Att´ enuation acoustique

La porosit´e ouverte ainsi que la tortuosit´e des empilements de sph`eres creuses font de ce

ma-t´eriau un bon absorbant acoustique. Gasser a ´etudi´e, lors de sa th`ese `a l’ONERA, les propri´et´es

acoustiques d’empilements de sph`eres creuses ordonn´ees selon un r´eseau cubique `a face centr´e [3,73]

avec pour application la conception et l’optimisation d’absorbants sonores passifs pour les conduits

chauds de turbor´eacteurs [1]. Il a montr´e que la forme g´en´erale de la courbe du coefficient

d’absorp-tion en foncd’absorp-tion de la fr´equence comporte un ou deux pics, comme illustr´e sur la figure II.7.

Fig. II.7 :Coefficient d’absorption acoustique d’un empilement CFC de sph`eres creuses (a) sph`eres de 1

mm de rayon et diff´erentes tailles de l’empilement (b) empilement de 2 cm et diff´erents rayons

de sph`eres. Extrait de [74].

Ces pics correspondent `a un ph´enom`ene de r´esonance et apparaissent quand la taille de

l’empile-ment atteint un quart de la longueur d’onde incidente. Ainsi la taille de la structure permet de r´egler

la fr´equence absorb´ee (figure II.7 (a)) alors que le rayon des sph`eres influe sur la largeur et

l’am-plitude du pic d’absorption (figure II.7 (b)). Le mat´eriau peut alors ˆetre optimis´e pour l’absorption

d’un spectre de fr´equences particulier. Pour un spectre localis´e autour d’une fr´equence sp´ecifique

il s’agit de choisir l’´epaisseur de la structure qui donne un pic d’absorption co¨ıncidant avec cette

fr´equence et une taille de sph`ere donnant la plus grande amplitude d’absorption. Dans le cas d’un

spectre plus large il faut choisir des sph`eres de plus petite taille afin d’´etaler le pic d’absorption.

Pour des empilements cubiques `a face centr´ees, de porosit´e ouverte et tortuosit´e constante, le choix

ad´equat de la taille des sph`eres et de l’´epaisseur de l’empilement permet donc d’adapter l’absorption

acoustique du mat´eriau. La pr´esence d’un pic d’absorption indique que ce mat´eriau est

particuli`e-rement performant pour l’att´enuation d’un spectre localis´e autour d’une fr´equence particuli`ere.

G¨ohler et al.[75] ont ´etudi´e les propri´et´es d’absorption acoustique d’empilements al´eatoires de

sph`eres creuses. Ils ont compar´e le coefficient d’absorption d’empilements de trois tailles de sph`eres

(diam`etre 1 mm, 2.5 mm et 7 mm) de densit´e respective 0.39, 0.37 et 0.57 g/cm

repr´esent´ees

sur la figure II.8(a), avec du _«basalan_» une laine min´erale utilis´ee dans l’industrie automobile.

Ils retrouvent l’existence d’un pic d’absorption pour les empilements de sph`eres creuses ainsi que

l’influence de la taille des sph`eres sur la largeur de ce pic, celui-ci ´etant plus fin pour des sph`eres de

diam`etre 7mmet plus ´etal´e pour des sph`eres de 1 mmcomme le montre la figure II.8(b).

Fig. II.8 : (a) ´Echantillons cylindriques utilis´es pour les essais d’absorption acoustique. (b) Comparaison du

taux d’absorption en fonction de la fr´equence pour les 3 ´echantillons de sph`eres creuses et pour

le basalan. Extrait de [75].

Une ´etude industrielle sur l’absorption de bruit dans les tuyaux d’´echappement de gaz de

com-bustion dans l’industrie automobile a ´et´e men´ee parStephaniet al.[69]. Ils ont r´ealis´e un prototype

de silencieux constitu´e d’empilements al´eatoires de sph`eres creuses en acier inoxydable de diam`etre

2.8 mmet de densit´e 0.3g/cm

. Il est repr´esent´e sur la figure II.9.

Fig. II.9 : Prototype de silencieux pour tuyau d’´echappement `a base d’empilements de sph`eres creuses en

acier inoxydable. Extrait de [69].

Ce silencieux a ´et´e test´e en conditions r´eelles d’utilisation sur un moteur BMW 2.4 TDI et a

montr´e une r´eduction de bruit consid´erable pour des r´egimes moteurs inf´erieurs `a 1500 tours par

minute. Notons que pour cette ´etude une seule taille de sph`ere a ´et´e utilis´ee. Il serait int´eressant

d’effectuer le mˆeme type d’essai avec des sph`eres de diff´erents diam`etres afin d’observer la diff´erence

d’absorption obtenue.

Il est important de rappeler que la porosit´e ouverte et la tortuosit´e sont deux param`etres

signi-ficatifs pour les propri´et´es acoustiques des mat´eriaux cellulaires. Avec des empilements de sph`eres

il est possible de faire varier ces param`etres en jouant sur la densit´e de l’empilement. Cependant

`a l’heure actuelle aucune ´etude ne portant sur l’influence de la densit´e d’empilement sur

l’absorp-tion acoustique n’existe dans la litt´erature. Dans le cadre du projet MAPO `a l’ONERA des essais

pr´eliminaires ont ´et´e r´ealis´es en tube `a imp´edance sur des empilements de diff´erentes densit´es.

1.4 Synth`ese

Grˆace `a leur porosit´e mixte les empilements de sph`eres creuses cumulent les avantages des

mousses ouvertes et ferm´ees. Ils poss`edent ainsi toutes les (nombreuses) propri´et´es int´eressantes

des mat´eriaux cellulaires qui conf`erent un caract`ere fortement multifonctionnel aux empilements

de sph`eres creuses. Toutes ces propri´et´es peuvent trouver des applications dans de nombreux

do-maines comme par exemple l’industrie automobile, a´eronautique/a´erospatiale, navale, ferroviaire,

construction, bˆatiment, machine-outils, ´equipements sportifs, biom´edical, extraction p´etroli`ere,

´elec-trochimie, architecture, art et d´ecoration.

2 Proc´ed´es d’´elaboration des empilements

Il existe plusieurs moyens de fabriquer des sph`eres creuses et les proc´ed´es diff`erent selon le

mat´eriau constitutif. Nous ne pr´esenterons dans cette partie que les proc´ed´es d’´elaboration relatifs

`

a la fabrication de sph`eres creuses m´etalliques. Pour la r´ealisation de sph`eres creuses c´eramiques

nous vous invitons `a consulter l’ouvrage de r´ef´erenceCellular Ceramics [49].

2.1 Sph`eres creuses individuelles

Le proc´ed´e d’´elaboration doit permettre de contrˆoler tr`es pr´ecis´ement la g´eom´etrie des sph`eres

creuses, en particulier leur rayon et leur ´epaisseur, afin d’obtenirin fine un mat´eriau `a la structure

cellulaire tr`es r´eguli`ere, sans imperfection. En pratique aucune technique ne permet de fabriquer

des sph`eres creuses aux dimensions parfaitement constantes et une distribution de taille, plus ou

moins large, existe toujours. Il s’agit alors de minimiser cette distribution et de savoir la quantifier.

De plus tous les proc´ed´es n’ont pas un rendement de fabrication int´eressant et ne permettent pas

une production `a l’´echelle industrielle. De mˆeme les coˆuts de fabrication par sph`ere peuvent varier

fortement.

Cette partie pr´esente les diff´erents proc´ed´es d’´elaboration de sph`eres creuses m´etalliques, synth´etis´es

dans les ouvrages deBanhart [5] et deAshby [9].

1) Atomisation

Cette m´ethode se base sur la technique de fabrication de poudres m´etalliques sph´eriques par

atomisation d’un m´etal en fusion par un gaz inerte [76,77]. Le principe de l’atomisation des m´etaux

et alliages consiste `a fondre le mat´eriau de base dans un creuset. Le bain de m´etal en fusion s’´ecoule

alors `a travers une buse vers la chambre d’atomisation o`u le filet de mati`ere est bris´e en fines

gouttelettes par des jets de gaz inerte. Ces gouttelettes se solidifient par ´echange convectif au cours

de leur d´eplacement dans la chambre d’atomisation sch´ematis´ee sur la figure II.10. On forme ainsi

des particules sph´eriques qui sont collect´ees dans un r´eceptacle au bas de la tour d’atomisation.

Le spectre granulom´etrique produit est relativement large, et on observe tr`es souvent une petite

fraction, entre 1 et 5 %, de poudres de grande taille, diam`etre de 0.5 `a 1mm, qui sont creuses avec

une densit´e relative de l’ordre de 0.1.

Fig. II.10 : Sch´ema de principe du proc´ed´e d’atomisation pour la fabrication de poudres m´etalliques. Extrait

de [78].

Ainsi, en adaptant les param`etres du proc´ed´e, il est possible de produire des sph`eres creuses

de taille et d’´epaisseur variables dans des tonnages importants, de l’ordre de plusieurs dizaines de

kilogrammes par heure. L’adaptation de ce proc´ed´e d’atomisation `a la fabrication de sph`eres creuses

est encore `a d´evelopper pour une bonne maitrise de la production mais il s’av`ere ˆetre un bon moyen

de fabrication `a grande ´echelle.