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Caractérisation dynamique des matériaux et réduction des nuisances vibroacoustiques : l’apport des vibrations. Partie 1
A titre d’exemple la figure 5 présente pour les principa-
les classes de matériaux, le diagramme amortissement –
module d’Young à la température ambiante pour une plage
de fréquence non précisée par l’auteur.
Une classe de matériaux moins connue doit être évoquée :
les matériaux granulaires. Il s’agit de sable ou de maté-
riaux pulvérulents comme par exemple la poudre de brique
ou de pierre ponce. Ces matériaux sont en général intro-
duits dans des cavités de structures (supports mécano-
soudés ou bâtis de machines) soumises à des vibrations.
Les micro-déplacements entre les grains entrainent une
dissipation d’énergie s’apparentant à du frottement sec.
C’est un mécanisme à seuil qui va dépendre du compac-
tage et du niveau vibratoire. Par ailleurs, il est pratique-
ment insensible à la température, mais très sensible à
l’humidité. Ces techniques ont été mise en œuvre sur des
machines outils et des structures navales.
Caractérisation dynamique des matériaux
Nous avons mis en évidence au chapitre précédent qu’un
matériau quelconque n’a pas une réponse purement élas-
tique lorsqu’il est soumis à une sollicitation harmonique.
Le phénomène de dissipation se traduit par une réponse
déphasée par rapport à la sollicitation. Autrement dit si
nous appliquons une déformation sinusoïdale à un échan-
tillon d’élastomère sa réponse ne sera pas instantanée
mais en retard par rapport à la sollicitation.
Nous avons donc en régime linéaire :
- une composante en phase avec le déplacement imposé
(composante élastique)
- une composante en quadrature avec le déplacement
imposé (composante dissipative)
Ce comportement se schématise comme suit, figure 6.
Fig. 6 : Relation contrainte
σ
déformation
ε
et déphasage
δ
Dans la suite, nous focaliserons notre intérêt sur les maté-
riaux polymères et élastomères qui prennent une part sans
cesse grandissante dans la conception des structures et
des objets de la vie courante depuis le simple absorbeur
dynamique de la raquette de tennis jusqu’au dispositif de
réduction des micro-vibrations générées par les roues
d’inerties des satellites d’observation.
Ces matériaux sont entre autres sensibles à la tempéra-
ture et à la fréquence et peuvent en fonction de ces para-
mètres se trouver à la température ambiante, soit dans un
état solide (par exemple les matériaux composites), soit
dans un état caoutchouteux (par exemple les moules sili-
cone). En conséquence une large gamme de techniques
complémentaires de caractérisations a été imaginée pour
mesurer avec précision les caractéristiques dynamiques
des matériaux qui serviront de données d’entrée pour la
conception vibroacoustique.
Les divers principes de caractérisations sont :
- le rebondimètre,
- la méthode résonante en oscillation libre,
- la vibration forcée à la résonance,
- la vibration forcée en dehors de la résonance,
- la méthode de propagation d’onde.
Le rebondimètre
C’est un instrument principalement utilisé par les caout-
choutiers, qui permet de mesurer la résilience R d’un élas-
tomère, figure 7. Un marteau en général de forme sphéri-
que vient frapper un échantillon. La hauteur de rebond du
marteau, exprimée en pourcentage de la hauteur initiale
définit la résilience ou rebondissement. Les impulsions
sont de courte durée (fréquences équivalentes entre
100Hz et 1000 Hz).
Ce dispositif est plutôt destiné à des mesures compa-
ratives.
Fig. 7 : Rebondimètre Zwick 5109
Certains auteurs proposent une relation entre résilience
et amortissement nécessitant de connaître la fréquence
équivalente de l’impulsion.
Documents de référence - Normes
: ISO 4651 Caoutchoucs
et plastiques alvéolaires – détermination de la capacité
d’amortissement dynamique
Pendule de torsion à oscillation libre
Dans ce type d’instrument un échantillon de géométrie
connue est encastré dans un bâti à une extrémité et
supporte à l’autre extrémité un volant d’inertie comme
l’illustre la figure 8.