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Caractérisation dynamique des matériaux et réduction des nuisances vibroacoustiques : l’apport des vibrations. Partie 1
Une première solution serait d’arrêter le moteur, mais
nous ne saurions pas vivre sans voiture, c’est ce qu’on
appelle « le traitement à la source ».
Une solution plus radicale serait de léviter dans le vide
(les astronautes), pour couper tout contact avec le sol et
supprimer le support de propagation des ondes acous-
tiques. Difficile de survivre dans ces conditions, mais
l’exemple illustre la notion de suppression des voies de
transfert (solidienne et aérienne).
La réalité est en général un compromis dans lequel l’homme
cherche à réduire les nuisances à la source et à traiter
les voies de transfert par dégradation d’énergie entre
la source et les récepteurs. Plus récemment les techni-
ques de contrôle actif (contre bruit ou contre vibration)
permettent d’élargir le panel des dispositifs de réduction
des vibrations et des bruits.
Les solutions passives à cette problématique font appel
à des connaissances pluridisciplinaires :
- la mécanique vibratoire,
- l’acoustique aérienne ou sous marine,
- à leur couplage
- et enfin au comportement des matériaux sous sollicita-
tion dynamique dans divers environnements.
C’est ce dernier point que nous allons détailler afin de
démontrer l’apport des vibrations pour caractériser les
matériaux et concevoir des dispositifs pour traiter les
nuisances vibroacoustiques.
Les matériaux
Un
matériau
est une matière d’origine
naturelle ou arti-
ficielle
que l’homme façonne pour en faire des objets.
Nous pouvons distinguer quatre familles de matériaux :
Les métalliques sont des métaux ou des alliages de
métaux,
Les minéraux sont des roches, des verres ou des céra-
miques,
Les matériaux organiques sont des polymères ou des
élastomères,
Les matériaux composites sont des assemblages d’au
moins deux des trois familles de matériaux.
Fig. 1 : Les quatre familles de matériaux
Aujourd’hui, il y a profusion de matériaux et à travers les
âges; ce sont les matériaux qui ont fixés les limites de
la conception.
Le diagramme suivant, figure 2, présente l’importance
relative des matériaux au cours des âges.
Fig. 2 : Evolution des matériaux au travers des âges. D’après
M.F.Ashby-Choix des matériaux en conception mécanique
Si l’on revient à la notion de confort, qui est de plus en
plus prise en compte dès la conception, elle doit intégrer
la connaissance des caractéristiques des matériaux. Non
seulement les caractéristiques statiques qui sont la base
de la conception des structures mais aussi les propriétés
dynamiques. Pendant des siècles le dimensionnement était
basé sur une approche statique. Dans le domaine de l’ar-
chitecture le point culminant reste les cathédrales gothi-
ques de plus en plus élancées vers le ciel tout en laissant
entrer largement la lumière, grâce à une conception (pas
encore complètement élucidée si l’on se réfère à l’épo-
que) de contreforts multiples reprenant les efforts stati-
ques. Plus prés de nous, ce qui a été le plus marquant
est l’industrie automobile qui jusque dans les années 60
concevait des véhicules assez lourds (à quelques rares
exceptions) avec des bâtis moteur en fonte et des carros-
series en acier qui pouvaient dépasser le millimètre d’épais-
seur. A cette époque, ne se posait pas le problème de
la vitesse (pas d’autoroute) ni celui de l’éco-conception.
Depuis est apparu l’âge de l’allègement, pour rester dans
le domaine de l’automobile, avec l’avènement des auto-
routes et de nouveaux matériaux ont été mis au point. Il
en est résulté l’apparition des résonances qui a entraîné
la prédominance de la mécanique vibratoire et de l’acous-
tique dans la conception, comme nous le verrons dans le
corps de l’exposé. Plus globalement, dans les années 60
et 70 la démarche de conception était encore empreinte
de l’approche RDM classique et le traitement des problè-
mes vibratoires étaient traités a posteriori en cherchant
des solutions pour piéger les ondes ou dégrader l’éner-
gie vibratoire sur les chemins de transfert entre l’émet-
teur (par exemple un moteur d’automobile) et le récep-
teur (par exemple le conducteur), soit pour des raisons
de confort, soit pour limiter la fatigue des structures et
prolonger les durées de vie.
Aujourd’hui l’éco-conception vibroacoustique fait partie
intégrante de la démarche et les caractéristiques dyna-
miques des matériaux deviennent incontournables.
Que se cache-t-il derrière le concept de caractéristique dyna-
mique des matériaux ? Il faut tout d’abord savoir que tout
matériau ou structure (au sens de l’assemblage de divers
matériaux par des moyens aussi différents que le rivetage,
le vissage, le soudage, le collage, le brasage…) soumis à
des vibrations ne présentent pas un comportement pure-
ment élastique. Si c’était le cas le mouvement perpétuel
aurait rencontré plus de succès. Rappelons que le mouve-
ment perpétuel désigne l’idée d’un mouvement (générale-