Matériaux poreux acoustiques - SFA

Matériaux poreux acoustiques :
quelques exemples d’applications
François-Xavier Bécot, Luc Jaouen
Matelys – Acoustique & Vibrations
Vaulx-en-Velin, France
Journées d’Etude sur les Milieux Poreux, 14-15 Mai 2009

Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Applications R&D : conception de matériaux
réduction des épaisseurs : gradient de propriétés
absorption et transmission : multi-échelles
optimisation vibro-acoustique : mousse auxétique
Applications industrielles : bâtiments
dalles de plafonds perforées
acoustique d’une salle aux parois non planes
Applications industrielles : encoffrement de machines
étude numérique FEM
validation expérimentale
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Applications R&D : conception matériaux
réduction des épaisseurs : gradient de propriétés
absorption et transmission : multi-échelles
optimisation vibro-acoustique : mousse auxétique
Applications industrielles : bâtiments
Applications industrielles : encoffrement de machines
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Réduction des épaisseurs
Comparaison mesures / calcul du coefficient d’absorption acoustique
après la procédure de caractérisation
Conditions d’ondes planes en incidence normale – épaisseur 16.3 mm
1
0.9
Matériau à gradient de
propriétés
Normal sound absorption coeff.
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
Simulation: FGM, 16.3 mm
0.1
Simulation: Melamine
Measurements: FGM
0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Frequency (Hz)
MATELYS−AcV
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Applications R&D : conception matériaux
réduction des épaisseurs : gradient de propriétés
absorption et transmission : multi-échelles
optimisation vibro-acoustique : mousse auxétique
Applications industrielles : bâtiments
Applications industrielles : encoffrement de machines
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Matériaux poreux composites (1/2)
Matériaux poreux composite Vs. simple et double porosité
Conditions d’ondes planes incidence normale – ép. 20 mm
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Matériaux poreux composites (1/2)
Matériaux poreux composite Vs. simple et double porosité
Conditions d’ondes planes incidence normale – ép. 20 mm
Coefficient d’absorption α
Affaiblissement TL
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Matériaux poreux composites (1/2)
Matériaux poreux composite Vs. simple et double porosité
Conditions d’ondes planes incidence normale – ép. 20 mm
Coefficient d’absorption α
Affaiblissement TL
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Matériaux poreux composites (1/2)
Matériaux poreux composite Vs. simple et double porosité
Conditions d’ondes planes incidence normale – ép. 20 mm
Coefficient d’absorption α
Affaiblissement TL
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Matériaux poreux composites (2/2)
Matériaux poreux composite Vs. simple et double porosité
Conditions d’ondes planes incidence normale – ép. 20 mm
Protection par
un film imperméable
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Matériaux poreux composites (2/2)
Matériaux poreux composite Vs. simple et double porosité
Conditions d’ondes planes incidence normale – ép. 20 mm
Protection par
un film imperméable
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Applications R&D : conception matériaux
réduction des épaisseurs : gradient de propriétés
absorption et transmission : multi-échelles
optimisation vibro-acoustique : mousse auxétique
Applications industrielles : bâtiments
Applications industrielles : encoffrement de machines
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Mousses auxétiques (1/2)
Principe (cf.
Rod Lakes)
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Mousses auxétiques (2/2)
Comparaison sur mesures au tube d’impédance
Non-auxétique, ép. 22 mm
Auxétique, ép. 26 mm
Sound absorption coefficient α
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
Sample 1, face a
Sample 2, face a
Sample 2, face b
0
0 1000 2000 3000 4000 5000
Frequency (Hz)
MATELYS−AcV / Jul08
Sound absorption coefficient α
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
Sample 1, face a
Sample 1, face b
0
0 1000 2000 3000 4000 5000
Frequency (Hz)
MATELYS−AcV / Jul08
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Applications R&D : conception matériaux
Applications industrielles : bâtiments
dalles de plafond perforées
acoustique d’une salle aux parois non planes
Applications industrielles : encoffrement de machines
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Correction acoustique
But : réduire la réverbération d’un local
Stratégie : augmenter l’absorption dans le local
+ contraintes de construction et d’aspect, absorption basses fréquences
↩! utilisation de plafonds suspendus
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Correction acoustique
But : réduire la réverbération d’un local
Stratégie : augmenter l’absorption dans le local
+ contraintes de construction et d’aspect, absorption basses fréquences
↩! utilisation de plafonds suspendus
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Géométrie du système
Multi-couches, champ diffus
Deux échelles de porosité
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Géométrie du système
Multi-couches, champ diffus
Deux échelles de porosité
l p mm et l m µm
) l m /l p 10 −3
) interaction acoustique entre les deux réseaux de pores
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Modélisation double porosité
,
⊕
Dissipation
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Modélisation double porosité
,
⊕
Dissipation
Visco-intertielle ˜ρ dp = η/jω ˜Π dp
˜Πm ˜Πp
˜Π dp = (1 − φ p ) ˜Π m + ˜Π p théorie poreux formes régulières
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Modélisation double porosité
,
⊕
Dissipation
Visco-intertielle ˜ρ dp = η/jω ˜Π dp
˜Πm ˜Πp
˜Π dp = (1 − φ p ) ˜Π m + ˜Π p théorie poreux formes régulières
Thermique ˜Kdp ˜Km ˜Kp
˜K dp f o of ˜Km and ˜K p théorie poreux cylindres
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Modélisation double porosité
,
⊕
Dissipation
Visco-intertielle ˜ρ dp = η/jω ˜Π dp
˜Πm ˜Πp
˜Π dp = (1 − φ p ) ˜Π m + ˜Π p théorie poreux formes régulières
Thermique ˜Kdp ˜Km ˜Kp
˜K dp f o of ˜Km and ˜K p théorie poreux cylindres
Couplage diffusion de pression entre les 2 réseaux : F d (ω) (Olny-Boutin JASA 2003)
˜Z c (ω) =
√
˜ρ dp ˜Kdp , ˜k
√
c (ω) =ω ˜ρ dp / ˜K dp
) Z = −j ˜Z c cot(˜k c d) (rigid backing) ) α =1−j(Z − ρ 0 c 0 )/(Z + ρ 0 c 0 )j 2
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Validations expérimentales
Champ diffus acoustique, mesures selon ISO 354
Sound absorption coefficient α
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
Perf. circulaires irrégulières φ p =9%
Measurements
Simple porosity model
Double porosity model
0
0 1000 2000 3000 4000 5000
Frequency (Hz)
MATELYS−AcV / ENTPE−DGCB
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Validations expérimentales
Champ diffus acoustique, mesures selon ISO 354
Sound absorption coefficient α
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
Perf. circulaires irrégulières φ p =9%
Measurements
Simple porosity model
Double porosity model
0
0 1000 2000 3000 4000 5000
Frequency (Hz)
MATELYS−AcV / ENTPE−DGCB
bonne correspondance à toutes les fréquences, pour différentes formes de perforations
) Modèle analytique, échantillons testés =46 mm
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Applications R&D : conception matériaux
Applications industrielles : bâtiments
dalles de plafond perforées
acoustique d’une salle aux parois non planes
Applications industrielles : encoffrement de machines
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Problématique
Pourquoi ?
↩! optimisation des matériaux
↩! localisation d’effets particuliers
Comparaison de 2 approches
↩! FE / BE
↩! analytique
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Problématique
Pourquoi ?
↩! optimisation des matériaux
↩! localisation d’effets particuliers
Comparaison de 2 approches
↩! FE / BE
↩! analytique
↩! mesures au tube d’impédance ENTPE
↩! mesures dans la salle anéchoïque du LMA
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Modèle numérique
FE pour milieux poreux
BE pour rayonnement
géométrie complexe, arêtes, différentes échelles
conditions aux limites complexes, modélisation fine
temps de calcul, tailles des modèles, conditionnement des matrices
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Modèle analytique (1/3)
Description du modèle
sélectionner un dièdre
stratification
convergence du modèle
adapter le motif élementaire
faire apparaître les perforations
pour le milieu à double porosité
calculer φ meso pour chaque couche
inclure des effets inertiels
Représentation géométrique
Measurements
in impedance tube
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Modèle analytique (2/3)
Description du modèle
sélectionner un dièdre
stratification
convergence du modèle
adapter le motif élementaire
faire apparaître les perforations
pour le milieu à double porosité
calculer φ meso pour chaque couche
inclure des effets inertiels
Représentation géométrique
Modeling
of impedance tube
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Modèle analytique (3/3)
Description du modèle
sélectionner un dièdre
stratification
convergence du modèle
adapter le motif élementaire
faire apparaître les perforations
pour le milieu à double porosité
calculer φ meso pour chaque couche
inclure des effets inertiels
Représentation géométrique
Φ p
= 0,90
Φ p
= 0,70
Φ p
= 0,50
Φ p
= 0,30
Modeling
of a double porosity medium
Φ p
= 0,10
Φ p
= 0,00
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Comparaisons des modèles
FE / BE Vs. modèle à double porosité
Sound absorption coefficient α
1
0.95
0.9
0.85
0.8
0.75
0.7
0.65
0.6
0.55
measurements
FE/FMBE: Biot
FE/FMBE: rigid still
Double poro: limp
Double poro: rigid still
0.5
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Frequency (Hz)
Reproduction des conditions de montage / conditions limites
Bonne correspondance pour les deux approches
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Méthode des sources images
Méthode des Sources Images pour le champ de pression dans la salle
p(r) = A ejkr 1
+ A Q s (r2) ejkr 2
r 1 r 2
Q s = R p (1 − R p )F (w) : spherical reflection coefficient
Z−position (m)
5.4
4
2
0
: source réelle
: source 1-réflexion
: source 2-réflexions
−position (m)
6.3 420
0 2 4 6 8 1011.4
X−position (m)
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Méthode des sources images
Méthode des Sources Images pour le champ de pression dans la salle
p(r) = A ejkr 1
+ A Q s (r2) ejkr 2
r 1 r 2
Q s = R p (1 − R p )F (w) : spherical reflection coefficient
Z−position (m)
5.4
4
2
0
: source réelle
: source 1-réflexion
: source 2-réflexions
−position (m)
6.3 420
0 2 4 6 8 1011.4
X−position (m)
réaction localisée des parois
information sur l’amplitude & phase
adapté pour fort amortissement ) peu de réflexions
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Comparaison mesures / simulations
Prédiction de la zone dite de “champ libre”
Mesures
Calculs
9.6
1− + 2− reflections sources
Position on the line (m)
8
6
4
2
1.4
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Frequency (Hz)
Rapport coût des calculs / correspondance satisfaisante
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Applications R&D : conception matériaux
Applications industrielles : bâtiments
Applications industrielles : encoffrement de machines
étude numérique FEM
validation expérimentale
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Problématique
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Problématique
But : réduire les émissions sonores d’une source encoffrée
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Problématique
But : réduire les émissions sonores d’une source encoffrée
Stratégie : traitement passif basé sur matériau poreux hétérogène
↩! augmenter l’absorption
↩! contrôler la transmission
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Approche F.E.M. ) f 2 [0 − 600] Hz
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Géométrie du système
Système couplé composé de
plaque simplement supportée
dans un baffle infini
dim=0.78m0.85m
Approche F.E.M. ) f 2 [0 − 600] Hz
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Géométrie du système
Système couplé composé de
plaque simplement supportée
dans un baffle infini
dim=0.78m0.85m
cavité aux parois rigides
profondeur=0.6 m
Approche F.E.M. ) f 2 [0 − 600] Hz
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Géométrie du système
Système couplé composé de
plaque simplement supportée
dans un baffle infini
dim=0.78m0.85m
cavité aux parois rigides
profondeur=0.6 m
traitement absorbant
Approche F.E.M. ) f 2 [0 − 600] Hz
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Géométrie du système
Système couplé composé de
plaque simplement supportée
dans un baffle infini
dim=0.78m0.85m
cavité aux parois rigides
profondeur=0.6 m
traitement absorbant
source ponctuelle
en (0,0,0)
Approche F.E.M. ) f 2 [0 − 600] Hz
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Traitement partiel d’une paroi
∆W = W partiel − W entier : ∆W >0 ) détérioration
Couverture à 83 %
Couverture à 54 %
10
8
Center
Corner
Random
10
8
Center
Corner
Random
W rad
(partial) − W rad
(entire)
6
4
2
0
W rad
(partial) − W rad
(entire)
6
4
2
0
−2
−2
−4
0 100 200 300 400 500
Frequency (Hz)
−4
0 100 200 300 400 500
Frequency (Hz)
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Traitement partiel d’une paroi
∆W = W partiel − W entier : ∆W >0 ) détérioration
Couverture à 83 %
Couverture à 54 %
10
8
Center
Corner
Random
10
8
Center
Corner
Random
W rad
(partial) − W rad
(entire)
6
4
2
0
W rad
(partial) − W rad
(entire)
6
4
2
0
−2
−2
−4
0 100 200 300 400 500
Frequency (Hz)
−4
0 100 200 300 400 500
Frequency (Hz)
! distribution aléatoire plus efficace
! réduction du poids possible ?
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Traitement de 2 parois (1/2)
Comparaison simple Vs. double porosité
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Traitement de 2 parois (1/2)
Comparaison simple Vs. double porosité
I
2
1
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Traitement de 2 parois (1/2)
Comparaison simple Vs. double porosité
II
I
2
1
3
F.-X. Bécot – fxb@matelys.com – http://www.matelys.com Journées d’étude Poreux, 14-15 Mai 2009 : 33

Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Traitement de 2 parois (1/2)
Comparaison simple Vs. double porosité
II
I
2
1
3
5
I I
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Traitement de 2 parois (2/2)
Simple porosité
Radiated power (dB ref 1e−12 W)
120
115
110
105
100
95
90
85
80
No treatment
side & top
side & side
side & front
75
70
0 100 200 300 400 500
Frequency (Hz)
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Traitement de 2 parois (2/2)
Simple porosité
Double porosité
Radiated power (dB ref 1e−12 W)
120
115
110
105
100
95
90
85
80
No treatment
side & top
side & side
side & front
Radiated power (dB ref 1e−12 W)
120
115
110
105
100
95
90
85
80
No treatment
side & top
side & side
side & front
75
75
70
0 100 200 300 400 500
Frequency (Hz)
70
0 100 200 300 400 500
Frequency (Hz)
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Traitement de 2 parois (2/2)
Simple porosité
Double porosité
Radiated power (dB ref 1e−12 W)
120
115
110
105
100
95
90
85
80
No treatment
side & top
side & side
side & front
Radiated power (dB ref 1e−12 W)
120
115
110
105
100
95
90
85
80
No treatment
side & top
side & side
side & front
75
75
70
0 100 200 300 400 500
Frequency (Hz)
70
0 100 200 300 400 500
Frequency (Hz)
! réduction supérieure avec double porosité pour toutes les combinaisons
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Traitement de 2 parois (2/2)
Simple porosité
Radiated power (dB ref 1e−12 W)
120
115
110
105
100
95
90
85
80
75
No treatment
side & top
side & side
side & front
top double poro
) la qualité plutôt que la quantité !
70
0 100 200 300 400 500
Frequency (Hz)
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Applications R&D : conception de matériaux
Applications industrielles : bâtiments
Applications industrielles : encoffrement de machines
étude numérique FEM
validation expérimentale
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Montage général
résultats numériques confirmés par mesures expérimentales
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Aspects modélisation
modèles robustes
permettent un degré de compléxification intéressant
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Aspects modélisation
modèles robustes
permettent un degré de compléxification intéressant
Aspects validation
conditions de laboratoire correctement reproduites
modèles lourds pour systèmes de grandes dimensions
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Aspects modélisation
modèles robustes
permettent un degré de compléxification intéressant
Aspects validation
conditions de laboratoire correctement reproduites
modèles lourds pour systèmes de grandes dimensions
Perspectives
- implication des donneurs d’ordre et des fabricants
- faire mieux avec moins de matériaux
- matériaux à faible impact écologique
- toujours besoin de recherches !
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Montage matériaux
Traitement partie d’une paroi – mousse agglomérat (ép. 45 mm)
Traitement 1 paroi à 50% Traitement 2 parois à 100 %
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Bilan trait. des parois
Bilan des deux types de traitement
Niveaux relatifs au trait. partiel
Comparaison 1 paroi Vs. 2 paroi
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Bilan trait. des parois
Bilan des deux types de traitement
Niveaux relatifs au trait. partiel
Comparaison 1 paroi Vs. 2 paroi
! Validation des pistes d’optimisation
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Traitement de la plaque
Traitement de la plaque, influence des conditions de montage
dimension 0.780.850.6m 3
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Traitement de la plaque
Traitement de la plaque, influence des conditions de montage
dimension 0.780.850.6m 3
P
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Simple porosité sur plaque
Comparaison conditions de montage “collé” Vs. “décollé”
Matériaux RW, ép. 80 mm, simple porosité
Montage experimental
Radiated power (dB ref 1e−12 W)
120
110
100
90
80
70
60
50
Puissance rayonnée
meas rigid
meas plate UB
meas plate B
100 200 300 400 500 600
Frequency (Hz)
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Simple porosité sur plaque
Comparaison conditions de montage “collé” Vs. “décollé”
Matériaux RW, ép. 80 mm, simple porosité
Montage experimental
Radiated power (dB ref 1e−12 W)
120
110
100
90
80
70
60
50
Puissance rayonnée
meas rigid
meas plate UB
meas plate B
100 200 300 400 500 600
Frequency (Hz)
Tendances numériques sont confirmées
Interprétation physique est validée
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Double porosité sur plaque
Simple poro
Traitement de la plaque avec 2 matériaux à double porosité
Matériaux RW, ép. 240mm = 80 mm
Double poro entire
Double poro half
plaque
matériau
cavité
Radiated power (dB ref 1e−12 W)
140
130
120
110
100
90
80
70
Puissance rayonnée
rigid
simple poro
double poro entire
double poro half
60
100 200 300 400 500 600
Frequency (Hz)
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Introduction Applications R&D Applications Bâtiments Applications Industrielles Discussion
Double porosité sur plaque
Simple poro
Traitement de la plaque avec 2 matériaux à double porosité
Matériaux RW, ép. 240mm = 80 mm
Double poro entire
Double poro half
plaque
matériau
cavité
Radiated power (dB ref 1e−12 W)
140
130
120
110
100
90
80
70
Puissance rayonnée
rigid
simple poro
double poro entire
double poro half
60
100 200 300 400 500 600
Frequency (Hz)
Transmission au travers des perforations gouvernent l’efficacité
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