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Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 19034 (2022) Citer cet article

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Il est difficile d'isoler la transmission du son dans les bandes de basses fréquences sans bloquer le flux d'air dans un tuyau. Dans ce travail, un isolant acoustique cubique petit et léger à base de membrane est créé pour bloquer les ondes acoustiques dans plusieurs bandes de basses fréquences de 200 à 800 Hz dans les tuyaux. En raison des modes de vibration distincts des faces de type membrane de l'isolant et de la co-action des ondes acoustiques se transmettant le long de différents chemins, une grande atténuation du son est obtenue dans plusieurs bandes de fréquences et la perte de transmission maximale atteint 25 dB. De plus, étant donné que l'isolant acoustique avec une taille de sous-longueur d'onde profonde est plus petit que la section transversale du tuyau, il ne bloque pas la ventilation le long du tuyau.

Bloquer la transmission du son à basse fréquence reste un défi en acoustique car un isolant acoustique disponible à basse fréquence nécessite une grande taille et/ou une grande masse selon la loi de masse bien établie1. Bien que des isolateurs acoustiques de grandes tailles aient été appliqués dans l'industrie2, il est nécessaire de miniaturiser les isolateurs travaillant à basses fréquences pour étendre les domaines d'application. Une autre méthode repose sur le contrôle actif du bruit3, qui ne nécessite pas d'isolant acoustique volumineux ou lourd, alors que des dispositifs complexes et coûteux sont inévitables. Au cours de ces années, diverses structures artificielles4,5,6,7,8,9,10,11 ont été présentées pour l'isolation acoustique et elles ont présenté des performances extraordinaires qui ne peuvent être obtenues avec des matériaux naturels ou des dispositifs acoustiques traditionnels. Ainsi, des méthodes distinctes d'isolation acoustique ont été présentées sur la base de ces structures.

La diffusion de Bragg5 et la résonance locale7 sont considérées comme les mécanismes d'atténuation du son dans les structures artificielles, dans lesquelles les isolants acoustiques basés sur la résonance locale sont plus largement étudiés en raison de petits encombrements et de structures variées. Les membranes et/ou les plaques étaient souvent adoptées dans les isolateurs acoustiques basés sur la résonance car la fréquence de résonance d'une membrane ou d'une plaque pouvait être facilement diminuée en diminuant l'élasticité, et ainsi, l'atténuation du son aux basses fréquences était obtenue en utilisant un isolant avec un petit encombrement. et poids6,8,9.

Il a été présenté qu'une membrane ou une plaque fournissait une densité négative dynamique au voisinage de la fréquence de résonance, qui pouvait être utilisée pour bloquer la transmission des ondes acoustiques10,12,13. De plus, la fixation d'une masse supplémentaire sur une membrane a modifié les fréquences de résonance et les modes de vibration, ce qui a amélioré l'atténuation du son14,15,16,17. Ainsi, des structures de type membrane et de type plaque ont été utilisées pour bloquer le son dans les espaces ouverts14,16 et dans les canalisations18,19,20,21,22,23,24, et elles ont montré des potentiels d'application en HVAC (Heating, Ventilating and Air systèmes de conditionnement).

Bien qu'une grande atténuation acoustique ait été obtenue, les isolateurs acoustiques avec des structures scellées n'étaient pas disponibles dans un système HVAC pratique car ils bloquent complètement le flux d'air le long du tuyau. Ainsi, des isolateurs à structure ouverte ont été étudiés, qui obstruaient les ondes acoustiques et ne bloquaient pas la ventilation. Les structures latérales ont d'abord été utilisées pour isoler la transmission du son le long d'un tuyau pour la ventilation, tandis que la paroi du tuyau doit être ouverte lors de la mise en place des isolateurs acoustiques25,26. De plus, plusieurs résonateurs Fabry-Perot pliés ont été installés sur la paroi interne d'un tuyau pour produire une atténuation du son à la fréquence de résonance27. Ensuite, pour réduire l'encombrement de l'isolant phonique, des enroulements spatiaux28,29 et des structures hélicoïdales30,31 ont été adoptés. Ces isolants acoustiques produisent une atténuation dans une bande de fréquence étroite située à la fréquence de résonance de la structure. Pendant ce temps, des structures de type membrane ont également été développées pour réaliser simultanément l'atténuation sonore et la ventilation de l'air. Une membrane avec des bandes attachées a été utilisée pour remplacer une partie de la paroi d'un tuyau, ce qui produit une isolation acoustique aux fréquences de résonance de modes distincts32. Sur la base de l'interaction du champ de résonance de quatre membranes décorées avec le champ sonore continu traversant un grand orifice, un filtre acoustique à basse fréquence et à bande étroite a été créé33. Ensuite, une absorption parfaite à une fréquence inférieure à 500 Hz a été obtenue en utilisant la résonance couplée d'un résonateur de type membrane et d'une membrane décorée23.

Bien que l'isolation acoustique à basses fréquences ait été réalisée à l'aide de structures artificielles sur la base de la résonance locale, la largeur de bande de travail de l'isolant acoustique était étroite en raison de la propriété de résonance. La simulation numérique a démontré qu'une boîte cuboïde à membrane (MFCB) pouvait produire une grande atténuation du son dans plusieurs bandes de fréquences dans une plage de basses fréquences34. Ainsi, dans ce travail, nous créons un MFCB petit et léger par impression 3D et établissons un appareil expérimental pour mesurer les performances d'isolation acoustique du MFCB. Il est démontré que le MFCB produit une grande atténuation du son dans plusieurs bandes de basses fréquences de 200 à 800 Hz, dans lesquelles de grandes pertes supérieures à 21 dB sont obtenues à 211 Hz et 763 Hz. Des mécanismes distincts sont étudiés pour expliquer l'isolation acoustique au voisinage de quatre fréquences. Le MFCB établi dans le tuyau est plus petit que la section transversale du tuyau, et nous concevons une expérience pour étudier l'influence du MFCB sur le débit d'air le long du tuyau, ce qui démontre que le MFCB ne bloquera pas complètement la ventilation le long du tuyau. tuyau. De plus, nous adoptons une chaîne de MFCB pour améliorer l'atténuation du son, ce qui augmente encore les pertes de transmission et élargit les bandes de fréquences de l'atténuation du son.

La figure 1a montre le modèle et la photo d'un MFCB et la figure 1b montre l'appareil expérimental mis en place pour mesurer l'atténuation sonore produite par le MFCB. Le cadre du MFCB est fabriqué par impression 3D et l'épaisseur du cadre est de \(0,5\;{\text{cm}}\). Le châssis est considéré comme rigide aux ondes sonores aériennes. Des membranes élastiques sont tendues et recouvrent le cadre, formant six faces carrées de la boîte, et ainsi, un MFCB est créé (les détails de la fabrication du MFCB sont présentés dans "Méthodes": "Fabrication d'un MFCB"). Le poids du MFCB est simplement \({30}\;{\text{g}}\). Le MFCB est soutenu au milieu du tuyau par quatre petits supports. Les longueurs latérales du MFCB et du tuyau sont \({7}\;{\text{cm}}\) et \({9}\;{\text{cm}}\), respectivement. Ensuite, le MFCB ne bloque pas complètement le tuyau.

Dispositif expérimental. (a) Le modèle (à gauche) et la photo (à droite) d'un MFCB. (b) Appareil expérimental pour mesurer la perte de transmission induite par le MFCB. La distance entre les microphones adjacents à l'extrémité d'entrée (ou de sortie) est \({15}\;{\text{cm}}\) \({s}_{1}={s}_{2}= 15\;\text{cm}\) et la distance entre le microphone 2 (ou 3) et le MFCB est de 45 cm \({l}_{1}={l}_{2}=45\;\text {cm}\) (la figure est créée avec SOLIDWORKS 2016).

Deux types de membranes, des membranes en plastique et en latex, sont adoptées dans les expériences et les pertes de transmission mesurées à l'aide de la méthode à quatre microphones35 (voir "Méthodes": "Appareil expérimental de mesure de la perte de transmission") sont comparées à la Fig. 2a. On observe que le MFCB utilisant des membranes en plastique induit une grande atténuation acoustique de 20 dB à 214 Hz, et pendant ce temps, des pertes de transmission d'environ 5 dB sont obtenues aux fréquences de 574 Hz, 724 Hz et 949 Hz. Pour le MFCB adoptant des membranes en latex, de grandes pertes de transmission de 21 et 25 dB sont obtenues à 211 Hz et 763 Hz, respectivement, et deux pics d'atténuation inférieurs surviennent à 502 Hz et 879 Hz. On observe que les longueurs d'onde correspondantes à la fréquence la plus basse 211 Hz d'atténuation acoustique sont de 1,58 m, soit 22 fois la longueur latérale du MFCB. Ainsi, le MFCB avec la taille d'une sous-longueur d'onde profonde produit une isolation acoustique considérablement importante aux basses fréquences.

Pertes de transmission induites par le MFCB et le mécanisme. (a) Pertes de transmission mesurées induites par les MFCB créés avec deux types de membranes, plastique et latex. (b) Comparaison entre les pertes de transmission simulées et mesurées induites par un MFCB à base de membranes en latex. (c) Modes de vibration des faces du MFCB et intensités acoustiques (flèches rouges) autour du MFCB obtenues à quatre pics d'atténuation sonore. (d) Comparaison des intensités acoustiques entre les performances d'un MFCB (les flèches bleues et rouges indiquent respectivement les intensités acoustiques dans et autour du MFCB.) et celles d'un tuyau HQ (la figure est créée à l'aide de MATLAB 2016 et COMSOL 5.5).

Les résultats expérimentaux démontrent que le MFCB avec des membranes en latex présente de meilleures performances en matière d'isolation acoustique. Ainsi, nous adoptons les membranes en latex pour créer notre MFCB, et les paramètres des membranes sont un module d'Young original de \(E = 1,2 \times 10^{6} \;{\text{Pa}}\), \( {E}_{m}=2\times {10}^{10} \; \mathrm{Pa}\), un coefficient de Poisson de \(v = 0,40\) \({v}_{m}=0,40 \), une densité de \(\rho = 970\;\; \text{kg}/\text{m}^{3}\) \({\rho }_{m}=970 \; \text{ kg}/\text{m}^{3}\) et une épaisseur de \(h = 0,08\;{\text{mm}}\) \({h}_{m}=0,08 \; \text{ mm}\).Ces paramètres sont mesurés par un cadre d'essai électromécanique à double colonne série AG–X Plus.

Lorsque la membrane est étirée et collée sur le cadre du MFCB, il est difficile d'obtenir des précontraintes totalement identiques et uniformes dans toute la membrane et dans différentes directions (la membrane se situe dans le plan X-Y et Z est la direction normale) et les précontraintes dans des directions distinctes ne peuvent pas être mesurées avec précision. Ainsi, la perte de transmission simulée induite par le MFCB sur la base des précontraintes dans une membrane étirée s'écarte du résultat mesuré (voir la partie 3 des matériaux supplémentaires pour plus de détails). Ainsi, pour évaluer précisément les performances du MFCB, on mesure directement le module d'Young équivalent36 \(E_{eff}\) de la face en utilisant une méthode alternative (voir "Méthodes" : "Mesure du module d'Young équivalent de la face MFCB "). Ainsi, dans le calcul théorique et la simulation, nous adoptons le module de Young équivalent mesuré de \(E_{eff} = 4,9 \times 10^{10} \;{\text{Pa}}\). De plus, la perte mécanique dans la membrane est indiquée par le rapport \(\eta_{s}\) de la partie imaginaire à la partie réelle du module de Young, qui est mesuré comme étant \(\eta_{s} = 0,011\ ).

Pour étudier les mécanismes de l'isolation acoustique dans plusieurs bandes de fréquences, nous simulons les performances du MFCB à base de membranes en latex à l'aide du logiciel COMSOL. Comme le montre la Fig. 2b, la perte de transmission simulée présente quatre pics à 210 Hz (A), 488 Hz (B), 756 Hz (C) et 936 Hz (D). De plus, la figure 2c montre les modes de vibration des six faces du MFCB et les intensités acoustiques (flèches rouges) autour du MFCB, qui démontrent que les pertes de transmission dans plusieurs bandes de fréquences sont induites par des modes de vibration distincts du MFCB. On note que les vibrations des six faces sont déterminées par la symétrie du MFCB. Lorsque le MFCB est implanté dans une conduite, il présente une symétrie de rotation le long de la direction de propagation du son (axe x). La rotation du MFCB de \({\pi/{2}}\) ne modifie pas les performances et les champs acoustiques dans le tuyau. Ainsi, les modes de vibration des quatre faces latérales parallèles à la direction de transmission (axe x) des ondes acoustiques sont identiques. Pendant ce temps, les modes de vibration des faces avant et arrière (faces normales) perpendiculaires à l'axe des x doivent satisfaire la symétrie de rotation \({\pi/{2}}\). Par conséquent, la vibration des faces normales ressemble à un monopôle, alors qu'un mode bipolaire ne peut pas être excité.

Comme le montre la figure 2c, au premier pic d'atténuation acoustique A, les deux faces normales vibrent au mode fondamental d'une membrane carrée, tandis que les quatre faces latérales vibrent légèrement. De plus, les intensités acoustiques dans et autour du MFCB forment une boucle fermée et, par conséquent, la majorité de l'énergie sonore est piégée dans ou autour du MFCB et ne peut pas être transmise le long du tuyau. Ce mécanisme ressemble à celui d'un tuyau Herschel-Quincke (HQ), dans lequel l'atténuation du son est induite par la co-action des ondes acoustiques se transmettant le long de deux trajets. L'analogie du MFCB avec un tuyau HQ est illustrée à la Fig. 2d, dans laquelle des champs d'intensités acoustiques similaires dans les deux structures sont démontrés.

Il était bien établi qu'un tuyau HQ produit de grandes pertes de transmission à deux séries de fréquences déterminées par37 :

où \(k\) est le nombre d'onde, \(L_{M}\) et \(L_{S}\) sont respectivement les longueurs du tuyau principal et de la boucle latérale. \(S_{M}\) et \(S_{S}\) sont les sections transversales du tuyau principal et de la boucle latérale, respectivement. Ensuite, les fréquences d'atténuation du son sont exprimées comme étant \(k(L_{M} - L_{S} ) = \left( {2n - 1} \right)\pi\) et \(k(L_{M} + L_ {S} ) = 2n\pi\), où \(n\) est un entier. Selon l'analogie de la Fig. 2d, une boîte avec une longueur de côté de \(a = 7\;{\text{cm}}\) est approximativement considérée comme un tuyau HQ avec \(L_{M} = 7\ ;{\text{cm}}\) et \(L_{S} = 14\;{\text{cm}}\). Cependant, selon le mécanisme d'un tuyau HQ traditionnel, le MFCB ne peut pas créer d'atténuation autour à une fréquence basse de 210 Hz. Il a été établi que l'atténuation sonore induite par un tuyau HQ traditionnel provient de l'interaction de deux ondes acoustiques avec des phases différentes après qu'elles se transmettent le long de deux chemins. Alors que dans le MFCB, les deux faces normales induisent des déphasages supplémentaires aux ondes acoustiques traversant la boîte, et ainsi, l'équation déterminant les fréquences d'atténuation du son est réécrite comme suit :

où \(Z_{n} = {{S_{S} Z_{MA} }/{\rho_{0} }}c_{0}\) est l'impédance acoustique normalisée de la membrane, avec \(\rho_{ 0}\) et \(c_{0}\) comme la densité et la vitesse acoustique de l'air (voir la partie 1 des documents supplémentaires pour une dérivation détaillée). L'impédance \(Z_{MA}\) de la membrane peut être calculée par \(Z_{MA} = j\omega M_{MA} + {1/{j\omega C_{MA} }}\), où \(M_{MA} = 2,06{{\rho h}/{a^{2} }}\) et \(C_{MA} = 3,73 \times 10^{ - 4} {{a^{6} } /D}\), avec \(D = {{E_{eff} h^{3} }/{12(1 - \nu^{2} )}}\)10,38. Ensuite, à partir de l'éq. (2), on peut obtenir deux solutions de 204 Hz et 219 Hz. On observe que les deux fréquences se situent à proximité l'une de l'autre et donnent le pic A avec une grande atténuation sonore à 210 Hz. Ainsi, en raison des déphasages supplémentaires induits par \(Z_{n}\), le petit MFCB avec la longueur de côté \(a = 7\;{\text{cm}}\) peut produire une grande atténuation du son dans un faible bande de fréquence. Pour un tuyau HQ traditionnel, l'atténuation acoustique à une basse fréquence de 210 Hz ne peut pas être obtenue avec la même taille. De plus, la fréquence de résonance fondamentale de la membrane est calculée à 211 Hz, ce qui se situe près des solutions de l'Eq. (2), 204 Hz et 219 Hz. Ainsi, il est démontré que les membranes dominent dans l'atténuation acoustique du pic A.

À partir de la Fig. 2c, on observe que le deuxième pic d'atténuation acoustique B est lié à la résonance des quatre faces latérales du MFCB, et ainsi, un faible pic B est obtenu en raison des faibles influences des faces latérales sur la transmission du son. Les fréquences de résonance des faces carrées peuvent être exprimées par \(\omega a^{2} \sqrt {{\rho/D}} = \lambda\)39, où \(\omega\) est la fréquence circulaire et \ (\lambda\) est une constante. On peut calculer que la fréquence du deuxième mode de résonance est de 429 Hz avec \(\lambda = 73,42\)39, ce qui est proche de la fréquence 488 Hz du pic B. Comme le montre la Fig. 2c, le pic d'atténuation sonore C situé à 756 Hz est lié à la résonance du même mode dans les six faces MFCB, tandis que la vibration dans les faces normales est beaucoup plus intense que celle dans les faces latérales. La fréquence de résonance de ce mode est calculée à 777 Hz avec \(\lambda = 132,18\)39. Pour les deux pics A et C, une résonance intense se produit dans les faces normales, ce qui entraîne une atténuation sonore importante. Pour le pic D, le mode de vibration des deux faces normales diffère de celui des quatre faces latérales, et ainsi, le pic D est induit par hybridation de différents modes de résonance.

Les différences entre les pertes de transmission simulées et mesurées sur la Fig. 2b sont principalement liées à trois facteurs. Premièrement, dans l'expérience, le MFCB est soutenu par quatre petits supports, qui influencent la symétrie dans les quatre faces latérales. Deuxièmement, la contrainte dans toute la membrane n'est même pas dans les directions X et Y lorsqu'elle est étirée à la main. Enfin, les six faces d'un MFCB ne sont pas totalement identiques car il est difficile d'exercer de manière homogène et identique des contraintes sur les six faces d'un MFCB. Comme le montre la figure 2b, les pics mesurés B et D dérivent de ceux simulés. On peut observer sur la figure 2c, pour les pics B et D, que les quatre faces latérales présentent un mode de vibration similaire, et ainsi, des faces latérales non symétriques entraînent une déviation des pics d'atténuation acoustique.

Bien qu'un MFCB puisse produire une atténuation du son sur plusieurs bandes de fréquences, ces bandes de fréquences sont étroites car elles sont liées à la résonance des faces du MFCB. Ensuite, nous utilisons plusieurs MFCB pour améliorer l'isolation acoustique et étendre les bandes de fréquences.

Comme le montre la figure 3a, plusieurs MFCB sont établis le long d'un tuyau. Sous réserve que les paramètres de ces MFCB soient identiques, la chaîne de MFCB est considérée comme un cristal phononique. La figure 3b montre la dispersion de la structure périodique avec une constante de réseau de \(d = 15\;{\text{cm}}\), dans laquelle les paramètres de chaque MFCB sont les mêmes que ceux utilisés dans les expériences. Une bande interdite de 820 à 920 Hz est observée sur la figure 3b, qui est induite par la diffusion de Bragg. De plus, on peut observer que quatre bandes plates apparaissent en dessous de 1 kHz, qui sont en accord avec les quatre pics d'atténuation sonore. Il a été démontré que ces bandes plates sont liées à la résonance locale40, ce qui est cohérent avec les mécanismes des pics d'isolation acoustique. La perte de transmission induite par les cinq MFCB établis périodiquement est illustrée à la Fig. 3c, qui montre que les fréquences d'atténuation acoustique sont les mêmes que celles obtenues avec un seul MFCB. En raison de la superposition des performances de plusieurs MFCB, les pics sont beaucoup plus élevés que ceux illustrés à la Fig. 2b. Cependant, les largeurs de ces pics ne sont pas élargies à l'exception d'une bande interdite induite par la diffusion de Bragg.

Performances de plusieurs MFCB. (a) Une chaîne de MFCBs établie dans un tuyau. (b) La dispersion d'une structure périodique constituée d'une chaîne de MFCB. La constante de réseau est \(d = 15\;{\text{cm}}\) et les modii de Young équivalents des MFCB sont identiques, qui sont \(E = 4,9 \times 10^{10} \;{\text {Pennsylvanie}}\). (c) Pertes de transmission simulées induites par une chaîne de cinq MFCB avec des paramètres identiques. ( d ) Pertes de transmission simulées induites par trois MFCB avec différents modules de Young. (e) Comparaison entre les pertes de transmission simulées et mesurées induites par trois MFCB avec différents modii de Young de \(E_{1} = 6,1 \times 10^{10} \;{\text{Pa}}\), \(E_{ 2} = 7,1 \times 10^{10} \;{\text{Pa}}\) et \(E_{3} = 8,9 \times 10^{10} \;{\text{Pa}}\) ( la figure est créée à l'aide de MATLAB 2016 et COMSOL 5.5).

Pour étendre les bandes de fréquences d'atténuation du son, nous ajustons les paramètres de chaque MFCB de la chaîne. Les bandes de fréquences d'atténuation sonore peuvent être décalées en ajustant les paramètres des membranes dans un MFCB (voir la partie 2 des matériaux supplémentaires). La perte de transmission obtenue avec trois MFCB est illustrée à la Fig. 3d, dans laquelle les modii de Young des faces de chaque MFCB sont modifiés pour être \(E_{1} = 4 \times 10^{10} \;{\text{Pa }}\), \(E_{2} = 5 \times 10^{10} \;{\text{Pa}}\) et \(E_{3} = 6 \times 10^{10} \;{ \text{Pa}}\). Dans ce cas, la chaîne de MFCB ne peut pas être considérée comme une structure périodique. Sur la figure 3d, on observe que la perte de transmission est une superposition de l'atténuation acoustique induite par chaque MFCB dans la chaîne. Ainsi, les pics à fortes pertes de transmission sont élargis, et de plus, les pertes de transmission à l'intérieur de ces bandes sont augmentées. Pour évaluer les performances de plusieurs MFCB, nous mesurons la perte de transmission obtenue avec trois MFCB et la comparons au résultat simulé de la Fig. 3e. Il est montré que les pics d'atténuation sonore mesurés dans la gamme des basses fréquences entre 210 et 290 Hz sont en bon accord avec ceux simulés. Bien que les pics à haute fréquence diffèrent des résultats simulés, il est difficile d'exercer avec précision et uniformément des précontraintes identiques sur les faces des trois MFCB utilisés dans les expériences. Par rapport aux performances d'un MFCB, l'atténuation acoustique est considérablement améliorée par la coaction de plusieurs MFCB, et une isolation acoustique à large bande avec des pertes de transmission plus importantes est obtenue.

Enfin, nous étudions les performances de notre MFCB dans un flux d'air. Tout d'abord, nous établissons un appareil expérimental illustré à la Fig. 4a pour évaluer l'influence du MFCB sur la ventilation le long d'un tuyau. Un compresseur d'air est utilisé pour générer un débit d'air constant à l'entrée de la conduite et la perte de charge \(\Delta P\) induite par le MFCB est mesurée avec un baromètre. Les résultats sont présentés sur la figure 4b. On observe que la perte de charge \(\Delta P\) augmente avec la vitesse du flux d'air entrant \(u_{0}\), ce qui est en bon accord avec le résultat simulé obtenu à l'aide du module d'écoulement turbulent dans COMSOL. De plus, il a été établi que la perte de charge exercée par discontinuité dans une canalisation peut s'exprimer par l'équation suivante41 :

Influences d'un flux d'air. (a) Appareil expérimental pour évaluer l'influence du MFCB sur la ventilation le long d'une canalisation. (b) Comparaison des résultats mesurés et simulés de la chute de pression induite par un MFCB avec différentes vitesses d'écoulement d'air d'entrée. (c) Appareil expérimental pour mesurer la perte de transmission induite par un MFCB sous un flux d'air. (d) Pertes de transmission mesurées avec et sans flux d'air (le chiffre est créé à l'aide de SOLIDWORKS 2016, MATLAB 2016 et COMSOL 5.5).

où \(K_{e}\) est un coefficient sans dimension. On observe à partir de la Fig. 4b que \(\Delta P\) est quadratiquement lié à \(u_{0}\), ce qui est cohérent avec l'Eq. (3). Ensuite, dans notre expérience, nous pouvons obtenir le coefficient \(K_{e} = 2,02\) en ajustant la courbe simulée illustrée à la Fig. 4b.

De plus, nous étudions l'influence d'un flux d'air sur l'isolation acoustique induite par le MFCB. La figure 4c montre l'appareil expérimental et la figure 4d indique les pertes de transmission obtenues avec et sans flux d'air. On peut observer que les fréquences des pics d'atténuation acoustique ne sont pas décalées par le flux d'air, tandis que sous un flux d'air, des vallées apparaissent dans la perte de transmission, ce qui démontre qu'un bruit supplémentaire est induit par le MFCB. Le bruit est produit par la vibration de la lumière MFCB excitée par le flux d'air. Il est montré que sous une vitesse d'écoulement de \(4,8\;{\text{m/s}}\) mesurée à l'entrée de la canalisation, un bruit supplémentaire est induit par le MFCB, soit 6,86 dB à 263 Hz et 1,91 dB à 562 Hz. Par rapport à l'isolation phonique, le bruit induit est beaucoup plus faible et acceptable dans un système HVAC pour résidence.

Pour résumer, nous présentons une structure de MFCB pour bloquer la transmission du son le long d'un tuyau. En raison de l'interaction de deux ondes acoustiques se transmettant le long de deux voies et des modes de vibration distincts des faces de type membrane du MFCB, une grande atténuation du son est obtenue dans plusieurs bandes de fréquences comprises entre 200 et 800 Hz. Par rapport à la longueur d'onde de l'onde acoustique, le MFCB possède une taille de sous-longueur d'onde profonde. De plus, le MFCB est plus petit que la section transversale du tuyau, ce qui ne bloque pas complètement le flux d'air le long du tuyau. De plus, en plaçant une chaîne de MFCB dans le tuyau, les bandes de fréquences d'atténuation du son sont étendues et les pertes de transmission sont encore augmentées. Ainsi, le MFCB présente une application potentielle dans l'isolation acoustique des tuyaux en tant que systèmes HVAC.

Le cadre du MFCB est réalisé par impression 3D et l'épaisseur du cadre est \({0}{\text{.5}}\;{\text{cm}}\). Le châssis est considéré comme rigide aux ondes sonores aériennes. Des membranes carrées d'une longueur de côté de 8 cm sont utilisées pour fabriquer les faces de nos MFCB. Tout d'abord, nous appliquons de la colle sur le cadre d'un MFCB pour fixer la membrane. Ensuite, nous exerçons une contrainte de \(N = {2}0\;{\text{N/m}}\) dans les directions X et Y de la membrane (la direction Z est la direction normale) et la collons sur le cadre de la MFCB. Enfin, nous coupons la marge de la membrane. En répétant le processus, nous établissons les membranes sur six faces du cadre et créons un MFCB.

La méthode à quatre microphones35 est appliquée pour mesurer l'atténuation acoustique induite par le MFCB. Dans ce travail, nous étudions l'atténuation acoustique induite par le MFCB dans une gamme de basses fréquences inférieures à 1 kHz. La distance entre les deux microphones (1, 2) à l'entrée [ou à la sortie (3,4)] est établie à 15 cm, ce qui donne une fréquence critique de 1,1 kHz. Dans ce cas, la fréquence critique de la méthode à quatre microphones n'est pas couverte dans la gamme de fréquences des expériences, de 100 Hz à 1 kHz. De plus, les données enregistrées de 50 s sont divisées en 50 groupes et les données sont moyennées pour réduire l'influence du bruit aléatoire.

Nous saupoudrons uniformément de la poudre d'une masse de \(M{ = }20\;{\text{g}}\) sur la membrane et mesurons la déformation moyenne \(\Delta x_{avg} \environ 1,44 \times 10^{ - 4} \;{\text{m}}\) de la membrane avec un télémètre laser. Ensuite, nous pouvons calculer la rigidité de la membrane comme étant \(K \approx 1.36 \times 10^{3} \;{\text{N/m}}\). D'après les relations suivantes : \(C_{a} = {{S_{M}^{2} } / K}\), \(C_{a} = 3,73 \times 10^{ - 4} {{a ^{6} } /D}\) et \(D = {{E_{eff} h^{3} } /{12(1 - \nu^{2} )}}\)10,38, où \ (a\) et \(S_{M}\) sont la longueur du côté et l'aire de la face d'un MFCB, nous pouvons calculer le module d'Young équivalent \(E_{eff} = 4,9 \times 10^{10} \ ; {\text{Pa}}\) de la face MFCB, qui est adoptée dans le calcul théorique et la simulation. De plus, la perte mécanique de la membrane est indiquée par le rapport \(\eta_{s}\) de la partie imaginaire à la partie réelle du module de Young, qui est mesuré comme étant \(\eta_{s} = 0,011\) sur la base de la norme nationale chinoise GB/T 18258-2000 "Matériaux d'amortissement - Méthode d'essai des propriétés d'amortissement". Ensuite, le module Acoustic-Shell Interaction de COMSOL est utilisé pour simuler les performances du MFCB.

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Zi-jian Zhou, Wei Ao, Li Fan, Shu-yi Zhang, Li-ping Cheng, Xiao-dong Xu et Hui Zhang

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Jin-yu Zhao

École de génie mécanique, Université du Sud-Est, Nanjing, 211189, Chine

Hui Zhang

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ZZ a mené les expériences et créé les figures. ZZ et LF ont contribué à l'écriture. LF a contribué au modèle théorique et à l'analyse. ZZ et WA ont contribué à la simulation numérique. LF a conçu et dirigé le projet. ZZ, LF, SZ, LC, XX, JZ et HZ ont contribué à la révision.

Correspondance à Li Fan ou Shu-yi Zhang.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Zhou, Zj., Ao, W., Fan, L. et al. Un isolant acoustique multibande à basse fréquence sans bloquer la ventilation le long d'un tuyau. Sci Rep 12, 19034 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21673-8

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Reçu : 18 août 2021

Accepté : 29 septembre 2022

Publié: 08 novembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-21673-8

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