Brevet FR3057098A1 — publié le 20180406

Domaine de l'invention La présente invention concerne un matériau pour l'absorption acoustique utilisé pour la fabrication de silencieux. Plus particulièrement, l'invention concerne un matériau pour l'absorption acoustique pour la fabrication de silencieux à baffles destinés à être utilisés dans un conduit d'aération d'un bâtiment ou d'un véhicule. L'invention concerne également des silencieux à baffles comprenant un tel matériau ainsi qu'un procédé de fabrication de tels 10 silencieux. Etat de l'art La conception d'un bâtiment ou d'un véhicule nécessite de réguler 15 la température et l'humidité à l'intérieur dudit bâtiment ou dudit véhicule pour assurer aux usagers des conditions d'hygiène et de sécurité optimales, ainsi qu'un certain confort thermique. Les technologies employées pour garantir cette régulation sont les systèmes de chauffage, ventilation et climatisation (CVC). Ces systèmes 20 ont pour rôle d'extraire l'air vicié et/ou d'apporter de l'air neuf qui peut être chauffé au refroidi. Pour cela, des centrales de traitement d'air comprenant des ventilateurs d'extraction ou de soufflage sont installées à l'intérieur de ces systèmes afin de générer des flux d'air. Les flux d'air ainsi générés 25 empruntent un conduit d'aération qui connecte les centrales de traitement d'une part à l'extérieur du bâtiment ou du véhicule, et d'autre part à l'intérieur dudit bâtiment ou dudit véhicule. Toutefois, le bruit généré par ces centrales de traitement d'air est transporté par le conduit d'aération et représente une nuisance à la fois 30 pour les personnes situées à l'intérieur du bâtiment ou du véhicule, et les personnes situées à l'extérieur. 3057098 2 Une solution classique pour réduire la nuisance sonore générée par ces centrales de traitement consiste en l'utilisation de silencieux acoustiques dits à baffles parallèles. La structure de tels silencieux consiste en un certain nombre de baffles de section généralement 5 rectangulaire qui sont insérés dans le conduit d'aération, et qui sont situés entre les centrales de traitement d'air et les lieux à protéger du bruit. Les baffles comprennent un cadre généralement métallique qui est garni d'un matériau poreux absorbant phoniquement, tel que de la laine de roche ou de la laine de verre. Toutefois, les silencieux à baffles parallèles existant aujourd'hui ne permettent pas de réduire de manière suffisante le bruit généré par les centrales de traitement d'air circulant dans les conduits d'aération des bâtiments et véhicules. En effet, les centrales de traitement d'air génèrent des niveaux élevés de bruit en basses fréquences (entre 63 Hz et 500 Hz), et les silencieux à baffles parallèles existant aujourd'hui ne permettent pas de réduire ces niveaux de bruit en basses fréquences de manière suffisante tout en respectant les contraintes d'encombrement et de pertes de charges imposées par la conception du système de ventilation. Ainsi, par exemple, pour les systèmes de ventilation existants, le niveau de pression sonore sur l'intervalle de fréquence 63 Hz - 125 Hz est supérieur d'environ 15 dB par rapport au reste du spectre, et aucun élément des silencieux connus ne possède une atténuation significative de cette bande de fréquence. Présentation générale de l'invention Un but de l'invention est de proposer un matériau pour la fabrication d'un silencieux possédant une bonne propriété d'absorption phonique en basses fréquences, sans augmenter l'encombrement dudit silencieux, et 3057098 3 sans augmenter les pertes de charges créées par l'utilisation dudit silencieux dans le conduit d'aération. Selon un premier aspect l'invention propose un silencieux pour un 5 conduit d'aération comprenant un baffle et un premier matériau, ledit baffle comprenant un cadre qui délimite un volume interne, ledit volume interne étant rempli par ledit premier matériau, ledit premier matériau comprenant un module d'Young inférieur à 20 000 N.m-2 et une résistance à l'écoulement de l'air comprise entre 10 000 et 200 000 N.s.m-4. 10 Selon une caractéristique additionnelle, lequel le baffle comprend deux faces ouvertes en regard l'une de l'autre, ledit baffle comprenant également une couche protectrice située sur au moins une des faces ouvertes dudit baffle pour empêcher le défibrage du silencieux. Selon une caractéristique possible, la couche protectrice est formée 15 par un film, ou un grillage, ou une plaque perforée. Selon une caractéristique supplémentaire, le premier matériau comprend une masse volumique comprise entre 10 et 50 kg.m-3. Selon un deuxième aspect, l'invention propose un conduit 20 d'aération comprenant un silencieux selon le premier aspect situé à l'intérieur dudit conduit d'aération, ledit conduit d'aération comprenant une direction d'élongation principale, ledit silencieux comprenant une longueur dirigée parallèlement à ladite direction d'élongation principale. 25 Selon un troisième aspect, l'invention propose un procédé de fabrication d'un silencieux selon le premier aspect dans lequel ledit procédé comprend une étape dans laquelle un premier matériau comprenant un module d'Young inférieur à 20 000 N. M-2 et une résistance à l'écoulement de l'air comprise entre 10 000 et 200 000 N.s.m-4 est 30 disposé à l'intérieur d'un volume interne d'un cadre. 3057098 4 Selon une caractéristique supplémentaire, procédé comprend une étape dans laquelle le premier matériau est comprimé de sorte à augmenter sa masse volumique, et une étape dans laquelle ledit premier matériau comprimé est disposé à l'intérieur d'un volume interne d'un 5 cadre. Selon un quatrième aspect, l'invention propose une utilisation d'un premier matériau poreux en tant qu'absorbant phonique dans un conduit dans laquelle ledit premier matériau comprend un module de Young 10 inférieur à 20 000 N. M-2 et une résistance à l'écoulement de l'air comprise entre 10 000 et 200 000 N.s.m-4. Selon une caractéristique possible, le premier matériau comprend une masse volumique comprise entre 10 et 50 kg.m-3. 15 Présentation des figures D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description ci-après de différents modes de réalisation représentés dans les dessins suivants : 20 - la figure 1 représente une vue en perspective d'un baffle pour silencieux selon l'invention ; - les figures 2a et 2b représentent chacune une vue schématique d'une coupe d'un conduit d'aération dans lequel est disposé un silencieux comprenant deux baffles selon l'invention ; 25 - la figure 3 représente des courbes comparant des mesures de la perte par transmission (TL pour « Transmission Loss ») d'un baffle pour silencieux selon l'invention par rapport à un baffle pour silencieux selon l'état de la technique ; - la figure 4 représente des courbes comparant des mesures de la 30 perte par transmission (TL pour « Transmission Loss ») d'un baffle d'un 3057098 5 silencieux selon l'invention par rapport à un baffle selon l'état de la technique par bandes d'octaves afin de simplifier l'analyse. Description de l'invention 5 Comme représenté sur la figure 1, un silencieux 1 selon l'invention comprend au moins un baffle 2 comprenant un cadre 3 métallique à l'intérieur duquel un matériau 4 est disposé, le matériau 4 étant un matériau poreux à porosités ouvertes, comme une laine minérale par 10 exemple. Plus précisément, le cadre 3 délimite un volume interne, le matériau 4 étant situé à l'intérieur du volume interne dudit cadre 3. Le matériau 4 peut être une laine de verre, c'est-à-dire un matériau fibreux fabriqué à partir de sable ou de verre recyclé, ou bien être une laine de roche, c'est-à-dire un matériau fibreux fabriqué à partir d'une 15 roche volcanique telle que par exemple le basalte, ou bien une laine de laitier, c'est-à-dire un matériau fibreux fabriqué à partir de sous-produits de la sidérurgie, et plus généralement un matériau fibreux quelque soit la nature des fibres le constituant. Le matériau 4 peut également être une mousse en polymère à cellules ouvertes, et plus généralement tout 20 matériau poreux à l'air. Le matériau 4 comprend une phase solide appelée squelette occupant une faible fraction du volume totale dudit matériau 4, comme par exemple entre 1% et 10% du volume total dudit matériau 4. Le reste du volume est saturé d'air, l'air pouvant circuler autour du squelette puisque 25 les porosités sont ouvertes. Le squelette est constitué typiquement d'un assemblage continu de poutres pour les mousses polymères, ou d'un assemblage discontinu de fibres pour les laines minérales. La faible proportion de squelette permet à une onde acoustique incidente de pénétrer facilement dans le matériau 4 poreux, siège de 30 dissipation d'énergie mécanique et acoustique. Le premier mécanisme de dissipation est lié au comportement viscoélastique du squelette. Le 3057098 6 deuxième mécanisme de dissipation est dû à la viscosité de l'air (le mouvement relatif entre le squelette et l'air circulant dans le squelette engendre des frottements visqueux entre les parois dudit squelette et l'air, dissipant ainsi de l'énergie acoustique). Le dernier mécanisme correspond 5 aux échanges thermiques entre l'air et le squelette lors du passage d'une onde acoustique. Ainsi, l'absorption acoustique d'un matériau est sa propriété à dissiper l'énergie selon les mécanismes décrits précédemment. Les propriétés d'absorption acoustique d'un matériau sont dépendantes de la fréquence des ondes sonores. 10 Le baffle 2 comprend une longueur L, une largeur Lg, et une hauteur H. La longueur L est la dimension d'élongation principale dudit baffle 2, et la largeur Lg et la hauteur H sont les deux dimensions perpendiculaires à ladite dimension d'élongation principale dudit baffle 2. Le baffle 2 comprend deux faces ouvertes 21 (seule une face 15 ouverte 21 est visible sur la figure 1) en regard l'une de l'autre et sur lesquelles le matériau 4 n'est pas recouvert par le cadre 3. Les deux faces ouvertes 21 s'étendent suivant la longueur L et la largeur Lg du baffle 2. Selon une variante possible illustrée sur la figure 1, le baffle 2 possède une section rectangulaire, le cadre 3 étant formé par 20 l'assemblage de quatre plaques 31 rectangulaires en métal. Toutefois, d'autres formes de baffle 2 sont possibles. Le baffle 2 peut en effet posséder une forme cylindrique de révolution, et dans ce cas comprend une longueur et un diamètre. 25 Comme représenté sur les figures 2a et 2b, le silencieux 1 est un silencieux à baffles parallèles, et donc comprend généralement deux baffles 2 identiques qui sont disposées en parallèle dans un conduit d'aération 5, de sorte que les deux baffles 2 soient opposées l'une à l'autre à l'intérieure du conduit d'aération 5 en plaçant une face ouverte 21 30 en d'un baffle 2 en regard d'une face ouverte 21 de l'autre baffle 2. Le 3057098 7 silencieux 1 peut toutefois comprendre un nombre supérieur ou inférieur de baffles 2 installés dans le conduit d'aération 5. Les baffles 2 sont disposés à l'intérieur du conduit d'aération 5 en dirigeant la longueur L des baffles 2 suivant une direction principale 5 d'élongation 0 du conduit d'aération 5. La longueur L des baffles 2 est dirigée suivant la direction principale d'élongation 0 du conduit d'aération 5 afin que la direction de propagation de l'onde sonore dans le conduit d'aération 5 soit parallèle à ladite direction principale des baffles 2 (la longueur L lorsque les baffles sont rectangulaires). 10 Ainsi, une onde sonore qui se propage dans le conduit d'aération va longer les faces ouvertes 21 des baffles 2 et pénétrer dans le matériau 4. En pénétrant dans le matériau 4, l'onde acoustique va mettre en résonnance ledit matériau 4 et être absorbée par ledit matériau 4 grâce aux trois mécanismes de dissipation décrit précédemment. 15 Les deux faces ouvertes 21 s'étendent parallèlement à la direction d'élongation 0 du conduit d'aération 5. Lorsque le baffle est de section rectangulaire, deux plaques 31 du cadre 3 sont dirigées perpendiculaires à la direction principale d'élongation 0 du conduit d'aération 5, et les deux autres plaques 31 sont 20 dirigées selon ladite direction principale d'élongation 0. Un flux d'air 6 circule à l'intérieur du conduit d'aération 5 suivant la direction principale d'élongation 0 du conduit d'aération 5. Afin de protéger les baffles 2 du défibrage du matériau 4 causée par la circulation du flux d'air 6 dans le conduit d'aération 5, une couche 25 de protection peut être disposée sur la surface extérieure des baffles 2. Plus précisément, une couche de protection peut être disposée sur les faces ouvertes 21 des baffles 2 de sorte à recouvrir la partie du matériau 4 exposée à la circulation du flux d'air 6. Afin de ne pas faire perdre son efficacité au silencieux 1, la couche protectrice doit être transparente pour 30 l'onde sonore se propageant dans le conduit d'aération 5, de sorte que ladite onde sonore ne soit pas réfléchie sans avoir pénétrée dans le 3057098 8 matériau 4. La couche protectrice doit donc être formée par un matériau avec une faible masse surfacique, être trouée. Ainsi, une plaque de métal pleine (c'est à dire non perforée) ne peut pas être utilisée comme couche protectrice. 5 La couche protectrice peut être un film, ledit film pouvant être en un matériau non-tissé comme un film plastique, ou un matériau tissé comme du tissu de verre. La couche protectrice peut également être un grillage ou bien une plaque perforée. 10 Selon un exemple de réalisation possible, chacune des baffles 2 est un parallélépipède droit qui possède une longueur L de 1200 mm, une largeur Lg de 500 mm, et une hauteur H de 200 mm. D'autres formes et dimensions de baffle 2 sont bien sûr possibles, la dimension et la forme des baffles 2 étant adaptées suivant les caractéristiques d'absorption 15 désirées, ainsi que les contraintes de pertes de charges et d'encombrement imposées. L'absorption phonique basse fréquence (entre 63 Hz et 500 Hz) apportée par le matériau 4 est obtenue en obtenant une résonnance 20 acoustique dudit matériau 4 en basses fréquence. Pour ce faire, le matériau 4 doit posséder un module d'Young inférieur à 20 000 N.m-2 afin de posséder un squelette suffisamment souple, et doit posséder une résistance à l'écoulement de l'air comprise entre 10 000 et 200 000 N.s.m-4. En effet, la demanderesse s'est rendu 25 compte que si la résistance à l'écoulement de l'air est trop faible, alors la résonance matériau ne se produit pas en basses fréquences, et si la résistance à l'écoulement de l'air est trop importante, alors l'absorption phonique du matériau en basses fréquence diminue. Le module d'Young du matériau 4 est de préférence inférieur à 30 10 000 N.rn-2, et encore plus de préférence inférieur à 5 000 N.rn-2. 3057098 9 La résistance à l'écoulement de l'air est de préférence comprise entre 20 000 et 200 000 N.s.m-4, et encore plus de préférence entre 20 000 et 100 000 N.s.m-4. Par ailleurs, selon une variante avantageuse, le matériau 4 5 comprend une masse volumique comprise entre 10 et 50 kg.m-3. En effet, la demanderesse s'est rendu compte que l'augmentation de la masse volumique du matériau tend à diminuer la fréquence de résonnance dudit matériau, mais que l'amplitude de ladite résonnance tend à se réduire, limitant ainsi l'absorption phonique provoquée par ladite résonnance. 10 Ainsi, une masse volumique comprise entre 10 et 50 kg.m-3 permet d'obtenir une bonne absorption phonique du matériau 4 en basse fréquences. Selon un premier mode de réalisation possible de l'invention, le 15 matériau 4 est une laine minérale comprenant les propriétés suivantes, dont la définition et les méthodes de détermination expérimentale desdites propriétés sont décrites dans Techniques de l'ingénieur Acoustique R6120 Mesure des propriétés acoustiques des matériaux poreux » : - une porosité de 0,98. La porosité correspond au volume d'air 20 présent dans le volume total du matériau. - une résistance à l'écoulement de l'air de 53 000 N.s.m-4, elle est mesurée selon la norme IS09053. - une tortuosité de 1, - une longueur caractéristique visqueuse de 46,4 pm. 25 - une longueur caractéristique thermique de 92,7 pm. - une masse volumique de 14 kg.m-3. - un module d'Young de 2 500 N.m-2, mesuré selon la norme ISO 9052. 30 Selon un exemple de réalisation, le matériau 4 est la laine minérale « Microlite AA Standard » produite par la société Johns Manville, et par 3057098 10 exemple vendue par la société Jehier, avec une masse volumique nominale de 16 kg.m3. Cette laine minérale formant le matériau 4 est utilisée pour l'isolation thermique et phonique de l'habitacle d'un aéronef. La 5 demanderesse s'est, de manière surprenante, aperçue que cette laine minérale possède les bonnes propriétés physiques pour permettre l'atténuation du bruit en basses fréquences dans un conduit d'aération avec un silencieux, et notamment un silencieux à baffle. Toutefois, l'utilisation de cette laine minérale pour l'isolation 10 thermique et phonique de l'habitacle d'un aéronef est très différente de l'utilisation de cette laine minérale en tant que silencieux 1 pour un conduit d'aération. En effet, pour l'isolation phonique d'un aéronef, d'une part il est nécessaire que la laine minérale soit emprisonnée entre des parois 15 pleines, généralement métalliques, afin que l'isolation phonique soit effective, et d'autre part la direction de propagation de l'onde sonore est sensiblement perpendiculaire à la direction d'élongation principale de laine autour de l'habitacle dudit aéronef. L'isolation phonique de l'aéronef est obtenue en réfléchissant l'onde sonore incidente grâce à la présence des 20 parois emprisonnant la laine minérale, ladite laine minérale servant uniquement à empêcher les résonnances acoustiques entre lesdites parois. Concernant l'absorption acoustique pour un silencieux 1, la laine minérale formant le matériau 4 est d'une part disposée dans un cadre 25 comprenant des faces ouvertes 21 et n'est donc pas emprisonnée entre des parois pleines, et d'autre part, comme indiqué précédemment, la direction d'élongation principale du silencieux 1 (et du bloc de matériau 4) est parallèle à la direction de propagation de l'onde sonore. Ces conditions favorisent la résonance du matériau en basses fréquences qui 30 peut vibrer librement, et offrent un couplage maximal avec l'onde acoustique qui longe la surface du matériau 4 le long des faces ouvertes 3 0 5 70 9 8 11 21 du baffle 2, et selon la longueur L dudit baffle 2. En effet, si les faces ouvertes 21 du baffle 2 était recouvertes par une couche d'un matériau qui n'est pas transparent pour l'onde sonore se propageant dans le conduit d'aération 5, comme par exemple une plaque de métal pleine, alors ladite 5 onde sonore serait réfléchie par cette couche en matériau non transparent et ne serait pas absorbée par le matériau 4 à l'intérieur du baffle 2. On a représenté sur les figures 3 et 4 des courbes obtenues en mesurant la perte par transmission (TL pour « Transmission Loss » selon 10 la terminologie anglo-saxonne bien connue) d'un baffle 2 constitué du premier matériau 4 et d'un baffle selon l'état de la technique sur un banc de mesure multimodal. La figure 4 représente les mêmes mesures que la figure 3, les résultats étant représentés par bandes d'octaves afin de simplifié 15 l'analyse. Le matériau de l'état de la technique utilisé pour réaliser les tests comparatifs illustrés aux figures 3 et 4 est une laine minérale possédant les propriétés suivantes : 20 - une porosité de 0,954 ; - une résistance à l'écoulement de l'air de 14066 N.s. M-4 ; - une tortuosité de 1 ; - une longueur caractéristique visqueuse de 91,2 pm ; - une longueur caractéristique thermique de 182,4 pm ; 25 - une masse volumique de 53 kg.m-3. - Un module d'Young de 70 000 N.m-2. Le baffle 1 selon l'invention et le baffle selon l'état de la technique utilisé pour réaliser les mesures des figures 3 et 4 sont de mêmes dimensions. 30 3057098 12 Ainsi, comme visible sur les figures 3 et 4, l'utilisation du matériau 4 permet d'obtenir un phénomène de résonnance à basse fréquence, aucune résonance à basse fréquence ne se produisant pour le matériau de l'état de la technique. Grâce à ce phénomène de résonnance à basse 5 fréquence, l'absorption phonique du baffle 2 selon l'invention est supérieure entre 200 Hz et 800 Hz. La perte par transmission est même supérieure de presque 10 dB à 500 Hz grâce à la résonnance du matériau 4. Le matériau 4 possède toutefois des performances plus faibles 10 entre 800 Hz et 2250 Hz. La courbe 31 représente la variation de la perte par transmission (TL pour « Transmission Loss ») du baffle pour silencieux selon l'état de la technique décrit précédemment, obtenue par simulation pour une fréquence allant de 100 à 3400 Hz. 15 La courbe 32 représente la variation de la perte de transmission (TL pour « Transmission Loss ») du baffle pour silencieux selon l'état de la technique, obtenue par mesure lors de tests pour une fréquence allant de 100 à 3400 Hz. La courbe 33 représente la variation de la perte par transmission 20 (TL pour « Transmission Loss ») du baffle pour silencieux selon le premier mode de réalisation de l'invention, obtenue par simulation pour une fréquence allant de 100 à 3400 Hz. La courbe 34 représente la variation de la perte par transmission (TL pour « Transmission Loss ») du baffle pour silencieux selon le premier 25 mode de réalisation de l'invention, obtenue par mesure lors de tests pour une fréquence allant de 100 à 3400 Hz. Ainsi, le matériau 4 permet d'obtenir un bon compromis entre augmentation de l'absorption phonique en basses fréquence et diminution 30 de l'absorption phonique en hautes fréquences, sans augmenter l'encombrement du silencieux 1. 3057098 13 Comme indiqué précédemment, il est possible de décaler la fréquence de résonnance du matériau 4 en jouant sur la masse volumique dudit matériau 4. 5 Ainsi, selon une variante possible de l'invention, un procédé de fabrication d'un silencieux comprend une étape dans laquelle le matériau poreux 4 est comprimé afin d'augmenter sa masse volumique. Une fois ledit matériau 4 comprimé, il est installé à l'intérieur d'un cadre de sorte à former un baffle 2. Un taux de compression possible peut par exemple 10 être un taux de compression de 1,5. Ainsi, grâce à la compression du matériau 4, et donc en augmentant la masse volumique dudit matériau 4, il est possible de diminuer la fréquence de résonnance dudit matériau 4. 15 REVENDICATIONS1. Silencieux (1) pour un conduit d'aération (5) comprenant un baffle (2) et un premier matériau (4), ledit baffle (2) comprenant un cadre (3) qui délimite un volume interne, ledit volume interne étant rempli par ledit premier matériau, ledit premier matériau (4) comprenant un module d'Young inférieur à 20 000 N.m-2 et une résistance à l'écoulement de l'air comprise entre 10 000 et 200 000 N.s.m-4. 2. Silencieux (1) selon la revendication 1 dans lequel le baffle (2) comprend deux faces ouvertes (21) en regard l'une de l'autre, ledit baffle (2) comprenant également une couche protectrice située sur au moins une des faces ouvertes (21) dudit baffle (2) pour empêcher le défibrage du silencieux (1). 3. Silencieux (1) selon la revendication 2, dans lequel la couche protectrice est formée par un film, ou un grillage, ou une plaque perforée. 4. Silencieux (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 20 dans lequel le premier matériau (4) comprend une masse volumique comprise entre 10 et 50 kg.m-3. 5. Conduit d'aération (5) comprenant un silencieux (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 situé à l'intérieur dudit conduit 25 d'aération (5), ledit conduit d'aération (5) comprenant une direction d'élongation principale (0), ledit silencieux (1) comprenant une longueur (L) dirigée parallèlement à ladite direction d'élongation principale (0). 6. Procédé de fabrication d'un silencieux (1) selon l'une quelconque 30 des revendications 1 à 3, dans lequel ledit procédé comprend une étape dans laquelle un premier matériau (4) comprenant un module d'Young 3057098 15 inférieur à 20 000 N.m-2 et une résistance à l'écoulement de l'air comprise entre 10 000 et 200 000 N.s.m-4 est disposé à l'intérieur d'un volume interne d'un cadre (3). 5 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel ledit procédé comprend une étape dans laquelle le premier matériau (4) est comprimé de sorte à augmenter sa masse volumique, et une étape dans laquelle ledit premier matériau (4) comprimé est disposé à l'intérieur d'un volume interne d'un cadre (3). 10 8. Utilisation d'un premier matériau (4) poreux en tant qu'absorbant phonique dans un conduit d'aération (5) dans laquelle ledit premier matériau (4) comprend un module de Young inférieur à 20 000 N.m-2 et une résistance à l'écoulement de l'air comprise entre 10 000 et 200 000 15 N. s. 9. Utilisation d'un premier matériau (4) selon revendication 8, dans laquelle ledit premier matériau (4) comprend une masse volumique comprise entre 10 et 50 kg.m-3.20