FR2914479A1 - Materiau poreux pour paroi de traitement acoustique. dispositif reducteur de bruit utilisant ce materiau. - Google Patents

Abstract

La présente invention porte sur l'utilisation pour constituer la paroi acoustique poreuse d'un élément de traitement acoustique d'un matériau poreux formé d'au moins une première couche (11) d'un matériau textile fibreux et d'une deuxième couche (13) de tissu de verre, l'ensemble étant imprégné de résine. L'invention porte également sur élément de traitement acoustique de type à résonateur d'Helmholtz comportant une paroi acoustique poreuse constituée d'un matériau poreux formé d'au moins une première couche (11) d'un matériau textile fibreux et d'une deuxième couche (13) de tissu de verre, l'ensemble étant imprégné de résine.

Description

La présente invention se rapporte au traitement du bruit émis par les

machines en particulier dans le domaine aéronautique.

Dans un souci de réduire les nuisances sonores autour des aéroports et d'améliorer le confort des passagers, les constructeurs et équipementiers de moyens de transport sont tenus de proposer des produits le plus silencieux possible.

Les méthodes de réduction de bruit se décomposent en deux familles.

Selon la première, on réduit le bruit à la source par une conception des différents modules constituant le produit tenant compte de ce paramètre.

Selon la seconde on agit sur la propagation et la dissipation sonores.

La présente invention se rapporte à la seconde famille.

La propagation des ondes acoustiques est soumise aux conditions imposées par les parois délimitant le domaine de propagation. En ajustant ces conditions aux limites aux parois on peut altérer la propagation et diminuer le niveau sonore. Sur le plan physique, on convertit en fait l'énergie acoustique en chaleur.

On ajuste les conditions aux limites par des revêtements placés sur les parois que l'on désigne par les termes de traitements acoustiques ou absorbants sonores. On utilise aussi le terme anglo saxon de liner .

On distingue deux grandes familles de traitement acoustique : Les traitements à réaction localisée formés de résonateurs indépendants à n degrés de liberté, généralement un ou deux. Les traitements à réaction non localisée formés de produits fibreux ou poreux absorbants en volume. 35 Ces différentes architectures visent à réaliser une loi d'impédance optimale cible Zopt (f). On rappelle que l'impédance acoustique Z qui est un terme complexe caractérise les propriétés acoustiques d'un milieu absorbant. Sa valeur est donnée par le rapport de la pression acoustique sur 40 la vitesse acoustique.30 Zopt est définie par la relation : Zopt(f) = Z(f)/p.c = R(f)/ p.c + j X(f)/ p.c 5 Avec R la résistance, X la réactance, p la masse volumique du milieu fluide extérieur, 10 c la vitesse du son dans le milieu fluide extérieur, f la fréquence. (pulsation/c)

La figure 1 représente un résonateur 1. Il est constitué d'une couche non poreuse pleine 3, d'un ou plusieurs cloisonnements 5, sous la forme de nid 15 d'abeille formant la cavité résonante, et d'une ou plusieurs couches poreuses 7, l'ensemble constituant le résonateur. La couche pleine 3 permet d'imposer la condition de vitesse acoustique nulle en fond de cavité; le cloisonnement guide l'onde sonore qui a traversé la couche poreuse et qui se propage dans chaque cellule sous la forme d'onde plane compte tenu du 20 rapport important de la longueur d'onde à la dimension transversale de la cavité, L'onde est réfléchie en fond de cavité et se recombine à l'onde incidente sous forme d'ondes stationnaires avec des valeurs minimales et maximales de vitesses acoustiques dont les positions par rapport à la peau perforée dépendent de la fréquence. La ou les cavités contribuent au terme 25 prépondérant de la réactance. La hauteur de cavité fixe plus ou moins la fréquence d'accord. L'accord en fréquences est obtenu en première approximation pour une hauteur d'environ un quart de longueur d'onde. La ou les couches poreuses qui contribuent plus faiblement à la réactance fixent la résistance qui définit l'amortissement du traitement. Les 30 résonateurs sont couramment utilisés dans les conduits du turboréacteur à cause de leurs excellentes propriétés mécaniques et acoustiques.

Sur la figure 2 on a représenté un exemple 2 de la seconde famille de traitement absorbant en volume. Selon cet exemple, il est constitué d'une 35 couche pleine 8, d'un matériau absorbant en volume 4 - généralement une mousse rigide ou des fibres û et d'une couche faiblement poreuse 6 permettant de reconstituer la veine d' écoulement avec un état de surface acceptable du point de vue aérodynamique. La couche pleine 8 permet d'imposer la condition de vitesse acoustique nulle en fond de cavité ; le 40 matériau absorbant en volume contribue à la résistance et à la réactance de 2 l'ensemble avec, selon la conception, la couche poreuse. Un matériau convenable pour la couche poreuse est réalisé à partir, par exemple, de métal fritté.

Une fois les impédances optimales déterminées par le calcul, la mise au point d'un traitement acoustique efficace pour les deux types présentés ci-dessus consiste en particulier à trouver les paramètres géométriques du matériau les plus adaptés pour réaliser la ou les couches poreuses.

Un premier objet de l'invention est de proposer un matériau adapté à cette application. Conformément à l'invention on utilise, pour constituer la paroi poreuse d'un élément de traitement acoustique, un matériau poreux formé d'au moins deux couches minces, une première couche d'un matériau textile fibreux et une deuxième couche de tissu de verre, l'ensemble étant imprégné de résine.

On a en effet constaté que l'on pouvait par l'assemblage de ces couches textiles obtenir un matériau poreux présentant des propriétés acoustiques requises en résistance et réactance, en jouant sur les différents paramètres des éléments qui le constituent : comme le nombre de couches empilées, les caractéristiques des tissus (nature des fils qui les composent, maillage, etc.), ou l'ordre d'empilement des différentes couches.

Conformément à une caractéristique de l'invention, pour le matériau poreux les caractéristiques acoustiques sont les suivantes : la résistance acoustique R est comprise entre 0,2.p.c et 1,5.p.c et la réactance acoustique X est comprise entre 0,2.p.c et 1. p.c sur une plage de fréquence comprise entre 500 et 5000Hz. p.c étant l'impédance caractéristique de l'air On fabrique avantageusement le matériau poreux selon un procédé de fabrication comprenant l'assemblage d'au moins une couche d'un matériau textile préimprégné de résine avec au moins une couche de tissu de verre puis la cuisson de l'assemblage de façon à permettre à la résine de lier les couches.

Par ce procédé, on peut jouer également sur les paramètres de pression d'assemblage, du temps de cuisson ou de la nature de la résine employée û phénolique, époxy ou autre û pour parvenir à un matériau poreux aux caractéristiques d'impédance acoustique souhaitée.40 L'invention vise également une application particulière de ce type de matériau poreux comme paroi poreuse acoustique, décrite ci-après.

Les traitements acoustiques couramment utilisés dans les systèmes de ventilation des aéronefs pour réduire le bruit des ventilateurs sont des traitements poreux ou fibreux qui, bien qu'ayant des performances acoustiques satisfaisantes, vieillissent mal. La structure absorbante des éléments est constituée le plus souvent d'un matelas de matériau fibreux (laine de verre par exemple) sur une certaine épaisseur, le tout étant enveloppé d'un film protecteur recouvert côté écoulement d'une couche poreuse très ajourée pour reconstituer la veine tout en étant acoustiquement transparente. La peau poreuse de reconstitution de veine qui est rigide est le plus souvent une peau en fibre de verre qui a été préalablement perforée mécaniquement. Une simple tôle perforée est également utilisée.

Ce type de traitement acoustique est sujet à encrassement, à la rétention d'eau/humidité et la laine de roche peut se désagréger, polluant ainsi le système de ventilation. On observe alors une dégradation des performances acoustiques au cours du temps. Par ailleurs l'emploi de matériaux à base de laine de verre impose des contraintes sur le plan sanitaire qu'il serait souhaitable de pouvoir éviter.

L'invention résout également ce problème avec un élément de traitement 25 acoustique de type à résonateur comportant une paroi acoustique poreuse constituée d'un matériau poreux formé d'un assemblage d'au moins une première couche de matériau textile fibreux et d'une deuxième couche de tissu de verre, l'ensemble étant imprégné de résine.

30 Plus particulièrement l'invention s'applique à un dispositif de traitement acoustique d'une ogive de ventilateur dans un circuit d'alimentation en air de ventilation. Ce dispositif comprend, conformément à l'invention, une paroi acoustique poreuse constituée d'un matériau poreux formé d'au moins une première couche de matériau textile fibreux et d'une deuxième 35 couche de tissu de verre, l'ensemble étant imprégné de résine. Avantageusement le dispositif comporte une cavité formant résonateur d'Helmholtz et plus particulièrement un résonateur d'Helmholtz à deux degrés de liberté.20 On décrit maintenant l'invention plus en détail en référence aux dessins annexés sur lesquels :

La figure 1 représente un exemple d'élément de traitement acoustique de type à résonateur d'Helmholtz ; La figure 2 représente un exemple d'élément de traitement acoustique de type à volume absorbant ; La figure 3 montre en coupe un exemple de matériau poreux pour une utilisation comme peau acoustique selon l'invention ; La figure 4 montre un graphe représentant la variation de l'impédance acoustique normalisée par l'impédance de l'air en fonction de la fréquence pour deux exemples de matériau poreux selon l'invention ; La figure 5 montre un ventilateur pour circuit d'alimentation en air de ventilation avec une ogive à traiter acoustiquement ; La figure 6 montre en coupe axiale l'ogive traitée acoustiquement selon l'invention ; La figure 7 montre en coupe transversale l'ogive de la figure 6 traitée acoustiquement selon l'invention.

La figure 3 montre un exemple 10 d'assemblage de couches pour réaliser le matériau acoustique poreux. Dans cet exemple, on a empilé une première couche 11 formée d'un matériau textile fibreux préimprégné de résine sur une deuxième couche 13 formée d'un tissu de verre, elle-même sur une troisième couche 15 formée d'un matériau textile fibreux préimprégné de résine, elle même sur une quatrième 17 couche formée d'un tissu de verre.

Le matériau textile fibreux peut être constitué de fibres de verre, de carbone ou d'une matière synthétique. Il peut s'agir d'un non tissé ou d'un produit tissé. La matière d'imprégnation peut consister en une résine thermoplastique phénolique, époxy ou autre dont le choix est essentiellement guidé par les propriétés de résistance mécanique et thermique en fonction de l'environnement, mais aussi de porosité pour réaliser les caractéristiques acoustiques demandées permettant de satisfaire les performances optimales de dissipation du bruit au travers des couches poreuses par effet visco-thermique et transformation de l'énergie sonore en chaleur.

Pour fabriquer le matériau poreux de l'invention, on met d'abord en forme, le cas échéant, l'empilement des couches fibreuses puis on les solidarise par une cuisson effectuée sous pression. Pendant cette phase la résine thermoplastique se fluidifie et occupe les espaces vides entre les fibres et/ou fils des différentes couches. Pendant une deuxième cuisson l'assemblage est stabilisé. Selon l'application visée, en particulier dans le domaine aéronautique, la résistance à des températures supérieures à 100 C est requise.

Contrairement à ce qui est fait couramment et qui consiste à perforer mécaniquement des couches de fibres non poreuses ou des tôles métalliques, l'idée est d'utiliser des voiles fibreux poreux naturellement, existants sur le marché et utilisés le plus souvent comme couche de protection et de les associer en multicouches en les imprégnant de résine pour les rigidifier et ainsi contrôler leurs propriétés acoustiques sans avoir à effectuer ni perçage, ni tissage particulier. Ces opérations étant relativement coûteuses compte tenu des tolérances géométriques des pores à respecter.

On ajuste l'impédance en procédant à une sélection parmi les paramètres non limitatifs suivants : Nature des fibres et de la structure du matériau textile, Nature de la résine imprégnant le matériau textile, Caractéristiques du tissu de verre tels que la masse surfacique, la taille des brins, Le nombre de couches de matériau fibreux préimprégné, Le nombre de couches de tissu de verre. Pression appliquée sur l'assemblage, Temps de cuisson.

Afin de contrôler les caractéristiques acoustiques, des modèles d'impédances ont été développés prenant en compte toutes les caractéristiques des fibres et tissus susceptibles d'être utilisés et du procédé de réalisation. Un travail de mesure d'impédance sur différents types d'assemblage et procédés d `imprégnation a été mené pour être capable de dimensionner de telles structures et couches poreuses.

La structure ci-dessus permet ainsi de réaliser un matériau poreux présentant les propriétés acoustiques requises à savoir une résistance acoustique R telle que 0,2.p.c< R<1,5.p.c et une réactance acoustique X telle que 0,2.p.c<X <1,0.p.c.

On a procédé à la fabrication de deux échantillons : Echantillon 1 constitué d'un assemblage des deux couches suivantes : Tissu phénolique commercialisé sous la référence HEXPLY 250/30%/587, Tissu de verre commercialisé sous la référence HEXCEL taffetas 86 g, 10 Tous les deux par la société HEXCEL (USA).

Echantillon 2 constitué d'un assemblage des quatre couches suivantes : Tissu phénolique commercialisé sous la référence HEXPLY 250/30%/587, 15 Tissu de verre commercialisé sous la référence HEXCEL taffetas 86g, Tissu phénolique commercialisé sous la référence HEXPLY 250/30%/587, Tissu de verre commercialisé sous la référence HEXCEL taffetas 20 86g.

On a procédé à des analyses des propriétés acoustiques de chacun des échantillons ci-dessus au moyen d'un appareil fourni par la société Brüel & Kjaer : il s'agit d'un tube de mesure d'impédance à deux microphones de 25 type 4206.

Les résultats sont rassemblés sur le graphique de la figure 4. L'évolution continue en fonction de la fréquence des parties réelle et imaginaire de l'impédance du matériau montre que le dimensionnement des 30 différents échantillons avec cette invention permet de réaliser un traitement qui est accordé sur une large bande de fréquences avec seulement une structure à 2 degrés de liberté. En effet, les impédances des échantillons ainsi réalisés sont assez proches des impédances optimales requises par le calcul, permettant ainsi d'avoir une dissipation et un amortissement 35 optimaux sur une vaste plage de fréquences. Ces tracés ont été obtenus à partir des mesures au tube à impédance sur les différentes couches résistives constituant les échantillons. Ces mesures ont été réalisées avec des cavités résonantes représentatives de celles proposées sur les éprouvettes en question.5 Les tracés finaux de la figure 4 ont été reconstitués sur la base des mesures et des modèles d'impédance validés afin de soustraire la contribution des cavités d'air des valeurs figurant la partie imaginaire de l'impédance. Les tracés correspondent à une excitation acoustique à large bande de 120 dB en niveau global. Des mesures complémentaires réalisées à de plus forts niveaux sonores ont montré la faible sensibilité de l'impédance de ce type de matériau en fonction de ce paramètre démontrant ainsi le comportement linéaire recherché.

On décrit maintenant une application du matériau poreux tel que décrit ci-dessus. Comme on l'a présenté dans le préambule, les traitements acoustiques utilisés dans les systèmes de ventilation des aéronefs, de l'art antérieur, pour réduire le bruit des ventilateurs présentent des inconvénients liés à l'emploi de matériaux absorbants tels que la laine de roche.

Conformément à l'invention, on a développé un traitement acoustique associant des couches poreuses, résistives, minces et des cavités d'air résonantes Sur la figure 5 on a représenté en coupe axiale un ventilateur de type connu tel qu'utilisé dans les installations de ventilation. Ce module de ventilateur 20 comprend à l'intérieur d'un conduit 21, un rotor 22 de compression d'air entraîné autour d'un axe parallèle au conduit. Une grille 23 de redresseurs statoriques est disposée en aval du rotor pour orienter le flux axialement. Un capotage en forme d'ogive 30 assure la continuité des surfaces canalisant le flux d'air en aval des grilles de rotor et de stator. Il est connu de traiter cette pièce pour réduire le bruit émis en aval dans le conduit qui communique avec la cabine de l'aéronef Sur les figures 6 et 7 on voit l'agencement des moyens d'absorption acoustique. Il s'agit d'un résonateur d'Helmholtz à deux degrés de liberté. Il comprend une enveloppe poreuse extérieure 31 de révolution autour de l'axe du ventilateur définissant un volume intérieur entre une paroi transversale amont 34, une paroi transversale aval 35 et un tube cylindrique central 33 coaxial à l'enveloppe. A l'intérieur de ce volume, une seconde paroi poreuse 32 de révolution autour de l'axe du ventilateur est disposée entre le tube cylindrique 33 et l'enveloppe poreuse 31. Ces parois définissent une première cavité annulaire entre les deux enveloppes poreuses 31 et 32 et une deuxième cavité entre la paroi poreuse 32 et le tube cylindrique 33. Ces cavités sont elles même subdivisées par des cloisons radiales 38 au nombre de huit entre les parois poreuse 31 et 32, des cloisons radiales 39, au nombre de quatre entre la paroi poreuse 32 et le tube cylindrique 33 ainsi que par des cloisons transversales 36 et 37, au nombre de deux, entre les parois transversales amont 34 et aval 35. On a ainsi huit subdivisions réparties autour de l'axe et répétées trois fois axialement directement sous la paroi poreuse 31, et quatre subdivisions réparties autour de l'axe, répétées trois fois axialement directement sous la seconde paroi poreuse 32.

La porosité des parois poreuses a été déterminée de telle façon qu'elles présentent une impédance acoustique satisfaisant à l'amortissement acoustique requis. Ainsi, on a, pour la paroi poreuse formant l'enveloppe extérieure, utilisé un matériau semblable à celui de l'échantillon 1, à savoir formé à partir d'un empilement de deux couches : tissu de verre préimprégné (Hexply250/30%/587-108cm) doublé d'un tissu de verre (hexcell 235 taffetas 86g). Pour la paroi poreuse intérieure 32, on a utilisé un matériau formé à partir d'un empilement en quatre couches du type de l'échantillon 2 ci-dessus : tissu de verre préimprégné (Hexply250/30%/587-108cm), tissu de verre (120g), tissu de verre préimprégné (Hexply250/30%/587-108cm), tissu de verre (120g).

L'invention a été décrite en relation avec un exemple d'application particulier. Elle s'applique bien entendu à tous les types de traitement. Ces traitements peuvent se présenter sous forme de structures à 1 degré de liberté (accord préférentiel centré sur une fréquence avec des atténuations qui s'établissent sur 1 octave ) ou 2 degrés de liberté (accord préférentiel centré sur 2 fréquences distinctes où des atténuations sont obtenues sur 2 octaves consécutifs) ou encore n degrés de liberté (accord préférentiel à n fréquences). Chaque degré de liberté supplémentaire se matérialise par une couche dissipative supplémentaire associée à une cavité résonante. Ces traitements dont le spectre d'atténuation peut être assez étendu en fréquences sont destinés à tous types de source de bruit .

En ce qui concerne les ventilateurs, d'autres applications non limitatives visées par l'invention sont par exemple les pavillons ou les carter de ventilateurs, les ogives; plus généralement toutes les pièces de conduit de ventilation dans la mesure où l'on dispose d'un espace suffisant pour loger de telles structures absorbantes.

Claims (8)

1. Revendications

   . 1. Utilisation pour constituer la paroi (31, 32) acoustique poreuse d'un élément de traitement acoustique d'un matériau poreux formé d'au moins une première couche (11) d'un matériau textile fibreux et d'une deuxième couche (13) de tissu de verre, l'ensemble étant imprégné de résine.
2. 2. Utilisation selon la revendication précédente d'un matériau poreux dont la résistance acoustique R est comprise entre 0,2.p.c et 1,5.p.c et la réactance acoustique X est comprise entre 0,2.p.c et 1. p.c sur une plage de fréquences comprise entre 500 et 5000Hz.
3. 3. Procédé de fabrication d'un matériau poreux pour une utilisation selon l'une des revendications précédentes comprenant l'assemblage (10) d'au moins une couche (11) d'un matériau textile fibreux préimprégné de résine avec au moins une couche (13) de tissu de verre, puis la cuisson de l'assemblage de façon à permettre à la résine de lier les couches.
4. 4. Elément de traitement acoustique de type à résonateur d'Helmholtz comportant une paroi acoustique poreuse constituée d'un matériau poreux formé d'au moins une première couche (11) d'un matériau textile fibreux et d'une deuxième couche (13) de tissu de verre, l'ensemble étant imprégné de résine.
5. 5. Elément de traitement acoustique de type à volume absorbant comportant une peau acoustique poreuse constituée d'un matériau poreux formé d'au moins une première couche d'un matériau textile fibreux et d'une deuxième couche de tissu de verre, l'ensemble étant imprégné de résine.
6. 6. Dispositif de traitement acoustique d'une pièce telle qu'une ogive (30) de ventilateur dans un circuit d'alimentation en air de ventilation comprenant une paroi acoustique poreuse (31, 32) constituée d'un matériau poreux formé d'au moins une première couche (11) d'un matériau textile fibreux et d'une deuxième couche (13) de tissu de verre, l'ensemble étant imprégné de résine.
7. 7. Dispositif selon la revendication précédente comportant une cavité formant résonateur d'Helmholtz.
8. 8. Dispositif selon la revendication précédente comprenant un résonateur d'Helmholtz à deux degrés de liberté.