Dispositifs absorbants à base de matériaux à double porosité dans des champs acoustiques ...

188 Pages·2008·7.86 MB·French

N◦ d’Ordre :2008-ISAL-0039 Année 2008
Thèse
Dispositifs absorbants à base
de matériaux à double porosité
dans des champs acoustiques complexes
présentée devant
L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
pour obtenir
Le grade de docteur
Ecole doctorale : Mécanique,Énergétique, Génie civil,
Acoustique
Ecole Centrale de Lyon - Université Claude Bernard-Lyon I - INSA Lyon
Spécialité : Acoustique
par
Nesrine AMIROUCHE
Soutenue le 07 Juillet 2008 devant la Commission d’Examen :
Bernard CASTAGNÈDE Rapporteur
Phillipe LECLAIRE Rapporteur
Irini DJERAN-MAIGRE Membre du jury
Marie-Annick GALLAND Membre du jury
Emmanuel GOURDON Membre du jury
Franck SGARD Directeur de Thèse
Joël DUCOURNEAU Invité
François-Xavier BÉCOT invité
Cette thèse a été préparée au LAboratoire des Sciences de l’Habitat, Dépar-
tement Génie Civil et Bâtiment (ura cnrs 1652) de L’École Nationale des
Travaux Publics de l’État
RESUME

La prise de conscience grandissante des retombés sanitaires et économiques des nuisances
sonores, génère un besoin croissant en termes de connaissance des moyens de contrôle et des
traitements acoustiques. Parmi les nombreuses stratégies de contrôle qui existent les dispositifs
absorbants sont très utilisés.
L'usage des matériaux poreux acoustique dans les systèmes absorbants est très répandu, et
touche des domaines de plus en plus diversifiés, tels que le secteur du bâtiment, l'industrie
automobile et aéronautique, les équipements des espaces publics et environnementaux, ou encore
les usines (encoffrements de machines, traitement des locaux industriels).
Les matériaux poreux, souvent performants en moyennes et hautes fréquences, présentent
d'importantes défaillances en basses fréquences, alors que beaucoup de spectres de bruits rencontrés
dans les divers secteurs cités plus haut, présentent une énergie importante dans cette gamme
fréquentielle.
Un moyen d'améliorer les performances des matériaux poreux est le concept de double
porosité, qui consiste à introduire un réseau de méso-perforations, de dimension caractéristique
distincte de celle du réseau miro-poreux. Il a été démontré que sous certaines conditions, les
matériaux méso-perforés ainsi obtenus avaient de meilleures performances en absorption en basses
fréquences, lorsqu'ils étaient excités par onde plane en incidence normale et couplés à un support
rigide.
Dans des conditions réelles, les champs acoustiques sont plus complexes, et les matériaux
poreux sont souvent couplés à d'autres éléments, tels que des supports flexibles, ou des voiles. Il est
donc important de prendre en compte l'interaction entre ces éléments et les matériaux méso-
perforés, ainsi que la nature des champs acoustiques en présence, afin d'évaluer au mieux les
performances des systèmes absorbants basés sur ce concept.
Le comportement acoustique des matériaux méso-perforés peut être décrit par un modèle
analytique, développé sous des conditions d'ondes planes en incidence normale, et pour des
matériaux modélisables en "fluide équivalent". On dispose aussi de modèles numériques telle que la
méthode des éléments finis. Chacune de ces modélisations présentent des limitations qui nous
obligent à adopter une démarche expérimentale pour l'étude des systèmes absorbants à base de
matériaux poreux méso-perforés.
En étudiant dans un premier temps les performances des matériaux poreux homogènes, puis
méso-perforés couplés à un support rigide, dans un champ d'ondes planes en incidence oblique et
dans un champ diffus, nous démontrons que le concept de "double porosité" ne perd pas tout son
intérêt lorsque le matériau est excité par ces différents champs acoustiques. Nous identifions aussi
avec plus de précision les limites des modèles existants.
Dans un second temps, afin d'identifier l'influence de la double porosité sur les
performances en transmission, ces mêmes matériaux sont couplés à des supports flexibles (plaque
d'aluminium et d'acier), et soumis à un champ d'ondes planes en incidence normale, et à un champ
diffus. L'influence du support flexible est également étudiée.
Un dernier chapitre est dédié au traitement acoustique d'un encoffrement de machine
industrielle, dont la première partie est consacrée à l’étude numérique et analytique de l'influence
sur les performances des matériaux méso-perforés, de la nature du voile, de sa modélisation et des
conditions de couplage. La seconde partie traite des résultats obtenus lors de la troisième et dernière
campagne de mesures du projet CAHPAC (Contrôle Acoustique Hybride Passis/ACtif), où les
performances des matériaux méso-perforés sont étudiées dans un champ modal.
Abstract:

The growing awareness of sanitary and economic consequences of noise, induce a
growing need in term of knowledge about control means and acoustic treatments. Across the
many existent strategies of noise control the absorbent systems are often used.
The use of acoustic porous material in absorbent systems is common, for example in
domains such as building, aircraft and automotive industries, public areas and environmental
equipments, or in factories (machine enclosure, industrial premises).
Porous materials often have a good performance in middle and high frequencies, but have less
performance in low frequencies, where most of the noise sources met in the domains
mentioned above have an important energy in this frequency range.
A mean to improve the performance of porous materials is the use of double porosity
concept, that’s to say to introduce a network of perforations, of characteristic length, different
from the micro-porous network’s one. It has been demonstrated that under certain conditions
the meso-perforated materials have better absorption performances in low frequency range,
when they are exited by a plane waves of normal incidence and couplet to a rigid wall.
In real conditions, the acoustic fields are more complex, and the porous materials are often
couplet to other elements as flexible support or screens. Thus, it is important to take into
account the interaction between meso-perforated material and those elements, along with the
acoustic field type, to have the best performance evaluation of absorbent systems based on
this concept.
The acoustic behavior of meso-perforated materials can be described by an analytical model,
developped under normal incident plane waves, for “equivalent fluid” material. One also has
numerical models such as finite elements method. Each of these modeling has some
limitations. Thus, to study the absorbent systems based on meso-perforated materials, we
must have an experimental approach.
By studying, as a first step, the performances of homogeneous porous materials, then the
meso-perforated ones coupled to a rigid wall, in an oblique incidence plane waves and diffuse
fields, we demonstrate that the double porosity concept does not loose its entire interest when
the material is exited by these different acoustic fields. We also identify with more precision
the existent models limitations.
As a second step, to identify the double porosity influence on transmission performances, the
same materials are coupled to a flexible support (aluminum plate), and kept under normal
incidence plane waves field, and under diffuse field. The flexible support influence is also
studied.
The last chapter is dedicated to the study of treatment of an industrial machine enclosure. The
first part is devoted to numerical and analytical study of the influence on performance of
meso-perforated materials of the nature of screen, their modelization, and their coupling
conditions. The second part tackles the experimental results of the third and last campaign of
CAHPAC project, where the meso-perforated material performances are studied under a
modal field.

Table des matières
1 Introduction 1
1.1 Contexte et problématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 état de L’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Modélisation des matériaux méso-perforés . . . . . . . 3
1.2.2 Performancesentransmissiondesmatériauxméso-perforés
couplé à des supports flexibles . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.3 Effet d’un voile sur les performances des matériaux
méso-perforés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.4 Mesure des performances des matériaux méso-
perforés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Objectifs du travail de recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 Organisation du document . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 Outils et Modèles 15
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 Les matériaux poreux acoustiques à simple porosité . . . . . . 17
2.2.1 Paramètresgéométriquesetintrinsèquesdesmatériaux
poreux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2 Théorie de Biot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.3 Les modèles "fluides équivalents" . . . . . . . . . . . . 30
2.2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3 Matériaux à double porosité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.1 Hypothèses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.2 Modélisation d’un milieu à double porosité . . . . . . . 35
i
TABLE DES MATIÈRES
2.3.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4 Supports flexibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.2 Modélisation d’un solide élastique par FEM . . . . . . 42
2.4.3 Couplage avec un matériau poreux . . . . . . . . . . . 43
2.4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5 Les voiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5.2 Voiles imperméables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5.3 Couplage d’un voile imperméable à un matériau poreux 46
2.5.4 Voile résistif ou micro-perforé . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5.5 Couplage d’un voile à un matériau à double porosité . 48
2.5.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.6 Bilan de puissances et indicateurs vibro -acoustiques . . . . . 49
2.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6.2 Puissance injectée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.6.3 Puissances dissipées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.6.4 Coefficient d’absorption et pertes par transmission . . . 51
2.6.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3 Performances de systèmes à base de matériaux à double po-
rosité dans des conditions de champs acoustiques complexes 57
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2 Dispositifs expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2.1 Mesures au tube de KUNDT . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2.2 Mesures en champ libre : Chambre anéchoïque . . . . . 62
3.2.3 Mesures en champs diffus : Chambres réverbérantes . . 65
3.3 Matériau à double porosité sur fond rigide . . . . . . . . . . . 69
3.3.1 Introduction : Performances en absorption et choix des
matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.3.2 Matériaux à double porosité dans un champ d’ondes
planes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.3 Matériaux double poreux dans un champ diffus . . . . 91
ii
Chapitre 0
3.4 Matériau à double porosité sur support
flexible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.4.2 Champ d’ondes planes en incidence normale . . . . . . 95
3.4.3 Champ diffus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4 Applications : Traitement des encoffrements 111
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.2 Travail antérieur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.2.1 Le banc d’essai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.2.2 Résultats des deux premières campagnes de mesures . . 114
4.3 Effet des voiles sur les performances des matériaux poreux . . 117
4.3.1 Voiles résistifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.3.2 Voiles imperméables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.4 RésultatsdelatroisièmecampagnedemesuresduprojetCAH-
PAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.4.1 Traitement du caisson . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.4.2 Effet du voile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.4.3 Traitement de la plaque . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5 Conclusion générale 151
5.1 Contributions et originalités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.2 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
A Discrétisation et implémentation numérique 155
B Résultats complémentaires 159
B.1 Effet sur le coefficient d’absorption et des effets structuraux
des conditions limites imposées aux matériaux à simple et à
double porosité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
B.2 Effet des conditions de couplage d’un voile imperméable, sur
les puissances dissipées dans un matériaux méso-poreux . . . . 161
B.3 Effet du voile (CAHPAC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
iii
TABLE DES MATIÈRES
C Identification des modes contrôlés par la plaque et de ceux
contrôlés par la cavité 165
D Effet des conditions limites imposées aux matériaux à simple
et à double porosité 167
E Piste explorée : Méthode éléments finis multi-échelles 171
E.1 Méthode éléments finis multi-échelles :
MsFEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
E.2 Développement réalisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
iv
Chapitre 1
Introduction
1.1 Contexte et problématique
Les activités de la société humaine ont toujours été génératrices de nui-
sances sonores, aussi bien sur les lieux de vie que les lieux de travail ou
encore lors des loisirs. Leurs impacts sur la qualité de vie et sur la santé
des populations exposées fait de plus en plus l’objet d’études et d’enquêtes
épidémiologiques. Depuis plusieurs années les états européens, en général, et
les instances françaises compétentes, en particulier, ont pris conscience de
l’impact sanitaire et des retombées économiques de ces nuisances. Ils ont mis
en place une règlementation pour réduire et minimiser les sources de pollu-
tions acoustiques. La réglementation [28, 23] impose des seuils d’exposition
en termes de niveaux sonores et de durée, mais ne précise en général pas les
moyens à mettre en oeuvre pour les respecter.
Différentes stratégies de réduction de ces nuisances sonores sont explorées et
sans cesse améliorées. On peut citer de manière non exhaustive :
– le contrôle actif, qui consiste à capter l’onde acoustique gênante et
à générer une autre onde en opposition de phase, afin de créer une
interférence destructrice. Ce type de contrôle nécessite un équipement
souvent encombrant et onéreux.
– lecontrôlepassif,moinsonéreuxqueleprécédent,exploitelespropriétés
absorbantes des matériaux poreux acoustiques.
– le contrôle hybride, est un mixte entre les deux précédemment cités.
1
Contexte et problématique
L’usage des matériaux poreux acoustiques dans les systèmes absorbants,
est très répandu, et touche des domaines de plus en plus diversifiés, tels que
le secteur du bâtiment, l’industrie automobile et aéronautique, les équipe-
ments des espaces publics et environnementaux tels que les murs anti-bruits,
ou encore les usines (encoffrements de machines, traitement des locaux in-
dustriels).
Les performances de ces matériaux sont souvent évaluées par leur coefficient
d’absorption, donné par le rapport de l’énergie absorbé par le matériau et de
l’énergie incidente sur ce dernier. Cet indicateur est évalué sur les fréquences
audibles 20Hz-20kHz.
Les matériaux poreux acoustiques, souvent efficaces en moyennes et hautes
fréquences, présentent d’importantes défaillances en basses fréquences, alors
que beaucoup de spectres des sources de bruits rencontrées dans les divers
secteurscitésplushaut,présententune énergieimportantedans cettegamme
fréquentielle.
En partant de l’idée de "trouver le moyen de concevoir un matériau poreux,
dont on puisse ajuster l’absorption de manière simple" [45] notamment en
basses fréquences, Olny a étudié l’influence de l’ajout d’un réseau de méso-
pores sur les performances en absorption, sous des conditions d’ondes planes
en incidence normale. Il a démontré expérimentalement et théoriquement la
possibilité d’améliorer les performances en absorption de matériaux poreux
peu performants car trop peu perméables, tel que la laine de roche à haute
densité.Ces résultats prometteurs laissent présager un bel avenir pour les
matériaux méso-perforés, mais soulèvent aussi de nombreuses interrogations.
– Ces matériaux auront-ils les mêmes performances, dans des champs
acoustique plus complexes, tels que le champ libre, ou le champ diffus?
– Quelles sont leurs performances lors de leur usage dans des systèmes
multi-couches, lorsqu’ils sont couplés avec un voile et/ou avec un sup-
port flexible? Quelles sont les performances de ces systèmes en terme
de transmission et donc d’isolation?
Avant de tenter de répondre à ces questions, nous établissons dans ce qui suit
un état de l’art des avancées réalisées jusque là dans ce domaine.
2