Matériaux viscoélastiques - Atténuation du bruit et des vibrations

Les matériaux viscoélastiques trouvent des applications dans tous les domaines de l'ingénierie et des systèmes mécaniques, de l'électroménager au spatial en passant par l'automobile, l'aéronautique ou le génie civil (ponts…). Ils sont destinés à dissiper l'énergie mécanique des vibrations en chaleur. Outre l'augmentation de la durée des structures, ils permettent d'atténuer le bruit et les vibrations. On peut distinguer deux grandes classes de matériaux viscoélastiques : les polymères (élastomères, plastiques…) et les céramiques (verre, vernis…) ; voir la référence [5] de la fiche documentaire [Doc. N 720] par exemple.

Aujourd'hui dans une automobile, on peut trouver une trentaine de kilos de ce type de matériaux ; ils sont utilisés pour « découpler » le moteur de la caisse, dans les amortisseurs, mais également dans les tôles sandwich de la carrosserie (portières, plafond, coffre) ou à l'intérieur de l'habitacle y compris les sièges. L'objectif est bien entendu la réduction du bruit et des vibrations à l'intérieur de l'habitacle. Malgré les contraintes de poids, on retrouve abondamment ce type de matériaux en aéronautique pour isoler les systèmes électroniques et de mesures ou tout autres systèmes embarqués qu'il s'agit de protéger des vibrations. Toujours en aéronautique, on peut citer des applications de ces matériaux dans les palettes des turbines et les joints, mais aussi dans l'habillage intérieur. Le bâtiment est aussi un domaine où les viscoélastiques sont de plus en plus utilisés : on peut citer les cadres des volets roulants et les volets eux-mêmes, mais aussi les murs et les sols pour lesquels des matériaux aux caractéristiques viscoélastiques importantes permettent une réduction des vibrations et une isolation acoustique.

Nous donnons ci-après une liste non exhaustive d'éléments ou d'applications utilisant les matériaux viscoélastiques, quelques éléments types sont présentés en figure 1 de la fiche documentaire [Doc. N 720] :

• plots et supports de moteurs et de machines ;

• joints et courroies de transmission ;

• bordures de vitrages et fixations de sous-systèmes ;

• amortissement de plaques et coques en métal ;

• parties de sièges et intérieur de cabines ;

• pneus et roues ;

• systèmes d'amortissement accordés.

La principale fonction des viscoélastiques est de fournir un mécanisme de dissipation de l'énergie mécanique des vibrations en chaleur. Par voie de conséquence, ils permettent d'atténuer le bruit et les vibrations. Il s'agit cependant, lors de la conception, de bien appréhender leur influence sur la structure. Celle-ci est fonction de la masse de ces éléments, de leur géométrie, des interfaces, de l'environnement et, bien sûr, des caractéristiques de dissipation du matériau.

Nous développons dans ce dossier les mécanismes de dissipation qui permettent de réduire l'amplitude des vibrations, puis les modèles rhéologiques simples ainsi que la courbe dite « maîtresse ». Ces modèles sont d'une grande importance car ils sont utilisés dans les modèles éléments finis lors de la conception d'une structure. Le 4^e paragraphe présente quelques techniques de caractérisation expérimentale qui sont nécessaires pour identifier les paramètres des modèles rhéologiques. Dans la 5^e partie, nous discutons des procédures d'intégration de ces matériaux dans les structures. L'effet de la disposition des matériaux dans une structure est abordé au chapitre 6.