Caractérisation dynamique du coefficient de Poisson des matériaux acoustiques

26 Jan 2021

banc coefficient de poisson
Le CEVAA (Groupe 6NAPSE) a mis en place un nouveau moyen d’essai de caractérisation dynamique du coefficient de Poisson des matériaux acoustiques.

Des modèles numériques toujours plus précis

La complexité des nouveaux systèmes industriels demande des modèles numériques de plus en plus représentatifs de la réalité. C’est notamment le cas dans le domaine du confort acoustique, où la modélisation des phénomènes vibro-acoustiques nécessite des modèles de calcul toujours plus précis.

Une des pistes souvent envisagée pour améliorer les performances des produits est l’utilisation de nouveaux matériaux performants. Afin de simuler ces matériaux, il est nécessaire de disposer de cartes matériaux et donc de connaitre leurs comportements dynamiques.

Généralement, trois paramètres mécaniques sont à renseigner pour rendre compte du comportement du matériau : le module élastique de stockage, l’amortissement et le coefficient de Poisson. Le module de stockage et l’amortissement sont caractérisés dynamiquement, c’est-à-dire avec une dépendance en fréquence, par des moyens d’essais tels que la raideur dynamique et la potence Oberst, disponibles au CEVAA.

Coefficient de Poisson : caractérisation dynamique

Le coefficient de Poisson, qui représente la contraction du matériau perpendiculaire à son allongement, est le plus souvent caractérisé en statique (non dépendant de la fréquence). Cela peut amener à des limitations, notamment lors de simulations faisant intervenir des phénomènes vibro-acoustiques ou d’impact.

À partir de ce constat, le CEVAA a mis en place une méthodologie permettant la caractérisation du coefficient de Poisson de manière dynamique pour différents types de matériaux (viscoélastiques, plastiques, EPDM, etc.). La caractérisation dynamique permet de mieux représenter le comportement du matériau dans son environnement lors de problématiques mécaniques vibratoires et/ou d’acoustiques.

Ce nouveau service proposé par le CEVAA permet d’alimenter les modèles de calcul avec des paramètres matériaux plus précis. En outre, il permet de rendre les simulations dynamiques plus représentatives du phénomène réel.

La vibrométrie laser et la simulation comme support

Le principe de la méthode repose sur la mesure du déplacement vertical et latéral d’un échantillon précontraint soumis à une excitation pseudo-aléatoire, permettant de revenir à la valeur du coefficient de Poisson pour chaque pas de fréquences mesuré.

Le montage se présente comme suit : le matériau à tester est précontraint entre deux plaques, la plaque inférieure étant excitée par un pot vibrant. Un accéléromètre récupère le déplacement vertical sur la plaque inférieure tandis qu’un vibromètre laser vient mesurer le déplacement latéral sur la surface de l’échantillon.

Parallèlement aux mesures réalisées, un abaque est construit en s’appuyant sur la simulation. Plusieurs calculs éléments finis avec le logiciel open-source Code_Aster sont réalisés en reproduisant l’expérience.

coefficient de poisson montage expérimental

Figure 1 : Montage expérimental, vue globale.

coefficient de poisson vibromètre

Figure 2 : Montage expérimental, vue du vibromètre.

À l’aide de l’abaque et du rapport des déplacements latéral et vertical en fonction de la fréquence, le coefficient de Poisson est déterminé pour un domaine de validité donné. Celui-ci s’étend de 20 Hz à 90 Hz, le domaine pouvant se restreindre en fonction des matériaux.

La figure ci-dessous montre les valeurs réelles du coefficient de Poisson d’un polystyrène extrudé (PSE) dans le domaine de validité de la mesure entre 40 Hz et 67 Hz, la cohérence des mesures n’étant pas jugée valable en dehors de cette bande fréquentielle.

coefficient de poisson fréquence

Figure 3 : Valeurs réelles du coefficient de Poisson mesurées d’un échantillon de PSE entre 40 Hz et 67 Hz.

À noter qu’il est également possible de post-traiter les résultats de mesures pour obtenir un coefficient de Poisson complexe. Ce qui est utile pour alimenter des modèles de calcul notamment dans le logiciel Actran.

Professionnalisation de la méthode

Cette méthode a été mise en place au CEVAA lors de l’étape bibliographique de la thèse sur l’amortissement des mousses par frottement par Meryem LE DEUNF.

Suite à la demande d’un client sur de la caractérisation de matériaux, nous avons développé cette méthode au CEVAA pour évaluer sa faisabilité avec nos moyens. Les premiers essais nous ont permis de valider la méthodologie, monter en compétence sur le sujet et de comprendre les limites et les améliorations possibles. 

Meryem Le Deunf

Doctorante au CEVAA

Le moyen d’essais et la méthodologie ont d’abord été éprouvés sur des projets de recherche internes avant d’être validés par différentes étapes de professionnalisation : documents qualité et passage du moyen d’essai en mode projet. Cette étape a permis de certifier ce nouveau moyen d’essai dans le processus qualité ISO 9001 du Groupe 6NAPSE.

La suite ? Une montée en compétences de l’équipe technique afin de garantir ce service. Plusieurs améliorations sont également en réflexion, notamment l’ajout d’une enceinte climatique pour réaliser des essais en température. En effet, les températures extrêmes, notamment en température négative, peuvent modifier l’élasticité du matériau et dégrader le comportement mécanique du produit.

Enfin, le CEVAA prévoit des caractérisations sur de nouveaux matériaux à l’image du verre ou du carrelage. Ces matériaux s’éloignent de ceux déjà testés avec ce moyen mais ils représentent un intérêt lors de modélisation d’impact ou vibro-acoustique dans le domaine du bâtiment.

La connaissance du coefficient de Poisson de nos matériaux, notamment ceux à base de polymères viscoélastiques, reste à ce jour très parcellaire. Notre collaboration avec CEVAA nous a permis de mettre au point un dispositif expérimental sans contact conduisant à une estimation beaucoup plus précise de ce paramètre.

Son application a été éprouvée sur différentes gammes de matériaux, permettant une meilleure compréhension des limites du banc. À moyen terme, ce type d’approche nous sera précieux pour mieux prédire le comportement vibro-acoustique de systèmes incorporant ce type de matériaux. 

Témoignage, Entreprise de production, transformation et distribution de matériaux

Vous souhaitez en savoir plus sur ce moyen d’essai ?
Contactez-nous : cevaa@groupe-6napse.com