WO2017134125A1 - Resonateur acoustique de faible epaisseur de type mille-feuille perfore pour l'absorption ou le rayonnement acoustique tres basses frequences - Google Patents

Resonateur acoustique de faible epaisseur de type mille-feuille perfore pour l'absorption ou le rayonnement acoustique tres basses frequences Download PDF

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WO2017134125A1
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lateral
main perforation
cavities
propagation
fluid
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PCT/EP2017/052183
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Philippe LECLAIRE
Thomas Dupont
Shahram AIVAZZADEH
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Universite De Bourgogne
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    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
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    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
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    • G10K11/162—Selection of materials
    • G10K11/168—Plural layers of different materials, e.g. sandwiches

Definitions

  • the present invention relates to the field of acoustic resonators.
  • the present invention relates to a resonator that can be used in an application of acoustic absorption type, for example as an absorbent or silent material, or in an application of the acoustic radiation type, for example of the type of loudspeaker (enclosure "Bass-reflex").
  • acoustic absorption type for example as an absorbent or silent material
  • the acoustic radiation type for example of the type of loudspeaker (enclosure "Bass-reflex").
  • Commonly used materials for achieving acoustic absorption are polyurethane foams, fiberglass-like glass materials, or melamine foams.
  • Such porous materials are among the most absorbent materials and are generally effective at absorbing high frequencies, typically above 1 kHz. However, these porous materials are generally not very effective in absorbing low frequencies, typically less than 1 kHz. More generally, a disadvantage of such porous materials is that the absorption efficiency is proportional to the thickness of the material. By way of example, the inventors believe that the same value of the absorption coefficient at a frequency of 500 Hz by a melamine foam would imply a thickness of this foam of several tens of centimeters at least.
  • acoustic absorption devices of the type comprising a tunnel adapted to receive and propagate an acoustic wave, and having lateral cavities forming Helmholtz resonators.
  • acoustic absorption devices of the type comprising a tunnel adapted to receive and propagate an acoustic wave, and having lateral cavities forming Helmholtz resonators.
  • each of the lateral cavities opens onto the tunnel through a point-type orifice pierced in the wall of the tunnel.
  • the lateral cavities extend peripherally and parallel to the tunnel (see Fig. 5b of this document).
  • systems with Helmholtz resonators are capable of absorbing low frequencies, typically less than 1 kHz.
  • the absorption of low frequencies assumes relatively large resonator dimensions.
  • the inventors estimate that to obtain a resonance frequency of 500 Hz with a cavity forming a resonator, this cavity should have a length of the order of 17 cm.
  • the document LECLAIRE 15 describes a material comprising several main perforations able to receive and propagate an acoustic wave, and having "dead-ends pores" ("dead-ends pores”) side perforations.
  • An object of the invention is to provide a thin acoustic resonator capable of absorbing low frequencies, typically less than 1 kHz.
  • Another object of the invention is to provide an acoustic resonator that can also operate in an application of acoustic radiation type.
  • the invention proposes an acoustic resonator comprising a resonance piece provided with:
  • a main perforation traversing the resonance part from one side to the other, the main perforation extending in a direction of propagation, this main perforation being able to receive and propagating at least one acoustic wave in the direction of propagation,
  • each lateral cavity extending transversely with respect to the direction of propagation
  • the main perforation and the lateral cavities being filled with a fluid, this fluid preferably being air (or alternatively, for example being able to be water),
  • the lateral cavities constituting fluid slats so that the resonance piece has a "mille-feuille" structure comprising these fluid slats and layers of a material of the resonance piece separating these fluid slats.
  • the resonance piece has a "multilayer” structure, or “multilayer” structure, formed by an alternation of fluid slats and layers of material.
  • the resonance piece can be made from a single block of material or by assembly and gluing of several elements, for example machined separately.
  • the mille-sheet structure of the resonator according to the invention is therefore characterized by a succession, from one side of the resonance part in the direction of spread, metal layers and air knives.
  • the mille-feuille structure would successively comprise: a metal layer, an air space, a metal layer, an air space and a layer of metal.
  • Such a resonator provided with such a mille-feuille structure maximizes the exchange surface between the material of the resonance piece and the fluid filling the main perforation and the lateral cavities.
  • the thermal exchanges within the fluid slats and the convective exchanges between the main perforation and the lateral cavities cause a considerable increase in the compressibility of the fluid in the perforation. and, in particular, a considerable increase in the acoustic absorption of low frequencies.
  • the resonance piece may be made of a metallic material.
  • a metallic material facilitates the manufacture of the resonance piece.
  • the resonance part may be made of any other material, for example in a plastic material.
  • the lateral cavities may be evenly spaced along the direction of propagation. Regular spacing of the lateral cavities, i.e., periodic arrangement of the fluid slats, promotes heat exchange between the main perforation and the lateral cavities, resulting in increased fluid compressibility in the main perforation and makes it possible, in particular, to absorb relatively low frequencies.
  • the lateral cavities preferably extend perpendicular to the direction of propagation.
  • each layer of material separating the fluid blades may have a thickness equal to a lateral cavity thickness.
  • This characteristic makes it possible to optimize the heat exchange effects of the mill-sheet structure for a reduced total dimension of the resonance part in the direction of propagation.
  • each of the lateral cavities and / or each layer of material separating the fluid blades may have a thickness of less than 3 mm, preferably less than 2 mm, preferably less than or equal to 1 mm.
  • each of the lateral cavities and / or each layer of material separating the fluid slats can thus have a thickness of a few hundred micrometers.
  • each of the lateral cavities, or fluid slats may have a thickness defined by two transverse planes parallel to each other and not parallel to the direction of propagation.
  • these transverse planes may be perpendicular to the direction of propagation, so that the lateral cavities extend perpendicular to the direction of propagation.
  • each of the lateral cavities may form a defined volume: by two first lateral planes parallel to the direction of propagation and parallel to each other, these two first lateral planes defining a lateral cavity height,
  • two second lateral planes parallel to each other and perpendicular to the first lateral planes, these two second lateral planes defining a lateral cavity width, the lateral cavity width being preferably equal to the lateral cavity height,
  • the ratio of the height to the lateral cavity thickness, and / or the ratio of the width to the lateral cavity thickness may preferably be greater than 15, preferably greater than 20, preferably 25.
  • each of the lateral cavities may form a non-parallelepipedal volume, for example a disk, a straight or curved hexagonal prism, etc.
  • the ratio of the cross section of each of the lateral cavities to the section of the main perforation may be greater than 75, preferably greater than 125, preferably between 150 and 160.
  • section means a shape defined by the intersection of a volume with a plane.
  • cross section of a lateral cavity designates the shape defined by the intersection of this lateral cavity with a median plane of this lateral cavity intersecting the direction of propagation at the corresponding section of the main perforation.
  • the cross section of a lateral cavity is the shape defined by the intersection of this lateral cavity with a plane perpendicular to the direction of propagation.
  • the section of the main perforation is the shape defined by the intersection of a volume constituted by this perforation with a plane perpendicular to the direction of propagation, this plane passing through one of said layers of material.
  • the height and / or the lateral cavity width may be greater than or equal to 25 mm, preferably greater than 30 mm, preferably equal to 50 mm.
  • the main perforation may have a square section.
  • the section of the main perforation can be round or any other shape.
  • the main perforation may have, in one embodiment, a section smaller than 24 mm 2 , preferably less than 9 mm 2 , preferably equal to 4 mm 2 .
  • Such geometry and / or dimensions of the lateral cavities and / or of the resonance part favor the thermal and convective effects within the resonator.
  • relatively large airlocks of lateral dimensions D1 and D2 constitute relatively large heat exchange surfaces.
  • the resonator according to the invention makes it possible to achieve acoustic absorption of low frequencies, typically less than 1 kHz, for a reduced total dimension of the resonance part, at least in the direction of propagation.
  • the total thickness of the resonance part in the direction of propagation may in particular be less than 4 cm, which is a relatively small thickness compared to the sound absorption capabilities of the resonator.
  • the resonator according to the invention also makes it possible to produce acoustic radiation for a reduced total dimension of the resonance part, at least in the direction of propagation.
  • FIGURE 1 is a perspective view in section of a resonator according to the invention showing a series of five lateral cavities;
  • FIGURE 2 is a front view of the resonator of FIGURE 1;
  • FIGURE 3 is a side view in section of a resonator according to the invention showing a series of fifteen lateral cavities extending perpendicular to a direction of propagation;
  • FIGURE 4 is a side view in section of a resonator according to the invention showing a series of four lateral cavities extending obliquely with respect to a direction of propagation;
  • FIGURE 5 presents experimental results obtained by the inventors with resonators according to the invention.
  • variants of the invention comprising only a selection of characteristics described, isolated from the other characteristics described (even if this selection is isolated within a sentence including these other characteristics), if this selection of features is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the prior art.
  • This selection comprises at least one characteristic, preferably functional without structural details, or with only a part of the structural details if this part alone is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the prior art .
  • FIGURES 1 and 2 show an acoustic resonator according to the invention.
  • This resonator comprises a resonance part 1 consisting, in this example, of a block of parallelepiped shape.
  • the resonance part 1 is preferably made of a metallic material or any other material.
  • the resonance part 1 comprises a main perforation 2 passing through the resonance part 1 from one side to the other.
  • the main perforation 2 extends in a direction of propagation 21.
  • the orthogonal coordinate system of FIG. 1 represents the direction of propagation 21, a first lateral direction 311 and a second lateral direction 312, these three directions 21, 311 and 312 being perpendicular to one another.
  • the main perforation 2 is able to receive and propagate at least one acoustic wave 9 in the direction of propagation 21.
  • such an acoustic wave 9 can be received in the resonance room 1 by the opening formed by the main perforation 2 at a receiving surface 11 of the resonance part 1 exposed to a surrounding space in which the at least one acoustic wave 9 propagates.
  • the at least one acoustic wave 9 can propagate in the resonant part 1 through the main perforation 2, typically so as to pass right through the resonance part 1.
  • the at least one acoustic wave 9 can be generated by any system or means not subject of the present invention.
  • the resonance part 1 is further provided with a series of lateral cavities 3 communicating with the main perforation 2 so as to form acoustic resonators.
  • lateral cavities 3 typically make it possible to attenuate frequencies of the at least one acoustic wave 9 during its propagation in the main perforation 2.
  • each lateral cavity 3a, 3b, 3c ... is made inside the resonance part 1.
  • each lateral cavity 3a, 3b, 3c ... forms a volume inside the sound room 1.
  • the main perforation 2 and the lateral cavities 3a, 3b, 3c ... are filled with a fluid.
  • this fluid is air.
  • This fluid also occupies said surrounding space in which the at least one acoustic wave 9 propagates.
  • each lateral cavity 3a, 3b, 3c ... extends transversely with respect to the direction of propagation 21.
  • the lateral cavities 3a, 3b, 3c ... extend perpendicular to the direction of propagation 21.
  • the lateral cavities 3a, 3b, 3c and 3d extend obliquely with respect to the direction of propagation 21.
  • the lateral cavities 3a, 3b, 3c ... can be machined directly in the resonance part 1, for example using 3D printing, structural bonding and assembly techniques.
  • the resonance part 1 can be made from a single block of material or by assembly and gluing of several elements, for example machined separately.
  • each lateral cavity 3a, 3b, 3c ... opens on the main perforation 2 by the entire periphery of a respective section of this main perforation 2.
  • the drawings thus show, for example in FIGURE 2, that the main perforation 2 is geometrically contained in the series of lateral cavities 3 relative to the first 311 and the second 312 lateral direction.
  • this section D3 representing the thickness of the lateral cavity 3a according to the direction of propagation 21, it results from geometric construction that the lateral cavity 3a opens on the main perforation 2 by the entire periphery of the section D3 of the main perforation 2.
  • the lateral cavities 3 constitute fluid slats so that the resonance part 1 has a "mille-feuille" structure, or multilayer structure, comprising these fluid slats and layers. the material of the resonance part 1 separating these fluid slides.
  • the multilayer or multilayer structure has an alternation, on the one hand, of blades of the fluid filling the main perforation 2 and the lateral cavities 3a, 3b, 3c ... and, on the other hand, of layers of the material forming the resonance part 1.
  • the series of lateral cavities 3 comprises at least three lateral cavities.
  • the embodiment illustrated in FIG. 3 represents a resonance part 1 provided with a series of fifteen lateral cavities 3a, 3b, ... 3o.
  • the lateral cavities 3a, 3b, 3c ... can be arranged in a periodic manner, that is to say that they can be regularly spaced along the direction of propagation 21. Such a periodic arrangement favors thermal exchanges between the lateral cavities 3a, 3b, 3c ... and the main perforation 2, and results in an increase in the compressibility of the fluid in the main perforation 2.
  • the thickness D3 of each lateral cavity is identical for all the lateral cavities.
  • the thickness D4 of each layer of material separating the fluid slats is identical for all pairs of adjacent lateral cavities.
  • each layer of material separating the fluid blades has a thickness D4 equal to the lateral cavity thickness D3.
  • the lateral cavities 3a, 3b, 3c ... form a parallelepipedal volume.
  • Such a volume can be geometrically defined as follows.
  • Each of the lateral cavities 3a, 3b, 3c ..., or fluid slats has a thickness D3 defined by two transverse planes parallel to each other, and not parallel to the direction of propagation 21. In the embodiments of FIGURES 1 and 3, these two transverse planes are perpendicular to the direction of propagation 21.
  • Each of the lateral cavities 3a, 3b, 3c forms a defined volume: - by two first lateral planes parallel to the direction of propagation 21 and parallel to each other, these two first lateral planes defining a height D1 of lateral cavity,
  • FIGURE 1 is a sectional view of the resonance part 1 showing, only for the lateral cavity 3a, the half-width D21 of this lateral cavity 3a.
  • the dimensional characteristics of the lateral cavities 3a, 3b, 3c ... and / or of the main perforation 2 can also contribute, in the case of an application of acoustic absorption type, to achieve absorption of low frequencies, typically less than 1 kHz, while producing a resonator of small thickness, in particular of small dimension of resonance part 2 according to the direction of propagation 21.
  • the lateral cavity thickness D 3 is less than 3 mm, preferably less than 2 mm, preferably less than or equal to 1 mm;
  • the thickness D4 of the layer of material separating the fluid slats is less than 3 mm, preferably less than 2 mm, preferably less than or equal to 1 mm; the ratio of the height D1 to the thickness D3, and / or the ratio of the width D2 to the thickness D3, is greater than 15, preferably greater than 20, preferably equal to 25;
  • the ratio of the cross section of each of the lateral cavities, defined by the product of the height D1 and the lateral cavity width D2, on the section of the main perforation 2, defined by the product of the dimensions D5 and D6 represented in FIG. FIGURE 2 is greater than 75, preferably greater than 125, preferably between 150 and 160;
  • the height D1 and / or the width D2 of the lateral cavity is greater than or equal to 25 mm, preferably greater than 30 mm, preferably equal to 50 mm.
  • the main perforation 2 has a square section. This square section is defined by two sides D5 and D6. In an alternative embodiment, the main perforation 2 has a circular section.
  • each lateral cavity 3a, 3b, 3c ... is cylindrical (not shown).
  • the cross section of each of the lateral cavities is circular.
  • the main perforation 2 may have a section less than 24 mm 2 , preferably less than 9 mm 2 , preferably equal to 4 mm 2 .
  • the inventors have made eight acoustic resonators according to the invention to test their capacities in an application of acoustic absorption type.
  • the main perforation 2 had a square section of 4 ⁇ 4 mm
  • Impedance tube tests were performed to measure the sound absorption coefficient of these resonators.
  • FIG. 5 shows the absorption coefficient curves obtained during these tests (one curve per resonator tested), VAL1 on the ordinate representing the absorption coefficient, VAL2 on the abscissa representing the frequency in Hz.
  • the inventors have made an acoustic resonator according to the invention to test its capabilities in an application of acoustic absorption type and in an acoustic radiation type application.
  • the main perforation 2 was of circular section and had a diameter of 6.5 mm.
  • the resonance part 1 was provided with a series of fifteen lateral cavities of circular section having a diameter of 21.3 mm and a thickness D3 of 1 mm.
  • the thickness D4 of each layer of material separating the lateral cavities was 1.2 mm.
  • the total thickness of the resonant part 1 according to the direction of propagation was 35.3 mm.
  • the sound absorption coefficient of the resonator placed in an acoustic tube and subjected to a plane wave acoustic excitation the sound absorption coefficient of the resonator placed in an acoustic tube and subjected to a plane wave acoustic excitation
  • the acoustic radiation of the resonator placed in a box with absorbent materials and excited by an air jet.
  • this resonator makes it possible to obtain resonance frequencies close to the frequency values of the absorption peaks, in particular a frequency on the main resonance close to 1000 Hz in radiation and absorption, for a total thickness of the resonance part 1 according to the direction of propagation of 35.3 mm.
  • the researchers estimate that the absorption or radiation of such a frequency would involve respectively a cavity or a tube of 85.8 mm length.
  • the resonance part 1 may be provided with secondary perforations parallel to the perforation
  • the various features, shapes, variants and embodiments of the invention may be associated with each other in various combinations to the extent that they are not incompatible or exclusive of each other.

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Abstract

-17- ABREGE «Résonateur acoustiquede faible épaisseur de type mille-feuille perforé pour l'absorptionou le rayonnementacoustique très basses fréquences» L'invention se rapporte à un résonateuracoustique comprenant une pièce de résonance(1) pourvue d'une perforation principale (2) s'étendant selon une direction de propagation (21) et d'une série de cavités latérales (3) communiquant avec la perforation principale (2) de manière à former des résonateurs acoustiquestrès minces, chaque cavité latérale (3a, 3b, 3c…) débouchant sur la perforation principale (2) par tout le pourtour d'un tronçon respectif de cette perforation principale (2),et lescavités latérales (3) constituant des lames d'unfluide de telle sorte que la pièce de résonance(1) présente une structure « en mille-feuille» comprenant ces lames de fluide et des couches d'un matériau de la pièce de résonance(1) séparant ces lames de fluide. Voir FIGURE 1.

Description

« Résonateur acoustique de faible épaisseur de type mille-feuille perforé pour l'absorption ou le rayonnement acoustique très basses fréquences »
Domaine technique
La présente invention se rapporte au domaine des résonateurs acoustique.
Plus spécifiquement, la présente invention concerne un résonateur pouvant être utilisé dans une application de type absorption acoustique, par exemple en tant que matériau absorbant ou silencieux, ou dans une application de type rayonnement acoustique, par exemple de type évent de haut-parleur (enceinte « bass-reflex »). Etat de la technique antérieure
Des matériaux couramment utilisés pour réaliser une absorption acoustique sont des mousses polyuréthanes, des matériaux fibreux de type laine de verre, ou encore des mousses de mélamine. De tels matériaux poreux figurent parmi les matériaux les plus absorbants et sont généralement efficaces pour absorber des hautes fréquences, typiquement supérieures à 1 kHz. Toutefois, ces matériaux poreux sont généralement peu efficaces pour absorber des basses fréquences, typiquement inférieures à 1 kHz. Plus généralement, un inconvénient de tels matériaux poreux est que l'efficacité d'absorption est proportionnelle à l'épaisseur du matériau. A titre d'exemple, les inventeurs estiment que la même valeur du coefficient d'absorption à une fréquence de 500 Hz par une mousse de mélamine impliquerait une épaisseur de cette mousse de plusieurs dizaines de centimètres au moins.
On connaît aussi dans l'état de la technique antérieure des dispositifs d'absorption acoustique du type comportant un tunnel apte à recevoir et propager une onde acoustique, et comportant des cavités latérales formant des résonateurs de Helmholtz. A titre d'exemple, les documents suivants décrivent de tels dispositifs :
- Sugimoto N., Horioka T., Dispersion characteristics of sound waves in a tunnel with an array of Helmholtz resonators, J. Acoust. Soc.
Am. 97, 1446-1459, 1995 (ci-après SUGIMOTO 95) ;
- EP 1 291 570 A2. Dans le document SUGIMOTO 95, chacune des cavités latérales débouche sur le tunnel par un orifice de type ponctuel percé dans la paroi du tunnel. Dans le document EP 1 291 570 A2, les cavités latérales s'étendent en périphérie et parallèlement au tunnel (voir Fig . 5b de ce document).
De manière générale, les systèmes dotés de résonateurs de Helmholtz sont capables d'absorber des basses fréquences, typiquement inférieures à 1 kHz. L'absorption de basses fréquences suppose toutefois des dimensions de résonateur relativement importantes. Les inventeurs estiment ainsi que pour obtenir une fréquence de résonance de 500 Hz avec une cavité formant un résonateur, cette cavité devrait avoir une longueur de l'ordre de 17 cm.
Un autre type de dispositif d'absorption acoustique est décrit dans le document suivant, dont une partie des auteurs sont aussi inventeurs de la présente invention :
- Leclaire P., Umnova O., Dupont T., Panneton R., Acoustical properties of air-saturated porous material with periodically distributed dead-end pores, J. Acoust. Soc. Am., 137(4), 1772- 1782, 2015 (ci-après LECLAIRE 15).
Le document LECLAIRE 15 décrit un matériau comportant plusieurs perforations principales aptes à recevoir et à propager une onde acoustique, et comportant des perforations latérales de type « pores sans issue » (« dead-ends pores » en anglais).
Un but de l'invention est de proposer un résonateur acoustique de faible épaisseur capable d'absorber des basses fréquences, typiquement inférieures à 1 kHz.
Un autre but de l'invention est de proposer un résonateur acoustique pouvant aussi fonctionner dans une application de type rayonnement acoustique.
Exposé de l'invention
A cet effet, l'invention propose un résonateur acoustique comprenant une pièce de résonance pourvue :
- d'une perforation principale traversant la pièce de résonance de part en part, la perforation principale s'étendant selon une direction de propagation, cette perforation principale étant apte à recevoir et propager au moins une onde acoustique suivant la direction de propagation,
- d'une série de cavités latérales communiquant avec la perforation principale de manière à former des résonateurs acoustiques, chaque cavité latérale s'étendant transversalement par rapport à la direction de propagation,
la perforation principale et les cavités latérales étant remplies d'un fluide, ce fluide étant de préférence de l'air (ou, alternativement, pouvant par exemple être de l'eau),
chaque cavité latérale débouchant sur la perforation principale par tout le pourtour d'un tronçon respectif de cette perforation principale,
les cavités latérales constituant des lames de fluide de telle sorte que la pièce de résonance présente une structure « en mille-feuille » comprenant ces lames de fluide et des couches d'un matériau de la pièce de résonance séparant ces lames de fluide.
Autrement dit, la pièce de résonance présente une structure en mille- feuille, ou structure « multicouche », formée par une alternance de lames de fluide et de couches de matériau.
La pièce de résonance peut être fabriquée à partir d'un seul bloc de matière ou par assemblage et collage de plusieurs éléments par exemple usinés séparément.
Dans le cas où le fluide est de l'air et le matériau est un métal, la structure en mille-feuille du résonateur selon l'invention se caractérise donc par une succession, de part en part de la pièce de résonance selon la direction de propagation, de couches de métal et de lames d'air.
A titre d'illustration non limitative, pour une telle pièce de résonance comprenant deux cavités latérales, la structure en mille-feuille comprendrait successivement : une couche de métal, une lame d'air, une couche de métal, une lame d'air et une couche de métal.
Un tel résonateur doté d'une telle structure en mille-feuille permet de maximiser la surface d'échange entre le matériau de la pièce de résonance et le fluide remplissant la perforation principale et les cavités latérales. Les échanges thermiques au sein des lames de fluide et les échanges convectifs entre la perforation principale et les cavités latérales entraînent une augmentation considérable de la compressibilité du fluide dans la perforation principale et par suite, notamment, une augmentation considérable de l'absorption acoustique de basses fréquences.
De préférence, la pièce de résonance peut être réalisée dans un matériau métallique. Un matériau métallique facilite la fabrication de la pièce de résonance. Selon des variantes, la pièce de résonance peut être réalisée dans tout autre matériau, par exemple dans un matériau plastique.
De préférence, les cavités latérales peuvent être régulièrement espacées le long de la direction de propagation. Un espacement régulier des cavités latérales, c'est-à-dire un arrangement périodique des lames de fluide, favorise les échanges thermiques entre la perforation principale et les cavités latérales, ce qui entraîne une augmentation de la compressibilité du fluide dans la perforation principale et rend possible, notamment, une absorption de fréquences relativement basses. Les cavités latérales s'étendent de préférence perpendiculairement par rapport à la direction de propagation.
Dans un mode de réalisation, chaque couche de matériau séparant les lames de fluide peut avoir une épaisseur égale à une épaisseur de cavité latérale.
Cette caractéristique permet d'optimiser les effets d'échanges thermiques de la structure en mille-feuille pour une dimension totale réduite de la pièce de résonance suivant la direction de propagation.
De préférence, chacune des cavités latérales et/ou chaque couche de matériau séparant les lames de fluide peut avoir une épaisseur inférieure à 3 mm, de préférence inférieure à 2 mm, de préférence inférieure ou égale à 1 mm. De préférence, chacune des cavités latérales et/ou chaque couche de matériau séparant les lames de fluide peut ainsi avoir une épaisseur de quelques centaines de micromètres.
Dans un mode de réalisation, chacune des cavités latérales, ou lames de fluide, peut avoir une épaisseur définie par deux plans transversaux parallèles entre eux et non parallèles à la direction de propagation. De préférence, ces plans transversaux peuvent être perpendiculaires à la direction de propagation, de sorte que les cavités latérales s'étendent perpendiculairement par rapport à la direction de propagation.
Dans un mode de réalisation, chacune des cavités latérales peut former un volume délimité : - par deux premiers plans latéraux parallèles à la direction de propagation et parallèles entre eux, ces deux premiers plans latéraux définissant une hauteur de cavité latérale,
- par deux deuxièmes plans latéraux parallèles entre eux et perpendiculaires aux premiers plans latéraux, ces deux deuxièmes plans latéraux définissant une largeur de cavité latérale, la largeur de cavité latérale étant de préférence égale à la hauteur de cavité latérale,
- par lesdits deux plans transversaux définissant ladite épaisseur de cavité latérale,
de sorte que le volume soit parallélépipédique.
Dans ce dernier mode de réalisation, concernant ledit volume parallélépipédique, le rapport de la hauteur sur l'épaisseur de cavité latérale, et/ou le rapport de la largeur sur l'épaisseur de cavité latérale, peut de préférence être supérieur à 15, de préférence supérieure à 20, de préférence égal à 25.
Dans des variantes de l'invention, chacune des cavités latérales peut former un volume non-parallélépipédique, par exemple un disque, un prisme hexagonal droit ou incurvé, etc.
De préférence, le rapport de la section transversale de chacune des cavités latérales sur la section de la perforation principale peut être supérieur à 75, de préférence supérieur à 125, de préférence compris entre 150 et 160.
Dans ce document, on entend par l'expression « section » une forme définie par l'intersection d'un volume avec un plan.
En particulier, l'expression « section transversale » d'une cavité latérale désigne la forme définie par l'intersection de cette cavité latérale avec un plan médian de cette cavité latérale coupant la direction de propagation au niveau du tronçon correspondant de la perforation principale. Ainsi, lorsque les cavités latérales s'étendent perpendiculairement par rapport à la direction de propagation, la section transversale d'une cavité latérale est la forme définie par l'intersection de cette cavité latérale avec un plan perpendiculaire à la direction de propagation.
Similairement, la section de la perforation principale est la forme définie par l'intersection d'un volume constitué par cette perforation avec un plan perpendiculaire à la direction de propagation, ce plan passant par l'une desdites couches de matériau. De préférence, la hauteur et/ou la largeur de cavité latérale peut être supérieure ou égale à 25 mm, de préférence supérieure à 30 mm, de préférence égale à 50 mm.
Dans un mode de réalisation, la perforation principale peut présenter une section carrée. Alternativement et non limitativement, la section de la perforation principale peut être ronde ou de toute autre forme.
La perforation principale peut présenter, dans un mode de réalisation, une section inférieure à 24 mm2, de préférence inférieure à 9 mm2, de préférence égale à 4 mm2.
Une telle géométrie et/ou de telles dimensions des cavités latérales et/ou de la pièce de résonance favorisent les effets thermiques et convectifs au sein du résonateur.
En particulier, des lames d'air de dimensions latérales Dl et D2 relativement grandes constituent des surfaces d'échange thermique relativement grandes.
Le résonateur selon l'invention permet de réaliser une absorption acoustique de basses fréquences, typiquement inférieures à 1 kHz, pour une dimension totale réduite de la pièce de résonance, au moins suivant la direction de propagation. En effet, l'épaisseur totale de la pièce de résonance selon la direction de propagation peut notamment être inférieure à 4 cm, ce qui constitue une épaisseur relativement faible au regard des capacités d'absorption acoustique du résonateur.
Le résonateur selon l'invention permet aussi de réaliser un rayonnement acoustique pour une dimension totale réduite de la pièce de résonance, au moins suivant la direction de propagation.
Description des figures et modes de réalisation
D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés dans lesquels :
la FIGURE 1 est une vue en perspective et en coupe d'un résonateur selon l'invention faisant apparaître une série de cinq cavités latérales ;
la FIGURE 2 est une vue de face du résonateur de la FIGURE 1 ; la FIGURE 3 est une vue de côté et en coupe d'un résonateur selon l'invention faisant apparaître une série de quinze cavités latérales s'étendant perpendiculairement par rapport à une direction de propagation ;
la FIGURE 4 est une vue de côté et en coupe d'un résonateur selon l'invention faisant apparaître une série de quatre cavités latérales s'étendant obliquement par rapport à une direction de propagation ;
la FIGURE 5 présente des résultats expérimentaux obtenus par les inventeurs avec des résonateurs selon l'invention.
Les modes de réalisation décrits ci-après étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites, isolées des autres caractéristiques décrites (même si cette sélection est isolée au sein d'une phrase comprenant ces autres caractéristiques), si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.
Les FIGURES 1 et 2 représentent un résonateur acoustique selon l'invention.
Ce résonateur comprend une pièce de résonance 1 consistant, dans cet exemple, en un bloc de forme parallélépipédique. La pièce de résonance 1 est de préférence réalisée dans un matériau métallique ou dans tout autre matériau.
La pièce de résonance 1 comprend une perforation principale 2 traversant la pièce de résonance 1 de part en part. La perforation principale 2 s'étend selon une direction de propagation 21.
Le repère orthogonal de la FIGURE 1 représente la direction de propagation 21, une première direction latérale 311 et une deuxième direction latérale 312, ces trois directions 21, 311 et 312 étant perpendiculaires entre elles.
La perforation principale 2 est apte à recevoir et propager au moins une onde acoustique 9 suivant la direction de propagation 21. En particulier, une telle onde acoustique 9 peut être reçue dans la pièce de résonance 1 par l'ouverture formée par la perforation principale 2 au niveau d'une surface de réception 11 de la pièce de résonance 1 exposée à un espace environnant dans lequel se propage l'au moins une onde acoustique 9. Ainsi reçue dans la pièce de résonance 1, l'au moins une onde acoustique 9 peut se propager dans la pièce de résonance 1 au travers de la perforation principale 2, typiquement de manière à traverser de part en part la pièce de résonance 1.
L'au moins une onde acoustique 9 peut être générée par tout système ou moyen ne faisant pas l'objet de la présente invention.
La pièce de résonance 1 est en outre pourvue d'une série de cavités latérales 3 communiquant avec la perforation principale 2 de manière à former des résonateurs acoustiques. Notamment, de tels cavités latérales 3 permettent typiquement d'atténuer des fréquences de l'au moins une onde acoustique 9 lors de sa propagation dans la perforation principale 2.
Comme illustré en FIGURE 1 et 2 notamment, chaque cavité latérale 3a, 3b, 3c... est réalisée à l'intérieur de la pièce de résonance 1. Autrement dit, chaque cavité latérale 3a, 3b, 3c... forme un volume intérieur dans la pièce de résonance 1.
La perforation principale 2 et les cavités latérales 3a, 3b, 3c... sont remplies d'un fluide. Typiquement, ce fluide est de l'air. Ce fluide occupe aussi ledit espace environnant dans lequel se propage l'au moins une onde acoustique 9.
Selon l'invention, chaque cavité latérale 3a, 3b, 3c... s'étend transversalement par rapport à la direction de propagation 21. Dans l'exemple des FIGURES 1 et 3, les cavités latérales 3a, 3b, 3c... s'étendent perpendiculairement par rapport à la direction de propagation 21. Dans l'exemple de la FIGURE 4, les cavités latérales 3a, 3b, 3c et 3d s'étendent obliquement par rapport à la direction de propagation 21.
Les cavités latérales 3a, 3b, 3c... peuvent être usinées directement dans la pièce de résonance 1, par exemple à l'aide de technologies d'impression 3D, de collage structural et d'assemblage. La pièce de résonance 1 peut être fabriquée à partir d'un seul bloc de matière ou par assemblage et collage de plusieurs éléments par exemple usinés séparément.
Selon l'invention, chaque cavité latérale 3a, 3b, 3c... débouche sur la perforation principale 2 par tout le pourtour d'un tronçon respectif de cette perforation principale 2. Les dessins font ainsi apparaître, par exemple en FIGURE 2, que la perforation principale 2 est géométriquement contenue dans la série de cavités latérales 3 relativement à la première 311 et à la deuxième 312 direction latérale. Ainsi, en référence à la FIGURE 1, sur le tronçon D3 de la perforation principale 2, ce tronçon D3 représentant l'épaisseur de la cavité latérale 3a selon la direction de propagation 21, il en résulte par construction géométrique que la cavité latérale 3a débouche sur la perforation principale 2 par tout le pourtour du tronçon D3 de la perforation principale 2. Il en va de même pour chacune des autres cavités latérales 3b, 3c...
Selon une autre caractéristique importante de l'invention, les cavités latérales 3 constituent des lames de fluide de telle sorte que la pièce de résonance 1 présente une structure « en mille-feuille », ou structure multicouche, comprenant ces lames de fluide et des couches du matériau de la pièce de résonance 1 séparant ces lames de fluide. Autrement dit, la structure en mille-feuille ou multicouche présente une alternance, d'une part, de lames du fluide remplissant la perforation principale 2 et les cavités latérales 3a, 3b, 3c... et, d'autre part, de couches du matériau formant la pièce de résonance 1.
De préférence, la série de cavités latérales 3 comprend au moins trois cavités latérales. Le mode de réalisation illustré en FIGURE 3 représente une pièce de résonance 1 pourvue d'une série de quinze cavités latérales 3a, 3b, ... 3o.
Les cavités latérales 3a, 3b, 3c... peuvent être arrangées de manière périodique, c'est-à-dire qu'elles peuvent être régulièrement espacées le long de la direction de propagation 21. Un tel arrangement périodique favorise les échanges thermiques entre les cavités latérales 3a, 3b, 3c... et la perforation principale 2, et résulte en une augmentation de la compressibilité du fluide dans la perforation principale 2.
De préférence, l'épaisseur D3 de chaque cavité latérale est identique pour toutes les cavités latérales. De préférence, l'épaisseur D4 de chaque couche de matériau séparant les lames de fluide est identique pour tous les couples de cavités latérales adjacentes.
Dans les modes de réalisation illustrés aux FIGURES 1 et 3, chaque couche de matériau séparant les lames de fluide a une épaisseur D4 égale à l'épaisseur D3 de cavité latérale. En référence aux FIGURES 1 à 3, les cavités latérales 3a, 3b, 3c... forment un volume parallélépipédique. Un tel volume peut être géométriquement défini comme suit.
Chacune des cavités latérales 3a, 3b, 3c..., ou lames de fluide, a une épaisseur D3 définie par deux plans transversaux parallèles entre eux, et non parallèles à la direction de propagation 21. Dans les modes de réalisation des FIGURES 1 et 3, ces deux plans transversaux sont perpendiculaires à la direction de propagation 21.
Chacune des cavités latérales 3a, 3b, 3c... forme un volume délimité : - par deux premiers plans latéraux parallèles à la direction de propagation 21 et parallèles entre eux, ces deux premiers plans latéraux définissant une hauteur Dl de cavité latérale,
- par deux deuxièmes plans latéraux parallèles entre eux et perpendiculaires aux premiers plans latéraux, ces deux deuxièmes plans latéraux définissant une largeur D2 de cavité latérale,
- par lesdits deux plans transversaux définissant ladite épaisseur D3 de cavité latérale,
de sorte que le volume soit parallélépipédique.
Dans l'exemple de la FIGURE 2, la largeur D2 est égale à la hauteur Dl . La FIGURE 1 est une vue en coupe de la pièce de résonance 1 faisant apparaître, uniquement pour la cavité latérale 3a, la demi-largeur D21 de cette cavité latérale 3a.
Les caractéristiques dimensionnelles des cavités latérales 3a, 3b, 3c... et/ou de la perforation principale 2 peuvent aussi contribuer, dans le cas d'une application de type absorption acoustique, à réaliser une absorption de basses fréquences, typiquement inférieures à 1 kHz, tout en réalisant un résonateur de faible épaisseur, en particulier de faible dimension de pièce de résonance 2 selon la direction de propagation 21.
Selon différents modes de réalisation compatibles :
- l'épaisseur D3 de cavité latérale est inférieure à 3 mm, de préférence inférieure à 2 mm, de préférence inférieure ou égale à 1 mm ;
- l'épaisseur D4 de couche de matériau séparant les lames de fluide est inférieure à 3 mm, de préférence inférieure à 2 mm, de préférence inférieure ou égale à 1 mm ; - le rapport de la hauteur Dl sur l'épaisseur D3, et/ou le rapport de la largeur D2 sur l'épaisseur D3, est supérieur à 15, de préférence supérieure à 20, de préférence égal à 25 ;
- le rapport de la section transversale de chacune des cavités latérales, définie par le produit de la hauteur Dl et de la largeur D2 de cavité latérale, sur la section de la perforation principale 2, définie par le produit des dimensions D5 et D6 représentées en FIGURE 2, est supérieur à 75, de préférence supérieur à 125, de préférence compris entre 150 et 160 ;
- la hauteur Dl et/ou la largeur D2 de cavité latérale est supérieure ou égale à 25 mm, de préférence supérieure à 30 mm, de préférence égale à 50 mm.
Dans l'exemple des FIGURES 1 et 2, la perforation principale 2 présente une section carrée. Cette section carrée est définie par deux côtés D5 et D6. Dans un mode de réalisation alternatif, la perforation principale 2 présente une section circulaire.
Dans une variante de l'invention, le volume de chaque cavité latérale 3a, 3b, 3c... est cylindrique (non représenté). Dans une telle variante, la section transversale de chacune des cavités latérales est circulaire.
En termes dimensionnels, la perforation principale 2 peut présenter une section inférieure à 24 mm2, de préférence inférieure à 9 mm2, de préférence égale à 4 mm2.
Première série de tests
A titre expérimental, les inventeurs ont réalisé huit résonateurs acoustiques selon l'invention pour tester leurs capacités dans une application de type absorption acoustique. Pour chacun de ces résonateurs, la perforation principale 2 présentait une section carrée de 4 x 4 mm, et la pièce de résonance 1 était pourvue d'une série de quinze cavités latérales de dimensions Dl = D2 = 25 mm et D3 = 1 mm, l'épaisseur D4 de chaque couche de matériau séparant les cavités latérales étant de 1 mm.
Des tests en tube à impédance ont été effectués de manière à mesurer le coefficient d'absorption acoustique de ces résonateurs.
La FIGURE 5 présente les courbes de coefficient d'absorption obtenues lors de ces tests (une courbe par résonateur testé), VALl en ordonnée représentant le coefficient d'absorption, VAL2 en abscisse représentant la fréquence en Hz.
Ces courbes montrent que le résonateur selon l'invention permet d'obtenir, de manière reproductible, un pic d'absorption à une fréquence inférieure à 500 Hz pour une épaisseur totale du résonateur (dimension de la pièce de résonance 1 selon la direction de propagation 21) de 31 mm.
Deuxième série de tests
Dans une deuxième série de tests, les inventeurs ont réalisé un résonateur acoustique selon l'invention pour tester ses capacités dans une application de type absorption acoustique et dans une application de type rayonnement acoustique. La perforation principale 2 était de section circulaire et présentait un diamètre 6,5 mm. La pièce de résonance 1 était pourvue d'une série de quinze cavités latérales de section circulaire présentant un diamètre de 21,3 mm et une épaisseur D3 de 1 mm. L'épaisseur D4 de chaque couche de matériau séparant les cavités latérales était de 1,2 mm. L'épaisseur totale de la pièce de résonance 1 selon la direction de propagation était de 35,3 mm.
Des tests ont été effectués de manière à mesurer :
- d'une part, le coefficient d'absorption acoustique du résonateur placé dans un tube acoustique et soumis à une excitation acoustique en onde plane,
- d'autre part, le rayonnement acoustique du résonateur placé dans un caisson doté de matériaux absorbants et excité par un jet d'air.
Ces tests ont montré que ce résonateur permet d'obtenir des fréquences de résonance proches des valeurs en fréquence des pics d'absorption, en particulier une fréquence sur la résonance principale proche de 1000 Hz en rayonnement et en absorption, cela pour une épaisseur totale de la pièce de résonance 1 selon la direction de propagation de 35,3 mm. En comparaison avec des systèmes traditionnels, les chercheurs estiment que l'absorption ou le rayonnement d'une telle fréquence impliquerait respectivement une cavité ou un tube de 85,8 mm de longueur.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, la pièce de résonance 1 peut être pourvue de perforations secondaires parallèles à la perforation principale 2. De plus, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres.

Claims

REVENDICATIONS
1. Résonateur acoustique comprenant une pièce de résonance (1) pourvue :
- d'une perforation principale (2) traversant la pièce de résonance (1) de part en part, la perforation principale (2) s'étendant selon une direction de propagation (21), cette perforation principale (2) étant apte à recevoir et propager au moins une onde acoustique (9) suivant la direction de propagation (21),
- d'une série de cavités latérales (3) communiquant avec la perforation principale (2) de manière à former des résonateurs acoustiques, chaque cavité latérale (3a, 3b, ...) s'étendant transversalement par rapport à la direction de propagation (21),
la perforation principale (2) et les cavités latérales (3a, 3b, 3c.) étant remplies d'un fluide,
caractérisé en ce que chaque cavité latérale (3a, 3b, 3c.) débouche sur la perforation principale (2) par tout le pourtour d'un tronçon respectif de cette perforation principale (2),
et en ce que les cavités latérales (3) constituent des lames de fluide de telle sorte que la pièce de résonance (1) présente une structure « en mille-feuille » comprenant ces lames de fluide et des couches d'un matériau de la pièce de résonance (1) séparant ces lames de fluide,
et en ce que le rapport de la section transversale de chacune des cavités latérales (3a, 3b, 3c.) sur la section de la perforation principale (2) est supérieur à 75.
2. Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cavités latérales (3a, 3b, 3c.) sont régulièrement espacées le long de la direction de propagation (21).
3. Résonateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les cavités latérales (3a, 3b, 3c.) s'étendent perpendiculairement par rapport à la direction de propagation (21).
4. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque couche de matériau séparant les lames de fluide a une épaisseur (D4) égale à une épaisseur (D3) de cavité latérale.
5. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chacune des cavités latérales (3a, 3b, 3c.) et/ou chaque couche de matériau séparant les lames de fluide a une épaisseur (D3, D4) inférieure à 3 mm, de préférence inférieure à 2 mm, de préférence inférieure ou égale à 1 mm.
6. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chacune des cavités latérales (3a, 3b, 3c...), ou lames de fluide, a une épaisseur (D3) définie par deux plans transversaux parallèles entre eux et non parallèles à la direction de propagation (21).
7. Résonateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que chacune des cavités latérales (3a, 3b, 3c.) forme un volume délimité :
- par deux premiers plans latéraux parallèles à la direction de propagation (21) et parallèles entre eux, ces deux premiers plans latéraux définissant une hauteur (Dl) de cavité latérale,
- par deux deuxièmes plans latéraux parallèles entre eux et perpendiculaires aux premiers plans latéraux, ces deux deuxièmes plans latéraux définissant une largeur (D2) de cavité latérale,
- par lesdits deux plans transversaux définissant ladite épaisseur (D3) de cavité latérale,
de sorte que le volume soit parallélépipédique.
8. Résonateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que, concernant ledit volume parallélépipédique, le rapport de la hauteur (Dl) sur l'épaisseur (D3) de cavité latérale, et/ou le rapport de la largeur (D2) sur l'épaisseur (D3) de cavité latérale, est supérieur à 15, de préférence supérieure à 20, de préférence égal à 25.
9. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le rapport de la section transversale de chacune des cavités latérales (3a, 3b, 3c.) sur la section de la perforation principale (2) est supérieur à 125, de préférence compris entre 150 et 160.
10. Résonateur selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la hauteur (Dl) et/ou la largeur (D2) de cavité latérale est supérieure ou égale à 25 mm, de préférence supérieure à 30 mm, de préférence égale à 50 mm.
11. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la perforation principale (2) présente une section carrée (D5, D6).
12. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la perforation principale (2) présente une section inférieure à 24 mm2, de préférence inférieure à 9 mm2, de préférence égale à 4 mm2.
PCT/EP2017/052183 2016-02-05 2017-02-01 Resonateur acoustique de faible epaisseur de type mille-feuille perfore pour l'absorption ou le rayonnement acoustique tres basses frequences WO2017134125A1 (fr)

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