Des mousses solides comportant de fines membranes absorbent fortement les ondes sonores
Publié par Redbran le 09/11/2018 à 12:00
Source: CNRS-INSIS
Contrairement à une idée répandue, des mousses comportant des pores fermés peuvent atténuer la propagation des sons bien plus efficacement que des mousses avec des pores ouverts. C'est ce qu'ont démontré des chercheurs de l'Institut Jean Le Rond ( Le mot rond caractérise et par abus de langage désigne un cercle ou une sphère. En argot, un rond c'est un sou. Une affaire rondement menée est une affaire traitée rapidement en ayant passé tous les...) d'Alembert et du Laboratoire Matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) et systèmes complexes en collaboration avec l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter...) Charles Sadron et Matelys-Research. Leurs résultats sont publiés dans la revue Applied Physics Letters.


© LGC
Clichés de deux mousses de polyuréthane de même porosité (env. 98%) et de même taille de pores (env. 3mm). Sur l'image du haut les pores sont ouverts, sur celle du bas les pores sont fermés par des membranes de quelques microns d'épaisseur.

Les mousses solides utilisées pour l'isolation acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des sons et des ondes mécaniques. Elle fait appel aux phénomènes ondulatoires et à la...), notamment en polyuréthane, sont généralement des mousses à cellules ouvertes, jugées plus efficaces pour atténuer les ondes sonores, car elles favorisent les déplacements d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec...) dans la structure du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...). Mais cette règle présente des exceptions, comme l'ont montré des chercheurs de l'Institut Jean Le Rond d'Alembert (CNRS/Sorbonne Université), du laboratoire Matière et systèmes complexes (MSC (En France un MSc est un diplôme d’enseignement supérieur accrédité par la Conférence des grandes écoles.), CNRS/université Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les...) Diderot), de l'Institut Charles Sadron et de Matelys-Research. En effet, en mesurant l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le photon est détruit lors de ce...) acoustique de mousses de polyuréthane dont les pores sont séparés par une fine membrane, ils ont montré que l'atténuation (Perte d'intensité et amplitude d'un signal...) des ondes sonores pouvait être jusqu'à 5 fois supérieure à celle d'une mousse "ouverte" ayant la même taille de pores. Ces mousses aux larges pores (millimétriques) fermées par des membranes pourraient ainsi constituer des alternatives (Alternatives (titre original : Destiny Three Times) est un roman de Fritz Leiber publié en 1945.) aux mousses classiquement utilisées, qui elles sont "ouvertes" et avec des pores plus petits (centaine de microns).

Les chercheurs avaient constaté, dans une étude précédente, que les mousses liquides (des bulles de savon) sont d'excellents isolants acoustiques. Cette propriété est attribuée aux minces films de savon (Le savon est un objet liquide ou solide composé de molécules amphiphiles composées de sels métalliques, spécifiquement d'hydroxyde de sodium ou...) qui séparent les bulles de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la...), et à leur couplage avec les mouvements de l'air dans la mousse. Cette caractéristique pouvait-elle être transposée dans une mousse solide ?

Pour vérifier cette hypothèse, ils ont utilisé des mousses de polyuréthane dont les pores (0,5 à 3 mm de diamètre) sont séparés par des membranes très fines, de 1 à 5 microns d'épaisseur. Ces échantillons de mousse "fermée", fournis par la société Foampartner, ont été obtenus en supprimant l'étape de fabrication qui normalement permet d'ouvrir les pores. Des mesures comparatives sur des mousses "ouvertes" et "fermées" ont montré que, pour des tailles de pores de 3mm de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la...) et des échantillons de 2cm d'épaisseur, les mousses fermées par des membranes de quelques microns d'épaisseur présentent une absorption quasi parfaite entre 2 et 5 kHz (en l'absence de membrane le coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un polynôme),...) d'absorption ne dépasse pas 0.15 dans cette même gamme de fréquence). Pour des pores de 0,6 mm, le coefficient d'absorption avoisine 1 autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit...) de 2 kHz (autour de cette fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de...) le coefficient d'absorption des mousses sans membrane vaut environ 0.2). (1)

Pour interpréter ces résultats surprenants, les chercheurs ont mesuré la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à...) effective des mousses "ouvertes" et "fermées", paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) qui caractérise l'inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa vitesse (vectorielle). Ainsi, un corps immobile ou en mouvement...) "ressentie" par l'onde acoustique (Le son est une onde produite par la vibration mécanique d'un support fluide ou solide et propagée grâce à l'élasticité du milieu environnant sous forme d'ondes longitudinales. Par extension...) dans le matériau. Résultat: la densité effective de la mousse "fermée" est 5 fois supérieure à celle de la mousse "ouverte" (alors que sa masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) supplémentaire est négligeable). Le couplage entre l'air et les fines membranes est à l'origine de ce phénomène, et un travail de modélisation en cours devrait permettre de mieux comprendre les mécanismes physiques qui sont en jeu. À terme, de nouvelles solutions d'isolation acoustique pourraient émerger, par exemple pour l'automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de marchandises, elle est équipée en...) et les transports (Le transport, du latin trans, au-delà, et portare, porter, est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre.).

Notes:
(1) La mesure a été réalisée dans un tube d'impédance (Le terme Impédance est utilisé dans plusieurs domaines:), pour des fréquences comprises en 1 et 6kHz, dans lequel l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents...) d'épaisseur 2 cm a été placé à une extrémité et le coefficient de réflexion, r, a été mesuré. L'absorption est définie comme1-r².


Références publication:
Acoustic absorption of solid foams with thin membranes,
C. Gaulon, J. Pierre, C. Derec, L. Jaouen, F.-X. Bécot, F. Chevillotte, F. Elias, W. Drenckhan, V. Leroy.
Applied Physics Letters (2018)
DOI: https://doi.org/10.1063/1.5025407

Contacts chercheur·e·s :
Juliette Pierre - Institut Jean Le Rond d'Alembert
Valentin Leroy - Laboratoire Matière et systèmes complexes
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