque pouvant être mise en résonance par les ondes de l'environnement sonore, la plaque étant reliée à un transducteur électromécanique transformant les vibrations de la plaque en un courant électrique, et dans lequel la plaque est plane et dimensionnée en taille et module d'Young de sorte que sa première fréquence propre de vibration soit sensiblement comprise dans un intervalle de fréquences centré sur la fréquence de plus grande énergie des ondes de l'environnement sonore. [007] Ainsi la plaque est dimensionnée pour que son débattement ait une amplitude maximale lorsqu'elle est excitée par une fréquence sensiblement comprise dans l'intervalle de fréquence choisi. Ce dimensionnement permet alors de produire un courant électrique important, à partir d'une gamme de fréquence contenue dans l'environnement sonore. [008] Suivant différents modes de réalisation, la présente invention prévoit que : - le module d'Young de la plaque est compris entre 2300 et 300 000 MPa, intervalle qui correspond à des plaques rectangulaires de côtés compris entre 1 cm et 1 m pour les environnements sonores les plus courants, c'est-à-dire les routes, aéroports, gares, bâtiments, usines, villes - la composition de la plaque est à base de polyméthacrylate de méthyle dont l'élasticité permet d'avoir des plaques de dimensions raisonnables pour les environnements sonores les plus courants ; - la composition de la plaque est à base d'acier, dont l'élasticité permet également d'avoir des plaques de dimensions raisonnables pour les environnements sonores les plus courants ; - la composition de la plaque est à base d'aluminium ; - le transducteur électromécanique est composé d'un enroulement de fil conducteur placé dans l'entrefer d'un aimant créant un champ magnétique fixe, permettant ainsi de produire un courant électrique par induction ; - la plaque est dimensionnée de manière à entrer en résonance à une fréquence propre comprise entre 40 et 70 Hz, de préférence sensiblement égale à 50 Hz, pour permettre une utilisation directe du courant produit dans les appareils électriques standards ; - la plaque est dimensionnée de manière à entrer en résonance à une fréquence propre comprise entre 16 et 20 000 Hz, ce qui correspond à la gamme des fréquences audibles ; - un filtre coupe bande est placé devant la plaque. Ce filtre coupe-bande permet de ne transmettre à la plaque que les fréquences pour lesquelles elle est dimensionnée ; - la plaque est comprise entre un filtre coupe bande placé devant la plaque et un matériau d'isolation phonique placé derrière la plaque, l'ajout de ce matériau d'isolation phonique permet de supprimer un bruit résiduel qui n'a pas été atténué par la plaque ; - la plaque est comprise entre deux couches étanches qui protègent la plaque et le transducteur des intempéries dans le cas où ce dispositif est placé en extérieur ; - la plaque est comprise entre deux couches rigides afin de protéger le dispositif ; - le courant électrique produit est stocké dans une batterie couplée au transducteur électromécanique ; - le transducteur électromécanique est couplé à un convertisseur de fréquences, permettant de transformer la fréquence du courant électrique produit en une fréquence compatible avec les appareils électriques standards, comme par exemple 50 Hz. [009] De manière avantageuse un mur anti-bruit peut comporter un ou plusieurs des dispositifs anti-bruit tels qu'ils viennent d'être décrits. Selon différents modes de réalisation, la présente invention prévoit que : - le mur anti-bruit comprend plusieurs dispositifs analogues à ceux décrits précédemment, les plaques de tous les dispositifs étant dimensionnées pour entrer en résonance à la même fréquence propre ; - le mur anti-bruit comprend plusieurs dispositifs analogues à ceux décrits précédemment, les plaques de tous les dispositifs étant dimensionnées pour entrer en résonance à des fréquences propres différentes. [0010] La présente invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif d'atténuation et de transformation simultanée de l'énergie acoustique d'un environnement sonore en énergie électrique, ledit dispositif comportant un transducteur électromécanique et une plaque pouvant entrer en résonance suite à l'excitation d'une onde sonore, ledit procédé comportant les étapes suivantes: - analyse spectrale de l'environnement sonore à atténuer ; - détection de la composante spectrale de plus grande énergie ; - dimensionnement de la plaque de telle sorte que la première fréquence propre de la plaque soit sensiblement égale à la fréquence de 10 plus grande énergie des ondes de l'environnement sonore. [0011] La présente invention concerne également un procédé de réalisation d'un mur anti-bruit comportant des dispositifs d'atténuation et de transformation simultanée de l'énergie acoustique d'un environnement sonore en énergie électrique, chaque dispositif comportant un transducteur électromécanique et une 15 plaque pouvant entrer en résonance suite à l'excitation d'une onde sonore, ledit procédé comportant les étapes suivantes: - analyse spectrale de l'environnement sonore à atténuer ; -détection des n composantes spectrales de plus grandes énergies ; -dimensionnement de n plaques de sorte que la première fréquence 20 propre de chaque plaque soit sensiblement égale, respectivement, à la fréquence de l'une des n composantes de plus grande énergie des ondes de l'environnement sonore. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES [0012] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent: - en figure 1, une représentation schématique d'un dispositif selon la présente invention ; - en figure 2, la composition spectrale d'un trafic routier dense. EXEMPLE DE RÉALISATION [0013] En référence à la figure 1, un dispositif conforme à la présente invention est constitué d'un cadre rectangulaire 1 auquel est couplé une plaque plane 2 de polyméthacrylate de méthyle, pouvant entrer en résonance sous l'effet d'ondes sonores 3. A cette plaque est couplé un enroulement de métal conducteur 4, placé dans l'entrefer d'un aimant à champ radial 5 créant un champ magnétique fixe. [0014] La plaque 2 de polyméthacrylate de méthyle est carrée, de côté 25 cm et d'épaisseur sensiblement égale à 1 mm. Elle est couplée à un enroulement de fil de cuivre. [0015] En présence d'une onde sonore 3, la plaque 2 entre en résonance et l'enroulement 4, auquel la plaque est couplée, oscille alors dans le champ magnétique fixe. Par induction, un courant électrique est alors créé dans le circuit électrique 6, ce qui permet d'alimenter par un courant électrique une ampoule 7. [0016] En outre un filtre coupe bande 8 peut être inséré entre la plaque 2 et la source de bruit 3 afin de ne garder que les fréquences choisies 9. Dans l'exemple choisi, la source sonore est anthropique, et le filtre ne laisse passer que la fréquence de 50 Hz, qui correspond au premier mode propre de la plaque ainsi dimensionnée, si bien que la plaque vibre à la fréquence de 50 Hz avec une amplitude maximale et que le courant produit a une fréquence de 50 Hz. Bien sur la plaque peut être excitée selon ses autres modes propres, cependant il est préférable de l'exciter selon son premier mode propre puisque, ainsi, son débattement a la plus grande amplitude possible. [0017] Il est donc nécessaire de dimensionner la plaque de façon à ce que la fréquence de son premier mode propre soit égale à la fréquence du bruit à atténuer: ainsi le débattement de la plaque a la plus grande amplitude possible et donc le courant produit a aussi la plus grande amplitude possible. Un exemple de dimensionnement d'une plaque destinée à atténuer et à transformer la pollution sonore d'une route est donné à partir de la figure 2. [0018] Pour cela l'environnement sonore est enregistré et son spectre de fréquence est calculé afin de connaître la fréquence de plus grande énergie contenue dans l'environnement sonore à atténuer. La figure 2 représente le spectre de fréquence d'un trafic dense d'une route en bord de laquelle un mur anti-bruit selon la présente invention sera installé. Sur cette figure, la fréquence de plus haute énergie 11 est 1000 Hz: la plaque est donc dimensionnée pour que sa première fréquence propre soit sensiblement égale à 1000 Hz. En effet, la fréquence propre f d'une plaque carrée, est liée à son épaisseur e, son côté L, son coefficient de poisson v, sa longueur d'onde et son module d'Young E par la relation : f=(n/(2Lz)) *. J�E * e3) 1(12 * (l - v2�) [0020] Dans cet exemple, la plaque est réalisée en acier, de module d'Young 210 GPa et de coefficient de poisson 0,3. Pour des commodités de fabrication, la plaque est carrée, d'épaisseur égale à 1 mm : la relation ci-dessus fixe donc les côtés de la plaque L à 8,3 cm. Bien sur un autre dimensionnement de plaque peut être choisi à condition que la plaque obtenue ait pour première fréquence propre 1000 Hz. [0021] La plaque obtenue est ensuite placée derrière un filtre coupe bande permettant d'atténuer toutes les fréquences autres que 1000 Hz. La plaque est couplée à un transducteur électromécanique permettant de transformer les vibrations de la plaque en un courant électrique alternatif. Le dispositif obtenu est alors placé dans un mur anti-bruit, à proximité de la route dont on veut atténuer l'environnement sonore. En présence de cet environnement sonore à atténuer et transformer, toutes les ondes sonores de fréquences autres que 1000 Hz sont atténuées par le filtre coupe bande. Les ondes de fréquences 1000 Hz font entrer la plaque en résonance, ce qui permet au transducteur électromécanique de transformer les vibrations de la plaque en courant électrique, tout en atténuant ces ondes. [0022] Bien entendu, plusieurs dispositifs analogues à celui qui vient d'être décrit peuvent être placés dans le mur anti-bruit afin d'augmenter son efficacité. [0023] En outre, un même mur anti-bruit peut contenir deux sortes de dispositifs, chacun contenant une plaque permettant d'atténuer un type de bruit. [0024] Naturellement de nombreuses variantes sont possibles: ainsi d'autres transducteurs électromécaniques peuvent être choisis pour transformer le mouvement de la plaque en courant électrique. Par ailleurs la plaque peut être réalisée dans tout matériau lui permettant d'être dimensionnée de manière à avoir une fréquence propre sensiblement égale à la fréquence de l'onde sonore nuisible de plus grande amplitude; dans certains cas, la plaque peut même comporter des nanotubes de carbone. De plus, le mur anti-bruit peut comporter plusieurs plaques dimensionnées pour entrer en résonance à une même fréquence afin d'augmenter l'atténuation des ondes sonores à cette fréquence. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'atténuation et de transformation simultanée de l'énergie acoustique d'un environnement sonore en énergie électrique, comportant une plaque pouvant être mise en résonance par les ondes d'un environnement sonore, la plaque étant reliée à un transducteur électromécanique transformant les vibrations de la plaque en un courant électrique, et dans lequel la plaque est plane et dimensionnée en taille et module d'Young de sorte que sa première fréquence propre de vibration soit sensiblement comprise dans un intervalle de fréquences centré sur la fréquence de plus grande énergie des ondes de l'environnement sonore. 2. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le module d'Young de la plaque est compris entre 2300 et 300 000 MPa, ce qui permet d'avoir des plaques rectangulaire de côtés compris entre 1 cm et 1 m pour les environnements sonores les plus courants. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la composition de la plaque est à base de polyméthacrylate de méthyle. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans 20 lequel la composition de la plaque est à base d'acier. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel la composition de la plaque est à base d'aluminium. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le transducteur électromécanique est composé d'un enroulement de 25 fil conducteur placé dans l'entrefer d'un aimant créant un champ magnétique fixe, permettant ainsi de produire un courant électrique par induction. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la plaque est dimensionnée de manière à entrer en résonance à une fréquence propre comprise entre 40 et 70 Hz, de préférence sensiblement égale à 50 Hz. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la plaque est dimensionnée de manière à entrer en résonance à une fréquence propre comprise entre 16 et 20 000 Hz, de préférence comprise entre 900 et 1200 Hz; 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 10 dans lequel un filtre coupe bande est placé devant la plaque. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la plaque est comprise entre un filtre coupe bande placé devant la plaque et un matériau d'isolation phonique placé derrière la plaque. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 15 dans lequel la plaque est comprise entre deux couches étanches. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la plaque est comprise entre deux couches rigides. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le courant électrique produit est stocké dans une batterie couplée au 20 transducteur électromécanique. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le transducteur électromécanique est couplé à un convertisseur de fréquences, permettant de transformer la fréquence du courant électrique produit en une fréquence compatible avec des appareils électriques standards, comme 25 par exemple 50 Hz. 15. Mur anti-bruit comportant un ou plusieurs dispositifs selon l'une quelconque des revendications précédentes. 16. Mur anti-bruit selon la revendication 15, dans lequel les plaques de tous les dispositifs sont dimensionnées pour entrer en résonance à la même 5 fréquence propre. 17. Mur anti-bruit selon la revendication 15, dans lequel les plaques de tous les dispositifs sont dimensionnées pour entrer en résonance à des fréquences propres différentes. 18. Procédé de réalisation d'un dispositif selon l'une quelconque des 10 revendications 1 à 14, comportant les étapes suivantes : - analyse spectrale de l'environnement sonore à atténuer ; - détection de la composante spectrale de plus grande énergie ; - dimensionnement de la plaque de telle sorte que la première fréquence propre de la plaque soit sensiblement égale à la fréquence de plus grande 15 énergie des ondes de l'environnement sonore. 19. Procédé de réalisation d'un mur anti-bruit selon l'une quelconque des revendications 15 à 17, comprenant les étapes suivantes: - analyse spectrale de l'environnement sonore à atténuer ; - détection des n composantes spectrales de plus grande énergie ; 20 - dimensionnement de n plaques de telle sorte que la première fréquence propre de chaque plaque soit sensiblement égale à la fréquence de nième plus grande énergie de l'environnement sonore.