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2 ~. iy ~~
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CAISSON ISOLANT ACOUSTIQUE
L'invention concerne l'isolation acoustique d'un
caisson plan à parois multiples et plus particulièrement
d'un vitrage isolant.
Les vitrage isolants, constitués de deux ou plusieurs
feuilles de verre associées ensemble par l'intermédiaire
d'un cadre intercalaire qui les maintient à une certaine
distance l'une de l'autre en emprisonnant entre elles une
lame de gaz, de l'air sec en général, sont utilisés dans la
majorité des cas pour améliorer l'isolement thermique des
locaux ou même éventuellement des véhicules de transport
terrestre.
Les systèmes les plus courants utilisent des verres
avec une épaisseur commune de 4 mm séparés par un espace
compris entre 6 et 12 mm. Tels qu'ils sont, ces vitrages
ont des performances acoustiques limitées, notablement in
férieures à celles d'un verre monolithique de même masse
surfacique globale.
On dispose dans l'industrie de différents moyens pour
améliorer les performances acoustiques des vitrages iso-
lants. Le plus courant consiste à utiliser des verres
d'épaisseurs fortes et différentes. Ce moyen a une effica-
cité limitée, il accroît le poids du vitrage ce qui peut
obliger à utiliser une fenêtre renforcée, par ailleurs,
l'augmentation de coût n'est pas négligeable. Un autte
moyen courant consiste à remplacer les verre monolithiques
par des verres feuilletés. Ici, l'efficacité est limitée et
l'accroissement du coût, supérieur au cas précédent.
Un moyen difficilement utilisable pour les vitrages
destinés à équiper des fenêtres mais courant dans les
cloisons intérieures ou dans les véhicules de chemin de fer
consiste à accroître l'épaisseur de la lame d'air. Mais
~i~~~~~
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c'est seulement pour des épaisseurs d'air de plusieurs
centimètres (5 ou 6) que l'effet est sensible ce qui in-
terdit de réaliser de telles variantes en vitrages isolants
scellés.
Un moyen efficace réside dans l'utilisation de feuil-
letés spéciaux. C'est ainsi que la demande de brevet euro-
péen EP 100 701 B1 décrit un vitrage isolant comportant un
ou deux éléments feuilletés dont la résine est "telle qu'un
barreau de 9 cm de longueur et de 3 cm de largeur, consti-
tué d'un verre feuilleté comprenant deux feuilles de verre
de 4 mm d'épaisseur réunies par une couche de 2 mm de cette
résine, ait une fréquence critique qui diffère au plus de
35 % de celle d'un barreau de verre ayant la même longueur,
la même largeur et 4 mm d'épaisseur". Le principe de fonc-
tionnement de ce type de vitrage basé sur une faible rai-
deur de la résine, indépendamment de son amortissement
permet une très nette amélioration par rapport au vitrage
feuilleté ordinaire mais le prix en est également sensi-
blement supérieur.
Le problème que l'invention se donne pour tâche de
résoudre est de fournir un vitrage isolant fait de verres
monolithiques usuels mais avec une performance améliorée,
sans que le coût de fabrication et le poids augmentent
trop.
L'invention se donne également pour tâche - plus gé-
néralement, de fournir une solution simple et bon marché au
problème de l'isolation acoustique de caissons étanches à
parois doubles ou multiples remplis de gaz et/ou d'air.
Aucune des solutions techniques évoquées précédemment
dans le cas des vitrages n'utilise des vitrages isolants
scellés faits de verres monolithiques usuels puisqu'elles
proposent d'agir sur leurs épaisseurs ou sur leur nature
(feuilletés normaux ou spéciaux). En revanche, certaines
études ont proposé d'utiliser des plaques d'épaisseur
standard et d'installer à la périphérie du caisson des ré-
sonateurs d'Helmholtz accordés sur la cavité du caisson
(voir MASON and FAHY, Journal of Sound and Vibration, Vol
124 (2) page 367 à 379 Academic Press Ltd 1988). La demande
de brevet WO-A-85 02640 propose ainsi un caisson avec une
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isolation acoustique améliorée à certaines fréquences. I1
comporte dans une de ses variantes des résonateurs sphéri-
ques localisés situés à l'extérieur du caisson et en com-
munication avec le volume interne pas des conduits de fai-
s ble section. Ce système, puisqu'il est accordé sur une
fréquence, agit surtout dans un domaine autour de celle-ci,
mais, sur les autres fréquences, ou bien il n'agit que peu,
ou même il agit négativement. Par ailleurs, le volume du
résonateur doit être une fraction importante de celui de la
cavité proprement dite - de l'ordre de 15 % - ce qui par
exemple pour un vitrage de 1 m2 avec une lame d'air de
12 mm d'épaisseur nécessite d'installer à la périphérie du
vitrage plusieurs "bouteilles" dont la capacité totale est
de près de 2 litres : cette solution n'est pas adaptée aux
conditions habituelles de fabrication des vitrages isolants
ni d'une manière générale, à l'isolation acoustique de
caissons d'épaisseur comparable.
On connaît également une variante de résonateur dans
laquelle la liaison résonateur-intérieur du caisson ne se
fait pas par des tuyaux comme dans le cas général des ré
sonateurs d'Helmoltz, mais par une liaison continue. La
demande de brevet DE-A-34 O1 996 propose ainsi un vitrage
dont les verres ont des épaisseurs différentes et sont mé-
caniquement désolidarisés l'un de l'autre. A la périphérie
du vitrage, on a réalisé une cavité de très grande section
qui permet, en tenant compte de son volume et des caracté-
ristiques de la fente continue qui la relie à l'intérieur
du vitrage, d'accorder le résonateur pour améliorer l'iso-
lation à une fréquence donnée.
On connaît également une variante des vitrages com-
portant un matériau périphérique absorbant dans lequel
celui-ci est contenu dans un tube situé à l'intérieur du
vitrage, à sa périphérie. La demande de brevet DE-A-27 48
223 propose que la liaison entre l'intérieur et l'extérieur
du tube contenant le matériau absorbant se fasse par un
canal étroit et de grande longueur qui s'étend d'un bout à
l'autre du tube. Le principe de fonctionnement de ce type
de vitrage est de provoquer l'amortissement des sons par un
matériau absorbant approprié. Aucune variante sans matériau
n P. ~~
j ~ t~ .t ~:J~
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absorbant n'est envisagée dans DE-A-27 48 223.
L'invention n'utilise pour améliorer les performances
acoustique d'un caisson ni le principe des résonateurs
d'Helmoltz situés à l'extérieur du caisson ni celui de
l'absorption des sons par un matériau adapté situé entre
les plaques, à la périphérie de l'espace interne.
L'invention propose un caisson comportant au moins une
cavité plate constituée de deux plaques sensiblement pa-
rallèles assemblées à leur périphérie à l'aide d'un cadre
intercalaire, la cavité étant remplie de gaz et/ou d'air,
qui comporte un guide d'onde en communication avec la ca-
vité par un ou par plusieurs orifices localisés, leur
forme, leur section et leur position ainsi que la section
du guide d'onde sont déterminés de manière à désaccorder
les ondes acoustiques et mécaniques qui naissent, respec-
tivement dans la cavité et sur les plaques lorsque le
caisson est soumis à un champ acoustique incident.
Le désaccord entre ondes acoustiques et mécaniques est
évalué par le calcul des coefficients de couplage énergé
tique entre les modes acoustiques et mécaniques et ce sont
ces coefficients qui sont minimisés.
De préférence, le guide d'onde est placé à la péri-
phérie de la cavité et il est refermé sur lui-même. Avan- '
tageusement, le caisson est polygonal.
~5 Dans le cas où c'est un vitrage isolant avec comme
plaques des feuilles de verre, le guide d'onde est intégré
au cadre intercalaire du vitrage isolant. La réalisation
préférée de l'invention comporte un guide d'onde et un ca-
dre intercalaire qui sont constitués d'un profilé unique
comportant deux compartiments en communication par une
fente étroite sur toute leur longueur, le compartiment ex-
térieur contenant le desséchant. '
De préférence, le profilé constituant le guide d'onde
et le cadre intercalaire est obtenu par pliage d'une tôle
'~5 mince d'aluminium.
Une manière préférée de réaliser l'invention prévoit
que les orifices de communication entre le guide d'onde et
la cavité constituent chacun un ensemble dont la largeur
est,au moins localement,voisine de celle du guide d'onde et
:o
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dont la longueur est comprise entre 2 et 25 °s de la lon-
gueur du côté concerné et de préférence entre 2 et 5 °s.
Lorsque le vitrage est rectangulaire, les orifices sont de
préférence situés au milieu des côtés et ils sont
constitués d'une série de cercles équidistants.
La technique de l'invention telle qu'elle est dans sa
variante la plus élaborée, vitrage isolant rectangulaire
avec guide d'onde périphérique relié à la cavité par des
ouvertures localisées le long du guide, permet d'améliorer
sensiblement les performances acoustiques d'un vitrage
traditionnel avec des moyens faciles à mettre en oeuvre et
bon marché.
La description et les figures qui suivent permettront
de comprendre l'invention et d'en apprécier les avantages.
Parmi les figures,
la figure 1 montre un exemple de réalisation d'un
caisson selon l'invention,
la figure 2 présente un détail du même caisson,
la figure 3 représente un vitrage selon l'invention,
et la figure 4, la section du profilé constituant le
cadre de ce même vitrage.
la figure 5 montre les résultats acoustiques d'un vi-
trage selon l'invention en comparaison avec le même vitrage
non équipé du dispositif de l'invention.
Le principe de l'invention est le suivant : pour aug-
menter l'isolement acoustique d'un caisson fait de deux
plaques parallèles, séparées par un espace faible et re-
liées à leur périphérie par un cadre, réalisant ainsi une
cavité, on propose de réaliser sur la périphérie du caisson
un guide d'onde de section (A) qui communique avec la lame
d'air ou de gaz emprisonnée entre les deux parois, par
l'intermédiaire d'ouvertures de section (s) placées à dés
endroits appropriés. Le rôle principal de ce guide d'onde
étant de désaccorder les ondes acoustiques et mécaniques
qui naissent respectivement dans la lame d'air ou de gaz et
sur les parois lorsque le système caisson à double paroi
est soumis à un champ acoustique incident.
Pour déterminer les caractéristiques géométriques op-
timales (A, s, et la position des ouvertures), on utilise
- 6 -
une méthode de calcul qui consiste à discrétiser la lame
d'air ou de gaz et les parois par des éléments finis
acoustiques et mécaniques. Les é7.éments finis acoustiques
permettent de calculer de façon très précise la modifica-
tion des modes acoustiques internes de la lame d'air par
l'adjonction du guide d'onde, tandis que les éléments finis
mécaniques permettent de calculer de façon aussi précise
les modes propres des deux parois.
Pour tenir compte du couplage vibro-acoustique entre
les parois et la lame de gaz ou d'air, on utilise une for
mulation mixte mise au point par l'équipe du Professeur
HAMDI à l'Université de Technologie de Compiègne. Voir
"Méthodes de discrétisation par éléments finis et éléments
finis de frontière" par HANmI in Rayonnement acoustique des
structures, Eyrolles éditeur, Paris 1988. Cette formulation
repose sur l'application du principe de Hamilton au système
couplé fluide-structure, décrit en termes des composantes
modales acoustiques et mécaniques qui constituent les in-
connues du problème. L'avantage principal de cette formu-
lation est de faire apparaître explicitement les coeffi-
cients de couplage énergétiques entre les modes acoustiques
internes et les modes mécaniques des parois.
Le principe de la méthode consiste donc à rechercher
les dimensions caractéristiques du guide d'onde de façon à
minimiser les coefficients de couplage énergétique.
Pour calculer l'indice d'affaiblissement du système
double paroi muni du guide d'onde, on utilise ensuite une
méthode d'éléments finis de frontière, également mise au
point par l'équipe de recherche du Professeur HAMDI, qui
permet de calculer l'impédance de rayonnement des parois et
l'indice d'affaiblissement du système à double paroi soumis
à un champ acoustique d'ondes planes incidentes. '
En résumé, la méthode est la suivante : à partir d'une
structure de base donnée, par exemple un vitrage isolant
comprenant deux plaques de verre de 4 mm d'épaisseur sé
parées par une lame d'air de 12 mm, on imagine un guide
d'onde compatible avec les caractéristiques de la struc-
ture. Dans le cas d'un vitrage par exemple, on préférera en
général le placer à la périphérie. Le calcul dicte les
2~.~~~~.
éléments A, s et la position des ouvertures qui, a priori,
donneront les meilleurs résultats tout en restant compati-
bles avec le produit final. (Ainsi pour un vitrage isolant,
on évitera que le guide d'onde périphérique n'empiète trop
profondément dans le champ de vision du vitrage. De même,
toujours dans le cas d'un vitrage, on placera les ouver-
tures à des emplacements symétriques, de préférence aux
milieux des côtés).
Le logiciel de calcul mis au point consiste en défi-
nitive à exécuter les 6 étapes suivantes
1. Maillage par éléments finis de la lame de gaz ou
d'air et des parois,
2. Calcul des modes vibratoires des parois,
3. Calcul des modes acoustiques de la lame de gaz ou
d'air en absence et en présence du guide d'onde,
4. Calcul des coefficients de couplage énergétique
entre les modes acoustiques et mécaniques. C'est à ce mo-
ment que l'on peut voir si le découplage se produit et pour
quelles fréquences. Le but est en effet de provoquer une
rupture d'impédance entre plaques et guide d'onde,
5. Calcul des matrices d'impédance de rayonnement
acoustique des parois,
6. Calcul de l'indice d'affaiblissement du système
double paroi.
?.5 Le résultat de cette modélisation du caisson matéria-
lisé par la courbe de l'indice d'affaiblissement acoustique
en fonction de la fréquence permet de juger de l'effet
fourni par le guide d'onde choisi. Le calcul permet de mo-
difier de façon itérative un, deux ou trois des paramètres
A, s et position des ouvertures qui définissent le guide de
manière à améliorer l'indice d'affaiblissement, l'expé-
rience permet alors de vérifier la validité du résultat
acoustique du nouvel ensemble caisson - guide d'onde.
Exemple 1
La méthode précédente a été appliquée à un double vi-
trage 4(12)4 fait de deux plaques de verre flotté de 4 mm
d'épaisseur séparées par une lame d'air de 12 mm et assem-
blées avec un cadre en aluminium rempli d'un desséchant
(tamis moléculaire) et collées grâce à du butyl et du
2~~~~~j
_g_
polysulfure. Les dimensions du vitrage étaient 1,23 x
1,48 mz.
Les différentes étapes de la méthode décrite plus haut
appliquées au vitrage ont fini par aboutir à la suite
d'approximations successives, à un produit représenté fi-
gures 1, et 2.
Il s'agissait de réaliser, à la périphérie du vitrage,
un guide d'onde de section 240 mm~ communiquant par huit
orifices de liaison avec la cavité dont quatre, de section
54 mm2 aux quatre coins du vitrage et quatre, de section
480 mm~ aux milieux de ses côtés.
Sur la figure 1 on voit le vitrage 1 avec ses verres 2
et son profilé périphérique 3,
Sur la figure 2, on a représenté la colle 4 et le
desséchant 5. Tous ces éléments sont traditionnels. Le
guide d'ande, lui est représenté en 6 sur les figures 1 et
2. I1 est matérialisé par quatre parois . les surfaces in
ternes 7 et 8 des verres, la paroi interne 9 du cadre in
tercalaire et pour la quatrième paroi, on a utilisé la face
externe 10 d'un profilé 11 identique au profilé du cadre.
Ce profilé est collé entre les deux verres comme le profilé
du cadre. I1 est découpé en tronçons de longueur telle
qu'ils laissent entre eux les orifices de liaisons définis
plus haut, c'est-à-dire avec une surface de 54 mm2 pour
l'orifice 12 des coins et de 480 mm2 pour ceux 13 du milieu
des côtés. Les profilés sont vides mais leurs extrémités
sont bouchées.
Les mesures acoustiques expérimentales réalisées sur
le prototype qu'on vient de décrire ont montré une amélio
ration sensible des performances en comparaison avec un
vitrage identique à l'exception du profilé 11 absent. Les
résultats selon la norme française NF-S 31 051 étaient
meilleurs de 3 dB(A) pour un bruit de route et selon la
norme ISO 717 (Rw,), également de + 3 dB.
Exemple 2
Le vitrage du deuxième exemple a été réalisé dans les
conditions d'une production industrielle de grande série.
On a, réalisé par pliage de feuillard d'aluminium, un
profilé destiné à constituer l'intercalaire d'un vitrage
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isolant. Ce profilé a un double rôle, d'une part il doit
jouer le rôle habituel d'un cadre de vitrage isolant et
d'autre part, il incorpore également le guide d'onde de
l'invention. La section du profilé est représentée figure
4. On voit en 16 le compartiment réservé au desséchant et à
la fixation des coins aux quatre angles du vitrage. En 17
on a constitué le guide d'onde. On a choisi ici une section
de 150 mm2. Le prototype du vitrage a été réalisé avec des
verres de 4 mm dans les mêmes dimensions que précédemment
1,23 x 1,48 mue. En appliquant la méthode de l'invention, on
a calculé les coefficients de couplage énergétiques entre
les modes acoustiques et mécaniques puis, par le calcul, on
a examiné comment le choix de la position, de la forme et
de la section des ouvertures dans le profilé arrivait à
l5 minimiser ces coefficients. La position retenue pour les
ouvertures a été le milieu des quatre côtés du vitrage, les
coins étant assemblés en biseau en 18, figure 3 sans être
étanches. La forme des orifices a été arrêtée à une série
de cercles 19 presque tangents les uns aux autres. I1 est
important que leur diamètre soit voisin de l'épaisseur du
profilé. Un autre critère d'importance est la longueur to-
taie occupée par l'ensemble des cercles 19 aux milieux des
côtés du vitrage. Celle-ci doit être d' au moins 2 % et au
maximum de 25 % de la longueur du côté. L'optimisation a
fourni comme nombre d'ouvertures circulaires juxtaposées,
le chiffre 4 aussi bien pour le côté de 1,23 m de longueur
que pour celui de 1,48 m.
Le profilé représenté figure 4 possède une particula
rité intéressante . on l'a conçu avec un orifice de commu
nication entre les deux chambres. La paroi de séparation 20
ne vient pas au contact de la paroi perpendiculaire 21 mis
laisse un espace 22 de, par exemple, 0,2 mm libre. Ce pas-
sage permet au desséchant (non représenté) remplissant le
compartiment 16 d'agir par l'intermédiaire du compartiment
17 et des ouvertures 19 sur l'espace interne 23 du vitrage
isolant qu'il maintient toujours sec.
Des mesures acoustiques en vraie grandeur ont été ef-
f ectuées sur le vitrage qu'on vient de décrire et, par
comparaison, sur un vitrage de mêmes dimensions mais qui
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n'était pas équipé du guide d'onde de l'invention.
Les essais étaient réalisés selon la norme ISO 140
dans deux chambres réverbérantes de volumes respectifs 62
et 86 m3.
Les résultats sont représentés figure 5. On voit en
abscisse les fréquences (en kHz) et en ordonnée, les in-
dices d'affaiblissement acoustique. La courbe 14 représente
les résultats du vitrage isolant traditionnel 4(12)4 rempli
d'air tandis que la courbe 15, montre ceux d'un vitrage de
mêmes dimensions, toujours en 4(12)4, mais avec le guide
d'onde périphérique des figures 3 et 4. On constate qu'en-
tre 200 Hz et 2500 Hz, le vitrage de l'invention est supé-
rieur d'une valeur comprise entre 2 et 5 dB à un vitrage
ordinaire. L'allure générale de la courbe montre que l'ef-
fet ne se manifeste pas à une fréquence localisée comme
c'est le cas avec les résonateurs de Helmholtz mais sur une
large bande du spectre audible.
A partir des courbes précédentes, on a calculé les
valeurs globales de l'indice d'affaiblissement acoustique,
d'une part selon la norme française NF-S 31 051 (indice
d'affaiblissement respectivement pour un bruit de route,
Rrte et pour un bruit rose, Rroea) et selon la norme ISC
717 (Rw)~
Les résultats étaient les suivants
?. 5
4(12)4 4(12)4
+ guide d'onde
RrtA 26,3 29,6
Rrosa 29,5 32,1
Rw 30 33
Le guide d'onde produit parfaitement son effet en ve-
nant perturber le couplage que la lame d'air réalise habi-
tuellement entre la première et la deuxième plaque. La
fonction du guide est de permettre à l'onde sonore de cir-
culer, c'est pourquoi il est important que le nombre des
orifices de communication entre la cavité et le guide ne
soit pas trop important ce qui gênerait cette libre circu-
lation.
~,~~~~i
- 11 -
Les exemples 1 et 2 de réalisation des caissons de
l'invention utilisent des plaques de verre transparent
mais, bien évidemment, les résultats acoustiques ne sont
pas dépendants de la nature de ce matériau. Des plaques de
tôle ou de n'importe quel autre matériau avec un module
d'élasticité du même ordre aurait conduit à des résultats
comparables.
I1 ressort de ce qui précède que l'invention propose
une solution inattendue et très éloignée non seulement des
systèmes qui agissent sur les plaques proprement dites
(épaisseurs, ensembles feuilletés, résines spéciales) mais
même de ceux qui agissent sur la cavité (résonateurs
d'Helmholtz ou absorbants périphériques). Par rapport à ces
autres traitements elle a l'avantage d'être bon marché,
facile à mettre en oeuvre dans l'industrie et esthétique-
ment discrète.
zo
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