Paramètres des matériaux poreux influant sur la performance acoustique des systèmes du bâtiment

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1 > Rémy FORET, Catherine GUIGOU-CARTER, Jean-Baptiste CHENE CSTB Centre Scientifique et Technique du Bâtiment Paramètres des matériaux poreux influant sur la performance acoustique des systèmes du bâtiment 15/04/2010 CFA 2010 Lyon CSTB-DAE-LABE PAGE 1

2 Introduction Matériaux poreux omniprésents dans le monde du bâtiment : propriétés thermiques et acoustiques et Domaines d application : > Absorption > Transmission bruit aérien > Transmission bruit de choc Mise en œuvre : collés ou non, apparents ou non Caractérisations délicates des paramètres 27/10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 2

3 Introduction Objectif : déterminer les paramètres poro-élastiques des matériaux poreux influençant les performances acoustiques Modèle de Biot-Johnson généralisé (Biot-Johnson- Champoux-Allard) : utilisé pour la description de la propagation au sein des matériaux poreux : > Un fluide saturant > Un squelette déformable 27/10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 3

4 Paramètres des matériaux poreux influant sur la performance acoustique des systèmes 1. Introduction 2. Description du projet a) Description générale b) Méthodes de mesure c) Méthodes de prédiction 3. Simulation des performances acoustiques a) Indice d affaiblissement acoustique R b) Niveau de bruit de choc L n c) Coefficient d absorption 4. Étude paramétrique a) La cloison b) Le système de sous-couche sous carrelage c) La laine de verre 5. Conclusions 15/04/2010 CFA 2010 Paris Acoustique du Bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 4

5 2. Description du projet a. Description générale Paramètres du modèle divisé en 2 catégories : paramètres élastiques et acoustiques. Mécanique Modèle solide équivalent (phase solide) Acoustique Modèle fluide équivalent (phase fluide et de ses interactions avec la phase solide) Paramètres élastiques E,,, Paramètres acoustiques,,,, Modèle biphasique Modèle de Biot (1956) (phases solide et fluide et de leurs interactions) 27/10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 5

6 2. Description du projet a. Description générale Paramètres : > Porosité [_] > Tortuosité [_] > Résistance à l écoulement de l air [k.n.s/m 4 ] > Longueur caractéristique visqueuse [ m] > Longueur caractéristique thermique [ m] > Module d Young E [N.m -2 ] > Coefficient de Poisson [_] > Masse volumique [kg.m -3 ] > Amortissement structural [_] 27/10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 6

7 2. Description du projet b. Méthodes de mesure Mesures sur «systèmes» réalisées au laboratoire d essais du CSTB (LABE) Indice d affaiblissement acoustique R > NF EN ISO > NF EN ISO Niveau de bruit de choc L n > NF EN ISO > NF EN ISO Coefficient d absorption acoustique > NF EN ISO 354 > NF EN ISO Performances acoustiques 27/10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 7

8 2. Description du projet b. Méthodes de mesure Mesures sur matériaux réalisées au laboratoire Résistivité > NF EN Raideur dynamique > NF EN Amortissement structural > NF EN Module de rigidité en flexion > Adaptation ISO/PAS Paramètres poro-élastiques 27/10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 8

9 2. Description du projet c. Méthodes de prédiction Multicouche > Méthode TMM (Transfer Matrix Method), logiciel CASC (CSTB) Dimensions finies > Fenêtrage spatial Courts-circuits vibratoires > Basses fréquences : approche par onde > Moyennes et hautes fréquences : méthode énergétique SEA 27/10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 9

10 2. Simulations des performances acoustiques a. Indice d affaiblissement acoustique R Système étudié : cloison sèche sur simple ossature «cloison 72/48» Plaque de plâtre Vis Plaque de plâtre BA mm Laine minérale Laine de verre 45 mm Montant Plaque de plâtre BA mm Plaque de plâtre Représentation Le du système multicouche 27/10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 10

11 2. Simulations des performances acoustiques a. Indice d affaiblissement acoustique R Comparaison calcul/mesure 70 Vis Plaque de plâtre BA mm Indice d'affaiblissement acoustique R (db) Calcul - 72/48 Mesure - 72/48 Montant Laine de verre 45 mm 12.5 mm Plaque de plâtre BA13 R w (C) en db 0 Calculé 41(-3) 0 Mesuré 41(-2) 27/10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 11

12 2. Simulations des performances acoustiques b. Niveau de bruit de choc L n Système étudié : sous-couche sous carrelage Carrelage Mortier colle Sous-couche Souscouche Carrelage + mortier 11 mm 8 mm Béton 140 mm Colle Béton Représentation Le du système multicouche 27/10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 12

13 2. Simulations des performances acoustiques b. Niveau de bruit de choc L n Comparaison calcul/mesure Indice d'affaiblissement acoustique R (db) Calcul - Sous-couche (nu=0.0) Calcul - Sous-couche (nu=0.4) Mesure - Sous-couche Souscouche Carrelage + mortier Béton L w en db Calculé 13 Mesuré mm 8 mm 140 mm 27/10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 13

14 2. Simulations des performances acoustiques c. Coefficient d absorption acoustique Système étudié : laine de verre Laine de verre 45 mm Représentation Le du système multicouche 27/10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 14

15 2. Simulations des performances acoustiques c. Coefficient d absorption acoustique Système étudié : laine de verre 1.2 Coefficient d'absorption acoustique (db) En champ diffus Laine de verre Calcul - Laine de verre Mesure - Laine de verre w Calculé 0.80 Mesuré mm 27/10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 15

16 3. Étude paramétrique Préambule Variation indépendante des paramètres Impact évalué sur la gamme de fréquence - Hz Impact sur indice unique Contribution des paramètres estimée par plans d expérience : méthode de Taguchi 27/10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 16

17 3. Étude paramétrique a. La cloison (R) Valeurs considérées des paramètres Paramètres Valeurs 0.58, 0.68, 0.78, 0.88, 0.98* (kn.s/m 4 ) 5, 10, 15*, 20, *, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8 ( m) 40, 60, 80*,, 120 ( m) 2 1 (kg.m -3 ) 10, 15*, 20, 25, 30 E (kn.m -2 ) 25, 50*, 75,, 0.0 s 0.05, 0.10, 0.15*, 0.20, 0.25 Remarque : Courts-circuits vibratoires non pris en compte 27/10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 17

18 3. Étude paramétrique a. La cloison (R) Indice d'affaiblissement acoustique R (db) Tortuosité Calcul - phi= Rw+C=32 db Calcul - phi= Rw+C=33 db Calcul - phi= Rw+C=33 db Calcul - phi= Rw+C=3480 db Indice d'affaiblissement acoustique R (db) Calcul - phi= Rw+C=34 db Porosité 0 Calcul - alpha=1.0 - Rw+C=34 db Calcul - alpha=1.2 - Rw+C=34 db Calcul - alpha=1.4 - Rw+C=34 db Calcul - alpha=1.6 - Rw+C=34 db Calcul - alpha=1.8 - Rw+C=34 db 27/10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 18

19 3. Étude paramétrique a. La cloison (R) Indice d'affaiblissement acoustique R (db) Calcul - sigma=5e3 Nsm-4 - Rw+C=34 db Calcul - sigma=10e3 Nsm-4 - Rw+C=34 db Calcul - sigma=15e3 Nsm-4 - Rw+C=34 db Calcul - sigma=20e3 Nsm-4 - Rw+C=34 db 80 Indice d'affaiblissement acoustique R (db) Calcul - sigma=25e3 Nsm-4 - Rw+C=34 db 70 Longueurs caractéristiques Résistivité 0 Calcul - lambda=40e-6 m - Rw+C=33 db Calcul - lambda=60e-6 m - Rw+C=33 db Calcul - lambda=80e-6 m - Rw+C=34 db Calcul - lambda=e-6 m - Rw+C=34 db Calcul - lambda=120e-6 m - Rw+C=35 db 27/10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 19

20 3. Étude paramétrique a. La cloison (R) Contribution des paramètres poro-élastiques sur la performance acoustique Contributions (%) Porosité Tortuosité Longueurs caractéristiques Module d'young Amortissement 27/10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 20

21 3. Étude paramétrique b. Le système de sous-couche sous carrelage ( L) Valeurs considérées des paramètres Paramètres Valeurs 0.53, 0.63, 0.73, 0.83, 0.93* (kn.s/m 4 ) 80,, 120*, 140, 1.0*, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8 ( m) 20, 40, 60*, 80, ( m) 2 1 (kg.m -3 ) 130, 150, 170*, 190, 210 E (MN.m -2 ) 0.5, 1.0, 1.5*, 2.0, s 0.025, 0.050, 0.075*, 0., 0. 27/10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 21

22 3. Étude paramétrique b. Le système de sous-couche sous carrelage ( L) Réduction du niveau de bruit de choc DL (db) Calcul - E=0.5 Mpa - DLw=14 db Calcul - E=1.0 MPa - DLw=13 db Calcul - E=1.5 MPa - DLw=13 db Calcul - E=2.0 MPa - DLw=13 db 60 Calcul - E=2.5 MPa - DLw=13 db 50 Réduction du niveau de bruit de choc DL (db) Masse volumique Module d Young 0 Calcul - rho=130 kg/m3 - DLw=13 db Calcul - rho=150 kg/m3 - DLw=13 db Calcul - rho=170 kg/m3 - DLw=13 db Calcul - rho=190 kg/m3 - DLw=13 db Calcul - rho=210 kg/m3 - DLw=13 db 27/10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 22

23 3. Étude paramétrique b. Le système de sous-couche sous carrelage ( L) Réduction du niveau de bruit de choc DL (db) Calcul - eta=2.5% - DLw=12 db Calcul - eta=5.0% - DLw=13 db Calcul - eta=7.5% - DLw=13 db Calcul - eta=10% - DLw=14 db Calcul - eta=12.5% - DLw=14 db Amortissement structural 27/10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 23

24 3. Étude paramétrique b. Le système de sous-couche sous carrelage ( L) Contribution des paramètres poro-élastiques sur la performance acoustique Contributions (%) Porosité Tortuosité Module d'young Masse volumique Amortissement 27/10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 24

25 3. Étude paramétrique c. La laine de verre ( ) Valeurs considérées des paramètres : Paramètres Valeurs 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 0.98* (kn.s/m 4 ) 80,, 120*, 140, 1.0*, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8 ( m) 13*, 16, 39, 52, 65 ( m) 2 1 (kg.m -3 ) 15, 30, 45*, 60, 75 E (kn.m -2 ) 15, 25*, 35, 45, s 0.05, 0.10, 0.15, 0.20*, /10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 25

26 3. Étude paramétrique c. La laine de verre ( ) Coefficient d'absorption acoustique as Porosité Coefficient d'absorption acoustique as Résistivité 0 Calcul - phi=0.6 - aw=0.55(mh) Calcul - phi=0.7 - aw=0.65(h) Calcul - phi=0.8 - aw=0.70(h) Calcul - phi=0.9 - aw=0.80 Calcul - phi=1.0 - aw=0.80 Calcul - sigma=80 Nsm-4 - aw=0.80(h) Calcul - sigma= Nsm-4 - aw=0.80 Calcul - sigma=120 Nsm-4 - aw=0.80 Calcul - sigma=140 Nsm-4 - aw=0.80 Calcul - sigma= Nsm-4 - aw= /10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 26

27 3. Étude paramétrique c. La laine de verre ( ) Coefficient d'absorption acoustique as Longueurs caractéristiques Coefficient d'absorption acoustique as Module d Young 0 Calcul - lambda=13e-6 m - aw=0.80 Calcul - lambda=26e-6 m - aw=0.80 Calcul - lambda=39e-6 m - aw=0.80 Calcul - lambda=52e-6 m - aw=0.80 Calcul - lambda=65e-6 m - aw=0.80 Calcul - E=15 kpa - aw=0.85 Calcul - E=25 kpa - aw=0.80 Calcul - E=35 kpa - aw=0.80 Calcul - E=45 kpa - aw=0.75(h) Calcul - E=55 kpa - aw=0.70(h) 27/10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 27

28 3. Étude paramétrique c. La laine de verre Masse volumique Amortissement structural Coefficient d'absorption acoustique as Coefficient d'absorption acoustique as Calcul - rho=15 kg/m3 - aw=0.40(mh) Calcul - rho=30 kg/m3 - aw=0.60(mh) Calcul - rho=45 kg/m3 - aw=0.80 Calcul - rho=60 kg/m3 - aw=0.85 Calcul - rho=75 kg/m3 - aw=0.80 Calcul - eta=5% - aw=0.80 Calcul - eta=10% - aw=0.80 Calcul - eta=15% - aw=0.80 Calcul - eta=20% - aw=0.80 Calcul - eta=25% - aw= /10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 28

29 Conclusions Conclusions > Paramètres influents différents suivant le domaine d application (bruit aérien, bruit de choc, absorption). > Le type de contact est influent (étude étendue à d autres systèmes). Perspectives > Paramètres considérés comme décorrélés > Amélioration méthodologie. > Moyens de mesure. > Extension au système. Remerciements > Catherine GUIGOU-CARTER, Jean-Baptiste CHENE Merci de votre attention 27/10/09 10 ème Congrès Français d Acoustique Lyon Acoustique du bâtiment CSTB-DAE-LABE PAGE 29