Outils de conception pour barrières acoustiques multicouches

Le bruit peut avoir des conséquences néfastes sur le confort et la santé. Lors de la conception d'un système mécanique, des efforts sont faits pour en réduire le niveau. Les barrières acoustiques peuvent être utilisées pour résoudre ces problèmes de bruit, en bloquant les ondes sonores (phénomène de perte par transmission) ou en les dissipant (phénomène d'absorption). Lorsqu'un seul matériau n'est pas suffisant pour répondre aux besoins d'un problème acoustique, on utilise des barrières acoustiques multicouches. L'assemblage de plusieurs couches permet d'atteindre des propriétés plus intéressantes que les constituants seuls. La conception d'une barrière acoustique multicouche découle de plusieurs choix sur les matériaux utilisés, le nombre de couches, leur agencement, etc. Ces choix ne sont pas évidents, car les propriétés d'une structure multicouche ne sont pas une simple addition des propriétés de chaque couche. De plus, dans l'industrie, le concepteur n'a souvent à sa disposition qu'un nombre limité de matériaux et d'épaisseurs de couches, à partir duquel de nombreuses séquences de couches sont possibles. Ce projet de maîtrise propose des outils et méthodologies pour la conception des barrières acoustiques multicouches. Le présent travail a été réalisé en trois axes. Tout d'abord, des échantillons de structures monocouches et multicouches ont été caractérisés expérimentalement, ce qui a permis d'établir des premières tendances ainsi que d'acquérir des propriétés de matériaux nécessaires dans la suite du projet. Puis des outils ont été développés afin de comparer et d'améliorer les performances acoustiques de barrières données, au cas par cas. Enfin, une base de données et un outil de conception ont été développés pour aborder la conception généralisée des barrières multicouches. La caractérisation expérimentale a été réalisée avec un tube de Kundt. Les mesures ont permis de comparer les performances des différents échantillons, et d'observer des premières tendances de conception. Les propriétés de deux matériaux poreux ont été obtenues, et ont été complétées par des données issues de la littérature. Deux outils de conception au cas par cas ont été développés. Le premier permet de comparer visuellement les performances de différentes barrières et de choisir une solution à un problème acoustique donné. Le deuxième outil permet de visualiser sous la forme de surfaces l'effet de la variation de certaines épaisseurs de couches sur les performances d'une structure multicouche donnée, et permet donc de rechercher des améliorations à une barrière existante. Les performances sont prédites à l'aide d'un programme interne du laboratoire, basé sur la méthode des matrices de transfert.

Abstract

Noise can negatively impact well-being and health. At the early stage of design, efforts are made to reduce noise levels. Acoustic packages can effectively solve noise problems, by blocking sound waves (transmission loss phenomenon) or by dissipation (absorption phenomenon). When a single monolithic material is not sufficient to meet the needs of an acoustical problem, multilayer acoustic packages are used. The combination of several layers can lead to better properties than their individual components. The design of a multilayer acoustic package is the result of choices on materials, number of layers, layout, etc. These choices are not obvious, because the properties of the whole multilayer structure are not a simple sum of layer properties. Moreover, in industrial applications, design is often limited to a given set of available materials and layer thicknesses, from which many combinations are possible. This project presents tools and methodologies for the design of multilayer acoustic packages. The present work is organized in three axes. First, samples of both single layer and multilayer structures were experimentally characterized. This allowed establishing trends along with acquiring material properties which are needed later in the project. Then, tools were developed to compare and enhance acoustic performances of given packages. Finally, a database was created as well as a design tool to handle the generalized design of multilayer acoustic packages. Experimental characterization was performed with a Kundt's tube. Measurements allowed comparing performance of several samples and observing first design trends. Properties of two porous samples were identified, and completed with data from literature. Two case by case design tools were developed. The first tool allows comparing visually the performance of several acoustic packages, in order to select a solution to a given acoustic problem. The second tool shows the effect of layer thicknesses on the performance of a given multilayer package through 3D surface visualization, which allows improving an existing package. Acoustic package performance is predicted by an in-house software, based on the transfer matrix method. After this case by case study, tools were developed to visualize performance for a high number of multilayer structures. By taking into account an existing inventory of available materials with given thicknesses, a database is pre-computed, allowing a designer to access all possible solutions with no extra computation time. A design tool was developed, taking advantage of this database. For selected performance parameters, it displays a map of “better solutions”, allowing a designer to make a choice based on a trade-off between objectives.