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(11) | EP 0 161 458 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Revetement de paroi absorbant les ondes acoustiques |
| (57) Des conduits (4) contiennent un liquide d'amortissement visqueux et sont en contact,
du côté de la plaque de base rigide (1) qui est munie du revêtement, avec des enceintes
souples contenant un gaz et constituant un matériau facilement compressible, par exemple
du caoutchouc mousse (6). Ces conduits sont séparés du milieu ambiant (2) par une membrane séparatrice (3) perméable aux ondes acoustiques. L'invention s'applique à l'absorption des ondes acoustiques sous l'eau. |
[0001] La présente invention concerne un revêtement de paroi absorbant les ondes acoustiques. Lorsqu'une source de bruit et un corps à paroi rigide sont placés dans un milieu fluide où les ondes sonores peuvent se propager, une partie de l'énergie véhiculée par les ondes frappant la paroi est réfléchie par celle-ci, une partie est transmise à travers la paroi, et une faible partie est absorbée par le matériau constituant la paroi ou son revêtement.
[0002] La valeur du rapport de l'énergie absorbée à l'énergie incidente, ou coefficient d'absorption, est fonction de la nature du matériau constituant ou revêtant la paroi, et de la fréquence du son.
[0003] Dans l'air, on connaît plusieurs types de dispositifs pour obtenir de forts coefficients d'absorption :
Les matériaux poreux dans les interstices desquels l'énergie acoustique est transformée en chaleur par les turbulences et frottements dans ces interstices : lorsque l'onde incidente parvient à la partie rigide et pleine de la paroi, elle a perdu son énergie et la réflexion est très faible.
- Les panneaux élastiques qui constituent un système masse-ressort : lorsque la période de vibrations de ce dispositif est du même ordre que celle de l'onde sonore, une partie de l'énergie incidente est transformée en énergie mécanique, puis dissipée en frottements internes ou déformations.
- Les résonateurs à cavités qui jouent également comme un système masse-ressort dont la masse et l'élasticité sont celles de l'air : à la résonance, une partie de l'énergie est dissipée par la perte de charge de l'air dans le col du résonateur. A ce type de dispositif peut être rattaché le revêtement absorbant décrit dans le document de brevet US-A 4,421,455 (TOMREN).
[0004] Dans tous les cas, la difficulté est d'obtenir une efficacité dans une bande de fréquence suffisamment large :
- Le premier type n'a d'efficacité que pour les fréquences élevées.
- L'inconvénient des deux derniers types est la limitation de leur efficacité à une bande de fréquence très étroite centrée sur la fréquence propre de ces systèmes.
[0005] Dans l'eau, le même problème peut se poser : augmenter le coefficient d'absorption d'une paroi :
- soit pour diminuer l'énergie réfléchie par une paroi immergée à proximité de sources de bruit d'une part et de détecteurs acoustiques d'autre part. Une telle paroi est liée par exemple à une plate-forme de forage ou d'exploitation pétrolière "offshore" à positionnement dynamique.
- soit pour simuler des propagations d'ondes en milieu infini dans des laboratoires de mesures de bruits.
[0006] Le revêtement idéal serait celui qui :
- annulerait toute réflexion, même partielle, des ondes incidentes ;
- agirait dans une large bande de fréquence, bande qui, dans le cas de l'eau, comprend notamment les basses fréquences entre 10 et 1000 Hertz.
[0007] Les revêtements connus apparaissent très insuffisants lorsque le milieu ambiant est constitué par un liquide, surtout pour les basses fréquences inférieures à 1000 Hz.
[0008] La présente invention a pour but d'obtenir une absorption efficace des ondes acoustiques, même dans un milieu ambiant liquide, et même aux basses fréquences.
[0009] Le revêtement selon l'invention présente une face intérieure destinée à être appliquée sur une paroi de base rigide et une face extérieure destinée à baigner dans un fluide ambiant parcouru par des ondes acoustiques.
[0010] Il comporte, comme le revêtement connu par le document TOMREN, - des parois auxiliaires présentant une extension perpendiculairement à la paroi de base pour former entre elles des conduits de dissipation d'énergie dans lesquels un fluide dissipateur peut effectuer de petits déplacements alternatifs perpendiculaires à la paroi de base avec frottement, ces conduits étant sensiblement des conduits rectilignes à dimensions transversales constantes et présentant une entrée vers ladite face extérieure et un fond vers ladite face intérieure,
- et une couche séparatrice perméable aux ondes acoustiques et recouvrant les entrées de ces conduits.
[0011] Dans ce revêtement absorbant connu le fluide ambiant est l'air, et le fluide dissipateur aussi.
[0012] Le revêtement selon l'invention est caractérisé par le fait que lesdits conduits de dissipation d'énergie sont remplis d'un fluide dissipateur présentant une viscosité cinématique supérieure à celle du fluide ambiant pour absorber par frottement laminaire l'énergie desdits déplacements alternatifs,
- ladite couche séparatrice étant une membrane séparatrice qui ferme l'entrée de ces conduits pour empêcher le fluide auxiliaire de se diluer dans le fluide ambiant, cette membrane étant perméable aux ondes acoustiques,
- des volumes de compression élastique étant placés au fond de ces conduits au contact du fluide dissipateur, étant fermés, et contenant un fluide plus compressible que les fluides ambiant et dissipateur pour augmenter l'amplitude desdits déplacements alternatifs de ce dernier fluide sous l'action des ondes acoustiques incidentes.
[0013] De préférence, le diamètre hydraulique équivalent d et la longueur 1 des conduits de dissipation d'énergie, le taux de perforation S2/S1 du revêtement au niveau de ces conduits, et la masse spécifique ρ1 de ce fluide dissipateur vérifient sensiblement l'égalité 32 (ρ 1.v1./d2)1 = P o.Co (S2/S1)
dans laquelle ρo et C représentent la masse spécifique du fluide ambiant et la vitesse des ondes acoustiques dans ce fluide, de manière qu'il existe une fréquence d'adaptation (f ) telle que les ondes acoustiques incidentes présentant cette fréquence soient absorbées sensiblement totalement.
[0014] Plus précisément l'égalité ci-dessus entraine qu'une onde acoustique sera théoriquement parfaitement absorbée si l'égalité est exactement vérifiée, si la fréquence de l'onde a une valeur précise, et si l'épaisseur des parois auxiliaires et la membrane séparatrice n'ont aucune influence sur la propagation des ondes. L'indication que cette égalité doit être vérifiée "sensiblement" signifie que le rapport de ses deux termes doit être choisi aussi proche que possible de 1 et doit en pratique rester compris entre 0,2 et 5 environ.
[0015] Le taux de perforation est le rapport de la section ouverte totale S2 d'un grand nombre de conduits adjacents à la surface S1 du revêtement occupée par ces conduits et les parois auxiliaires qui les limitent. Il doit être compris que ces diverses grandeurs conservent leurs significations lorsque les conduits adjacents ne sont pas complètement séparés les uns des autres par les parois auxiliaires ; le point important selon l'invention est qu'il existe des zones, les conduits, dans lesquelles le fluide dissipateur peut pratiquement se déplacer sous l'influence des ondes acoustiques, et des éléments solides qui, par frottement, annulent pratiquement la vitesse de déplacement de ce fluide à leur voisinage immédiat.
[0016] Le diamètre hydraulique équivalent d est égal au diamètre des conduits si ceux-ci ont une section circulaire. Si leur section présente une forme régulière différente le diamètre hydraulique équivalent peut être défini comme égal à quatre fois le rapport de l'aire de la section droite du conduit au périmètre mouillé.
[0017] En cas de formes irrégulières, le périmètre mouillé ci-dessus est la longueur, dans chaque section droite, de la ligne qui constitue la frontière entre la zone d'immobilisation et la zone où le mouvement du fluide est possible. Ce mouvement est plus ou moins freiné par les frottements internes au fluide, selon la distance à laquelle on se trouve de la ligne de frontière la plus proche.
[0018] Dans l'eau les fréquences des ondes à absorber s'étendent sur un large spectre et descendent souvent au-dessous de 1000 Hz environ, et on adopte en outre, de préférence, les dispositions suivantes :
La viscosité cinématique v1 est choisie suffisamment grande et le diamètre hydraulique équivalent d suffisamment petit pour que le rapport v1/d2 soit supérieur à 2500 rd/s, de manière que la bande de fréquences efficacement absorbées s'étende loin de part et d'autre de ladite fréquence d'adaptation f .
[0019] Lorsqu'il s'agit plus particulièrement d'absorber des ondes acoustiques au voisinage d'une fréquence fo, la viscosité cinématique v du fluide dissipateur est supérieure ou tout au moins peu inférieure au produit fo.d2 de cette fréquence par le carré du diamètre équivalent d, de manière que la répartition des vitesses alternatives dans la section du conduit de dissipation soit analogue à celle qui apparait dans un écoulement permanent unidirectionnel laminaire. Cette viscosité est de préférence supérieure à la moitié de ce produit.
[0020] La raideur K présentée par lesdits volumes de compression élastique au fluide dissipateur est choisie sensiblement égale à
de manière que ladite fréquence d'adaptation soit la fréquence f , la raideur K étant le rapport d'une force à un déplacement, cette force étant une force longitudinale pouvant être appliquée au fond d'un conduit de dissipation par une onde acoustique, ce déplacement étant le déplacement longitudinal qui est provoqué par cette force et qui est égal à la variation de volume totale de ces volumes de compression sous l'action de cette force, cette variation étant divisée par la section de ce conduit.
[0021] La membrane séparatrice peut être très mince et très souple de manière à n'opposer aucun obstacle au passage des ondes acoustiques mais une telle membrane mince est très fragile et ne peut guère être utilisée qu'en laboratoire. D'autre part la présente invention semble surtout intéressante en mer, à des profondeurs parfois importantes. C'est pourquoi, de préférence, la membrane séparatrice est constituée d'un matériau présentant une valeur du produit P 2.C2 égale à celle du produit P o.Co du fluide ambiant, ce produit étant celui de la masse spécifique du matériau par la célérité des ondes acoustiques dans le matériau, de manière à permettre de donner à cette membrane une épaisseur lui permettant de résister aux agressions extérieures et aux différences de pressions hydrostatiques.
[0022] Lorsque le fluide ambiant est un liquide, le fluide dissipateur est un liquide auxiliaire et le fluide plus compressible est un gaz enfermé dans des enceintes souples, le volume intérieur total de cette ou de ces enceintes souples au fond de chaque conduit de dissipation d'énergie étant choisi pour obtenir sensiblement ladite valeur de la raideur K.
[0023] Ce gaz est enfermé dans ces enceintes souples sous une pression de gonflage qui est supérieure à la pression atmosphérique de manière à éviter que le volume de ces enceintes ne soit trop diminué lorsque la pression hydrostatique du liquide ambiant augmente.
[0024] Plus précisément cette pression de gonflage sera souvent choisie supérieure à deux bars absolus.
[0025] Quant au fluide dissipateur, il est constitué d'eau additionnée de molécules organiques à longues chaînes pour augmenter sa viscosité.
[0026] A l'aide des figures schématiques ci-jointes on va décrire ci-après, à titre non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence.
La figure 1 représente une vue d'un premier revêtement selon l'invention en coupe par un plan perpendiculaire à la paroi de base.
La figure 2 représente une vue à échelle agrandie des parois auxiliaires de ce revêtement, en perspective.
La figure 3 représente une vue d'un deuxième revêtement selon l'invention en coupe par un plan perpendiculaire à la paroi de base.
La figure 4 représente une vue à échelle agrandie des parois auxiliaires de ce revêtement, en perspective.
La figure 5 représente une vue d'un troisième revêtement selon l'invention en coupe par un plan perpendiculaire à la paroi de base.
La figure 6 représente une vue à échelle agrandie des parois auxiliaires de ce revêtement en coupe par un plan VI-VI de la figure 5, ce plan étant parallèle à la paroi de base.
La figure 7 représente une vue d'un quatrième revêtement selon l'invention, en coupe par un plan perpendiculaire à la paroi de base.
[0027] Ces figures montrent des exemples de réalisation de dispositifs destinés à absorber des sons de basse fréquence se propageant dans l'eau.
[0028] Conformément à la figure 1, on place, contre une paroi de base 1, rigide et immergée dans un fluide ambiant constitué par de l'eau 2, un revêtement absorbant comprenant, en succession dans le sens milieu-paroi, les éléments suivants :
- une membrane séparatrice extérieure 3 servant d'interface souple entre l'eau du milieu ambiant 2 et un liquide auxiliaire, un intervalle 3a, et un nid d'abeille métallique 5 constituant les conduits de dissipation 4 ; ces conduits ont une longueur de l'ordre de 30 mm, une section hexagonale voisine de 1 cm2 et sont pleins d'un liquide visqueux réalisé par exemple en mélangeant à de l'eau un additif à base de cellulose qui porte la viscosité cinématique du liquide auxiliaire à environ 10-1 m2/s au lieu de 10 pour l'eau pure. Une plaque de caoutchouc alvéolaire 6 (caoutchouc mousse) constitue un milieu élastique d'épaisseur environ 5 mm en face intérieure du revêtement. Ses alvéoles pleines d'air ou d'un gaz constituent lesdites enceintes souples contenant ledit fluide plus compressible. Dans les applications de laboratoire la membrane 3 peut être très fine. En mer, la membrane fine est remplacée par une membrane épaisse constituée d'un matériau dans lequel le produit e 2.C2 (masse spécifique par célérité de propagation des ondes de pression) est identique ou très voisin du produit correspondant Po.Co pour l'eau constituant le milieu ambiant.
[0029] Dans une variante, le nid d'abeille en métal représenté figure 2 est remplacé par un papier gaufré enduit de résine délimitant, par collage, des conduits d'amortissement.
[0030] Selon les figures 3 et 4, les conduits contenant le fluide visqueux sont de section sensiblement rectangulaire et constitués par l'empilage de plaques nervurées 14. Les nervures 15 de ces plaques sont de hauteur voisine de 1 mm et elles délimitent entre elles des conduits 16 dont la longueur, dans le sens normal à la paroi est voisine de 30 mm. Entre ces plaques et la membrane rigide, on trouve le milieu élastique 6, caoutchouc mousse par exemple. Côté eau, les plaques sont recouvertes de la paroi séparatrice 3.
[0031] Selon les figures 5 et 6 les pertes d'énergies des ondes acoustiques sont produites par le frottement du liquide visqueux contre une multitude de poils 21 disposés en "brosse" et constituant lesdites parois auxiliaires. Les poils de ces brosses ont un diamètre voisin de 1 mm ; leurs intervalles sont compris entre 1 et 2 mm et constituent lesdits conduits, qui sont donc ici en communication latéralement les uns avec les autres. Les poils sont piqués sur une plaque support 22 qui est, elle-même, placée contre la paroi de base 1. La membrane séparatrice 25 est épaisse. Les volumes de compression sont réalisés en plaçant de petites sphères 24 plastiques creuses entre les poils, contre la plaque support. Il serait aussi possible d'utiliser des poils creux pleins d'air ou de gaz.
[0032] La longueur des poils de la brosse est d'environ 5 cm. Le produit P2.C2 de la paroi 25 est égal à celui de l'eau.
[0033] Enfin, dans la réalisation des volumes de compression de toutes les variantes ci-dessus, on peut utiliser des mousses plastiques à pores fermés dont le procédé de fabrication permet d'avoir dans les pores un gaz sous une pression de quelques bars. Cette disposition est particulièrement intéressante pour des parois soumises, de la part du milieu ambiant, à des pressions hydrostatiques variables : la compression du gaz lors des variations de la pression du milieu peut ainsi être réduite et la variation correspondante du volume de ces pores est ainsi limitée.
[0034] Quant à la membrane séparatrice épaisse précédemment mentionnée et présentant une valeur du produit C voisine de celle du liquide ambiant, elle peut être constituée, lorsque ce liquide ambiant est de l'eau, par un polyméthacrylate de méthyle analogue à celui distribué dans le commerce sous la marque Plexiglas ou mieux par un polycarbonate analogue à celui distribué dans le commerce sous la marque Macrolon. On peut aussi utiliser certains polyéthylènes ou un néoprène connu pour la protection d'hydrophones.
[0035] Quant au liquide amortisseur précédemment mentionné il peut être constitué par de l'eau additionnée d'un hydroxyléther de la cellulose obtenu en traitant la cellulose avec l'hydroxyle de sodium et en la faisant réagir avec l'oxyde d'éthylène. Le produit de cette réaction est purifié et livré sous forme de poudre blanche fine. Il est commercialisé sous la marque Natrosol par la Société française Hercules France, Société anonyme, Tour Albert 1er 92507 Rueil Malmaison Cedex.
[0036] Le quatrième mode de réalisation de l'invention selon la figure 7 semble particulièrement intéressant sur des parois de base planes rectangulaires. Le revêtement est alors constitué par une juxtaposition de caissons ouverts 30 à section rectangulaire dont le fond est collé sur la paroi de base 1. Les parois auxiliaires sont achetées sous la forme d'un nid d'abeille 5 enserré entre deux feuilles très minces et souples 5a et 5b. La feuille 5a est collée au fond du caisson sur une couche de caoutchouc mousse 31 constituant les volumes de compression élastiques. La feuille 5b est en léger retrait par rapport aux bords des parois latérales du caisson. Une plaque rigide 32 de polyméthacrylate de méthyle est collée sur ces bords et constitue la membrane séparatrice séparée du nid d'abeille 5 par l'intervalle 32a.
- des parois auxiliaires (5) présentant une extension perpendiculairement à la paroi de base pour former entre elles des conduits de dissipation d'énergie (4) dans lesquels un fluide dissipateur peut effectuer de petits déplacements alternatifs perpendiculaires à la paroi de base avec frottement, ces conduits étant sensiblement des conduits rectilignes à dimensions transversales constantes et présentant une entrée vers ladite face extérieure et un fond vers ladite face intérieure,
- et une couche séparatrice perméable aux ondes acoustiques et recouvrant les entrées de ces conduits,
- ce revêtement étant caractérisé par le fait que lesdits conduits de dissipation d'énergie (4) sont remplis d'un fluide dissipateur présentant une viscosité cinématique (v1) supérieure à celle (vo) du fluide ambiant pour absorber par frottement laminaire l'énergie desdits déplacements alternatifs,
- ladite couche séparatrice étant une membrane séparatrice (3) qui ferme l'entrée de ces conduits pour empêcher le fluide auxiliaire de se diluer dans le fluide ambiant, cette membrane étant perméable aux ondes acoustiques,
- des volumes de compression élastique (6) étant placés au fond de ces conduits au contact du fluide dissipateur, étant fermés, et contenant un fluide plus compressible que les fluides ambiant et dissipateur pour augmenter l'amplitude desdits déplacements alternatifs de ce dernier fluide sous l'action des ondes acoustiques incidentes.
dans laquelle Po et Co représentent la masse spécifique du fluide ambiant et la vitesse des ondes acoustiques dans ce fluide, de manière qu'il existe une fréquence d'adaptation (f ) telle que les ondes acous- tiques incidentes présentant cette fréquence soient absorbées sensiblement totalement.
de manière que ladite fréquence d'adaptation soit égale à la fréquence fo, la raideur K étant le rapport d'une force à un déplacement, cette force étant une force longitudinale pouvant être appliquée au fond d'un conduit de dissipation (4) par une onde acoustique, ce déplacement étant le déplacement longitudinal qui est provoqué par cette force et qui est égal à la variation de volume totale de ces volumes de compression sous l'action de cette force, cette variation étant divisée par la section de ce conduit.