Biomimétisme & NVH :
améliorer les technologies d'atténuation du bruit et des vibrations
C'est une problématique technique que l'on retrouve dans de nombreuses industries : pour améliorer le confort des utilisateurs d'un produit, il est indispensable de réduire les nuisances sonores et les vibrations qu'il génère et émet.
Il faut pouvoir penser des structures intelligentes, absorbantes, revoir les revêtements et conduits, repenser les amortisseurs, les joints, articulations ou fixations d'un produit ou d'un composant. Un défi de taille, surtout qu'il a des répercussions souvent très directes avec la fiabilité d'une technologie, et donc sa sécurité.
Experte en discrétion, la nature a un large savoir-faire en la matière.
Proies et prédateurs, pour chasser ou se défendre, doivent être les plus furtifs possibles. Les stratégèmes pour éviter de se faire repérer sont nombreux et intelligents. Les animaux sont des experts en la maîtrise du bruit et des vibrations. Pour garantir leur survie, leurs structures et formes doivent optimiser au maximum les “performances NVH”.
Experte en résistance des matériaux, la nature possède également un large savoir-faire dans l’absorption des chocs et des vibrations. Tout système se doit d’être multi-fonctionnel et optimisé à la fois, entre robustesse et légèreté, acoustique, et parfois même thermorégulation et aérodynamisme.
Spécialiste du domaine, Bioxegy vous explique pourquoi et comment le biomimétisme permet de trouver des approches habiles et efficaces en matière et NVH. Nous vous livrons une sélection d'exemples particulièrement évocateurs.
Les coussinets des félins : la nécessaire recherche de furtivité
Dans la nature, les félins occupent le haut de la chaîne alimentaire. Ce sont de redoutables prédateurs. Même un grand tigre peut marcher silencieusement et furtivement grâce à l’anatomie de ses coussinets.
D’une très grande taille par rapport à ceux des canidés (chiens, loups, renards…), ces coussinets sont d’une élasticité extrême et absorbe la moindre vibration ou choc. Leur structure est particulièrement intéressante à étudier et ouvre de nombreuses potentialité de d'innovations par le biomimétisme.
Les félins sont des digitigrades : ils se déplacent sur le bout de leurs doigts. Cela les rend plus discrets et agiles, tels des maîtres de la chasse.
Leurs coussinets sont pour cela essentiels. Doux et veloutés, ils ressentent les moindres vibrations du sol, dissimulent leur présence lors de déplacements, et sont également extrêmement sensibles car ils permettent aux félins d’identifier la texture de leurs proies. Malgré cela, ils sont assez résistants pour supporter l’ensemble du poids du corps.
Quel est le secret de ces mystérieux coussinets ?
Ils sont constitués de nombreuses fibres élastiques prises dans un tissu adipeux, c’est-à-dire contenant des cellules graisseuses, serré et dense. La surface épaisse externe, l’épiderme, est constituée de plusieurs couches dont la couche cornée composée de nombreuses étages de cellules de kératine, mêmes protéines que nos ongles. En dessous, le derme, plus souple est riche en récepteurs sensoriels, puis le tissu sous-cutané (tissu adipeux) joue le rôle d’absorbeur de chocs et d’isolant thermique grâce à la juxtaposition de multiples cellules de graisses.
Cette structure multicouche peut inspirer des systèmes d'amortissement des vibrations dans de nombreuses pièces et composants industriels, de l'aéronautique à l'automobile, en passant par l'électroménager et ou le ferroviaire.
Crédits images : ©Chris Hubbard, Virginia Naples, Erin Ross, Burcu Carlon
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La toile d'araignée : spécialiste de l'absorption des vibrations.
La soie d'araignée est réputée pour sa combinaison inhabituelle de légèreté et de résistance extrême, qui dépasse parfois celle de l'acier. En raison de ces propriétés, des chercheurs ont mis au point des matériaux inspirés de la soie d'araignée, à la fois résistants et légers.
Jusqu'à présent, les propriétés acoustiques des toiles d'araignées n'avaient pas encore été explorées. Pourtant, il a été découvert que les toiles possèdent des avantages acoustiques remarquables. L’architecture de la toile, constituée de cercles concentriques ou "anneaux”, combinée aux propriétés élastiques variables de la soie radiale et circonférentielle, est capable d'atténuer et d'absorber les vibrations dans de larges plages de fréquences, et ce malgré sa légèreté.
Sur la base de cette architecture naturelle complexe, une équipe de chercheurs d’Italie, de France et du Royaume-Uni a publié en 2016 ses recherches sur un métamatériau acoustique bio-inspiré. C’est un matériau possédant une architecture périodique spécifique qui lui donne des propriétés remarquables comme bloquer les ondes sonores et les vibrations mécaniques.
Ce métamatériau bio-inspiré est formé de mailles carrées contenant des anneaux résonnants et de ligaments de soutien qui rayonnent depuis le centre des anneaux vers l'extérieur. D’après les modélisations numériques réalisées, ce nouveau concept inhibe plus efficacement les sons basses fréquences que les autres métamatériaux existants.
Cela ouvre donc la porte à de toutes nouvelles applications par le biomimétisme, notamment pour la construction de ponts ou de structures antisismiques en architecture ou dans la conception de véhicules légers innovants avec des structures amortissants les vibrations et absorbants les chocs.
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Crédits images : ©Marco Miniaci, Anastasiia Krushynska, Alexander B. Movchan, Federico Bosia', Nicola M. Pugno'
Le pamplemousse : la porosité pour neutraliser les vibrations.
Le pamplemousse est un fruit très lourd : sa masse peut atteindre 6 kg. Une fois mûr, il tombe de son arbre et chute de dix à quinze mètres, et ce sans se fissurer à l'impact.
Sa peau possède une remarquable capacité d'absorption des chocs et de neutraliser des vibrations. Les résultats expérimentaux montrent que jusqu'à 90% de l'énergie d'impact est dissipée lors de sa chute libre.
La couche externe de sa structure, appelée exocarpe, est dense et rigide. À l'inverse, la partie entre la peau et les quartiers, appelée mésocarpe, est peu dense et poreuse. Elle est chargée d’air intercellulaire et agit comme une mousse compressible.
La densité des pores augmente progressivement entre la mésocarpe et l'exocarpe, ce qui rend ces deux parties difficilement distinguables. Il n’y a donc pas de modification abrupte des propriétés structurelles entre les tissus qui pourrait entraîner leur séparation.
Le laboratoire PROSE (Product Synthesis Engineering) de la Texas A&M University, a mis au point un modèle d’éléments finis basé sur la porosité non uniforme de la peau du pamplemousse. Le modèle simulait une mousse d’aluminium avec 66% de pores dispersés à moins de 0,6 cm des faces supérieure et inférieure de la mousse.
Pour tester l’efficacité de la répartition de la porosité, l'équipe a simulé la chute de la mousse sur sa face supérieure à partir d'une hauteur de 1,5 mètres, puis a mesuré la distribution des contraintes. Le choc provoqué par l’impact était principalement absorbé par la face supérieure et ne se propageait pas complètement dans la face inférieure, ce qui a démontré des propriétés d’absorption du choc similaires à celles du pamplemousse.
Cette conception en mousse est une remarquable illustration du biomimétisme. Elle pourrait être utile dans des applications impliquant des chocs ou des vibrations importantes. Dans le domaine automobile par exemple : améliorer l’amortissement d'un véhicule et réduire les vibrations dans la transmission, la mécanique interne, le moteur ou les roues.
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Crédits images : ©Ortiz J, Zhang G, DA McAdams
Autres perspectives prometteuses du biomimétisme dans les secteurs industriels
