Analyse du comportement vibroacoustique des parois multicouches composites dans les constructions

Le bruit est l’une des nuisances les plus citées quand il s’agit d’identifier les causes de gêne les plus répandues dans les secteurs de construction et de transport. Ce problème est plus fréquent avec la tendance à utiliser des matériaux légers mais plus rigides pour des raisons écologiques et économiques. Cette combinaison de masse légère et de haute rigidité donne naissance à une faible perte de transmission sonore sur une large bande de fréquence. En conséquence, la communauté scientifique est impliquée davantage dans la recherche des moyens de lutte contre le bruit et les nuisances sonores ainsi que la prédiction du comportement vibroacoustique des différentes configurations de façade, pare-brise, fuselage, etc., à l’aide des modèles théoriques et numériques sans avoir recours chaque fois à des mesures expérimentales coûteuses.

Une grande partie de recherche s’oriente vers le secteur du bâtiment, où les vitrages simples représentent un point faible d’un point de vue acoustique et thermique. Pour remédier à ce problème, les constructeurs utilisent les doubles vitrages et / ou les vitrages feuilletés. Un double vitrage apporte plus de confort acoustique qu’un vitrage simple. Cependant, son comportement vibroacoustique est plus compliqué et nécessite l’étude du phénomène de résonance au niveau des lames de verres et de la lame d’air qui introduit un couplage. Le vitrage feuilleté est un assemblage constitué d’au moins deux feuilles de verre, liées sur toute leur surface par un intercalaire souvent constitué d’un film plastique en butyral de polyvinyle (PVB). Ce vitrage, connu pour ses qualités de sécurité (risque de blessure limité en cas de bris, protection contre l’effraction, protection contre les armes à feu et les explosions, protection contre l’incendie …) améliore davantage la performance acoustique. L’analyse de son comportement vibroacoustique, nécessite l’étude des effets du cœur viscoélastique, qui atténue les vibrations et le bruit par une dissipation d’énergie due principalement au cisaillement transversal.

Analyse bibliographique

Approche analytique

La littérature scientifique est riche en études portant sur la modélisation du comportement vibroacoustique des parois à l’aide des approches analytiques ayant des conditions aux limites bien définies, et qui fournissent des résultats rapides et convenables pour des études paramétriques. Des modèles analytiques ont été développés pour étudier le cas des parois simples [Sewel, 1970 ; Quirt, 1928 ; Fahy, 1985 ; Kermen, 2005]. Ces modèles ont identifié les paramètres qui ont une influence sur l’indice d’affaiblissement sonore : la masse, l’angle d’incidence, les dimensions. En effet, la perte de transmission sonore s’améliore quand la masse de la paroi augmente. Cette perte diminue lorsque les dimensions de la paroi augmentent. L’indice d’affaiblissement varie aussi avec l’angle d’incidence de l’onde acoustique mesuré par rapport à la normale : il est faible pour une incidence rasante, puis s’améliore lorsque l’angle diminue. D’autres modèles sont aussi proposés pour étudier les systèmes constitués de deux parois séparées par une cavité acoustique. En effet, de nombreux auteurs ont étudié le comportement vibroacoustique des parois doubles et les paramètres qui l’influencent, à savoir : les parois, la cavité et l’angle d’incidence [Beranek et Work, 1949 ; London, 1950 ; White, 1966 ; Quirt, 1982 ; Fahy et Mason, 1988 ; Pan, 1998]. D’autres ont étudié l’influence des propriétés du fluide dans la cavité [Basten, 2001]. On trouve aussi plusieurs études comparatives avec les mesures expérimentales [Tadeu, 2004], afin de valider les modèles et d’identifier les éventuelles divergences. Les dimensions des parois ont été le but des recherches de plusieurs auteurs [Lu et Xin, 2014], ainsi que les conditions de fixation du système dans un baffle rigide infini en se basant sur des développements en séries de Fourrier.

Approche numérique

Les méthodes numériques sont largement utilisées dans l’analyse du comportement vibroacoustique des parois simples, doubles et multicouches à cœur viscoélastique. En effet, les approches numériques ont permis de traiter des problèmes compliqués sans limitation de conditions aux limites ou de formes géométriques. Les approches numériques sont nombreuses : (i) méthode des éléments finis (MEF), (ii) méthode des éléments de frontière « Boundary Element Method » (BEM), (iii) analyse statistique énergétique (ASE), etc. Le choix de la méthode numérique dépend essentiellement du temps de calcul et donc du coût de calcul et de la bande fréquentielle à traiter. Certains auteurs ont développé des modèles de prédiction pour la transmission sonore basés sur une méthode mixte : (i) MEF-équations intégrales [Bouihioui, 1993], et (ii) MEF-BEM [Sgard et al., 2000]. D’autres ont utilisé la méthode des éléments finis pour étudier le couplage élasto-poro-acoustique en introduisant une couche poreuse dans le système [Panneton, 1996]. L’analyse statistique énergétique est utilisée aussi pour calculer la perte de transmission sonore par le domaine des fréquences moyennes [Craik, 2003]. Le vitrage feuilleté fournit une meilleure isolation acoustique à l’aide de son cœur viscoélastique qui dissipe l’énergie de vibration principalement par cisaillement transversal. La modélisation dynamique d’un matériau viscoélastique est compliquée du fait que ses propriétés mécaniques dépendent de la fréquence et de la température. Plusieurs auteurs ont étudié le comportement dynamique des matériaux viscoélastiques [Alam et al., 1984 ; Rikards et al., 1993 ; Araújo et al., 2010 ; Bilasse et al., 2011 ; et Ferreira et al., 2013]. L’application de ces matériaux dans l’amélioration de la performance acoustique est récente et moins développée [Akrout et al., 2009].

Approche expérimentale

Les modèles numériques de n’importe quelle approche ne peuvent être utilisés qu’après validation, en les comparant aux mesures. La mesure de la transmission sonore est divisée en deux catégories : (i) solidienne, et (ii) aérienne. La transmission aérienne peut être évaluée par plusieurs méthodes : (i) chambre réverbérante, (ii) champ libre, et (iii) intensimétrie. Le choix de la méthode revient au problème étudié, surtout les paramètres pris en considération ainsi que le laboratoire et les équipements disponibles. Cependant, les résultats expérimentaux sont dispersés du fait des conditions du laboratoire et de mesure qui peuvent être très différentes. Pour normaliser ces résultats, la norme internationale ISO 140, « Acoustique – Mesurage de l’isolation acoustique des immeubles et des éléments de construction », a développé plusieurs documents qui précisent comment effectuer ces mesures pour garantir une standardisation des résultats.

Le mode opératoire de la mesure de la transparence acoustique est défini par les normes ISO 140-3, 1995 et ISO 140-1, 1997. Ces mesures supposent un champ diffus à l’émission. Les études réalisées sur 23 laboratoires européens présentées par [Fausti et al., 1999] montrent des écarts de plus ou moins 2,5 dB par rapport à la moyenne entre les laboratoires sur l’indice d’affaiblissement global malgré les directives très précises de la norme actuelle. Les courbes d’indice d’affaiblissement obtenues révèlent de fortes disparités sur toute la gamme de fréquence et non pas seulement en basses fréquences. Ainsi, les hypothèses liées au champ diffus ne sont pas toujours respectées et ne permettent donc pas de garantir la reproductibilité des mesures qui dépend des dimensions de la salle, la position de la source, la position de la paroi testée, etc.

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre 1. Introduction
1.1 Problématique et méthodologie
1.2 Analyse bibliographique
1.2.1 Approche analytique
1.2.2 Approche numérique
1.2.3 Approche expérimentale
1.3 Structure du document
Chapitre 2. Etude Analytique
2.1 Introduction
2.1.1 Etude bibliographique
2.1.2 Indicateurs acoustiques
2.1.3 Objectif
2.2 Transmission d’une onde à travers une paroi simple
2.2.1 Formulation analytique
2.2.2 Etude paramétrique
2.3 Transmission d’une onde à travers une paroi double
2.3.1 Introduction
2.3.2 Comportement physique d’une paroi double
2.3.3 Formulation analytique
2.3.4 Etude paramétrique
2.4 Conclusion
Chapitre 3. Etude numérique
3.1 Introduction
3.2 La formulation en éléments finis du problème couplé
3.2.1 Equations locales
3.2.2 Loi de comportement du cœur viscoélastique
3.2.3 Formulation variationnelle
3.3 Modèle réduit
3.3.1 Modes propres de la structure in vacuo
3.3.2 Modes propres de la cavité acoustique avec des parois rigides
3.3.3 Méthode de superposition modale
3.4 Indicateurs acoustiques
3.4.1 Puissance acoustique rayonnée
3.4.2 Perte de transmission sonore sous une incidence normale
3.5 Modèle éléments finis d’une plaque sandwich avec un cœur viscoélastique
3.5.1 Hypothèses cinématiques
3.5.2 Relations entre déformation et déplacement
3.5.3 Degrés de liberté et fonctions de forme
3.5.4 Matrices de masse et de rigidité élémentaires
3.6 Exemples numériques
3.6.1 Fréquences propres d’une plaque sandwich non amortie
3.6.2 Fréquences propres d’une plaque sandwich avec amortissement constant et complexe dans le cœur
3.6.3 La transmission sonore à travers une paroi double élastique
3.6.4 La transmission sonore à travers d’un double vitrage feuilleté
3.7 Conclusions
Chapitre 4. Etude expérimentale
4.1 Introduction
4.1.1 Etude bibliographique
4.1.2 Objectif
4.2 Description des essais
4.2.1 Mode opératoire et évaluation
4.2.2 Montage expérimental
4.3 Résultats des essais
4.3.1 Vitrage Simple d’épaisseur 6 mm
4.3.2 Double vitrage 6/12/6
4.3.3 Vitrage feuilleté 66.2 (PVB normal)
4.3.4 Vitrage feuilleté 66.2 (PVB silence)
4.3.5 Comparaisons des résultats
CONCLUSION

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