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CA 02441477 2003-09-18
WO 02/084642 PCT/FR02/01322
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PANNEAU D'ATTENUATION ACOUSTIQUE COMPORTANT UNE COUCHE
RESISTIVE A COMPOSANTE STRUCTURALE RENFORCEE
La présente invention a trait aux panneaux d'atténuation acoustique,
notamment à des panneaux destinés à être montés dans des parois de nacelles
de turboréacteurs d'aéronefs, dans des carters de réacteurs, dans des conduits
devant être insonorisés et, d'une manière générale, à des panneaux combinant
de
bonnes propriétés à la fois acoustiques et de résistance structurale.
Dans la pratique, ce type de panneau intègre une âme alvéolaire, telle
qu'une structure en nid d'abeilles flanquée, côté onde sonore incidente, d'une
couche d'amortissement acoustique et, du côté opposé, d'un réflecteur arrière.
La couche d'amortissement acoustique est une structure poreuse à rôle
dissipatif, c'est-à-dire transformant partiellement l'énergie acoustique de
l'onde
sonore la traversant en chaleur.
Cette structure poreuse peut être, par exemple, un tissu métallique ou un
tissu de fibres de carbone dont le tissage permet de remplir sa fonction
dissipatrice.
Ces panneaux acoustiques devant, par exemple dans le cas de panneaux
équipant des nacelles de turboréacteurs, également 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, il est nécessaire de conférer à la
couche
d'amortissement acoustique des propriétés structurales.
A cette fin on a déjà proposé de réaliser une couche d'amortissement
acoustique à deux composantes superposées, l'une structurale et l'autre
poreuse
et dissipatrice, la composante structurale étant, soit disposée entre la
structure
alvéolaire et la composante dissipatrice, comme illustré par le brevet
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GB 2 130 963, soit déposée au contact avec l'onde sonore incidente, comme
illustré par le document EP 0 911 803.
L'invention vise plus précisément des panneaux de ce dernier type, c'est-à-
dire comportant une couche résistive à composante structurale tournée vers
l'onde
sonore incidente, mais s'applique également à des panneaux dont la couche
résistive comporte une composante structurale interposée entre la composante
dissipatrice et la structure alvéolaire.
La structure du panneau selon EP 0 911 803 présente l'inconvénient d'une
couche résistive formée de deux couches superposées métalliques, à savoir un
tissu et une feuille. Le métal utilisé pour réaliser le tissu métallique est
préférentiellement de l'acier inoxydable, tandis que la couche structurale est
une
feuille d'aluminium. Outre le fait que le collage métal-métal demande une
technique particulière qui ne donne pas entière satisfaction, l'utilisation
des deux
métaux de structure différente induit une corrosion par l'apparition d'un
couple
galvanique. De plus, la densité, bien que faible, des métaux utilisés augmente
sensiblement la masse du panneau acoustique.
L'utilisation des matériaux composites pour réaliser de telles couches
dissipatrices ou structurales est bien connue et permet de réaliser un panneau
acoustique plus léger qu'un panneau acoustique utilisant du métal tout en
conservant audit panneau ses caractéristiques structurales et acoustiques.
Il existe une abondante littérature décrivant des panneaux d'atténuation
acoustique du type sandwich comportant une couche acoustiquement résistive
formée d'une feuille non-métallique percée utilisée seule ou en association
avec
une couche poreuse. Toutefois, ces feuilles sont généralement constituées de
matières plastiques à haute tenue aux températures ou de matières plastiques
renforcées de fibres, notamment de graphite.
Par ailleurs, ces feuilles, métalliques ou non-métalliques alliant
caractéristiques structurales et acoustiques, comportent toutes des
perforations
circulaires, alignées ou sensiblement en quinconce.
Pour conserver un taux de surface ouverte permettant un bon
amortissement acoustique, il est nécessaire de perforer la couche structurale
du
nombre adéquat d'orifices. Par conséquent, ladite couche est fragilisée, d'une
part, par l'enlèvement de matière auquel il est procédé et, d'autre part, par
la
disposition des orifices. En effet, la matière restante entre deux orifices ne
permet
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pas à ladite couche structurale de supporter le transfert des efforts
mécaniques,
aérodynamiques et inertiels vers le carter moteur. Afin de pallier ce
problème, il
est alors nécessaire de renforcer ladite couche en augmentant son épaisseur ou
de diminuer ledit taux de surface ouverte, ce qui pénalise la qualité
d'amortissement acoustique dudit panneau.
D'autre part, dans le cas d'une disposition des orifices de perforation en
quinconce, l'utilisation de matériaux composites tels qu'une nappe de carbone
n'est pas appropriée. En effet, les fibres dudit matériau sont cassées par
l'enlèvement de matière et leur discontinuité ne permet pas le passage des
efforts
cités plus haut. Pour cette raison, il est nécessaire d'augmenter l'épaisseur
de
ladite couche structurale, au détriment de sa masse.
De plus, la forme des orifices, leur distribution symétrique dans les couches
structurales du type ci-dessus leur confèrent une tenue mécanique isotropique
qui
ne tient nullement compte de la répartition des efforts que doit supporter le
panneau acoustique. Ces efforts étant plus importants dans-le sens
longitudinal
que dans le sens radial, on est donc conduit à réaliser un panneau ayant une
épaisseur adéquate au passage des efforts longitudinaux mais sur-dimensionné
pour le passage des efforts radiaux.
La présente invention vise précisément à pallier ces inconvénients.
La présente invention vise un panneau d'atténuation acoustique comprenant
au moins une couche de structure alvéolaire (1) flanquée, d'un côté, d'une
couche
résistive (2) composée d'au moins une couche poreuse (2b) et d'au moins une
couche structurale perforée (2a), et, de l'autre côté, d'une couche formant
réflecteur
total (3), caractérisé en ce que:
- ladite couche structurale (2a) est percée de trous (4) identiques et non-
circulaires présentant chacun sa plus grande dimension et sa plus petite
dimension
suivant respectivement deux axes perpendiculaires,
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lesdits trous sont alignés suivant au moins la direction de leur allongement,
la plus grande dimension des trous (4, 4", 4"') étant parallèle à la direction
des efforts
principaux à supporter, et en ce que:
- le matériau de ladite couche structurale (2a, 2"a, 2"a, 21va) est choisi
dans
le groupe comprenant les matériaux composites constitués de fibres minérales
ou
organiques, naturelles ou synthétiques, imprégnées d'une résine
thermodurcissable
ou thermoplastique, polymérisée,
- le matériau de la couche structurale (2a, 2", 2"a, 21va) comprenant des
fibres unidirectionnelles parallèles à la plus grande dimension (5) des trous
(4, 4",
4"') ou un ou plusieurs tissus dont les fils de trame ou de chaîne sont
disposés
suivant respectivement le plus grande dimension et la plus petite dimension
desdits
trous (4, 4", 4"').
De préférence, la plus petite dimension des trous est supérieure ou égale à
0,5 mm et la plus grande dimension est supérieure ou égale à 1,5 fois la plus
petite.
Avantageusement, la plus grande dimension des trous est parallèle à la
direction des efforts principaux à supporter.
De préférence, dans une application de l'invention à la réalisation de
panneaux devant tapisser des parois de nacelles de turboréacteurs, la plus
grande
dimension des trous est parallèle à l'axe longitudinal du moteur et les trous
sont
distribués suivant des alignements à la fois parallèles audit axe du moteur et
orthogonaux à ce dernier.
De préférence, suivant un mode de réalisation, la couche structurale
perforée est constituée de fibres minérales ou organiques, naturelles ou
synthétiques, imprégnées d'une résine thermodurcissable ou thermoplastique,
polymérisée.
Les fibres peuvent être unidirectionnelles et parallèles notamment à ladite
direction des efforts principaux.
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Les fibres peuvent être également sous forme d'un tissu ou d'un empilage
de tissus dont les fils de trame ou de chaîne sont parallèles à ladite
direction des
efforts principaux.
De préférence, la forme des trous est choisie dans le groupe comprenant les
formes rectangulaires, oblongues, hexagonales.
Les panneaux réalisés conformément à l'invention présentent l'avantage
essentiel que la couche structurale ainsi perforée offre, par rapport à une
couche
structurale perforée de l'art antérieur et à taux de surface ouverte égal, une
matière entre les trous mieux distribuée, c'est-à-dire regroupée suivant l'un
et/ou
l'autre des deux axes privilégiés définis respectivement par la plus grande
dimension et la plus petite dimension des trous.
En d'autres termes, ladite matière entre trous est regroupée en bandes ou
couloirs plus larges entre les alignements de trous, permettant ainsi un
transfert
plus efficace des efforts, via lesdites bandes, en direction des structures
environnant les panneaux.
Une telle amélioration du transfert des efforts peut être obtenue en
conservant un taux de surface ouverte de la couche structurale adapté aux
conditions d'atténuation acoustiques recherchées et, ce, tout en minimisant
l'épaisseur de ladite couche structurale.
De plus, dans le cas d'une couche structurale réalisée en matériau
composite et plus précisément à l'aide de fibres pré-imprégnées d'une résine,
la
forme et disposition particulière des trous perforés permettent de préserver
au
mieux la continuité des fibres, notamment au droit desdits bandes ou couloirs
inter-perforations, assurant ainsi un meilleur transfert des efforts.
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D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va
suivre de modes de réalisation de panneaux selon l'invention, description
donnée
à titre d'exemple uniquement et en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en perspective partielle d'un panneau
5 d'atténuation acoustique selon l'invention ;
- la figure 2 illustre un premier mode de réalisation d'une couche
structurale de panneau selon l'invention ;
- la figure 3 représente une couche structurale conventionnelle à
perforations circulaires ;
- la figure 4 illustre un deuxième mode de réalisation ;
- la figure 5 illustre un troisième mode de réalisation d'une couche
structurale de panneau selon l'invention, et
- la figure 6 illustre un quatrième mode de réalisation.
Sur la figure 1, on a représenté schématiquement une structure sandwich
du panneau d'atténuation acoustique selon l'invention, comprenant une
structure
centrale alvéolaire 1 flanquée, d'un côté, d'une couche acoustiquement
résistive 2
dite avant, formée de deux composants, et de l'autre côté, d'une couche 3,
dite
arrière, formant un réflecteur total.
La structure centrale alvéolaire 1 est formée, dans le mode de réalisation
représenté, d'une couche unique de type nid d'abeilles. Bien entendu,
plusieurs
couches de nid d'abeilles séparées par des septums peuvent être prévus, à la
manière connue, pour constituer plusieurs résonateurs superposés.
La couche résistive 2 est dite avant en ce qu'elle est au contact de
l'écoulement aérodynamique ou du milieu gazeux dans lequel se déplacent les
ondes sonores à amortir.
La couche 2 comprend une composante dite structurale 2a, chargée de
transférer les efforts mécaniques, aérodynamiques et inertiels vers le carter
moteur, dans le cas de l'utilisation d'un tel panneau pour tapisser par
exemple la
paroi externe délimitant le canal de soufflante d'un turboréacteur. Cette
couche
structurale 2a directement en contact avec ledit écoulement aérodynamique, a
également un rôle acoustique car elle doit laisser passer les ondes sonores en
direction du ou des résonateurs et, à cet effet, est percée d'ouvertures ou
trous 4,
de forme et distributions particulières conformément à l'invention.
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La deuxième composante 2b de la couche résistive est interposée entre la
couche structurale 2a et la couche alvéolaire 1 et constituée à la manière
connue
d'une couche de matériau perméable à l'air, par exemple un tissu ou une
superposition de tissus métalliques formés de fils d'acier inoxydables, ou
bien un
ou plusieurs tissus de fibres de carbone.
La couche arrière 3 est par exemple et également à la manière connue, une
feuille métallique d'aluminium non-perforée.
La couche structurale 2a est formée d'un matériau en feuille rigide ou semi-
rigide, qui peut être un métal, tel que l'aluminium ou l'acier inoxydable, un
matériau composite, tel qu'une matière plastique à haute tenue en température
ou
une matière plastique renforcée de fibres, notamment de graphite, ou encore un
matériau composite constitué de fibres minérales ou organiques, naturelles ou
synthétiques, imprégnées d'une résine thermodurcissable ou thermoplastique,
polymérisée.
La couche 2a est unique ou bien formée par la superposition de plusieurs
couches de bandes telles que celles représentées sur la figure 1.
La couche 2a est percée identiquement de trous 4 identiques,
rectangulaires et alignés à la fois dans le sens de la longueur et dans le
sens de la
largeur.
Sur la figure 2, on a représenté schématiquement en vue de dessus les
deux composantes superposées 2a, 2b.
Les trous 4 ont un rapport longueur sur largeur de 2 et leur axe longitudinal
est parallèle à la direction 5 de passage des efforts principaux à supporter
par le
panneau.
Cette direction 5 correspond, pour un turboréacteur par exemple, à l'axe du
moteur, lequel exerce sa poussée, ainsi que lors de l'inversion poussée,
suivant
son axe.
Sur la figure 3, on a représenté en comparaison une couche résistive
conventionnelle à deux composantes 2'a, 2'b correspondant aux composantes 2a,
2b de l'invention.
La composante 2'a est réalisée dans le même matériau que la composante
2a, a même surface que cette dernière et même surface ouverte totale, les
ouvertures étant constituées par une distribution régulière de trous
circulaires 4' à
équidistance les uns des autres et alignés à la fois suivant la direction 5'
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homologue de la direction 5 de la figure 2 et suivant une direction 6'
perpendiculaire à la direction 5' et homologue de la direction 6 de la figure
2.
Comme on peut l'observer en examinant comparativement attentivement
les figures 2 et 3, dans le sens de la largeur des rectangles 4, l'intervalle
7 entre
deux alignements de trous 4 est supérieur à l'intervalle 7' entre deux
alignements
homologues de trous 4' et, dans la composante 2a, la somme des intervalles 7
(y
compris les intervalles extérieurs) est supérieure à la somme des intervalles
7' de
la composante 2'a. Autrement dit, dans la composante 2a, la largeur totale de
matière, c'est-à-dire ladite somme des intervalles 7, disponible pour
transférer les
efforts dans la direction 5, est très sensiblement supérieure à la largeur
totale de
matière correspondante dans la composante 2'a.
La composante 2a selon l'invention a donc une meilleure tenue mécanique
dans la direction 5.
Il en est de même dans la direction 6, dite radiale, correspondant à l'axe
radial du moteur. La somme des intervalles 8 est très sensiblement supérieure
à
celle des intervalles homologues 8' de la composante 2'a.
Il est important de souligner à nouveau que l'amélioration de la tenue
mécanique, à savoir un meilleur transfert des efforts selon les directions 5,
6 est
obtenu avec une couche structurale 2a identique à la couche conventionnelle
2'a
pour ce qui concerne la nature du matériau constitutif de la couche et le taux
d'ouverture, c'est-à-dire la surface totale perforée.
Il est à noter que la direction 5 étant également celle de l'écoulement
aérodynamique dans un moteur, les trous 4 sont également alignés dans le sens
de cet écoulement dans le conduit d'entrée d'air, ce qui minimise la traînée
aérodynamique.
Ainsi, non seulement la perforation de la couche 2a conformément à
l'invention confère aux panneaux d'atténuation acoustique équipant des entrées
d'air de turboréacteurs un meilleur passage des efforts principaux,
mécaniques,
aérodynamiques et inertiels, tout en conservant un taux de surface ouverte
adapté
auxdits panneaux, tout en minimisant l'épaisseur de ladite couche structurale
2a.
Il est à noter que la perforation selon l'invention de la couche structurale
2a
est particulièrement intéressante dans le cas où ladite couche 2a est
constituée à
partir de fibres, par exemple de carbone, de verre ou de "Kevlar", pré-
imprégnées
d'une résine appropriée.
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Lorsque par exemple la composante 2a est constituée à partir d'une nappe
de fibres unidirectionnelles parallèles à la direction 5 des efforts
principaux, les
fibres se trouvant dans les couloirs entre les alignements selon la direction
5 des
trous 4 ne seront pas coupées lors de la réalisation des perforations et
assureront
ainsi un transfert des efforts au maximum de leur capacité.
Ces mêmes fibres non coupées seraient en nombre bien moins important
dans le cas d'une composante telle que 2'a, réalisée à partir de fibres
unidirectionnelles parallèles à la direction 5' du fait de la valeur
inférieure de la
somme des intervalles 7' en comparaison avec les intervalles 7.
Dans le cas de la réalisation de la composante 2a à partir d'un ou plusieurs
tissus superposés de fibres pré-imprégnées, les fils de trame et de chaîne du
ou
des tissus sont avantageusement disposés parallèlement aux directions 5 et 6
en
sorte d'avoir le moins de fibres coupées lors de la perforation des trous 4, à
la fois
parallèlement à la direction 5 et parallèlement à la direction 6.
La perforation des trous 4 est réalisée par tous moyens appropriés, par
exemple par poinçonnage, tous les trous 4 d'une bande étant perforés en une
seule passe à l'aide d'une presse à poinçons multiples.
Les perforations sont réalisées par exemple sur des bandes rectangulaires
de dimensions appropriées à celles du panneau à réaliser, à plat, quelle que
soit
la nature du matériau constitutif. Les bandes seront ensuite mises en place
selon
le type de panneau à réaliser.
Dans le cas de fibres pré-imprégnées de résine, le matériau composite sera
consolidé par polymérisation de la résine, avant d'être perforé.
La direction des efforts principaux (5) dépend bien entendu du type de
panneau à réaliser et de sa destination. L'homme du métier saura dans chaque
cas déterminer cette direction et adapter l'alignement des trous 4.
L'assemblage des diverses couches constitutives (1, 2 et 3) du panneau est
réalisé à l'aide de techniques conventionnelles.
Le rapport entre longueur et largeur des trous 4 est évidemment variable.
De préférence, il sera supérieur ou égal à 2.
Par ailleurs, l'alignement des trous 4 peut n'être que dans une seule
direction, la direction 5 par exemple comme illustré par la figure 4 sur
laquelle la
distribution desdits trous 4 dans la composante 2"a est sensiblement en
quinconce.
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Non seulement les dimensions mais également la forme des trous perforés
dans la couche structurale selon l'invention peuvent varier dans la mesure où
cette
forme se prête à la réalisation d'une ouverture de passage présentant deux
axes
perpendiculaires principaux dont l'un est sensiblement plus long que l'autre
en
sorte de permettre à la couche structurale un meilleur passage des efforts
suivant
l'un ou l'autre des deux axes susdits. A cet effet, on peut jouer non
seulement sur
la forme et le rapport entre longueur et largeur de tels trous allongés, mais
également sur l'alignement suivant une ou plusieurs directions desdits trous
ainsi
que sur leur espacement mutuel, identique ou non, régulier ou non.
Les figures 5 et 6 illustrent deux autres modes de réalisation de trous
allongés.
Sur la figure 5, la composante 2"'a comporte des trous 4" distribués comme
les trous rectangulaires 4 de la figure 2 et de forme oblongue, notamment
rectangulaire avec des extrémités arrondies.
Sur la figure 6, la composante 21va comporte des trous 4"" distribués
comme ceux de la figure 5 et de forme également oblongue, à savoir
rectangulaire
avec des extrémités en pointes, ou hexagonale.
Il est à noter que les divers modes de réalisation décrits ci-dessus de la
couche structurale s'appliquent également à des panneaux dans lesquels ladite
couche structurale est, à l'inverse des illustrations données par les figures
1 à 6,
interposée entre la couche alvéolaire (1) et la couche poreuse dissipatrice
(2b).
D'une manière générale, la forme allongée des trous conjuguée à un
alignement de tous les trous suivant la direction de leur allongement permet,
par
rapport à des trous circulaires et à taux d'ouverture identique, d'obtenir une
couche structurale assurant un meilleur transfert des efforts dans la
direction de la
plus grande longueur des trous allongés, et, ce, quel que soit le taux
d'ouverture
recherché.
