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PCT/FR00/03648
WO 01/48734
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PROCEDE DE FABRICATION D'UN PANNEAU D'ATTENUATION
ACOUSTIQUE A COUCHE RESISTIVE A PROPRIETE STRUCTURALE ET
PANNEAU AINSI OBTENU
La présente invention a trait à un panneau d'atténuation acoustique plus
particulièrement destiné à l'absorption au moins partielle de l'énergie sonore
de
flux de gaz à grande vitesse.
L'invention sera décrite dans son application à la réalisation de panneaux
d'atténuation du bruit engendré notamment par des turbomoteurs d'aéronefs,
en certains emplacements de la nacelle, par exemple à l'entrée et à la sortie
du
canal de fan, mais il est bien entendu que l'invention est susceptible
d'applications dans tout autre environnement où s'avère nécessaire ou
souhaitable d'utiliser une structure du type panneau alliant légèreté, grande
résistance mécanique et propriétés acoustiques.
Le panneau selon l'invention est du type bien connu constitué d'un
sandwich comprenant une structure alvéolaire du type nid d'abeilles flanquée,
côté veine aérodynamique, d'une couche acoustiquement résistive et, du côté
opposé, d'un réflecteur arrière. La structure alvéolaire peut être simple,
c'est-à-
dire à résonateur unique ou à âme alvéolaire monocouche, ou bien multiple,
c'est-à-dire à résonateurs superposés ou à âme alvéolaire formée de plusieurs
couches superposées séparées ou non par des septums.
La couche acoustiquement résistive a un rôle dissipatif. Lorsque l'onde
sonore la traverse, il se produit des effets visqueux qui transforment
partiellement l'énergie acoustique en chaleur. La structure alvéolaire qui se
trouve derrière la couche résistive piège cette onde sonore grâce aux cellules
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qui se comportent comme des guides d'onde perpendiculaires à la surface de
ladite couche, l'onde se réfléchissant sur le réflecteur arrière du panneau.
Pour obtenir une bonne atténuation acoustique, il est nécessaire de
réunir un certain nombre de conditions dont les principales sont une bonne
adéquation de la hauteur des cellules de la structure alvéolaire aux
fréquences
de l'onde sonore que l'on veut traiter et l'adaptation de l'impédance des
couches résistives (septum et face avant) de telle sorte qu'elles produisent
un
maximum de dissipation aux fréquences d'intérêt.
De plus, il est donc essentiel d'avoir une homogénéité acoustique
optimale tant au niveau des couches résistives qu'à celui de la structure
alvéolaire.
Par ailleurs, un tel panneau doit, du fait de son environnement, résister à
des conditions sévères d'utilisation. En particulier il ne doit pas présenter
de
risque de délamination de la couche résistive même en présence de forte
dépression et doit être résistant à l'érosion ou abrasion ainsi qu'à la
corrosion,
avoir une bonne conductivité électrique et être apte à absorber l'énergie d'un
impact mécanique.
Un tel panneau doit également et bien entendu avoir des propriétés
structurales suffisantes pour notamment recevoir et transférer les efforts
aérodynamiques, inertiels et ceux liés à la maintenance de la nacelle, vers
les
liaisons structurales nacelle/moteur.
L'état de surface de la couche résistive doit enfin satisfaire aux
exigences aérodynamiques de l'environnement.
Les panneaux d'atténuation acoustique connus, notamment ceux utilisés
sur les nacelles de turbomoteurs, répondent avec plus ou moins de bonheur à
l'ensemble des exigences ci-dessus.
Parmi ces panneaux, tous constitués sur le même principe d'une
structure résonante comprenant une couche avant résistive et une structure
alvéolaire fermée par un réflecteur arrière, on peut citer ceux mettant en
oruvre
un traitement dit non linéaire à un seul degré de liberté et illustrés par
exemple
par le brevet européen EP 0 038 746 délivré au nom du Demandeur.
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Un tel panneau comprend un nid d'abeilles flanqué, d'un côté, d'une
couche résistive acoustique constituée d'un treillis rigide et mince en
matériau
composite et, de l'autre côté, d'un réflecteur.
Une telle structure présente l'avantage d'une bonne maîtrise du
pourcentage de surface ouverte de la couche résistive du fait que ledit
treillis
est formé de mèches orthogonales de fibres par exemple de carbone délimitant
entre elles des ouvertures dont on peut régler la taille lors du processus
d'imprégnation des fibres à l'aide d'une résine thermodurcissable puis de
durcissement de la résine, le tissu étant soumis à une mise en forme sous
pression et sous température afin d'obtenir ledit treillis rigide et mince.
La couche résistive ainsi obtenue présente par ailleurs une bonne
résistance structurale et présente enfin l'avantage d'être un composant
monocouche.
Cependant ses inconvénients sont également substantiels. Cette couche
résistive présente une forte non-linéarité acoustique qui fait que son
impédance de surface varie de façon significative avec le niveau acoustique.
De plus, pour ce type de couche, l'écoulement rasant va produire un
phénomène de rétrécissement des sections de passage de l'air dans les trous.
La résistance acoustique de cette couche va également dépendre de la vitesse
de cet écoulement rasant.
En outre, la couche résistive offre une fenêtre fréquentielle d'efficacité
restreinte, ainsi qu'une faible résistance à l'érosion.
Suivant une autre modalité de traitement dit linéaire, également à simple
degré de liberté, illustrée par exemple par le document GB 2 130 963, la
couche résistive est formée de deux composants, à savoir, une couche
structurale, côté nid d'abeilles, et une couche microporeuse en surface.
La couche structurale est formée d'un tissu de fibres de carbone à
mailles relativement larges définissant un taux d'ouverture d'environ 30 % de
la surface totale de la couche.
La couche microporeuse de surface est un tissu à mailles fines de fibres
minérales ou synthétiques ou un tissu métallique, faisant office d'amortisseur
acoustique.
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Les avantages d'une telle structure sont la possibilité d'ajustement de la
résistance acoustique de la couche résistive en jouant sur les deux
composants de cette dernière, la réduction de la non-linéarité acoustique
entraînant une dépendance moindre de la résistance acoustique vis-à-vis du
niveau acoustique et de la vitesse de l'écoulement tangentiel à la surface de
la
couche résistive. En outre, on obtient une fenêtre fréquentielle d'efficacité
plus
large en comparaison avec la solution technique précédente.
Par contre, une telle structure présente l'inconvénient majeur d'un
assemblage supplémentaire pénalisant en temps et en coût, du fait du
caractère bi-composant de la couche résistive. Si les contraintes accrues
d'assemblage de cette structure ne sont pas bien maîtrisées, il y a des
risques
d'inhomogénéité acoustique, ainsi que de délamination de la couche résistive.
Enfin, il existe également un risque de corrosion de la couche exposée
microporeuse imposant des contraintes au niveau du choix des matériaux.
Suivant une troisième technique de traitement dite à double degré de
liberté, le panneau comprend une couche résistive en surface, deux nids
d'abeilles superposés séparés par une couche résistive, dite septum,
généralement microporeuse et un réflecteur.
Les avantages de cette structure sont l'obtention d'une fenêtre
fréquentielle d'efficacité très importante, la possibilité d'ajustement de la
résistance acoustique en jouant sur les deux couches résistives, la non-
linéarité acoustique faible ou modérée.
Par contre, la mise en place de deux structures alvéolaires superposées
et séparées par une couche résistive rend le processus de fabrication plus
long
et coûteux et introduit les risques d'inhomogénéités acoustiques entraînés par
de possibles désalignements des nids d'abeilles, cumulés aux effets de colle,
ainsi que de propagation sonore transverse dans les zones de désalignement.
Enfin, par le document EP 0.911.803 on connaît un panneau
d'atténuation acoustique formé d'un sandwich comprenant une structure
alvéolaire flanquée, d'un côté, d'un réflecteur et, de l'autre côté, d'un
tissu
métallique lui-même recouvert d'une feuille métallique perforée.
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Un tel agencement permet d'obtenir des panneaux dont la face exposée
aux écoulements aérodynamiques et qui est définie par l'association tissu
métallique/feuille perforée métallique, présente à la fois de bonnes
propriétés
acoustiques et de bonnes propriétés structurales.
5 Cependant, de tels panneaux peuvent présenter des inconvénients
notables en particulier lorsqu'ils ont une courbure accentuée, ce qui est le
cas
notamment des panneaux d'entrée et de sortie de canal de fan.
En effet, selon le document EP 0.911.803, la feuille métallique est
d'abord préparée puis percée avant d'être mise en place et en forme sur
l'assemblage, réalisé par ailleurs, de la structure alvéolaire, du réflecteur
et du
tissu métallique.
Du fait de la forme du panneau qui n'est pas de révolution et qui peut
présenter des convexités ou concavités pouvant être accentuées, la mise en
forme de la feuille pré-perforée va entraîner des déformations locales de
parties
de la feuille et donc des trous situés dans ces parties. Ces déformations sont
susceptibles de modifier sensiblement l'aire des trous et donc le taux de
porosité local de la feuille perforée, engendrant ainsi une inhomogénéité de
la
porosité de la feuille, préjudiciable à son efficacité en termes d'atténuation
acoustique.
Par ailleurs, une telle mise en forme est difficile car la feuille est
relativement rigide.
Enfin, d'une manière générale, les panneaux du type tout métallique, ce
qui est le cas du panneau ci-dessus, sont de nature à poser des problèmes de
corrosion.
L'invention vise à pallier les divers inconvénients de ces techniques
connues en proposant un mode de fabrication de panneau d'atténuation
acoustique du type à structure alvéolaire flanquée, d'une part, d'un
réflecteur
et, d'autre part, d'une couche acoustiquement résistive à deux composants
respectivement à propriété acoustique et à propriété structurale, permettant
d'obtenir des panneaux à forme complexe notamment à courbures évolutives
pouvant être importantes et notamment des panneaux monoblocs de forme
générale annulaire avec ou sans éclisse, tels que ceux destinés aux entrée et
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sortie de canal de fan de nacelles, présentant à la fois de très bonnes
propriétés mécaniques et des propriétés acoustiques optimales.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un
panneau d'atténuation acoustique comprenant une structure alvéolaire
flanquée, d'une part, d'un réflecteur et, d'autre part, d'une couche
acoutiquement résistive à deux composants respectivement à propriété
acoustique et à propriété structurale, caractérisé en ce qu'il consiste :
- à mettre en place sur un moule de forme appropriée au panneau
à obtenir une couche à propriété structurale constituée de fils
pré-imprégnés d'une résine thermoplastique ou
thermodurcissable, par drapage, bobinage ou banderolage, en
sorte que ladite couche présente un taux de surface ouverte de
l'ordre de 30 % de la surface totale de la surface exposée,
- à mettre en place par dessus la couche à propriété structurale
une couche à propriété acoustique constituée d'un tissu
microporeux et d'épaisseur de l'ordre du dixième de celle de la
couche à propriété structurale,
- puis à mettre en place la structure alvéolaire et le réflecteur
avec éventuellement adjonction d'un adhésif entre composants,
- au moins une étape de cuisson en autoclave étant mise en
oruvre à la fin d'au moins une des étapes de mise en place ci-
dessus.
Le procédé de l'invention permet d'obtenir une couche acoustiquement
résistive à propriétés acoustique et structurale remarquables, en particulier
l'efficacité de l'atténuation acoustique du fait de la très bonne homogénéité
du
taux de porosité de ladite couche acoustiquement résistive, qui peut être
défini
avec précision.
En effet, le fait d'utiliser des fils pré-impregnés mis en forme sur un
moule non seulement permet de réaliser des formes complexes pouvant avoir
des courbures prononcées, mais surtout permet une très bonne maîtrise de la
porosité de la couche à propriété structurale.
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De préférence, suivant un mode de mise en oeuvre, on confère à ladite
couche à propriété structurale la porosité requise par le choix de
l'écartement des
fils au tissage, dans le cas d'un tissu, la souplesse de ce dernier permettant
d'épouser les formes du moule sans déformation substantielle des mailles du
tissu.
Dans le cas de fils bobinés ou banderoles, le réglage de l'écartement des fils
permet d'ajuster de manière précise le taux de porosité.
De préférence, suivant un autre mode de mise en oeuvre, on confère à ladite
couche à propriété structurale la porosité requise par perçage de ladite
couche
après cuisson en autoclave.
De préférence, le perçage s'effectuant à des diamètres précis et dans une
pièce en forme et rigide, le contrôle de la porosité est parfaitement assuré.
Avantageusement et suivant un autre mode de mise en ceuvre et à des
fins de renfort, la couche à propriété structurale est constituée de plusieurs
nappes de fils croisés, les nappes étant de part et d'autre de la couche à
propriété acoustique.
L'invention a également pour objet les panneaux obtenus conformément
au procédé ci-dessus.
D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui
va suivre de divers modes de mises en oeuvre de l'invention, description
donnée à titre d'exemple uniquement et en regard des dessins annexés sur
lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe et en éclaté schématique d'une
structure de panneau obtenue conformément au procédé de l'invention ;
- la figure 2 est une vue en coupe similaire illustrant un autre mode de
mise en aeuvre du procédé de l'invention ;
- la figure 3 est une vue partielle de dessus de la couche à propriété
structurale du panneau de la figure 2
- les figures 4a à 4e illustrent différentes étapes de réalisation d'un
panneau du type de la figure 1,
- la figure 5 est une vue en coupe partielle illustrant un mode de collage
de la couche acoustique bi-composant sur la structure alvéolaire, et
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- la figure 6 est une vue en coupe partielle illustrant une variante du
procédé illustré par la figure 2.
Plus précisément, le panneau est d'une seule pièce, annulaire sans
éclisse ou avec une seule éclisse et est réalisé à l'aide d'un moule symbolisé
en M sur la figure 1, de formes et dimensions appropriés à celles du panneau à
obtenir et sur lequel seront drapées, bobinées ou banderolées les couches
successives du panneau.
La première de ces couches est une couche à propriété structurale 1 a,
sur laquelle sera ensuite mise en place une couche à propriété acoustique 1 b,
l'ensemble 1 a-1 b formant les deux composants d'une couche 1 dite
acoustiquement résistive, sur laquelle sera mise en place une structure
alvéolaire 2, simple comme illustré ou multiple comme évoqué plus haut.
Enfin, par dessus la structure alvéolaire 2 est mis en place un réflecteur
conventionnel 3.
Conformément à l'invention, la couche à propriété structurale la est
formée à partir de fils pré-imprégnées d'une résine thermoplastique ou
thermodurcissable appropriée. Par fils, on entend des fils, fibres, mèches
sous
forme de ruban de section carrée ou rectangulaire, de carbone, verre,
Kevlar , ou autres fibres minérales ou organiques, naturelles ou synthétiques.
La couche à propriété acoustique 1 b est formée d'un tissu très fin de
fibres de carbone, de verre, de Kevlar ou autres fibres minérales ou
organiques, naturelles ou synthétiques, sèches ou pré-imprégnées.
La structure alvéolaire 2 est par exemple un papier de fibres aramides tel
que celui dénommé commercialement NOMEX .
Dans le mode de mise en oeuvre illustré par la figure 1, la couche à
propriété structurale constituée par un tissu drapé sur le moule M, ou par des
fils déposés par bobinage ou banderolage, est réalisée, puis polymérisée par
cuisson en autoclave.
On obtient ainsi une tôle composite, rigide, lisse et en forme, qui est
ensuite percée selon le taux de surface ouverte recherché.
Ce taux de surface ouverte est avantageusement de l'ordre de 30% de
la surface exposée de la couche la.
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Les perforations 4 réalisées à cet effet dans la couche 1 a présentent de
préférence un rapport du diamètre à l'épaisseur de la couche 1 a supérieur à 1
pour réduire les effets néfastes de la non-linéarité acoustique.
Les perforations 4 sont réalisées par divers moyens mécaniques, par
laser ou par électroérosion.
Après perforation des trous 4, la couche 1 a étant toujours en place sur
le moule M, la couche à propriété acoustique 1 b est mise en place, avec
interposition éventuelle d'une couche adhésive 5, puis la structure alvéolaire
2
est mise en place avec interposition éventuelle d'une seconde couche adhésive
6 et enfin le réflecteur 3.
Une deuxième polymérisation par cuisson en autoclave peut être
effectuée après mise en place des couches 1 b et 5, puis une troisième
polymérisation par cuisson en autoclave est effectuée après mise en place des
couches 2 et 3, un adhésif de réticulation étant avantageusement interposé
entre les couches 2 et 3. Enfin, le moule M est retiré pour dégager le panneau
fini.
Le choix des adhésifs 5, 6 et leurs modalités de mise en place, ainsi que
le choix du tissu de la couche 1 b et les modalités de polymérisation sont
déterminés en sorte d'obtenir un taux de surface ouverte après collage dans la
couche 1 b, correspondant au taux recherché, c'est-à-dire conférant à la
couche résistive 1 le facteur de non-linéarité requis.
Le mode de réalisation de la figure 2 est similaire à celui de la figure 1,
excepté que la couche à propriété structurale 1 'a de la couche acoustiquement
résistive bi-composant 1' est constituée à partir de mèches de fibres déposées
suivant une trame de tissu, à savoir des mèches de chaîne 7 et des mèches de
trame 8, le maillage ainsi réalisé définissant des ouvertures de passage 9
(figure 3) rectangulaires ou carrées, constituant environ 30 % de la surface
de
la couche 1'a.
Les fibres des mèches 7, 8 peuvent être du type indiqué plus haut,
sèches ou pré-imprégnées. Les mèches 7, 8 sont déposées unitairement par
bobinage, banderolage ou dépose manuelle ou non sur un moule (non
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représenté) analogue au moule M de la figure 1. Une polymérisation est
ensuite effectuée.
L'espacement entre mèches 7, 8 et les conditions de polymérisation
sont définis en sorte de conférer à la couche 1'a le facteur de non-linéarité
5 requis.
Dans les exemples illustrés par les figures 1 et 2, l'épaisseur de la
couche à propriété structurale la, 1'a est de l'ordre de 10 fois l'épaisseur
de
la couche à propriété acoustique 1 b, 1'b.
Il est à noter que la couche à propriété structurale 1 a peut être
10 constituée de plusieurs plis de tissus de fils pré-imprégnées ou de
plusieurs
nappes superposées de fils pré-imprégnés bobinés ou banderolés.
Les couches acoustiquement résistives (1, 1') des panneaux selon
l'invention, bien que constituées de deux composants, présentent néanmoins
d'excellentes qualités mécaniques.
En effet, les matériaux des deux composants, structural et acoustique,
sont identiques et compatibles et se prêtent à un bon collage et constituent
après polymérisation une tôle unique composite à risque quasi nul de
délamination, très résistante à l'érosion, à l'abrasion, aux chocs et de
surcroît
facile à réparer.
En outre, les couches résistives ont, du fait du contrôle précis de leur
taux de porosité lors de la fabrication, une très bonne performance acoustique
notamment en terme de non-linéarité, leur impédance ne dépendant pas du
nombre de Mach de l'écoulement rasant.
Les panneaux selon l'invention sont également simples et faciles à
réaliser.
Les figures 4a à 4d illustrent un mode de réalisation d'un panneau du
type de la figure 1, sur un moule (non représenté) analogue au moule M.
Après constitution et mise en forme de la composante structurale 1 a,
avec le taux de surface ouverte désiré, par exemple 30 %, on applique (figure
4a) la couche d'adhésif de réticulation 5, puis on place la couche acoustique
1 b (figure 4b) et on polymérise à chaud sous pression pour assembler les deux
couches 1 a, 1 b.
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Ensuite, on met en place (figure 4c) l'adhésif de réticulation 6 sur la
structure alvéolaire 2.
Enfin (figure 5d), on assemble tous les éléments du panneau par une
nouvelle étape de polymérisation sous pression à chaud, un adhésif 10 étant
également mis en place sur l'autre face du nid d'abeilles au droit des pieds
des
cellules pour le collage de la couche réflectrice arrière 3 qui est elle-même
mono ou multi-couche et dont la structure est conventionnelle.
Du fait de la grande porosité de la couche acoustique 1 b, on obtient une
très bonne adhérence entre nid d'abeilles 2 et couche 1 b.
En effet, l'adhésif 6 diffuse bien dans la masse poreuse de la couche 1 b
et la jonction entre le bord d'extrémité des parois des alvéoles du nid
d'abeilles
2 et la face en regard de la couche 1 b s'établit en constituant de bons
pontages de raccordement au droit des pieds de cellule du nid d'abeilles
définissant des liaisons à section allant en s'accroissant au fur et à mesure
que
l'on se rapproche de la face de ladite couche 1 b.
Il est également à noter que, d'une manière générale, l'invention permet
de donner à la composante acoustique (couche 1 b) une épaisseur très fine,
bien inférieure à celle de la couche structurale la. A titre d'exemple, la
couche
1 a pourra avoir une épaisseur de un millimètre, alors que l'épaisseur de la
couche lb pourra être réduite à 0,1 millimètre sans dégradation de ses
propriétés acoustiques.
La figure 4e illustre une variante de réalisation de l'assemblage des
couches 1 a, 1 b et 2, dans laquelle l'adhésif de réticulation 5 entre les
couches
1 a et 1 b est supprimé. Du fait, en effet, de la faible épaisseur et de la
grande
porosité de la couche acoustique 1 b, il est possible de n'appliquer l'adhésif
6
que sur la face réceptrice du nid d'abeilles 2.
L'adhésif 6, comme illustré par la figure 5, migre lors de la
polymérisation dans toute l'épaisseur de la couche poreuse 1 b et vient en
contact avec la face en regard de la couche externe structurale la. L'ensemble
1 a, 1 b, 2 est ainsi solidement fixé.
Dans cet ensemble, le seul adhésif utilisé (6) est déposé uniquement au
droit des pieds des cellules du nid d'abeilles 2, ce qui limite l'obstruction
des
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ouvertures de passage 4 au travers de la couche structurale 1 a aux seules
zones en regard desdits pieds de cellule.
La technique illustrée par les figures 4a à 4e est utilisable avec les
diverses variantes de structure de panneau décrites plus haut.
Cette technique permet de concevoir et réaliser facilement des
panneaux d'atténuation acoustique à caractéristiques mécaniques
performantes et homogènes, adaptés à divers environnements, notamment
ceux mentionnés plus hauts tels que les nacelles de turbo-moteurs.
Sur la figure 5, on a également illustré une variante de réalisation des
trous 4 de la couche structurale 1 a lors de leur perforation, selon laquelle
le
débouché externe desdits trous 4 est avantageusement évasé, par tous
moyens appropriés, comme représenté en 1 1, en sorte d'améliorer la linéarité
acoustique.
La figure 6 illustre une autre variante de réalisation du procédé de
l'invention selon laquelle la couche à propriété structurale est renforcée. A
cet
effet, la couche à propriété structurale est constituée de plusieurs nappes de
fils pré-imprégnés croisés disposées de part et d'autre de la couche à
propriété
acoustique 1 "b.
Sur la partie gauche de la figure 6, on a représenté une première
distribution de deux nappes de fils croisés, respectivement une nappe 13 de
fils de chaîne, déposée en premier sur un moule (non représenté) analogue au
moule M de la figure 1 et une nappe 14 de fils de trame déposée par dessus la
couche 1 "b, c'est à dire après dépose de cette dernière.
Sur la partie droite de la figure 6, on a représenté une seconde
distribution de trois nappes à savoir deux nappes croisées suivant une trame
de tissage 15, déposées en premier sur le moule et une troisième nappe 16 de
fils parallèles aux fils de l'une des nappes de la trame 15, déposée par
dessus
la couche à propriété acoustique 1 "b.
L'ensemble des composants 13, 14, 1 5, 16, 1"b forme ainsi une
couche acoustiquement résistive 1" à propriétés à la fois structurale et
acoustique.
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Cet ensemble est polymérisé sous pression avant mise en place des
autres composants 2, 3.
L'espacement des fils des nappes 13, 14, 15, 16 déposés par bobinage
ou banderolage détermine le taux de porosité de la couche 1".
