FR2738326A1 - Dispositif d'attenuation de l'energie acoustique dans un ecoulement de liquide a pression variable, et circuit hydraulique comprenant au moins un dispositif de ce type - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif d'atténuation de l'énergie acoustique propagée par un écoulement de liquide dans une conduite (10), ce dispositif comprenant un manchon (16) de matériau visco-élastique, monté à l'intérieur d'un tronçon de tube rigide (14) et comprenant des volumes isolés (24) d'un matériau compressible tel qu'un gaz, pour atténuer l'énergie acoustique dans une large gamme de fréquences.
Description
L'invention concerne un dispositif d'atténuation, dans une large gamme de fréquences, de l'énergie acoustique se propageant dans un écoulement de liquide et produite par des singularités telles que des pompes, des vannes, des diaphragmes, des changements de section, etc, ainsi qu'un circuit hydraulique comprenant au moins un dispositif de ce type.
L'invention est applicable à une très grande variété de circuits hydrauliques, tels par exemple que des circuits de commande de vérins, des stations de pompage, des circuits hydrauliques industriels, chaque fois qu'il est nécessaire ou souhaitable de réduire le bruit propagé par un écoulement de liquide.
Dans ce but, il est déJà connu d'intercaler, dans une conduite hydraulique, un atténuateur comprenant un manchon en élastomère ou matière analogue, monté à étanchéité sur un tube perforé dans lequel circule le liquide et logé dans une enveloppe rigide qui délimite avec le manchon une chambre à gaz sous pression. Les inconvénients de ce dispositif connu sont essentiellement son encombrement important, dû à un système de pressurisaticn associé à la chambre à gaz, et la nécessité de le piloter pour l'adapter aux variations de pression du liquide qui circule dans la conduite.
On connaît également des atténuateurs constitués par un manchon de matériau plus ou moins élastique, intercalé dans la conduite, et qui est censé atténuer l'énergie acoustique de l'écoulement de liquide. Toutefois, les performances des atténuateurs de ce type sont le plus souvent médiocres, notamment lorsque la pression du liquide est relativement élevée.
De façon générale, il se révèle très difficile d'atténuer l'énergie acoustique d'un écoulement de liquide sur une large gamme de fréquences, par exemple de 50 ou 100 Hz Jusqu'd 1000 Hz, lorsque la pression statique du liquide peut varier dans une large mesure, par exemple entre 1 et 50 ou 100 bars, et il n'existe pas dans la technique connue de dispositif atténuateur répondant à ces critères.
L'invention a notamment pour but de satisfaire ce besoin.
Elle propose, à cet effet, un dispositif d'atténuation dans une large gamme de fréquences de l'énergie acoustique propagée par un écoulement de liquide à pression statique variable dans une conduite, comprenant au moins un manchon en matériau compressible placé dans la conduite et ayant un diamètre interne de passage de liquide égal à celui de la conduite, caractérisé en ce que ce manchon est réalisé en au moins un matériau visco-élastique très peu compressible et comprend des volumes internes d'un matériau plus compressible.
Ce manchon monté dans la conduite d'écoulement du liquide constitue une rupture d' impédance acoustique qui produit une réflexion importante de l'énergie acoustique aux basses fréquences (jusqu'à 200 Hz environ > , de sorte que la transmission du bruit aux basses fréquences par le dispositif selon l'invention est relativement faible.
Aux fréquences plus élevées Cpar exemple de 200 ou 300
Hz jusqu'à 1000 Hz ou davantage5, l'énergie acoustique de l'écoulement de liquide est dissipée par déformation et frottements internes du matériau visco-élastique, essentiellement en raison de la présence dans ce matériau des volumes remplis d'un matériau plus compressible.
Hz jusqu'à 1000 Hz ou davantage5, l'énergie acoustique de l'écoulement de liquide est dissipée par déformation et frottements internes du matériau visco-élastique, essentiellement en raison de la présence dans ce matériau des volumes remplis d'un matériau plus compressible.
Selon une autre caractéristicue de l'invention, ces volumes internes du matériau visco-élastique sont remplis d'un gaz, par exemple d'air.
Ces volumes internes peuvent être formés par des alvéoles isolés du matériau visco-élastique, ou bien par des canaux formés dans le manchon, par exemple parallèlement à l'axe de ce manchon.
En variante, les volumes internes précités peuvent être formés par au moins un canal s'enroulant en hélice dans le manchon autour de l'axe de celui-ci.
Lorsque la pression statique du liquide s'écoulant dans la conduite est variable, il est avantageux que le manchon précité soit formé de plusieurs cylindres coaxiaux de diamètres différents, disposés les uns dans les autres et en contact les uns avec les autres, ces cylindres étant réalisés en matériau visco-élastique ayant des modules de
Young différents.
Young différents.
I1 est en effet important que le module de Young du matériau visco-élastique soit adapté à la pression du liquide, de façon à ce que le manchon puisse résister & BR< cette pression sans s'écraser, l'atténuation acoustique étant meilleure pour une plus faible valeur du module de
Young. Il est donc intéressant que le manchon du dispositif selon l'invention soit formé de plusieurs couches de matériaux visco-élastiques ayant des modules de Young progressivement croissants, qui permettront une très bonne atténuation acoustique aux pressions relativement faibles, et qui résisteront cependant aux pressions relativement élevées.
Young. Il est donc intéressant que le manchon du dispositif selon l'invention soit formé de plusieurs couches de matériaux visco-élastiques ayant des modules de Young progressivement croissants, qui permettront une très bonne atténuation acoustique aux pressions relativement faibles, et qui résisteront cependant aux pressions relativement élevées.
En variante, le manchon du dispositif selon l'invention peut être forme de plusieurs bagues juxtaposées et empilées sur l'axe de la conduite, réalisées en matériaux visco-élastiques ayant des modules de Young différents.
On obtient alors le même résultat d'ensemble que pré cédemment, tout en améliorant l'atténuation de l'énergie aux basses fréquences, par augmentation de la rupture d'impédance acoustique dûe & la présence du manchon.
L'invention concerne également un circuit hydraulique, comprenant une source d'énergie acoustique telle par exemple qu'une pompe et/ou une vanne, i caractérisé en ce qu'il comprend, en aval de la source d'énergie acoustique, un dispositif du type décrit plus haut.
Selon une autre caractéristique de l'invention, ce circuit comprend également, en amont de la source d'énergie acoustique, un dispositif du même type.
Ainsi, l'énergie acoustique aux basses fréquences, qui est réfléchie en grande partie par le dispositif selon l'invention, est en quelque sorte piégée entre ces deux dispositifs lorsqu'ils sont montés en amont et en aval respectivement de la source de bruit.
L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite & BR< titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels
- la figure i est une vue schématique en coupe axiale d'un tronçon de conduite hydraulique comprenant un dispositif selon l'invention
- la figure 2 est une vue partielle d'une variante de réalisation de ce dispositif
- les figures 3 et 4 sont des demi-vues de la variante de réalisation du dispositif selon l'invention
- la figure 5 est une demi-vue en coupe axiale d'un manchon faisant partie du dispositif selon l'invention
- la figure 6 représente schématiquement un circuit hydraulique selon l'invention ; ;
- la figure 7 est un graphe représentant schématiquement la variation de l'atténuation dûe & un dispositif selon l'invention, en fonction de l'angle de perte du matériau visco-élastique
- la figure 8 est un graphe représentant la variation de l'atténuation en fonction du coefficient de Poisson du matériau visco-élastique
- la figure 9 est un graphe représentant la variation de l'atténuation acoustique en fonction d > u module de Young du matériau visco-élastique
- la figure 10 est un graphe représentant schématiquement la variation de l'atténuation de l'énergie acoustique en fonction de la fréquence, pour un dispositif donné
- la figure 11 est un graphe permettant de comparer les niveaux de bruit transmis par un circuit hydraulique, avec et sans dispositif d'atténuation selon l'invention.
- la figure i est une vue schématique en coupe axiale d'un tronçon de conduite hydraulique comprenant un dispositif selon l'invention
- la figure 2 est une vue partielle d'une variante de réalisation de ce dispositif
- les figures 3 et 4 sont des demi-vues de la variante de réalisation du dispositif selon l'invention
- la figure 5 est une demi-vue en coupe axiale d'un manchon faisant partie du dispositif selon l'invention
- la figure 6 représente schématiquement un circuit hydraulique selon l'invention ; ;
- la figure 7 est un graphe représentant schématiquement la variation de l'atténuation dûe & un dispositif selon l'invention, en fonction de l'angle de perte du matériau visco-élastique
- la figure 8 est un graphe représentant la variation de l'atténuation en fonction du coefficient de Poisson du matériau visco-élastique
- la figure 9 est un graphe représentant la variation de l'atténuation acoustique en fonction d > u module de Young du matériau visco-élastique
- la figure 10 est un graphe représentant schématiquement la variation de l'atténuation de l'énergie acoustique en fonction de la fréquence, pour un dispositif donné
- la figure 11 est un graphe permettant de comparer les niveaux de bruit transmis par un circuit hydraulique, avec et sans dispositif d'atténuation selon l'invention.
On fera d'abord référence à la figure 1, qui représente schématiquement un tronçon de conduite hydraulique 10 dans laquelle s'écoule, dans le sens indiqué par la flèche, un liquide dont la pression statique peut varier, par exemple entre 1 et 50 ou 100 bars.
La conduite 10 est associée & un dispositif 12 d'atténuation de l'énergie acoustique propagée par l'écoulement de liquide, ce dispositif 12 comprenant un tronçon de tube rigide 14, dans lequel est logé un manchon 16, de matériau visco-élastique, ayant un diamètre interne égal à celui de la conduite 10.
Le tronçon de tube rigide 14 est monté entre deux tronçons de conduite 10, par exemple au moyen de boulons traversant des brides 18 et 20 des tronçons de tube 14 et 10, respectivement.
Le manchon 16 de matériau visco-élastique est monté à étanchéité dans le tronçon de tube 14, sa surface cylindrique externe étant par exemple collée sur la surface cylindrique interne du tronçon de tube 14, et ses deux faces d'extrémité étant appliquées & étanchéité sur les brides 20 des tronçons de conduite 10, de telle sorte que le manchon 16 est soumis uniquement & des efforts de compression radiale, par la pression hydraulique du liquide circulant dans la conduite 10.
On peut, en variante, utiliser le mode de réalisation représenté en figure 2, dans lequel les extrémités longitudinales du manchon 16 de matériau visco-élastique sont tronconiques et appliquées sur les portées tronconiques correspondantes 22 de la surface interne du tronçon de tube rigide 14. Cette disposition permet de limiter l'infiltration de liquide entre les portées tronco niques 22 et les extrémités axiales tronconiques du manchon 16, pour réduire l'effort de compression axiale exercé sur le manchon 16 par la pression du liquide.
Contrairement à la technique antérieure, le manchon 16 n'est pas réalisé en matériau totalement plein et homogène, mais comporte au contraire une pluralité de volumes remplis d'un matériau plus compressible que le matériau viscoélastique du manchon 16.
Dans la forme de réalisation représentée en figure 1, ces volumes internes sont constitués par des canaux 24 formés dans le manchon 16, parallèlement & l'axe longitudinal de celui-ci. Ces canaux sont obturés à leurs extrémités, pour éviter tout risque d'entrée de liquide.
En variante, les canaux 24 pourraient être radiaux, notamment lorsque le manchon 16 n'est pas soumis à des efforts de compression axiale.
Dans ces deux cas, les volumes internes 24 du manchon sont remplis d'un gaz tel que de l'air ou d'un matériau compressible tel qu'une mousse de matière plastique.
Les volumes internes du manchon peuvent également être constitués par des alvéoles isolés < non communicants) remplis de gaz, comme par exemple des bulles formées dans le matériau du manchon 16. Ces bulles ou alvéoles peuvent être répartis de façon régulière et uniforme dans le matériau visco-élastique, ou bien avoir une répartition particulière, variant en direction radiale ou en direction axiale dans le manchon 16, pour former dans celui-ci des zones de compressibilité différentes.
En figure 5, on a représenté schématiquement une réalisation de ce type, dans laquelle la quantité de bulles d'air 26 par unité de volume du matériau visco-élastique varie radialement par rapport 8 à axe du manchon 16 et diminue progressivement de l'intérieur vers l'extérieur de ce manchon.
Selon encore une autre variante de réalisation, le manchon peut être constitué de plusieurs matériaux viscoélastiques ayant des modules de Young différents. Comme représenté en figure 3, le manchon 16 peut être formé par une série de cylindres 28 coaxiaux, de diamètres progressivement croissants, qui sont enfilés les uns sur les autres en étant en contact les uns avec les autres. On obtient ainsi un manchon 16 formé par une succession radiale de couches cylindriques de matériaux viscoélastiques ayant des modules de Young différents.
Dans la forme de réalisation de la figure 4, le manchon 16 est formé d'une succession axiale de bagues 30 de même diamètre, ayant des épaisseurs identiques ou différentes, qui sont réalisées en matériaux viscoélastiques ayant des modules de Young différents.
Le choix du matériau visco-élastique pour une application particulière dépend d'un certain nombre de facteurs, tels que les valeurs minimale et maximale de la pression hydraulique du liquide qui s'écoule dans le dispositif d'atténuation, et les plages de fréquences des bruits à atténuer. On a représenté dans les figures 7, 8 et 9 la variation de l'atténuation en fonction de trois paramètres d'un matériau visco-élastique, qui sont l'angle de perte, le coefficient de Poisson et le module de Young.
On sait qu'un matériau visco-élastique a un module de
Young qui est un nombre complexe, comprenant une partie réelle E et une partie imaginaire E'. L'angle de perte a du matériau visco-élastique est le rapport des parties imaginaire et réelle du module de Young et est donc égal &
E'/E. La courbe de la figure 7 montre qu'il est préférable de choisir un matériau visco-élastique dont l'angle de perte est compris entre 0,3 et 2 environ pour avoir une bonne atténuation, notamment aux fréquences élevées.
Young qui est un nombre complexe, comprenant une partie réelle E et une partie imaginaire E'. L'angle de perte a du matériau visco-élastique est le rapport des parties imaginaire et réelle du module de Young et est donc égal &
E'/E. La courbe de la figure 7 montre qu'il est préférable de choisir un matériau visco-élastique dont l'angle de perte est compris entre 0,3 et 2 environ pour avoir une bonne atténuation, notamment aux fréquences élevées.
La figure 8 représente la variation de l'atténuation en fonction du coefficient de Poisson du matériau viscoélastique, lorsque le matériau ne comprend pas d'évide vents. On voit que lorsque ce coefficient de Poisson est égal & 0,5 < cas de la plupart des matériaux viscoélastiques), l'atténuation est sensiblement nulle. Il est donc préférable d'utiliser un matériau dont le coefficient de Poisson est de l'ordre de 0,3 ou 0,35.
La figure 9 montre la variation de l'atténuation en fonction du module de Young du matériau utilisé. On voit que l'atténuation acoustique est très faible lorsque le module de Young est supérieur à 5.10s Pa. Il est cependant nécessaire, notamment lorsque la pression statique du liquide atteint 50 ou 60 bars, d'utiliser un matériau dont le module de Young a une valeur comprise entre 3 et 15.107
Pa, pour que II- le dispositif selon l'invention puisse résister & la pression hydraulique.
Pa, pour que II- le dispositif selon l'invention puisse résister & la pression hydraulique.
Si le manchon de ce dispositif était réalisé en matériau visco-élastique plein, ayant un module de Young par exemple de 15.107 Pa, il aurait un coefficient de Poisson très légèrement inférieur à 0,5 (par exemple 0,49), ce qui correspond & un coefficient de compressibilité de l'ordre de 250.10' Pa. L'atténuation acoustique fournie par un tel dispositif serait très mauvaise.
La présence des volumes internes remplis d'un matériau compressible tel que de l'air, dans le matériau viscoélastique constituant le manchon 16, permet de diminuer la valeur du coefficient de Poisson apparent du manchon, tout en conservant l'angle de perte et le module de Young du matériau visco-élastique. La quantité totale de "vide" ainsi formé dans le manchon 16 est par exemple de l'ordre de 10 % du volume de ce manchon. Cela suffit pour donner une certaine compressibilité à un matériau qui serait autrement rigide, et permet d'obtenir un manchon 16 qui, dans son ensemble, est caractérisé par un angle de perte élevé et par un coefficient de Poisson apparent relativement faible.
Les figures 10 et 11 représentent des courbes d'atté nuation et de bruit en fonction de la fréquence, pour un exemple de réalisation dans lequel le matériau viscoélastique du manchon 16 est un polyuréthane.
On voit en figure 10 qu'entre 0 et 150 Hz, l'atténuation calculée varie de façon sensiblement sinusoïdale en fonction de la fréquence, et que les minima d'atténuation se trouvent sur une courbe sensiblement rectiligne et augmentent progressivement avec la fréquence (effet de dissipation de l'énergie acoustique dû aux déformations et frottements internes du matériau visco-élastique), la largeur des arches de sinusoïde étant fonction de la longueur du manchon 16.
La figure 11 montre le niveau de bruit mesuré, pour des fréquences comprises entre 0 et 1600 Hz, sur un circuit hydraulique ne comprenant pas de dispositif d'atténuation suivant l'invention (courbe en traits pointillés) et le même circuit hydraulique comprenant un dispositif d'atténuation selon l'invention (courbe en trait plein).
Comme on l'a représenté schématiquement en figure 6, il est avantageux qu'un circuit hydraulique, comprenant par exemple une pompe 32 et une vanne 34 qui sont des sources de bruit, soit muni de deux dispositifs 12 d atténuation de l'énergie acoustique selon l'invention, dont l'un est placé en amont et l'autre en aval des sources de bruit 32, 34, de telle sorte que l'énergie acoustique basse fréquence, qui est partiellement réfléchie par les dispositifs 12, se trouve piégée entre ces dispositifs.
On comprend que de nombreuses variantes peuvent être apportées aux modes de réalisation de l'invention qui ont été décrits ou représentés, sans sortir du cadre de celleci. Par exemple, les volumes de gaz ou d'air, ou encore de matériau compressible, formés à l'intérieur du matériau visco-élastique du manchon 16, pourraient être formés par un ou plusieurs tubes enroulés en spirale à l'intérieur du manchon, autour de l'axe de celui-ci. Le volume total de vides varie entre 5 et 60 % du volume du manchon (par exemple 10 % pour une pression statique de 50-60 bars).
Claims (17)
1. Dispositif d'atténuation dans une large gamme de fréquences de l'énergie acoustique propagée par un écoulement de liquide & pression statique variable dans une conduite, comprenant au moins un manchon < 16) en matériau compressible placé dans la conduite < 10), et ayant un diamètre interne de passage de liquide égal à celui de la conduite, caractérisé en ce que ce manchon < 16) est réalisé en au moins un matériau visco-élastique très peu compressible et comprend des volumes internes (24, 26 > d'un matériau plus compressible.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les volumes internes (24, 26) sont remplis de gaz, par exemple d'air.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la somme des volumes internes (24, 26) du matériau visco-élastique est comprise entre 5 et 60 Z du volume du manchon < 16) et est par exemple de 10 % pour une pression statique de 50-60 bars.
4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les volumes internes < 26) sont formés par des alvéoles isolés du matériau visco-élastique.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le volume d'alvéoles < 26) par unité de volume du manchon varie de façon progressive, radialement et/ou longitudinalement par rapport à l'axe (5) du manchon.
6. Dispositif selon i'une des revendications 1 & 3, caractérisé en ce que les volumes internes (24) sont formés par des canaux du manchon (16).
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les canaux (24) sont parallèles à l'axe du manchon (16 > .
8. Dispositif selon lune des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les volumes internes sont formés par au moins un canal s'enroulant en hélice dans le manchon (16) autour de l'axe de celui-ci.
9. Dispositif selon l'une des revendications précéden- tes, caractérisé en ce que le manchon (16) est forme de plusieurs cylindres coaxiaux < 18 > de diamètres différents, disposés les uns dans les autres et en contact les uns avec les autres, ces cylindres < 28) étant réalisés en matériaux visco-élastiques ayant des modules de Young différents.
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le manchon (16) est formé de plusieurs bagues < 30) juxtaposées et empilées sur l'axe du manchon, et réalisées en matériaux visco-élastiques ayant des modules de
Young différents.
11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le manchon est monté & BR< l'intérieur d'un tronçon de tube rigide (14) et en est solidaire, par exemple par collage.
12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression statique du liquide dans la conduite est variable et peut atteindre des valeurs de l'ordre de 50 à 100 bars.
13. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le module de Young du matériau visco-élastique est inférieur à 5.108 Pa et est par exemple de l'ordre de 3 a 15.10' Pa.
14. Dispositif selon l'une des revendications 1 & 13, caractérisé en ce que le coefficient de Poisson apparent du manchon est de l'ordre de 0,35 à 0,45.
15. Dispositif selon l'une des revendications 1 & 14, caractérisé en ce nue l'angle de perte du matériau viscoélastique du manchon est compris entre 0,3 et 2 environ.
16. Circuit hydraulique, comprenant une source d'énergie acoustique, telle par exemple qu'une pompe < 32) et/ou une vanne (34), caractérisé en ce qu'il cpmprend, en aval de la source d'énergie acoustique, un dispositif < 12) selon l'une des revendications précédentes.
17. Circuit selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend également, en amont de la source d'énergie acoustique, un second dispositif < 12) selon l'une des revendications 1 à 15.
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