Brevet FR3090981A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Panneau acoustiquement isolant Domaine technique de l'invention [0001] La présente invention concerne un panneau acoustiquement isolant permettant de limiter la transmission d'ondes acoustiques entre deux faces dudit panneau. Etat de la technique antérieure [0002] Parmi les solutions connues d'atténuation acoustique, on connait ainsi les panneaux à simple paroi dont le principe (l'isolation est décrit par la loi de masse qui montre que plus une paroi est massique et épaisse plus l'isolation sera importante. Ces parois sont souvent couplées à un matériau acoustique absorbant, tel qu'un matériau poreux permettant dc diminuer le temps de réverbération dans la salle émettrice. En diminuant ce temps de réverbération, on peut diminuer légèrement le niveau sonore dans la salle émettrice et donc diminuer le niveau sonore dans la salle réceptrice. Un grand nombre de produits acoustiques de cc type existe sur le marché aujourd'hui, notamment les capots de machine ou les éléments de séparation de stands de travail en usine. [0003] A l'heure actuelle, les matériaux utilisés pour l'absorption acoustique sont en grande majorité des matériaux à matrice poreuse tels que des matériaux dits poreux (mousse polyuréthanne, ...) ou des matériaux dits fibreux (laine dc verre, fibre de palme, ...). L'intégration dc ces matériaux dans des panneaux acoustiques est facile à réaliser. Dc plus le panneau ainsi obtenu est léger et possède de bonnes performances pour l'atténuation acoustique d'une grande partie des fréquences du spectre audible. [0004] Toutefois, ces matériaux ne permettent pas une bonne atténuation des sons très basses fréquences, c'est-à-dire pour des fréquences de l'ordre de 50 Hz à 500 Hz pour des panneaux d'épaisseur mince d'épaisseur de l'ordre de 2 à 5 cm, correspondant par exemple au bruit émis par un moteur au ralenti. Ceci est particulièrement vrai pour les fréquences dont la longueur d'onde correspondante est supérieure à quatre fois l'épaisseur du matériau. [0005] Tous les panneaux à simple paroi affichent le même comportement et la même courbe d'isolation. Le niveau dc cette courbe dépend uniquement dc la masse volumique et de l'épaisseur de la plaque. Le problème est donc que pour avoir une isolation forte il faut une paroi extrêmement lourde et épaisse. Ainsi, on ajoute une masse lourde (souvent un matériau bitumineux) sur la paroi, ou bien un matériau poreux. Ce matériau poreux est cependant très peu efficace à moins de pouvoir mettre des épaisseurs de plusieurs dizaines de centimètres. [0006] Dans une optique de transport et dans le domaine du bâtiment, ce n'est pas envi- sageable, puisque l'on cherche même à alléger et rendre le plus fin possible les 2 structures. [0007] On connaît également les panneaux à double paroi comprenant deux plaques entre lesquelles est placée une lame d'air ou un matériau poreux. L'isolation acoustique de ce type de panneau possède deux minima locaux à la fréquence de respiration fie, et à la fréquence critique fe. Ces mininima sont problématiques car ils traduisent une faiblesse dans l'isolation acoustique. La fréquence critique est située en hautes fréquences (plusieurs kHz) et correspond à une coïncidence entre la longueur d'onde vibratoire de la paroi et la longueur d'onde acoustique, ce qui se traduit par une forte transmission de l'énergie acoustique. La fréquence de respiration est quant à elle située en très basses fréquences (entre 50 et 500 Hz) et est liée à la résonance masseair-masse de la paroi : les plaques oscillent en opposition de phase sous l'effet de la raideur du milieu acoustique compressible dans la cavité. Mis à part ces deux fréquences, la double paroi a un comportement intéressant d'un point de vue acoustique puisqu'entre celles-ci, la pente d'isolation est de +18dB/octave puis de -F12dB/octave. Son isolation peut donc être importante en moyenne et haute fréquences (entre 500 et 4000Hz). 11 est important de noter qu'un tel système a un comportent acoustique mais aussi vibratoire. En effet, du côté source, l'onde acoustique arrive sur la première plaque qui va être sollicitée de façon mécanique et se déformer (il y a une onde acoustique dans le solide, on dit également vibration), et qui va ensuite rayonner une onde acoustique dans la cavité d'air. L'onde acoustique dans cette cavité va ensuite exciter la seconde plaque qui va vibrer et rayonner dans une partie de réception que l'on souhaite isoler de la source. En général, on rajoute un matériau poreux dans la cavité pour atténuer les modes acoustiques dans la cavité sans influencer la vibration des plaques. De plus, ces plaques sont optimisées d'un point de vue masse et épaisseur pour avoir une fréquence de respiration la plus basse possible (souvent en dessous de 100Hz) et une fréquence critique la plus haute possible (entre 2500 et 5000 Hz). On aura compris que les panneaux à simple paroi ou ceux à double paroi souffrent de difficultés similaires relatives à l'encombrement et à la masse des panneaux pour réaliser une isolation acoustique acceptable. [0008] Un panneau à double paroi permet ainsi d'obtenir des isolations acoustiques im- portantes en moyenne et haute fréquences mais présente toujours une isolation acoustique faible à basse fréquence, notamment à cause de la fréquence de respiration. A l'instar des panneaux à simple paroi, la solution consiste à augmenter la masse des parois extérieures ou leur épaisseur, ce qui est évidement problématique. [0009] Pour répondre à la problématique d'isolation acoustique, c'est-à-dire à la pro- blématique de la réduction de la transmission d'un bruit par une source acoustique, et s'affranchir des difficultés des techniques précitées, il est actuellement étudié la possibilité d'utiliser la technologie des cristaux soniques. Cette technologie consiste à 3 disposer des diffuseurs acoustiques à des intervalles prédéterminés les uns des autres afin de bloquer des gammes de fréquences des ondes acoustiques émises par la source pour des longueurs d'ondes proportionnelles à la période (espacement) des diffuseurs. [0010] Pour pouvoir être efficaces, ces cristaux soniques nécessitent plusieurs lignes de diffuseurs cc qui crée des barrières très épaisses, comprises entre 50cm et 2m d'épaisseur, ce qui les cantonne à des applications extérieures, telles que notamment pour des barrières anti-bruit, par exemple à destination de l'isolation acoustique des voies ferrées ou des abords de voies de circulation automobiles, notamment les autoroutes. Dans unc application connue, les diffuseurs sont constitués de résonateurs entourés de matériaux poreux pour augmenter la gamme de fréquence d'efficacité (voir SA'NCHEZ-PE'REZ et al., "Noise certification of a sonic crystal acoustic screen designed using a triangular lattice according to the standards EN 1793 (-1;-2;-3)", EuroNoise, 2015). Par ailleurs, on notera que les diffuseurs sont coûteux et complexes à mettre en oeuvre. En effet, chaque diffuseur est constitué de trois éléments, à savoir un tube en métal recouvert intérieurement d'une laine de roche, le tout étant recouvert d'un tube en aluminium micro-perforé. En pratique, cet assemblage est complexe et obtenir unc tube micro-perforé est difficile puisqu'aucune proposition commerciale n'existe. Ainsi, l'installation d'un mur anti-bruit sur une distance d'un mètre serait donc très coûteux et sans garantie d'efficacité puisque ce type de solution technologique reste encore à l'état de développement. [0011] 11 est également connu du document US2011/0100746 d'utiliser des bandes de ca- outchouc percées de trous et remplies d'un fluide (air ou eau). Ce genre de matériau est utilisé pour lier deux milieux et empêcher les vibrations de passer de l'un à l'autre. Il est optimisé pour traiter les ondes de compression se propageant dans le sens de l'empilement des trous. Les gammes de fréquences traitées sont beaucoup trop hautes pour pouvoir être appliquées des problématiques d'isolations basses fréquences. Ceci est notamment lié au choix des matériaux et de leurs propriétés mécaniques, qui empêchent de descendre vers des fréquences plus basses. [0012] Enfin, on connait du document FR3010225 les matériaux à cellules absorbantes comprenant une couche poreuse et des résonateurs acoustiques agencés entre deux faces de la couche poreuse. Lorsqu'ils sont utilisés pour des applications d'isolation acoustique, seules les résonances des résonateurs agissent et permettent d'améliorer l'isolation sur des gammes de fréquences très réduites. Ceci peut être utile pour traiter la fréquence de respiration des doubles parois mais ne permet pas d'augmenter l'isolation sur une large bande. La taille des résonateurs pour traiter des basses fréquences peut également être critique et peut rapidement atteindre plusieurs centimètres de diamètre et plusieurs mètres de longueur. Ce qui dans des applications de transport est problématique. 100131 L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ces problèmes. Résumé de l'invention [0014] A cet effet, elle propose un panneau acoustiquement isolant, comprenant une couche comprenant une première face et une seconde face, ladite couche étant réalisée dans un matériau ayant un module d'Young compris entre lkPa et 100 MPa, une masse volumique comprise entre 5 et 1000 kg/m3 et comprenant une pluralité de diffuseurs intercalés entre la première face et la seconde face , le module d'Young des diffuseurs étant supérieur au module d'Young du matériau de ladite couche, les diffuseurs étant agencés dans ladite couche de manière à former un réseau périodique de cellules agencées côte à côte selon une direction parallèle auxdites première et seconde faces avec chaque cellule comprenant au moins un diffuseur, le panneau comportant en outre des moyens d'étanchéité aptes à interdire le passage d'air depuis l'extérieur du panneau dans ladite couche. [0015] Lc panneau selon l'invention qui est un métamatériau vibro-acoustique est ainsi composé d'une matrice solide élastique et d'inclusions rigides diffusantes, c'est-à-dire des diffuseurs vibratoires (et non des résonateurs acoustiques) agencés à l'intérieur de la matrice. L'invention peut être appliquée sur une simple paroi, ou à l'intérieur d'une double paroi, en lieu et place d'un matériau poreux classique comme évoqué précédemment. L'intérêt est de pouvoir traiter des basses fréquences pour des épaisseurs fines, et une masse ajoutée relativement faible là où les matériaux classiques nécessitent une forte épaisseur et une masse ajoutée importante. [0016] Lc traitement des ondes sonores au sein du matériau se fait de manière différente de la technique antérieure. La configuration de panneau proposée permet d'avoir une faible vitesse de propagation des ondes vibratoires dans la couche/matrice du fait d'un modifie d'Young compris entre lkPa et lOOMPa. Unc faible vitesse de propagation des ondes mécaniques dans la couche du panneau implique des petites longueurs d'onde et donc nécessite des petites inclusions diffusantes, conduisant à obtenir un panneau de petite épaisseur en comparaison de la technique antérieure. En réussissant à convertir des ondes acoustiques basses fréquences (grandes longueurs d'ondes) en ondes vibratoires dans le matériau (petites longueurs d'ondes), on est donc capable de les bloquer au niveau des diffuseurs, les empêchant de traverser le panneau de part en part, c'est-à-dire dans une direction traversant la première face et la seconde face. [0017] Ainsi, le panneau étant destiné à être monté sur un support tel qu'une plaque pouvant servir de support d'accrochage sur un mur ou une quelconque autre paroi à isoler acoustiquement, celle-ci va augmenter l'isolation acoustique de la plaque avec une sur-épaisseur mince Cette surépaisseur peut être placée du côté de la source d'émission sonore ou du côté opposé. Cependant, elle sera plus efficace si elle est placée du côté de la source car il est plus facile d'atténuer des ondes acoustiques avant qu'elles n'atteignent une plaque de support, plutôt que d'essayer d'amortir les vibrations d'une plaque déjà mise en mouvement. En pratique, la face destinée à être appliquée sur un support pourra être munie d'un film collant aux fins de fixation sur ledit support. [0018] Pour obtenir un panneau vibro-acoustique efficace dans le domaine de l'acoustique audible (20Hz - 20kHz), et en particulier dans la gamme de fréquence comprise entre 50 et 4000 Hz, il faut donc associer trois éléments : une matrice ou un matériau souple avec un faible module d'Young, un réseau périodique de cellules comprenant chacune au moins un diffuseur et s'assurer que les ondes acoustiques aériennes sont bien transformées en ondes élastiques dans le matériau. Sans l'un d'eux, cette technique ne fonctionne pas aux fréquences d'intérêt industrielles (entre 50 et 4000 Hz). Les cellules sont ici toutes identiques. [0019] L'ajout de moyens d'étanchéité à l'air permet que toute l'énergie acoustique soit transmise de manière mécanique au panneau. [0020] La déposante propose ainsi un panneau qui détourne l'utilisation des matériaux ab- sorbants classiques, notamment les matériaux poreux et les matériaux rnétaporcux, connus pour être efficaces en absorption acoustique (peu d'ondes réfléchies) mais très peu efficaces en isolation (les ondes traversent le matériau facilement). Lorsque le matériau est poreux, l'ajout d'une membrane étanche à l'air sur la surface de la couche enlève les propriétés d'absorption du poreux mais permet d'exciter uniquement le squelette. De cette manière, très peu d'énergie acoustique se propage dans l'air contenu dans les pores du matériau. Ceci est une différence fondamentale par rapport aux autres métaporeux acoustiques existants, notamment ceux du brevet US9818393B2 où le matériau poreux est considéré comme un fluide équivalent dans lequel l'énergie acoustique se propage et se dissipe et où la vibration du squelette est faible. Autrement dit, la majeure partie de l'énergie acoustique se propage dans les pores. [0021] Selon une autre caractéristique, ladite couche est une matrice poreuse, telle que par exemple une mousse polyuréthane, une mousse à mémoire de forme, des fibres de polyester et une mousse polyéthylène. La matrice poreuse peut présenter une porosité comprise entre 0,5 et 0,99. En particulier, la porosité peut être comprise entre 0,7 et 0,99. L'augmentation de la porosité permet de donner de la souplesse à la matrice du matériau, augmentant dès lors l'atténuation des très basses fréquences. La matrice peut être à pores ouverts ou à pores fermés. [0022] Lorsque l'on utilise une matrice poreuse à pores ouverts, les moyens d'étanchéité peuvent par exemple comprendre une membrane isolante à l'air recouvrant la première face de ladite couche. Cette membrane peut présenter une épaisseur au moins égale à 0,05 mm Cette épaisseur minimale permet de garantir la solidité du film. La 6 membrane isolante à l'air peut présenter une épaisseur inférieure à 0,5 mm. En effet, au-delà de cette épaisseur, la membrane devient trop lourde et s'apparente à une plaque. [0023] Les moyens d'étanchéité peuvent présenter une résistivité au passage de l'air au moins supérieure à 50000 N.m-4.s. En dessous de cette valeur, la résistance à l'air est trop faible et engendre des fuites qui ne permettent d'avoir une bonne isolation acoustique. [0024] La couche peut être une matrice non poreuse, par exemple à base de caoutchouc. Dans ce cas, la couche peut être dépourvue de membrane étanche comme décrit ci-dessus si l'étanchéité de la matrice non poreuse est suffisante. Bien évidemment, on comprend que la couche logeant les diffuseurs pourrait avoir une structure hi-matériau, c'est-à-dire avec une ou plusieurs sous-couches. Lorsque la sous-couche destinée à recevoir en premier les ondes acoustiques n'est pas étanche à l'air (par exemple une sous-couche à matrice poreuse), alors il serait nécessaire d'ajouter une membrane isolante à l'air comme décrit précédemment. Le terme sous-couche désigne ici une épaisseur donnée de la couche de matériau logeant les diffuseurs, le terme « sous n'indiquant pas un agencement relatif. [0025] Dans une réalisation donnée, lesdits diffuseurs sont des cylindres droits dont les gé- nératrices sont sensiblement parallèles audites première face et seconde face de la couche de matériau logeant les diffuseurs. Tous les diffuseurs peuvent être identiques. Ils peuvent présenter une structure interne creuse, pleine ou avec des parois de renforts internes. [0026] Préférentiellement, le module d'Young desdits diffuseurs est au moins dix fois supérieur au module d'Young de la couche. Cette valeur permet d'assurer un contraste de rigidité suffisamment important entre la structure même de la couche et les diffuseurs, afin de créer des bandes interdites de Bragg. [0027] On pourra utiliser des diffuseurs réalisés en métal tel que de l'aluminium, de l'acier ou du cuivre. Les diffuseurs peuvent également être réalisés en matière polymère type PVC, polypropylène , PET, PETG, Acétate, Polycarbonate. D'autres matières tels que du papier, du carton roulé, du papier kraft ou du papier phénolisé pourront aussi convenir. [0028] Selon une caractéristique de l'invention, lorsque l'espacement a entre les cellules est égal à l'épaisseur du panneau, l'espacement peut alors être défini comme T a 2r , où fo représente la fréquence centrale d'une gamme de fréquence ciblée (ou 7 d'intérêt) et représente la vitesse des ondes de cisaillement dans ledit matériau. Chaque cellule peut comprendre un ou plusieurs diffuseurs, un diffuseur donné d'une cellule étant espacé de la valeur a du diffuseur correspondant dans la cellule adjacente. Ce panneau présente ainsi la particularité d'avoir des cellules à section carré. Lorsqu'une source émet des ondes acoustiques dans l'air, les ondes mécaniques se propagent suivant deux directions : les ondes longitudinales (compression) et les ondes transverses (cisaillement). Dans le panneau, ces dernières sont les plus lentes. Si en théorie, pour obtenir une isolation optimale, un dimensionnement précis des diffuseurs est obligatoire, la déposante a remarqué qu'il était possible d'avoir un effet significatif lorsque la période est égale à la moitié de la longueur d'onde de cisaillement comme indiqué précédemment. [0029] Dans encore une autre réalisation de l'invention, il serait possible que la couche de matériau comprenne au moins une zone dont l'épaisseur présente un gradient positif du module d'Young orienté de la première face vers la seconde face. Ainsi, le gradient pourrait s'étendre depuis la première face jusqu'à la seconde face ou bien sur une partie seulement de la couche. De multiples combinaisons sont ainsi possibles. Le terme « gradient positif » désigne une augmentation du module d'Young. Brève description des figures [0030] [fig.1] représente une vue en coupe d'un premier mode de réalisation d'un panneau selon l' invention ; [0031] [fig.2] est un graphe de l'évolution de la transmission vibratoire en dB en fonction de la fréquence à plusieurs angles d'incidences sur le panneau de la figure 1 ; [0032] [fig.3] représente un graphe représentant la perte de transmission (en décibels) en fonction de la fréquence (échelle logarithmique) pour le panneau de la figure 1 ainsi qu'avec un panneau de référence ; [0033] [fig.4] représente une vue en coupe d'un second mode de réalisation d'un panneau selon l'invention ; [0034] [fig.5] est un graphe de l'évolution de la transmission vibratoire en dB en fonction de la fréquence à plusieurs angles d'incidences sur le panneau de la figure 4 ; 8 100351 Ifig.61 représente un graphe représentant la perte de transmission (en décibels) en fonction de la fréquence (échelle logarithmique) pour le panneau de la figure 4 ainsi qu'avec un panneau de référence ; [0036] [fig.7] représente une pluralité de diffuseurs destinés à être utilisés avec un panneau selon l' invention ; [0037] [fig.8] représente une autre réalisation possible d'un panneau selon l'invention. Description détaillée de l'invention [0038] Les figures 1 et 4 représentent respectivement un premier mode de réalisation d'un ensemble 10 comprenant un panneau 10a selon l'invention et un second mode de réalisation d'un ensemble 12 comprenant un panneau 12a. [0039] Dans les deux réalisations différentes proposées, le panneau 10a, 12a est porté par une plaque de support 14. Dans les différents exemples, la plaque 14 est réalisée en bois. Cette plaque présente une niasse de 3,5 kg. L'utilisation d'une plaque absorbante, telle qu'en bois, permet de renforcer l'indice d'affaiblissement, renforçant ainsi l'isolation acoustique. [0040] Lc panneau 10a, 12a comprend une couche 10h, 12h comportant une première face 10e, 12e et une seconde face 10d, 12d opposées l'une à l'autre. La seconde face 10d, 12d est en contact avec la plaque 14 de support, par exemple à l'aide d'un moyen de collage, tel qu'un film collant. Comme cela est apparent sur la figure 1, la couche 10a, 12a comprend plusieurs cellules agencées côte à côte. On comprend qu'il ne s'agit pas ici de cellules 10e, 12e structurellement distinctes les unes des autres. Chaque cellule 10e, 12e comprend un diffuseur 10f, 12f1, 12f2 et toutes les cellules 10e, 12e sont identiques. Ainsi, pour ce qui concerne la figure 1, les diffuseurs 10f forment une ligne selon une direction parallèle aux première et seconde faces. Pour cc qui concerne la figure 4, les diffuseurs 12f1 forment une première ligne selon une direction parallèle aux première et seconde faces et les diffuseurs 12f2 forment une seconde ligne selon une direction parallèle aux première et seconde faces. La seconde ligne de diffuseurs 12f2 est agencée entre la première ligne 12flet la seconde face 12d. [0041] Sur les figures 1 et 4, les diffuseurs sont représentés en coupe. Les diffuseurs 10f, 12f1, 12f2 présentent une forme allongée selon une direction sensiblement perpendiculaire au plan de coupe et s'étendent parallèlement aux première face 10e, 12e et seconde face 10d, 12d. Les diffuseurs 10f, 12f1, 12f2 sont ici des cylindres circulaires droits dont les génératrices sont sensiblement parallèles audites première face et seconde face de la couche 10a, 12a de matériau logeant les diffuseurs 10f, 12f1, 12f2. 9 D'autres formes de cylindres droits seront représentées en figure 8. [0042] Pour obtenir une bonne atténuation des basses fréquences du domaine audible, le panneau 10a, 12a acoustiquement isolant est tel que la couche, logeant les diffuseurs, est réalisée dans un matériau ayant un module d'Young compris entre lkPa et 100 MPa et présentant une masse volumique comprise entre 5 et 1000 kg/m3. Par ailleurs, la couche 10a, 12a comprend des moyens d'étanchéité aptes à interdire le passage d'air depuis l'extérieur du panneau dans ladite couche. Ces moyens d'étanchéité sont représentés sur la figure 1 par le trait 16 en pointillés sur la première face de la couche 10a, 12a. Ces moyens d'étanchéité 16 peuvent être partie intégrante de la couche lorsque la structure constitutive de la couche 10a, 12a permet cette étanchéité à l'air ou bien être formés par une membrane isolante à l'air qui recouvre la première face de ladite couche lorsque le matériau ne permet pas d'assurer intrinsèquement la fonction d'étanchéité à l'air. Dans ce dernier cas, le trait 16 représente donc une membrane étanche à l'air. [0043] Le panneau 10a, 12a ainsi configure, c'est-à-dire avec une matrice souple ayant un faible module d'Young, un réseau périodique de cellule 10e, 12e comprenant au moins un diffuseur 10f, 12f1, 12f2 (en figure 1 un seul diffuseur et en figure 4 deux diffuseurs) et des moyens d'étanchéité à l'air permettant de s'assurer de la transformation des ondes sonores aériennes émises par une source sonore en ondes acoustiques dans le solide, permet d'obtenir une bonne atténuation aux fréquences d'intérêt industrielles, c'est-à-dire entre 50 et 4000 Hz. [0044] 11 est ainsi possible d'utiliser n'importe quel matériau ayant un module d'Young et une densité effective faible. Ceci permet d'obtenir des vitesses de propagation d'ondes mécaniques faibles (