EP3384486B1

EP3384486B1 - Métamatériau acoustique réflecteur

Info

Publication number: EP3384486B1
Application number: EP16819152.6A
Authority: EP
Inventors: Abdelkrim Khelif; Mahmoud ADDOUCHE; Aliyasin EL AYOUCH
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite de Franche-Comte
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite de Franche-Comte
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2016-12-02
Publication date: 2021-07-28
Anticipated expiration: 2036-12-02
Also published as: EP3384486A1; WO2017093690A1; FR3044813B1; ES2894800T3; FR3044813A1

Description

L'invention concerne le domaine des isolants acoustiques. En particulier, l'invention porte sur une cellule élémentaire d'un métamatériau acoustique, et un écran acoustique comprenant une telle cellule.
Les nuisances sonores dans la vie quotidienne, provenant par exemple de l'environnement extérieur, comme la proximité d'un axe routier ou aérien, ou bien intérieur comme le bruit des appareils ménagers, sont des facteurs de stress qui détériorent le confort de vie.
Les nuisances sonores existent également dans le domaine du bâtiment et dans divers domaines industriels.
Afin de retrouver le confort, il est souvent nécessaire d'isoler acoustiquement la source de bruit. Pour ce faire, des solutions permettant d'atténuer la propagation des ondes sonores existent. Cependant, les isolants acoustiques connus de l'état de la technique reposent sur l'utilisation de caractéristiques intrinsèques de matériaux en termes d'absorption ou de réflexion d'ondes sonores. Les matériaux classiquement utilisés à cette fin sont typiquement des matériaux poreux, telles que des mousses métalliques ou des matériaux polymères, la laine de roche, de verre, de coton, de liège ou de fibres de bois agglomérées.
Un problème que pose l'utilisation de tels matériaux réside dans le fait que le choix du matériau à utiliser est dicté par les caractéristiques intrinsèques du matériau, ce qui limite la possibilité de choix du matériau par rapport à une application donnée. De plus, le fait de se baser sur les propriétés intrinsèques du matériau limite également la gamme de fréquences de réponse du matériau, ainsi que les techniques de fabrication.
En outre, les panneaux acoustiques fabriqués à partir de tels matériaux sont lourds et volumineux, notamment ceux utilisé pour les basses fréquences.
Le document de l'art antérieur XP012202298 divulgue un métamatériau acoustique constitué par des cellules élémentaires comprenant chacune un canal qui traverse un corps solide, formant une cavité de type Fabry-Pérot, et une cavité résonante latérale de type Helmholtz en communication avec ladite cavité de type Fabry-Pérot.
L'objectif de la présente invention est de résoudre les problèmes des isolants acoustiques connus de l'état de la technique. En particulier, l'invention a pour objectif de proposer une solution d'isolation acoustique, efficace et permettant d'avoir une flexibilité dans le choix du matériau et la gamme de fréquences.
L'invention vise également à réduire la dimension et le poids des panneaux acoustiques.
À cet effet, l'invention a pour objet une cellule élémentaire de métamatériau acoustique comprenant :

un corps en matériau solide,
au moins une cavité, de type Fabry-Pérot dans ledit corps, et
au moins une cavité résonante latérale communicant avec ladite cavité de type Fabry-Pérot.

Par cavité de type Fabry-Pérot on entend une cavité ayant deux extrémités ouvertes. Une telle cavité permet un confinement élevé de l'énergie acoustique. Cette cavité étant couplée à une ou plusieurs cavité (s) résonante (s) latérale(s), une série d'antirésonances/résonances remplacent les résonances classiques des cavités de type Fabry-Pérot simples, induisant un effet accru de réflexion des ondes sonores. La cavité de type Fabry-Pérot est un conduit traversant ledit corps et la cavité résonante latérale est un résonateur acoustique de type Helmholtz qui est une cavité cylindrique concentrique avec le conduit traversant et communiquant avec ledit conduit par un cou. Un tel effet est obtenu indépendamment de la nature du matériau solide, ce qui permet donc de s'affranchir de la nature du matériau.
En d'autres termes, même en utilisant un matériau solide dont les propriétés de réflexion intrinsèques ne sont pas importantes, le fait de le structurer de manière à avoir un métamatériau comprenant une cavité de type Fabry-Pérot couplée à une ou plusieurs cavité(s) résonante(s) latérale(s) permet d'améliorer considérablement la réflexion d'ondes sonores par ce matériau.
Pour avoir une réflexion importante, il est préférable que les dimensions de l'ouverture de la cavité de type Fabry-Pérot, par exemple le diamètre d'une cavité cylindrique, soient inférieures à la longueur d'onde ou à la gamme de longueurs d'ondes que l'on souhaite réfléchir.
La cavité résonante latérale peut avoir une forme quelconque, la seule condition pour avoir une réflexion d'ondes sonores et que la cavité résonnante latérale communique avec la cavité de type Fabry-Pérot.
La cavité de type Fabry-Pérot permet de générer une transmission dont le profil peut être approximé par : $T_{FP} = \frac{1}{1 + 0.25 {(\frac{Z_{eff}}{Z_{0}})}^{2} \sin^{2} (k_{eff} l_{eff})}$
Avec Z_sff une impédance effective dépendant de la forme du taux de remplissage de la cavité, et « l_eff » la longueur de la cavité (qu'elle soit repliée ou non).
La résonance s'opère à la fréquence de $f_{FP} = \frac{c}{2 l_{eff}} .$
A cette résonance, il est possible de coupler un autre résonateur latérale (de type Helmholtz), dont la fréquence de résonance proche de ƒ_FP permet de générer une forme asymétrique caractérisée par une antirésonance à une fréquence égale ou inférieur à ƒ_FP. La forme du profil obtenue est alors modulée par l'expression suivante : $σ_{F} = \frac{A {(\frac{w^{2} - {w_{R}}^{2}}{{W_{R} + w_{R})}^{2} - {w_{R}}^{2}} + q)}^{2}}{({(\frac{w^{2} - {w_{R}}^{2}}{{W_{R} + w_{R})}^{2} - {w_{R}}^{2}})}^{2} + 1)}$
Avec w_R la fréquence de résonance du résonateur latéral, W_R la largeur de bande de la résonance, A un paramètre d'amplitude et q un paramètre d'asymétrie. Ces paramètres dépendent de la forme et du positionnement du résonateur latéral.
Ce qui donne : $T_{F} = T_{FP} σ_{F}$
La cavité de type Fabry-Pérot est un conduit traversant ledit corps en matériau solide, qui est de préférence cylindrique. L'avantage d'avoir un conduit traversant réside dans le fait qu'il permet la circulation de l'air et favorise les échanges thermiques entre les deux milieux que la cellule élémentaire sépare.
De préférence le conduit cylindrique a une section circulaire avec un diamètre inférieur aux longueurs d'ondes à réfléchir. Ceci permet d'avoir un haut confinement d'énergie.
Avantageusement, le corps de cellule est parallélépipédique ou cylindrique. Une telle forme est avantageuse, car elle permet d'inclure aisément la cellule dans une matrice, par exemple dans une matrice d'un panneau absorbant ou bien un panneau comprenant d'autres éléments acoustiques.
Avantageusement, le conduit traversant est coaxial avec la cellule cylindrique.
Avantageusement, le résonateur d'Helmholtz est une cavité cylindrique concentrique avec le conduit traversant et communiquant avec ledit conduit traversant par un cou. Cette configuration favorise l'interaction entre la cavité de type Fabry-Pérot et la cavité latérale pour réaliser la fonction de réflecteur. La réflexion est notamment favorisée par la présence du cou reliant les deux cavités.
Avantageusement, le corps en matériau solide comporte deux résonateurs d'Helmholtz ou plus, ayant des dimensions différentes. Le fait d'avoir plusieurs résonateurs d'Helmholtz avec des dimensions différentes permet d'augmenter la bande de fréquences dans laquelle la cellule est réflectrice, à travers des couplages intervenant à différentes fréquences. En effet, comme les résonateurs ont des dimensions différentes, chacun a une fréquence de résonance différente. De ce fait, le couplage de tels résonateurs d'Helmholtz permet d'élargir la bande de fréquences dans laquelle la cellule est réflectrice.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la cavité Fabry-Pérot et/ou la cavité résonante latérale est (sont) repliée(s) de manière à présenter au moins une entrée, au moins une sortie et au moins deux plis.
Ces replies sont réalisés par une technique appelée, technique de repliement de l'espace, qui permet de réduire l'épaisseur de la cellule. Ainsi, grâce à ce repliement il est possible de fabriquer des cellules acoustiques conformes à l'invention, de faible épaisseur.
L'invention porte également sur un écran acoustique sous la forme d'un panneau, comprenant au moins une cellule élémentaire selon l'invention. Un tel écran peut comprendre uniquement des cellules élémentaires réflectrices selon l'invention, mais il peut également comprendre d'autres éléments acoustiques, par exemple des cellules acoustiques absorbantes.
Avantageusement, ledit écran acoustique comprend une multitude de cellules élémentaires, lesdites cellules étant agencées dans un plan du panneau de sorte que chaque cellule soit apte à agir sur une autre cellule voisine pour élargir la bande de fréquence de réflexion.
Dans cette configuration, le fait d'augmenter le nombre de cellules par unité de surface, permet d'augmenter la réflexion des ondes sonores.
Par plan du panneau on entend dans le sens de la présente demande la surface du panneau qui peut être plate ou courbée.
Avantageusement, lesdites cellules élémentaires sont agencées dans ledit plan du panneau de manière périodique, par exemple selon un réseau particulier de type triangulaire, carré, hexagonal, ou en forme de nid d'abeille.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante de modes de réalisation préférés donnés à titre d'exemples illustratifs, non limitatifs, en référence aux dessins parmi lesquels :

Les figures la à 1c représentent un premier exemple de réalisation d'une cellule élémentaire selon l'invention, comprenant une cavité de type Fabry-Pérot et une cavité latérale ;
Les figures 2a et 2b représentent des vues de coupes de deux autre exemples dans lesquels la cellule comprend une seule cavité latérale ;
La figure 3 représente un exemple de réalisation dans lequel la cellule élémentaire comprend en plus de la cavité de type Fabry-Pérot, trois cavités latérales ;
Les figures 4a à 4c représentent un premier exemple de réalisation dans lequel la cavité latérale est repliée ;
Les figures 5a à 5d représente un deuxième exemple de réalisation dans lequel la cavité de type Fabry-Pérot est repliée ;
La figure 6 montre la réponse en transmission d'une cellule élémentaire conforme à l'invention.

La figure la représente une vue isométrique d'une cellule élémentaire 1 de métamatériau acoustique conforme à l'invention. Les figures 1b et 1c représentent respectivement, une vue de dessus et une vue d'une coupe suivant l'axe AA de la cellule élémentaire 1.
La cellule 1 comporte un corps solide 2 cylindrique comprenant un conduit cylindrique 3 coaxial et traversant, formant une cavité de type Fabry-Pérot. La figure 1c montre que le corps 2 comporte également en son intérieur une cavité latérale 4 cylindrique et coaxiale au conduit 3 auquel elle est reliée à travers un cou 5, de manière à former une cavité de type Helmoltz. Comme cela est visible sur la figure 1c, le cou 5 est situé à mi-hauteur de la cavité cylindrique 4.
Par mi-hauteur on entend, une distance située au milieu entre les deux extrémités du conduit traversant formant la cavité de Fabry-Pérot.
Une telle structuration de la cellule de métamatériau 1, notamment grâce à la présence du cou 5 qui relie les deux cavités, favorise l'interaction entre la cavité de type Fabry-Pérot et la cavité latérale pour réaliser une fonction de réflecteur.
Le cou 5 peut toutefois être remplacé par une ouverture d'un autre type entre la cavité traversante 3 et la cavité latérale 4.
Les figures 2a et 2b représentent des coupes similaires à la coupe représentée en figure 1c, de deux autres exemples de réalisation de cellules élémentaires 1' et 1" qui diffèrent de l'exemple de réalisation représenté dans les figures la à 1c par la forme de la cavité latérale.
Dans l'exemple de la figure 2a, la cavité latérale 4' est sensiblement similaire à la cavité 4 de la figure 1c, néanmoins le cou 5' n'est pas agencé dans le corps en matériau solide 2' à mi-hauteur du conduit 3' comme dans la cellule 1 de la figure 1c, mais plutôt décalé vers une extrémité du conduit 3'. Ce décalage a pour effet de contrôler le couplage pour optimiser la réflexion.
Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 2b, la cavité latérale 4" a une largeur (c'est à dire la distance entre la paroi intérieure I et la paroi extérieure E du corps 2" en matériau solide) est beaucoup plus importante que la largeur de la cavité 4 de la figure 1c. Le cou 5", reliant la cavité latérale 4" au conduit traversant 3", est agencé à mi-hauteur du conduit 3".
En modifiant les dimensions de la cavité latérale, on modifie sa fréquence de résonance et son facteur de qualité. De cette manière on peut ajuster la fréquence de réflexion.
Le mode de réalisation de la figure 3 diffère des exemples des figures 2a et 2b par le fait que le corps de cellule 20 comporte trois cavités latérales 41, 42, 43 concentriques du conduit traversant 30 auquel elles sont reliées. Les cavités 41 et 42 sont cylindriques et chacune est reliée au conduit traversant 30 par un cou 51, 52.
Les trois cavités 41, 42, 43 comme elles ont des formes et/ou dimensions différentes, leurs fréquences de résonance sont également différentes. De ce fait, la bande de fréquences de réflexion de la cellule élémentaire 10 est plus importante que celle de la cellule élémentaire 1, qui comprend une seule cavité latérale 4 comme représenté dans la figure 1c.
Les figures 4a, 4b et 4c représentent respectivement, une vue isométrique, une vue de dessus et une vue d'une coupe suivant l'axe BB, d'une cellule élémentaire 100 selon un autre mode de réalisation.
La figure 4c montre que le corps 200 de la cellule élémentaire 100 comporte une cavité latérale repliée 400 de manière à avoir plusieurs plis, reliée à un conduit cylindrique traversant 300 par le cou 500.
Le repliement de la cavité latérale 400 permet de réduire considérablement l'épaisseur de la cellule 100, tout en gardant l'efficacité réflexion.
La figure 5a représente une vue isométrique d'une cellule élémentaire 100' parallélépipédique, comprenant un corps de cellule solide 200' parallélépipédique et un conduit 300' formant une cavité de Fabry-Pérot. Les figures 5b à 5d représentent respectivement une vue de dessus, une vue d'une coupe suivant l'axe CC et une vue d'une coupe suivant l'axe DD, de la cellule 100'.
La figure 5c montre que le conduit 300' est replié et communique via un cou 500' avec une cavité cylindrique 400' coaxiale avec un segment dudit conduit 300' comme le montre la figure 5d.
La forme parallélépipédique de la cellule élémentaire 100' présente l'avantage de permettre un meilleur remplissage de la surface d'un panneau acoustique.
Selon une variante, la cavité de type Fabry-Pérot et la cavité latérale sont repliées.
L'invention concerne également un écran acoustique comprenant une ou plusieurs cellules élémentaires conforme(s)à l'invention et telle(s) que décrite(s) ci-dessus.
La figure 6 illustre la réponse de transmission d'une cellule élémentaire conforme à l'exemple de réalisation présenté aux figures la à 1c. Ladite cellule est cylindrique d'un rayon de 14,5 mm et comprend une cavité traversante de type Fabry-Pérot d'une longueur de 60 mm et d'un rayon de 2 mm. Un cou latéral de 4 mm en largeur et concentrique avec la cavité de type Fabry-Pérot est positionné à mi-hauteur entre les deux extrémités de la cavité de type Fabry-Pérot. A ce cou est reliée une cavité latérale de 36 mm de longueur et de 4 mm de largeur, également concentrique avec la cavité de type Fabry-Pérot.
Ladite cellule a été fabriquée par l'imprimante 3D Projet SD3500, dont les caractéristiques de la résine Visijet Crystal utilisée sont présentées ci-dessous :

Densité (g/cm) : 1.02 (liquide, à 80°)
Module d'Young : 1463 MPa
Contrainte-flexion : 49 MPa

La caractérisation présentée et qui permet d'étudier les propriétés acoustiques de ladite cellule pour les fréquences audibles, est obtenue grâce à un tube à ondes stationnaire muni de 4 microphones. Nous avons utilisé un kit de tube de transmission de type 4206-T de la marque Brüel&Kjær.
Le diamètre de tube de transmission utilisé est de 29 mm, ce qui permet de réaliser des mesures pour l'intervalle de fréquences de [500 :6400]-Hz.
Un haut-parleur, placé à une extrémité du tube, génère du bruit blanc sur la bande fréquentielle qui nous intéresse.
Les mesures en pression sont réalisées en utilisant deux terminaisons à condition d'impédance différente.
Comme le montre le spectre de transmission présenté en figure 6, nous obtenons une atténuation centrée autour de 3kHz atteignant 40dB (parfois 50dB), sur une largeur de bande relative de 133%.
Ce résultat représente une amélioration de 15 à 20 dB par rapport à la réflexion d'une cellule simplement munie d'une cavité de type Fabry-Pérot, et ce pour une fréquence allant de 1 à 5 kHz.
Dans la description ci-dessous, nous désignons le corps en matériau solide indifféremment par corps en matériau solide, corps solide, corps de cellule ou simplement corps.

Claims

Cellule élémentaire (1; 1'; 1"; 10; 100; 100') de métamatériau acoustique comprenant :
- un corps en matériau solide (2; 2'; 2"; 20; 200; 200'),

- au moins une cavité de type Fabry-Pérot (3; 3'; 3"; 30; 300; 300') dans ledit corps (2; 2'; 2"; 20; 200; 200'), et

- au moins une cavité résonante latérale (4; 4'; 4"; 41, 42, 43; 400; 400'), qui est un résonateur acoustique de type Helmholtz, communicant avec ladite cavité de type Fabry-Pérot (3 ; 3' ; 3" ; 30 ; 300 ; 300'),
Caractérisée en ce que la cavité de type Fabry-Pérot (3 ; 3' ; 3" ; 30 ; 300 ; 300') est un conduit traversant ledit corps (2; 2'; 2"; 20; 200; 200'),
et en ce que le résonateur d'Helmholtz est une cavité cylindrique (4; 4'; 4"; 41, 42, 43 ; 400; 400') concentrique avec le conduit traversant (3 ; 3' ; 3" ; 30 ; 300 ; 300') et communiquant avec ledit conduit (3 ; 3' ; 3" ; 30 ; 300 ; 300') par un cou (5 ; 5' ; 5" ; 50 ; 500; 500').
Cellule (1; 1'; 1"; 10; 100; 100') selon la revendication 1 , dans laquelle le conduit traversant (3 ; 3' ; 3" ; 30 ; 300 ; 300') est cylindrique.
Cellule (1; 1'; 1"; 10; 100; 100') selon l'une des revendications 1 à 2, dans laquelle le corps de cellule (2; 2'; 2"; 20; 200; 200') est parallélépipédique ou cylindrique.
Cellule (10) selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle le corps en matériau solide (20) comporte deux résonateurs d'Helmholtz (41, 42, 43) ou plus, ayant des dimensions différentes.
Cellule (100; 100') selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la cavité Fabry-Pérot (300') et/ou la cavité résonante latérale (400) est (sont) repliée(s) de manière à présenter au moins une entrée, au moins une sortie et au moins deux plis.
Écran acoustique sous la forme d'un panneau comprenant au moins une cellule élémentaire (1; 1'; 1"; 10; 100; 100'), selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.
Écran acoustique selon la revendication 6, comprenant une multitude de cellules élémentaires (1; 1'; 1"; 10; 100; 100'), lesdites cellules étant agencées dans un plan du panneau de sorte que chaque cellule élémentaire (1; 1'; 1"; 10; 100; 100') soit apte à agir sur une autre cellule élémentaires (1; 1'; 1"; 10; 100; 100') voisine pour élargir la bande de fréquence de réflexion.
Écran acoustique selon la revendication 7 dans lequel les cellules élémentaires (1; 1'; 1"; 10; 100; 100') sont agencées dans ledit plan du panneau de manière périodique.