Avec une caractérisation avancée des matériaux acoustiques, déterminez jusqu’à 10 paramètres nécessaires pour une simulation précise des matériaux poroélastiques : porosité, résistivité à l’écoulement d’air, tortuosité, longueurs caractéristiques visqueuse et thermique, perméabilité thermique statique, densité volumique de l’ossature, module de Young, facteur de perte d’amortissement et coefficient de Poisson.
Choisissez votre méthode : Modèles de JCAL, Biot et caractérisations complexes
Des bancs d’essais spécifiques ont été développés par Mecanum pour mesurer directement certains de ces paramètres lors d’une caractérisation de matériaux acoustiques.
Modèle de Johnson-Champoux-Allard-Lafarge (JCAL)
Pour une caractérisation JCAL, jusqu’à 7 paramètres sont nécessaires. Trois (3) mesures et une simulation (1) sont effectuées pour déterminer porosité, densité volumique, résistivité à l’écoulement d’air, tortuosité, longueurs caractéristiques visqueuse et thermique, perméabilité thermique statique.
Porosimètre et densimètre
Mesure la porosité et la densité volumique via la méthode de pression-masse isotherme.
Résistivimètre
Suit les normes ISO 9053-1 et ASTM C522 pour mesurer la résistivité quasistatique à l’écoulement d’air.
Tortuosimètre
Mesure la tortuosité en transmission pour les matériaux à faible résistivité ou en réflexion pour les matériaux à haute résistivité.
FOAM-X
Récupère les longueurs caractéristiques visqueuse et thermique, et la perméabilité thermique statique à partir de mesures de tube d’impédance. Utilise des méthodes inverses ou indirectes.
Modèle de Biot
Pour une caractérisation de Biot, jusqu’à 10 paramètres sont nécessaires. Quatre (4) mesures et une (1) simulation sont effectuées pour déterminer porosité, résistivité à l’écoulement d’air, tortuosité, longueurs caractéristiques visqueuse et thermique, perméabilité thermique statique, densité volumique de l’ossature, module de Young, facteur de perte d’amortissement et coefficient de Poisson.
Porosimètre et densimètre
Mesure la porosité et la densité volumique via la méthode de pression-masse isotherme.
Résistivimètre
Suit les normes ISO 9053-1 et ASTM C522 pour mesurer la résistivité quasistatique à l’écoulement d’air.
Tortuosimètre
Mesure la tortuosité en transmission pour les matériaux à faible résistivité ou en réflexion pour les matériaux à haute résistivité.
Analyseur mécanique quasi statique
Conforme à la norme ISO 18437-5 pour mesurer le module de Young complexe, le facteur de perte d’amortissement et le coefficient de Poisson.
FOAM-X
Récupère les longueurs caractéristiques visqueuse et thermique, et la perméabilité thermique statique, à partir de mesures de tube d’impédance. Utilise des méthodes inverses ou indirectes.
Simulation complexe
Tous ces paramètres peuvent également être retrouvés par caractérisation inverse ou indirecte à l’aide de notre logiciel FOAM-X.
La caractérisation inverse utilise un algorithme génétique pour identifier les paramètres qui reproduisent le mieux la courbe d’absorption mesurée à partir de données de tube d’impédance. Les deux longueurs caractéristiques Λ et Λ’ sont déterminées par cette méthode, ainsi que la perméabilité thermique statique. L’utilisation de caractérisations directes et inverses garantit la qualité et la fiabilité des données.
De nombreux traitements sonores complexes utilisés dans l’industrie automobile ou aéronautique sont composés d’une succession de couches différentes, combinant des écrans résistifs, des matériaux poreux ou fibreux, des couches lourdes, du feutre compressé, etc.
Caractériser ces matériaux implique de séparer chaque couche et de la caractériser individuellement. Une fois les propriétés de chaque couche déterminées, nous pouvons simuler le traitement sonore complexe avec notre logiciel NOVA. Dans certains cas, les couches ne peuvent pas être séparées et une caractérisation inverse est effectuée sur le matériau complet donnant les propriétés du matériau équivalent.
Que sont les modèles avancés de JCAL et Biot ?
Les logiciels modernes de simulation acoustique tels que Nastran, Comsol, VA-One, CATIA ou NOVA intègrent les modèles de JCAL et de Biot pour simuler précisément le comportement des matériaux acoustiques. Découvrons ensemble ces deux modèles !
Modèle de Johnson-Champoux-Allard-Lafarge (JCAL)
Le modèle de Johnson-Champoux-Allard-Lafarge (JCAL) est une approche puissante pour modéliser le comportement acoustique des matériaux poreux en les traitant comme des fluides équivalents et en négligeant le comportement élastique de l’ossature. Ce modèle utilisera ce que nous appelons les paramètres fluides équivalents du matériau pour décrire son comportement acoustique.
Ces paramètres sont :
Porosité (φ)
Représente la fraction du volume du matériau occupée par l’air (ou fluide).
Résistivité (σ)
Mesure la résistance au passage de l’air à travers le matériau.
Tortuosité (α∞)
Réfère à la complexité des chemins parcourus par les ondes sonores dans le matériau comparé à l’air libre.
Longueurs caractéristiques (Λ Λ’)
Dimensions liées à la taille et la structure des pores. Λ décrit l’interaction visqueuse, tandis que Λ’ décrit les dissipations thermiques.
Densité volumique (ρ)
Nécessaire pour tenir compte de l’effet d’inertie de l’ossature.
Perméabilité thermique (ko’)
Décrit les échanges thermiques entre l’ossature et le fluide saturant.
Deux approximations différentes sont utilisées pour représenter l’interaction avec l’ossature du matériau :
✓Squelette rigide : Considère que l’ossature reste immobile sous l’excitation acoustique (généralement en basse fréquence ou pour les mousses solides).
✓ Squelette souple (limp) : Considère que l’ossature se déplace avec les ondes acoustiques.
Extension au modèle de Biot
Lorsque la déformation de l’ossature impacte les performances acoustiques – notamment dans les matériaux élastiques – le modèle de Biot fournit un modèle poroélastique complet incluant les interactions entre phases fluide et solide.
Pour cette caractérisation complète, les paramètres suivants sont requis :
Porosité (φ)
Représente la fraction du volume du matériau occupée par l’air (ou fluide).
Résistivité (σ)
Mesure la résistance au passage de l’air à travers le matériau.
Tortuosité (α∞)
Réfère à la complexité des chemins parcourus par les ondes sonores dans le matériau comparé à l’air libre.
Longueurs caractéristiques (Λ Λ’)
Dimensions liées à la taille et la structure des pores. Λ décrit l’interaction visqueuse, tandis que Λ’ décrit les dissipations thermiques.
Densité volumique (ρ)
Nécessaire pour tenir compte de l’effet d’inertie de l’ossature.
Perméabilité thermique (ko’)
Décrit les échanges thermiques entre l’ossature et le fluide saturant.
Module de Young (E)
Caractérise la rigidité de l’ossature.
Facteur de perte (η)
Relatif à l’amortissement de l’ossature.
Coefficient de Poisson (ν)
Relie les déformations latérales et longitudinales.
Comment choisir entre un modèle de JCAL et un modèle de Biot ?
Ensemble, ces paramètres permettent une modélisation et une prédiction précises du comportement sonore dans les matériaux poreux, couvrant une large gamme de fréquences et de conditions. Le choix du modèle, JCA ou Biot, dépend des caractéristiques spécifiques du matériau et de la gamme de fréquences recherchée.
Pourquoi s’appuyer sur la caractérisation moderne des matériaux acoustiques ?
Les exigences croissantes en ingénierie prédictive et simulations acoustiques ont déplacé l’attention des mesures traditionnelles d’absorption et de transmission vers des méthodes plus complètes.
Pour les matériaux poreux et fibreux, de nouveaux modèles avancés sont développés. Ces modèles considèrent le matériau acoustique à une échelle macroscopique comme une combinaison d’une phase fluide couplée à une phase solide. Ils utilisent des paramètres macroscopiques pour simuler avec précision leur comportement acoustique sur une large gamme de fréquences et dans diverses applications.
Pourquoi choisir Mecanum pour la caractérisation des matériaux acoustiques ?
Avec plus de 25 ans d’expérience, Mecanum est un leader indépendant et reconnu dans les secteurs automobile, aéronautique et construction. Voici pourquoi :
Innovation et R&D
Mecanum est leader dans le développement de nouvelles techniques de mesure, la mise à jour régulière des logiciels et l’offre de solutions personnalisées. L’intégration des logiciels FOAM-X et NOVA permet une caractérisation systématique des matériaux multicouches, garantissant précision et fiabilité.
Qualité assurée
La conformité aux normes ISO et ASTM en matière de résistance au flux d’air, de mesures d’impédance et de propriétés mécaniques sous-tend tous les processus. L’étalonnage régulier des équipements, les tests circulaires et les comparaisons de référence de Mecanum garantissent des résultats cohérents et reproductibles, soutenus par des rapports complets et des conseils de manipulation des matériaux.