Développement efficace de solutions acoustiques innovantes et conventionnelles

La modélisation analytique et numérique des matériaux, prototypes et produits nous permet d'améliorer notre compréhension de leur fonctionnement, de leurs performances et de les optimiser pour répondre au mieux à un cahier des charges.

La simulation numérique est un exellent moyen de réduire les temps et les coûts de développement de solutions en réduisant les efforts de prototypage et de caractérisation expérimentale.

La modélisation analytique pour les règles de dimensionement et l'optimisation rapide, la modélisation numérique pour les systèmes complexes

La modélisation analytique permet de tirer des règles de dimensionement sous forme d'équations, souvent simples et donc facilement interprétables. Le sens physique se trouve dans les équations. Elle est aussi généralement très bien adaptée à l'optimisation des solutions grâce à son temps de calcul faible. Elle se limite cependant aux systèmes dont la géométrie est relativement simple ou peu impactante physiquement. 

La modélisation numérique - via COMSOL Multiphysics® - des systèmes permet de travailler sur des systèmes à la géométrie complexe ou faisant intervenir un couplage de phénomènes physiques. La précision des simulations numériques permet aujourd'hui de parler de jumeau numérique d'un système. Celui-ci accélère grandement son optimisation et réduit les besoins de prototypage et de campagnes de mesure.

La modélisation de matériaux, prototypes et de produits

Les matériaux étant à la base des produits, la compréhension de leur comportement et la capacité à les modéliser est indispensable. La modélisation des matériaux acoustiques : matériaux poreux, plaques micro-perforées, résonateurs... peut être réalisée par des modèles analytiques à la précision maîtrisée. Nous pouvons par exemple citer le modèle de Johson-Champoux-Allard-Lafarge (JCAL) pour les matériaux poreux.

Les prototypes forment une étape clef des projets de développement de solutions. Leur réalisation utilise de plus en plus l'impression 3D pour des raisons de disponibilité, rapidité et coût. Les matériaux acoustiques imprimés en 3D ont un comportement impacté par la superposition des couches. Notre capacité à prédire avec précision le comportement acoustique des solutions imprimées en 3D - en particulier des matériaux poreux - nous permet de simuler les prototypes imprimés en 3D avec une grande fiabilité. Cela évite de se poser des questions sur la différence de performances entre des simulations ne prenant pas en compte l'impact du procédé de fabrication et les prototypes.

Enfin, les produits sont la concrétisation industrialisée des solutions. La modélisation permet d'orienter le choix entre différentes matières, les techniques d'assemblage, l'impact des jeux... En outre, elle permet d'éviter des mauvaises surprises sur les performances acoustiques liées au passage d'un prototype à la fabrication artisanale au produit fini industrialisé.

Les secteurs du médical et du génie mécanique adoptent de plus en plus la Fabrication Additive ou Impression 3D. Ce procédé de fabrication ouvre aussi des nouvelles possibilités pour la réduction du bruit : nouveaux matériaux aux propriétés acoustiques et mécaniques sur mesure, protoypage rapide, réalisation de pièces en série avec un très faible investissement outillage.

Un prototypage rapide pour un développement agile

Les modifications de conception peuvent être mises en œuvre rapidement et à moindre coût, ce qui permet d'optimiser et d'affiner efficacement les produits. Cette souplesse accélère les cycles de développement, réduit le délai de mise sur le marché et permet d'explorer plus efficacement les variantes d'un concept.

Une conception plus libre pour de nouvelles solutions acoustiques

L'impression 3D permet un contrôle précis de la forme et de la taille des pores des matériaux poreux et donc de leurs propriétés acoustiques intrinsèques. On parle souvent matériaux structurés ou de matériaux lattice ou microlattices en référence à leur structure en treillis. Notre expertise en modélisation et conception de matériaux de type microlattice a par exemple été remarqué par un article de COMSOL Multiphysics® - "Designing the Sound Absorption of Microlattice Structures", Bradley Semeniuk

En outre, l'impression 3D simplifie la conception et la fabrication de matériaux et métamatériaux acoustiques à la géométrie complexe : gradient de propriétés, structure repliée ou association de de matériaux poreux et résonateurs de Helmholtz.

Un développement sur mesure pour des performances optimales

Grâce à l'impression 3D, nous créons des solutions acoustiques sur mesure à partir de besoins précis. Nous concevons des matériaux, composants et produits à partir de zéro et les optimisons en fonction des propriétés souhaitées : absorption, isolation, plage de fréquence... Cette personnalisation permet de réaliser des solutions acoustiques au cas par cas très performantes, car spécialisées.

Un grand choix de matières premières pour des solutions acoustiques multifonctionnelles

Dans la majorité des cas, la matière première utilisée pour imprimer en 3D une solution ne détermine pas ses propriétés acoustiques, même si la solution est composée de matériaux poreux. Cela permet de choisir la matière première en fonction des attributs fonctionnels recherchés : propriétés mécaniques ou thermiques, résistance aux UV, résistance au feu ou résistance chimique.

Les métamatériaux acoustiques ont fait l'objet d'une attention particulière ces dernières années en raison de leur capacité unique à manipuler et à contrôler les ondes sonores. Bien qu'il n'y ait pas de consensus sur la définition précise, les métamatériaux acoustiques font généralement référence à des matériaux d'ingénierie dotés de propriétés non conventionnelles et personnalisées qui surpassent celles des matériaux acoustiques traditionnels.

La fabrication additive joue un rôle important dans le développement des métamatériaux acoustiques, car elle simplifie grandement leur réalisation. Elle tend aussi à brouiller la frontière entre matériaux et métamatériaux acoustiques.

Un contrôle acoustique sub-longueur d'onde pour des solutions compactes

Les métamatériaux acoustiques peuvent manipuler les ondes sonores par résonance à une échelle sub-longueur d'onde, c'est-à-dire en ayant une épaisseur fortement inférieure à un quart de la longueur d'onde. Cela permet de développer des solutions acoustiques compactes pour l'absorption ou l'atténuation du bruit.

Des bandes interdites pour des solutions d'insonorisation ouvertes

Les métamatériaux acoustiques ayant une structure interne périodique présentent des bandes interdites. Sur les plages de fréquences de ces bandes interdites, la propagation du son est fortement atténuée. Ces métamatériaux permettent de bloquer la propagation d'un bruit indésirable tout en laissant circuler l'air et la lumière.

Des solutions absorbantes pour conduit

Plutôt que de seulement bloquer la propagation du son dans un conduit et de le renvoyer vers la source, les métamatériaux acoustiques permettent de l'absorber. Le son n'est pas ni réfléchi en amont du système, ni transmis en aval : il est absorbé.

Des propriétés acoustiques sur mesure pour répondre à des besoins spécifiques

Les métamatériaux acoustiques sont délibérément conçus pour atteindre des performances recherchées. Ils sont donc plus adaptés à répondre à des besoins uniques plutôt qu'à des besoins génériques. C'est pourquoi, pour libérer tout le potentiel des métamatériaux acoustiques, il est important de collaborer avec des experts du domaine qui peuvent concevoir des solutions sur mesure répondant à des besoins spécifiques.

Les matériaux poreux conventionnels sont largement utilisés pour résoudre les problématiques de bruit. Leur efficacité acoustique sur des plages de fréquences étendues combinée à leur faible coût et densité en font un très bon choix pour les applications génériques.

Cependant, les matériaux poreux conventionnels sont limités par un manque d'adaptabilité, des propriétés mécaniques rarement exploitables et une variabilité indésirable des propriétés acoustiques.

La fabrication additive de matériaux poreux cherche à conserver leurs forces tout en réduisant leurs limitations.

Un contrôle géométrique simple pour des propriétés acoustiques sur mesure

L'impression 3D permet de contrôler simplement et précisément la taille et la forme des pores des matériaux poreux, notemment des matériaux poreux structurés. Nous pouvons ainsi ajuster leur comportement intrinsèque en variant à la fois leur porosité et leur résistivité. Pour élargir encore plus le panel de comportements possibles, nous pouvons travailler sur leur anisotropie, l'introduction de gradient de propriétés ou encore le repliement de leur structure !

Un contrôle géométrique précis pour des propriétés acoustiques fiables et une production décentralisée

Une fois l'imprimante 3D calibrée, les matériaux fabriqués ne souffrent pas de problème de dispersion : leurs propriétés sont contrôlées d'un bout à l'autre du matériau et d'un lot à l'autre. De plus, la fabrication additive permet de produire les matériaux de manière décentralisée. Il n'est pas nécessaire de monter une usine spécialisée, car un ou plusieurs services d'impression 3D répartis géographiquement peuvent fabriquer les matériaux ou les produits finis à partir des plans numériques.

Un contrôle géométrique simple et un grand choix de matières premières pour des solutions acoustiques multifonctionnelles

Le contrôle de la taille et la forme des pores des matériaux poreux permet d'ajuster leurs propriétés mécaniques. Les pores sont conçus pour répondre au mieux aux contraintes mécaniques que le matériau subira au cours de son exploitation. De plus, dans la majorité des cas, la matière première utilisée pour imprimer en 3D un matériau poreux ne détermine pas ses propriétés acoustiques. Cela permet de choisir la matière première en fonction des attributs fonctionnels recherchés : propriétés mécaniques ou thermiques, résistance aux UV, résistance au feu, résistance chimique...