Les trous noirs acoustiques comme pièges à bruit dans les structures en bois

Isolation acoustique intelligente : Calculs de la vibration des panneaux de bois avec “trous noirs”. Crédit : Empa

Des recherches sont en cours à l’Empa sur une première mondiale dans l’isolation acoustique des bâtiments en bois. À partir d’une théorie physique des années 1990 et des outils de numérisation, une équipe de recherche a mis au point de nouveaux éléments de plancher constitués de panneaux de bois massif présentant des trous noirs dits acoustiques. L’idée est venue de Stefan Schoenwald, responsable du laboratoire Acoustique du bâtiment de l’Empa à Dübendorf. Il a rencontré la théorie des trous noirs acoustiques à plusieurs reprises lors de conférences et dans des publications scientifiques depuis sa première publication en 1987. Selon le scientifique russe MA Mironov de l’Institut d’acoustique Andreyev à Moscou, un évidement parabolique dans un matériau peut absorber des vibrations comme sonnez et laissez-les résonner — en d’autres termes, avalez-les. Les trous noirs acoustiques ont déjà été utilisés dans les voitures et les avions, où leur effet réducteur de bruit a en effet été confirmé.

Cependant, les fabriquer avec des matériaux très fins et durs n’est pas facile. Ni dans la construction en bois ni dans l’acoustique du bâtiment, des expériences avec les cavités de Mironov n’ont jamais eu lieu. Ceci est maintenant changé par le directeur du laboratoire Stefan Schoenwald avec son collègue Sven Vallely. Les deux chercheurs veulent utiliser de nouveaux éléments de panneaux en bois lamellé-croisé pour améliorer l’isolation contre les bruits d’impact dans la construction en bois.

Tout comme il existe des ondes sonores dans l’air, il existe des ondes sonores dans les matériaux, appelées ondes sonores transmises par la structure. “Lorsque vous frappez un sol, c’est comme jeter une pierre dans un étang : les ondes sonores se propagent dans toutes les directions dans le matériau”, explique Schoenwald. Lorsqu’une dépression lenticulaire est usinée dans le matériau selon une fonction mathématique spécifique, les ondes sonores se propagent dans cette zone. Dans le processus, les amplitudes continuent de s’amplifier, tandis que les longueurs d’onde des oscillations diminuent. “Si vous pouviez rendre les plaques infiniment minces dans la zone de ces dépressions, alors les ondes sonores s’éteindraient en fait d’elles-mêmes dans ces” trous noirs “, donc rien ne sortirait de l’objectif”, a déclaré Schoenwald. Cependant, il était douteux que l’effet de réduction du son se produise également avec une profondeur limitée de l’évidement – car “des épaisseurs de matériau infiniment minces”, comme l’exigerait la théorie mathématique, ne sont pas réalisables en pratique.

La dernière technologie informatique permet

L’idée d’expérimenter des trous noirs acoustiques dans des structures en bois est venue à Stefan Schoenwald alors qu’il travaillait. Il a demandé à son collègue Vallely de simuler et de calculer l’effet de réduction sonore sur l’ordinateur. Afin d’éliminer les soucis statiques, Andrea Frangi, expert en construction en bois à l’ETH Zurich, a été sollicité pour son évaluation. Non seulement ses commentaires étaient prometteurs, mais la modélisation informatique de la réduction du son l’était aussi. Schoenwald a donc commandé un prototype et un panneau de commande normal faits du même matériau à l’entreprise de construction en bois Strüby AG à Seewen. À l’aide d’une machine à commande numérique, le spécialiste de la construction en bois Alex Bellmont a fraisé le creux lenticulaire d’un panneau de bois lamellé-croisé avec une précision dimensionnelle. “Une commande comme celle-ci n’est pas très difficile, mais c’est d’autant plus excitant pour elle”, explique le machiniste, “je n’ai jamais fait quelque chose qui a ensuite été recherché.”

Les deux plaques, l’une avec, l’autre sans trous noirs acoustiques, ont été soumises à une analyse vibratoire à l’Empa. Dans cette mesure, le son est conduit dans le corps d’épreuve sous forme de vibration sur l’ensemble du spectre sonore pertinent. Un laser mesure la vibration des panneaux d’essai selon un quadrillage en plusieurs points. Les valeurs mesurées peuvent ensuite être utilisées pour calculer comment la vibration se déplace à travers la plaque – et si les bosses fraisées “captent” réellement le son et le font se dissiper sous forme de chaleur.

Meilleure performance d’isolation avec moins de poids

Il y a dix ans, une telle série d’expériences n’aurait pas été réalisable. Même la modélisation de la vibration d’une petite plage de bande passante était une dissertation en termes d’effort de calcul. Aujourd’hui, Schoenwald et Vallely calculent l’ensemble du spectre acoustique en un après-midi et rendent les vibrations immédiatement visibles sous forme de visualisation. Le but de l’expérience est d’examiner si les résultats simulés correspondent aux valeurs mesurées. Après tout, si le modèle informatique correspond à la réalité, tous les paramètres possibles peuvent être modifiés sur l’ordinateur presque gratuitement, sans avoir à faire une nouvelle plaque de test à chaque fois. De cette manière, la réduction acoustique peut être calculée pour des éléments en bois partout dans le monde sans expérimentations chronophages. Cela signifie que l’insonorisation peut être optimisée pour les éléments en bois de toutes les tailles et géométries possibles sans expérimentation fastidieuse.

Résultat des tests : Les valeurs mesurées concordent très bien avec le calcul du modèle. Stefan Schoenwald est très satisfait d’un écart d’environ 5 % seulement. Cet écart s’explique par la production des planches et la variation naturelle du bois, ajoute Vallely. Les prochains tests avec les panneaux d’essai fabriqués à Seewen vont maintenant suivre : “Nous travaillons actuellement sur les mesures de bruit d’impact, que nous effectuons conformément aux spécifications des normes internationales. La prochaine étape consiste à confirmer la protection contre l’incendie et les propriétés structurelles, explique Schoenwald. Ces tests supplémentaires visent à garantir que les panneaux de bois lamellé-croisé non seulement isolent du bruit au moins au niveau standard du marché, mais obtiennent également toutes les certifications nécessaires pour une utilisation dans la construction.

Comment ça fonctionne

Stefan Schoenwald décrit comment les tableaux fonctionnent ainsi. “Lors de l’isolation des bruits d’impact, je dois garder à l’esprit trois propriétés en même temps : la masse du composant d’une part, sa rigidité et son amortissement de l’autre. La rigidité et l’amortissement se contredisent — un composant souple peut être bien amorti , un composant rigide moins bien.” Schoenwald donne un exemple : “Les plafonds en bois massif classiques sont à la fois légers et rigides – donc deux propriétés défavorables sont combinées ici.” Une solution possible est d’augmenter la masse du composant. Dans les maisons en bois modernes, les architectes installent donc d’épaisses couches de gravier pour les alourdir. De cette façon, les plafonds en bois sont moins susceptibles de vibrer si un adulte marche dessus ou si un enfant rebondit dans la maison.

Schoenwald et Vallely adoptent une approche différente. “Nous rendons les plafonds en bois extra doux à certains endroits afin qu’ils puissent vibrer plus fortement à cet endroit. À ces endroits, nous atténuons spécifiquement les vibrations avec une petite quantité de sable ou de gravier”, explique Stefan Schoenwald. Le même matériau, à savoir le gravier, sert ici un objectif complètement différent : “Dans notre cas, le gravier n’est pas là pour lester. Au lieu de cela, il est censé se déplacer et convertir les vibrations en chaleur grâce à sa friction interne.”

Le résultat : un plafond en bois avec des trous noirs acoustiques est beaucoup plus léger qu’un plafond conventionnel et amortit pourtant beaucoup mieux les bruits d’impact. La rigidité structurellement avantageuse de l’ensemble de la structure du plafond est conservée.


Une vis qui peut diviser par deux le niveau sonore perçu


Fourni par Laboratoire fédéral suisse pour la science et la technologie des matériaux

Citation: Trous noirs acoustiques comme pièges à bruit dans les structures en bois (12 mai 2022) récupéré le 13 mai 2022 sur https://phys.org/news/2022-05-acoustic-black-holes-noise-wooden.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation loyale à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.

Leave a Comment