Petit mais costaud: un minirésonateur qui fait le maximum
Publié par Redbran le 27/06/2019 à 14:00
Source: Université de Sherbrooke
Une vitre qui se met à vibrer quand un camion passe dans la rue, le lave-linge qui fait plus de bruit durant l'essorage, le fuselage d'un avion, la carrosserie d'une automobile, les murs d'un local: vous connaissez tous des exemples de structures qui vibrent et transmettent du bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création...).


Le chercheur Olivier Robin tenant le panneau de fuselage (Le fuselage désigne l'enveloppe d'un avion qui reçoit généralement la charge transportée, ainsi que l'équipage. Le fuselage d'un avion supporte la voilure et l'empennage (pour la stabilité).) testé et un résonateur dans la mainPhoto: Olivier Robin

Ces structures, on les voudrait toujours plus fines, légères et rigides en utilisant des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) composites ou des alliages ultra-optimisés. Problème: plus une structure est légère et rigide, moins elle est performante en termes d'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 mécanique vibratoire.). Il faut alors souvent l'améliorer en y ajoutant des traitements absorbants, ce qui est particulièrement contraignant pour les basses fréquences, les sons graves. En effet, plus la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans...) est basse, plus le traitement doit être épais, lourd et coûteux. Les manufacturiers souhaitent généralement l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1 désigne...), soit réduire le poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale...) et le coût.

Plus avec moins ?

Alors réduire le bruit avec peu, c'est mission impossible ? Non. Des chercheurs de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) de Sherbrooke et de l'École centrale de Lyon ont atteint cet objectif pour un panneau de fuselage d'avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI), est un aéronef plus lourd que l'air, entraîné par un organe moteur (dans le cas d'un engin sans moteur, on...) [voir photo]. Autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre...) d'une fréquence de 680 Hz, ce panneau de presque 3 m² montre une perte importante de son isolation acoustique, et seul un espace très réduit est disponible pour intégrer un traitement. Pour trouver une solution originale à ce problème, l'équipe a d'abord choisi de raisonner selon les principes que le minimum peut faire le maximum et que l'union fait la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles « force...). Et a ensuite choisi de résonner: si l'on frappe à l'extrémité d'une règle fixée sur le bord d'une table, elle vibre à sa fréquence de résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations propres. Celles-ci se produisent à la fréquence propre du système. Si...) qui dépend surtout de ses dimensions et 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 sélectionnée en raison de...) avec lequel elle est construite. Si on place ce résonateur sur une source vibrant à la même fréquence, il va absorber et dissiper de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.).

La forêt de bonsaïs vibrants

Voilà l'idée: remplacer les traitements encombrants et lourds par une forêt de résonateurs miniaturisés. L'impression 3D a permis de réaliser des prototypes de la taille de votre pouce, chacun pesant moins de trois grammes. Sur le panneau de fuselage, plus de 200 résonateurs ont été répartis pour atteindre un effet maximal. Les tests en laboratoire montrent une isolation acoustique dix fois plus importante dans la zone qui était problématique, maintenant une de celles où la performance est la meilleure !

Vu ses dimensions, le minirésonateur peut se glisser presque partout, et l'ajout de 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 gravitation (la...) est très faible, moins de 5 % pour le panneau étudié. Le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de résonateurs et leur fréquence sont facilement ajustables suivant la réduction de bruit souhaitée pour une application. On peut en imaginer sous le capot d'une 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...), dans les parois des appareils ménagers comme les lave-vaisselle ou encore dans les encoffrements autour des machines bruyantes dont les performances sont souvent limitées par la place disponible. Et vous, quel objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et...) bruyant du quotidien aimeriez-vous améliorer ?

Un problème de taille


L'article scientifique vulgarisé par Olivier a fait la couverture du Journal of the Acoustical Society of America.
Photo: Image

Mais finalement, pourquoi les traitements insonorisants doivent théoriquement être épais ? C'est une question de rapport à la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de...) d'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 physiologique, le son...), la dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de...) spatiale de l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une...) que l'on veut absorber. Pour être pleinement efficace, le traitement doit avoir une épaisseur au moins égale à un quart de cette dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une...). Un exemple concret: à une fréquence de 680 Hz, proche du son typique d'un klaxon, la longueur d'onde acoustique vaut 50 cm, donc l'épaisseur idéale de matériau absorbant pour atténuer ce bruit serait de 12,5 cm. C'est 1 cm de plus que la hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) d'une canette de soda, et c'est déjà beaucoup.

À propos d'Olivier Robin.

Olivier Robin est professionnel de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...) au sein du Groupe d'acoustique de l'Université de Sherbrooke (GAUS), au Département de génie mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de...) de la Faculté de génie. Il travaille principalement sur des problématiques de vibroacoustique appliquée dans le cas de véhicules, du bâtiment, des alarmes sonores et également sur le développement des techniques de mesure dans ces domaines.

À propos du concours.

L'Université de Sherbrooke tient annuellement un concours de vulgarisation scientifique dont les objectifs sont de stimuler des vocations en vulgarisation scientifique et d'augmenter le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) des travaux de recherche qui s'effectuent à l'Université, qu'ils soient de nature fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) ou appliquée.
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