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DESCRIPTION
TITRE : Panneau acoustique et procédé de fabrication associé
Domaine technique
La présente invention concerne, de manière générale, l'atténuation
acoustique et, plus particulièrement les dispositifs destinés à l'atténuation
acoustique, notamment dans le domaine aérospatial.
Plus précisément, l'invention se rapporte à un panneau acoustique,
notamment un panneau acoustique pour un ensemble propulsif.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel
panneau acoustique.
Etat de la technique
L'une des ambitions majeures de l'industrie aérospatiale est la
réduction du bruit émis par les aéronefs.
L'une des solutions connues permettant cette réduction consiste en
l'utilisation de panneaux acoustiques, par exemple sur la surface interne
du carter de soufflante d'une turbomachine, et dont le mécanisme de
dissipation des sons repose sur le principe de résonance de Helmholtz.
Un résonateur de Helmholtz (HR) consiste en une cavité connectée
à l'environnement extérieur par un col. Le son peut alors pénétrer dans le
résonateur par le col avant d'être dissipé dans la cavité. Le résonateur
atténue le son à la fréquence propre de la chambre de résonance en suivant
l'équation suivante :
y i7rD7114
fr = 27r un
où D, est le diamètre d'ouverture du col ; L, est la longueur du col ;
V, le volume de la cavité ; fr est la fréquence de résonance du résonateur ;
et y est la vitesse du son dans l'air.
Les paramètres géométriques du résonateur déterminent de ce fait la
fréquence à laquelle le son est dissipé.
Date Reçue/Date Received 2020-06-23
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Bien qu'un tel résonateur soit particulièrement avantageux pour la
dissipation du son à basse fréquence, vers 500-600 Hz, cette plage de
fréquence d'absorption est étroite, de sorte que des travaux visant à
multiplier les pics d'absorption ont été menées.
Typiquement, un panneau acoustique existant, dit panneau
sandwich , et appliquant ce principe, comprend deux peaux sensiblement
parallèles entre lesquelles sont situées et s'étendent des cavités formant
des résonateurs de Helmholtz et par exemple organisées en nid d'abeille
(section hexagonale). L'une des peaux est percée d'orifices débouchant
dans les cavités et formant des cols des résonateurs.
Néanmoins, les structures des résonateurs des panneaux acoustiques
connus ne permettent d'obtenir l'absorption qu'à une fréquence
d'absorption donnée et l'empilement de différents panneaux est nécessaire
pour une absorption à différentes fréquences.
Exposé de l'invention
L'invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients et de
proposer un panneau peu coûteux et facile à réaliser, permettant à la fois
l'absorption du bruit à des fréquences relativement basses et l'absorption
du bruit sur une plage de fréquence suffisamment large.
Il est donc proposé un panneau acoustique comprenant deux peaux
sensiblement parallèles entre lesquelles sont disposées des cavités formant
des résonateurs de Helmholtz, l'une desdites peaux étant percée d'orifices
débouchant chacun dans une desdites cavités et formant un col des
résonateurs.
En outre, une ou plusieurs desdites cavités sont formées par une
structure creuse en forme de prisme droit à base triangulaire.
Avantageusement, le panneau acoustique peut comprendre un ou
plusieurs ensembles de structures en forme de prisme droit à base
triangulaire délimitées par des parois latérales et comportant chacun une
ou plusieurs desdites cavités.
De préférence, un ou plusieurs ensembles comprennent au moins
quatre structures en forme de prisme droit à base triangulaire chacune et
une cavité centrale formée entre les structures formées par un prisme droit
à base triangulaire.
Date Reçue/Date Received 2020-06-23
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Selon un mode de réalisation, ladite peau percée d'orifices peut
comprendre un premier orifice et un deuxième orifice débouchant
respectivement dans une première cavité et dans une deuxième cavité
parmi les quatre cavités formées par une structure en forme de prisme droit
.. à base triangulaire et un troisième orifice débouchant dans la cavité
centrale.
Selon un autre mode de réalisation, ladite peau percée d'orifices
comprend un quatrième orifice et un cinquième orifice débouchant
respectivement dans une troisième cavité et une quatrième cavité parmi les
quatre cavités formées par une structure en forme de prisme droit à base
triangulaire.
De préférence, le panneau acoustique comporte deux diamètres ou
plus d'orifice différents.
Avantageusement, les structures formées par un prisme droit à base
triangulaire sont connectées à l'une desdites peaux par une de leurs arêtes,
l'interface entre l'arête et la peau pouvant comprendre une portion élargie.
De préférence, le panneau acoustique forme une structure
monolithique.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un
panneau acoustique, le procédé comprenant une étape de fabrication par
fabrication additive d'un panneau acoustique comme décrit précédemment.
De préférence, l'étape de fabrication par fabrication additive est
réalisée par la technique de dépôt de filament fondu dite Fused Filament
Fabrication, FFF .
Brève description des dessins
D'autres buts, avantages et caractéristiques ressortiront de la
description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et faite en
référence au dessin annexé sur lequel :
[Fig 11 illustre un panneau acoustique selon un premier mode de réalisation
conforme à l'invention, formé par une pluralité d'ensembles de cavités
dans le coeur de résonance et d'une peau percée comportant trois orifices
par ensemble de cavités.
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[Fig 21 est une vue en perspective d'un ensemble de cavités de la pluralité
d'ensemble de cavités du coeur de résonance du panneau acoustique selon
le premier mode de réalisation illustré à la figure 1.
[Fig 31 est une vue de dessous de l'ensemble de cavités du coeur de
résonance illustré à la figure 2.
[Fig 41 illustre un panneau acoustique selon le premier mode de
réalisation, dans lequel les cavités d'un ensemble de cavités sont disposées
selon une configuration alternative, tête bêche.
[Fig 51 est un graphe représentant l'évolution du coefficient d'absorption
en fonction de la fréquence associé à un panneau acoustique selon le
premier mode de réalisation illustré à la figure 4.
[Fig 61 illustre un panneau acoustique selon un deuxième mode de
réalisation conforme à l'invention, formé par une pluralité d'ensembles de
cavités dans le coeur de résonance et d'une peau percée comportant cinq
orifices par ensemble de cavités.
[Fig 71 est un graphe représentant l'évolution du coefficient d'absorption
en fonction de la fréquence associé à un panneau acoustique selon le
deuxième mode de réalisation illustré à la figure 6.
Exposé détaillé d'un premier mode de réalisation
La figure 1 illustre un panneau acoustique 1 pour turbomachine,
conforme à l'invention.
Le panneau acoustique 1 est un panneau dit panneau sandwich .
Il comprend des première et deuxième peaux 2 et 3 sensiblement parallèles
entre lesquelles sont disposées des cavités formant des résonateurs de
Helmholtz.
L'une desdites peaux, dans cet exemple la première peau 2, est
percée d'orifices débouchant chacun dans l'une desdites cavités et formant
un col des résonateurs.
De plus, une ou plusieurs desdites cavités sont formées par une
structure 4 creuse en forme de prisme droit à base triangulaire.
Comme on peut le voir sur les figures 2 et 3, la structure 4 en forme
de prisme droit à base triangulaire comporte deux bases triangulaires 4a et
4b opposées et deux faces rectangulaires 4c et 4d opposées s'étendant
depuis une face carrée commune 4e. La jonction des deux bases 4a et 4b
Date Reçue/Date Received 2020-06-23
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et des deux faces 4c et 4d forme une arête 5 disposée à l'opposé de la face
carrée 4e. La structure 4 est creuse et renferme ainsi une cavité.
Toutes les cavités sont de préférence formées par des structures 4 en
forme de prisme droit à base triangulaire, formant une configuration en
.. nid d'abeille entre les deux peaux 2 et 3.
Les cavités des différentes structures 4 en forme de prisme droit à
base triangulaire sont indépendantes les unes des autres et ne
communiquent pas.
De préférence, les structures 4 formant les cavités sont délimitées
.. en plusieurs ensembles ou cellules par des parois latérales 6. Le panneau
acoustique est ainsi formé par une pluralité d'ensembles de structures 4 en
forme de prisme droit à base triangulaire.
A la figure 2, seules deux des quatre parois latérales 6 d'un ensemble
ont été représentées pour une compréhension plus aisée de l'arrangement
des structures 4.
Dans l'exemple illustré à la figure 1, chaque ensemble comprend
quatre structures 4 en forme de prisme droit à base triangulaire. Une vue
en perspective et une vue de dessous d'un ensemble sont représentées aux
figures 2 et 3.
Les quatre structures 4 représentées sont disposées à 90 les unes
par rapport aux autres, par rapport à un axe passant par les deux peaux 2
et 3 et perpendiculaires aux deux peaux 2 et 3. Cette agencement permet
avantageusement d'optimiser l'espace.
De plus, les quatre structures 4 d'un ensemble sont disposées de
sorte que chaque arête 5 est disposée en regard de la deuxième peau 3.
Chaque ensemble comprend également une cavité centrale 7 formée
entre les structures 4 formées par un prisme droit à base triangulaire. En
d'autres termes, la cavité centrale 7 correspond à l'espace libre au sein
d'un ensemble délimité par les parois latérales 6, entre les structures 4.
Selon le premier mode de réalisation représenté, la peau percée
d'orifices, qui ici correspond à la première peau 2, peut comprendre trois
orifices au sein d'un même ensemble. Un premier orifice 8a et un deuxième
orifice 8b débouchent respectivement dans une première cavité et dans une
deuxième cavité parmi les quatre cavités formées par une structure en
Date Reçue/Date Received 2020-06-23
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forme de prisme droit à base triangulaire, de préférence au niveau des faces
carrées 4e.
En outre, un troisième orifice 9 débouche dans la cavité centrale 7.
Les premier et deuxième orifices 8a et 8b sont, dans cet exemple, de
diamètres différents. De plus, le diamètre du troisième orifice 9 est
supérieur aux diamètres des premier et deuxième orifices 8a et 8b.
Par exemple, les premier et deuxième orifices 8a et 8b peuvent être
disposés de sorte qu'ils débouchent dans deux des quatre structures 4
formées par un prisme droit à base triangulaire, disposées en diagonale au
sein d'un même ensemble de structures 4.
Dans ce mode de réalisation, deux des quatre structures 4 formées
par un prisme droit à base triangulaire ne sont pas utilisées comme cavité
de résonance.
Les structures 4 formées par un prisme droit à base triangulaire sont
connectées à l'une des desdites peaux 2 et 3, dans cet exemple la deuxième
peau 3, par l'arête 5. De préférence, l'interface entre l'arête 5 et la peau
comprend une portion élargie ou bordure renforçant la stabilité mécanique
du panneau acoustique via le renforcement de la connexion entre les
structures 4 et la deuxième peau.
Les quatre cavités des structures 4 en forme de prisme droit à base
triangulaire forment ainsi chacune un résonateur de Helmholtz.
Selon une alternative illustrée à la figure 4, les structures 4 en forme
de prisme droit à base triangulaire peuvent être disposées selon une
configuration tête bêche afin d'optimiser l'espace au sein du panneau
acoustique.
Le graphe de la figure 5 représente l'évolution du coefficient
d'absorption en fonction de la fréquence, en Hz, mesurée sur un panneau
acoustique de configuration à trois orifices, telle qu'illustrée à la figure
4,
les structures disposées tête bêche. Dans l'exemple illustré, l'épaisseur de
la première peau percée, et donc du col associé aux orifices 8a, 8b et 9 a
été choisie égale à 4mm et le diamètre des premier, deuxième et troisième
orifices 8a, 8b et 9 est respectivement de 2, 2.5 et 3 mm.
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Dans cette configuration, trois pics d'absorption bien définis sont
observables sur la figure. Dans cette configuration, les pics sont
observables autour de 500 Hz, 1100 Hz et 1400 Hz.
Les résonateurs formés par la cavité centrale 7, de volume supérieur
aux cavités des structures 4, génèrent le pic à basse fréquence autour de
500 Hz, alors que les résonateurs formés par les deux structures 4 en forme
de prisme droit à base triangulaire dans lesquels débouchent les orifices
8a et 8b génèrent les deux pics à des fréquences élevées, autour de 1100
et 1400 Hz.
L'utilisation des deux types de cavités est particulièrement
avantageuse et permet d'obtenir une pluralité de pics sur une large plage
de fréquences comprise entre 500 et 1500Hz.
Exposé détaillé d'un deuxième mode de réalisation
La figure 6 illustre un deuxième mode de réalisation de panneau
acoustique 10 dans lequel la peau percée comprend cinq orifices. De
manière similaire au premier mode de réalisation illustré à la figure 1, la
première peau 2 comprend un premier orifice 8a et un deuxième orifice 8b
débouchant respectivement dans une première cavité et dans une deuxième
cavité parmi les quatre cavités formées par une structure 4 en forme de
prisme droit à base triangulaire, de préférence au niveau des faces carrées
4e.
En outre, la première peau 2 comprend un quatrième orifice lia et
un cinquième orifice llb débouchant respectivement dans une troisième
cavité et une quatrième cavité parmi les quatre cavités formées par une
structure 4 en forme de prisme droit à base triangulaire.
De préférence, les différents orifices 8a, 8b, 9, lia et llb possèdent
quatre ou cinq diamètres différents.
Le graphe de la figure 7 représente l'évolution du coefficient
d'absorption en fonction de la fréquence, en Hz, mesurée sur un panneau
acoustique de configuration à cinq orifices, telle qu'illustrée à la figure 6.
Dans l'exemple illustré, l'épaisseur de la première peau percée, et donc du
col associé aux orifices 8a, 8b et 9 a été choisi égal à 3mm et le diamètre
des premier, deuxième, troisième, quatrième et cinquième orifices 8a, 8b
et 9 sont respectivement de 2, 2.5, 3.5, 3 et 3 mm.
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Cinq pics d'absorption bien définis sont observables sur la figure.
Dans cette configuration, les pics sont observés à basse fréquence autour
de 500 Hz, et à fréquence plus élevée autour de 800 Hz, 1100 Hz, 1400 Hz
et 1500 Hz.
Les résonateurs formés par la cavité centrale 7, de volume supérieur
aux cavités des structures 4, génèrent le pic à basse fréquence autour de
500 Hz, alors que les résonateurs formés par les quatre structures 4 en
forme de prisme droit à base triangulaire dans lesquels débouchent les
orifices 8a, 8b, lla et llb génèrent les quatre pics aux fréquences plus
élevées.
L'utilisation des deux types de cavités est particulièrement
avantageuse et permet d'obtenir une pluralité de pics sur une large plage
de fréquences comprise entre 500 et 1500Hz.
Un tel panneau acoustique permet d'obtenir une absorption
supérieure au panneau comportant les trois orifices, en particulier entre
600 et 1000 Hz. Une large plage de fréquence d'absorption, entre 500 et
1500 Hz, est obtenue.
Bien entendu, on pourra prévoir que le panneau acoustique
comprenne un nombre différent de trois ou cinq diamètres d'orifices
différents, par exemple deux, quatre ou plus de cinq.
De préférence, le panneau acoustique 1, 10 forme une structure
monolithique.
Par monolithique, on entend au sens de l'invention une structure
formée d'un seul bloc.
Comme cela a été développé ci-avant, les panneaux acoustiques 1,
10 selon l'invention permettent une absorption du bruit sur une large plage
de fréquence 600-1500 Hz, via de multiples pics d'absorption.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un
panneau acoustique 1, 10. Le procédé comprend une étape de fabrication
par fabrication additive. La fabrication additive a ainsi pour avantage de
pouvoir fabriquer un panneau acoustique, par exemple les panneaux
acoustiques 1 et 10, simplement et rapidement, en une seule étape.
De préférence, l'étape de fabrication par fabrication additive est
réalisée par la technique de dépôt de filament fondu dite Fused Filament
Date Reçue/Date Received 2020-06-23
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Fabrication, FFF , particulièrement adaptée à la réalisation d'une
structure complexe telle que décrite précédemment, comprenant des
structures 4 formées par des prismes droits à base triangulaire.
Par fabrication additive, on entend la fabrication d'une pièce par
dépôt ou consolidation successif des couches de matière.
Les éléments acoustiques sont donc réalisés en une seule opération,
et sont donc monolithiques.
Le panneau acoustique, fabriqué de préférence par fabrication
additive, peut comprendre au moins un matériau thermoplastique renforcé
et/ou au moins un matériau thermoplastique non renforcé.
Par matériau renforcé, on entend un matériau composite dans lequel
des charges viennent améliorer les propriétés, par exemple mécanique,
d'une matrice.
Selon un exemple, les première et deuxième peaux 2 et 3 d'un
panneau acoustique peuvent être réalisées en un matériau thermoplastique
renforcé, par exemple par des fibres de carbone, alors que simultanément,
les cavités sont réalisées en un matériau thermoplastique non renforcé. La
fabrication par fabrication additive d'un tel panneau acoustique peut être
réalisée en une seule opération, par un dispositif comprenant deux têtes
d'extrusion, de préférence par la technique de dépôt de filament fondu dite
Fused Filament Fabrication, FFF .
De préférence, le panneau acoustique est fabriqué en un matériau
polymère thermoplastique, par exemple le polyamide, ou en un matériau
composite à matrice polymère, particulièrement avantageux pour la
fabrication additive par dépôt de filament fondu et permettant à la fois de
renforcer et d'alléger la structure. Selon un exemple de réalisation, le
matériau composite à matrice polymère pourra comporter des charges de
fibres de carbone.
Le panneau acoustique combine ainsi tenue mécanique et capacité
d'absorption des bruits élevées.
Il est à noter que l'on pourra également prévoir que la réalisation
des différents orifices 8a, 8b, 9, lia et llb soit effectuée dans une seconde
étape, suivant l'étape de fabrication par fabrication additive du panneau
acoustique 1, 10, par un procédé mécanique.
Date Reçue/Date Received 2020-06-23
