Des métamatériaux aident à lutter contre le bruit

Nécessité de meilleures performances acoustiques dans les structures de construction légères

Compte tenu des exigences légales plus sévères et des attentes croissantes dans le chef des utilisateurs, le comportement acoustique comme l'isolation acoustique constitue un critère de conception important pour de nombreuses applications au sein de l’industrie du bâtiment, de l’industrie du transport et de la construction mécanique. Pour améliorer l'isolation acoustique, des solutions lourdes et traditionnelles s’appuient sur la loi des masses. Or, dans un souci de respect de l’environnement, les applications légères gagnent en importance. À cet égard, des constructions légères à double paroi permettent d'atteindre des niveaux élevés d’isolation acoustique, mais nécessitent l’application d’épaisseurs de construction plus élevées et l’utilisation de matériaux absorbants poreux.

Des métamatériaux pour applications acoustiques

Une recherche récente a démontré les possibilités offertes par les métamatériaux acoustiques dans la création de structures légères et compactes permettant d'assurer un amortissement acoustique prononcé et une isolation acoustique accrue dans des bandes de fréquences spécifiques, appelées bandes d'arrêt.

Les métamatériaux classiques utilisent les effets de l’interférence apparaissant dans des structures présentant une densité et/ou une vitesse de propagation du son à variation répétitive. À cet égard, l'échelle de ce schéma répétitif doit être du même ordre que la longueur d'onde des vibrations que l'on entend réduire. Cependant, ce type n'est pas réalisable sur le plan pratique pour des applications acoustiques, compte tenu des longueurs d'ondes bien plus élevées.

De nouveaux métamatériaux récemment développés utilisent des résonateurs locaux, placés dans une structure cellulaire, ce qui permet de réduire également des ondes acoustiques basse fréquence avec une longueur d’ondes bien plus élevée que les mesures de la cellule. La transmission est minimale autour de la fréquence de résonance des résonateurs locaux. En faisant varier les dimensions et la géométrie des résonateurs, on peut ajuster les bandes d’arrêt. On peut ainsi les élargir en ajoutant un amortissement.

Des chercheurs de Hong Kong ont été les premiers à démontrer le potentiel de ces métamatériaux acoustiques à résonance locale. Pour leur recherche, ils ont utilisé des billes de plomb revêtues de caoutchouc, incorporées dans une matrice époxy. Autour des fréquences de résonance des billes de plomb, le coefficient de transmission est 10 fois plus faible et l'isolation acoustique est supérieure de 10 dB aux valeurs attendues normalement sur la base de la loi des masses. Il s'est même avéré plus avantageux de disperser les billes de manière aléatoire dans la matrice plutôt que d'utiliser un schéma répétitif.

Au sein de la K.U.Leuven, le concept a été appliqué dans des structures sandwiches légères, utilisées souvent dans l'industrie du transport et de la construction mécanique. Le noyau de ces structures est constitué typiquement de cellules hexagonales ou rectangulaires pouvant accueillir les structures résonnantes. Pour le test, une boîte a été fabriquée, constituée d’une structure de cellules de 10 mm de largeur, dans laquelle des résonateurs locaux conçus spécifiquement à cet effet ont été appliqués. L'isolation acoustique est sensiblement plus élevée dans certaines bandes de fréquences que dans une boîte en bois de même poids.

Applications concrètes dans le secteur de la construction

Un panneau existe déjà sur le marché, qui utilise les propriétés spécifiques des métamatériaux acoustiques pour affaiblir les fréquences tonales dominantes de sources de bruit, comme de transformateurs de puissance. Le projet peut être adapté à la gamme spécifique de basses fréquences de la source sonore. Le panneau présente à la fois une absorption acoustique élevée en cas de basses fréquences et une bonne isolation acoustique en cas de fréquences plus élevées. Compte tenu de l’utilisation de matériaux absorbants poreux, le panneau convient également pour des applications pour lesquelles la composante « hygiène » est importante, comme l'industrie de l’alimentation et les hôpitaux.

Dans le cadre du projet européen Acoutect, on examine d'ailleurs des possibilités d’application de ce type de métamatériaux à résonance acoustique dans des structures légères de parois et de toitures de bâtiments. La puissance d'absorption de ces métamatériaux peut également être utilisée pour améliorer le confort acoustique de locaux, comme des bureaux paysagers.

Bien entendu, il est important de tenir compte, dans la conception pratique, d'autres exigences, telles que l'intégrité structurelle, la résistance au feu, etc. Un défi important se pose par ailleurs : il convient de trouver un processus de production économiquement réalisable, notamment pour des éléments plus volumineux, destinés à être appliqués dans des bâtiments. À cet égard, les techniques d'impression 3D font partie des possibilités à examiner.