13 research outputs found
Fundamental constraints on broadband passive acoustic treatments in unidimensional scattering problems
[EN] In a passive lossy acoustical system, sum rules derived from passivity explicitly relate the broadband response to the spatial dimension of the system, which provide important design criteria as well. In this work, the theory of Herglotz function is applied systematically to derive sum rules for unidimensional scattering problems relying on passive acoustic treatments which are generally made of rigid, motionless and subwavelength structures saturated by air. The rigid-boundary reflection, soft-boundary reflection and transmission problems are analysed. The derived sum rules are applied for guiding the designs of passive absorbers and mufflers: the required minimum space is directly predicted from the target (i.e. the desired absorption or transmission-loss spectra) without any specific design. Besides, it is possible to break this type of sum rules and fundamental constraints in particular cases. This property, if well used, could result in ultra-compact absorbers working at long wavelength up to infinity.This work is supported by Valeo company and the ANR-RGC METARoom project (grant nos. ANR-18-CE08-0021 and RGC A-HKUST601/18).Meng, Y.; Romero-García, V.; Gabard, G.; Groby, J.; Bricault, C.; Goudé, S.; Sheng, P. (2022). Fundamental constraints on broadband passive acoustic treatments in unidimensional scattering problems. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences (Online). 478(2265):1-22. https://doi.org/10.1098/rspa.2022.0287122478226
Diminution des vibrations et du bruit rayonné d'une paroi par contrôle distribué
Making the structure lighter is an important economic stake in the field of industrial activities such as automotive, aeronautic or naval, which gradually integrate composite materials in the manufacturing of structures. This reduction of the mass goes along with a stiffening of the matter implying acoustics and vibrations issues. Several methods exist to reduce vibrations or acoustic radiations of structures, but these methods increase the mass. In order to answer the problematic, we propose to change the dynamic behavior of structures with a periodic lattice of piezoelectric patches shunted with an electrical circuit whose the impedance can be controlled. Therefore, the control of the coupled behavior of the piezoelectric patches allows the control of vibrational wave's diffusion inside the structure and so to treat the structure-borne vibrations and airborne acoustics emission. The shunt method chosen is negative capacitance shunt which allows to modify the rigidity of a structure. This semi-passive method has several advantages: the implementation is simple, it is possible to integrate the patches directly inside the wall, it consumes a low amonte of electrical energy and its implementation is inexpensive.L'allègement des structures est un enjeu économique important dans les domaines d'activités industrielles telles que l'automobile, l'aéronautique ou le naval, qui intègrent peu à peu les matériaux composites dans la fabrication des structures. Cet allègement s'accompagne d'un raidissement de la matière qui implique des problèmes de vibrations et d'isolation acoustique. Plusieurs méthodes de traitement existent pour diminuer les vibrations ou le bruit rayonné d'une paroi, mais ces méthodes ont l'inconvénient d'augmenter significativement la masse de la paroi. Afin de répondre à cette problématique, il est proposé dans cette thèse de modifier le comportement dynamique des structures à partir d'un réseau périodique de patchs piézoélectriques shuntés avec un circuit électrique dont il est possible de modifier l'impédance. En contrôlant ainsi le comportement dynamique des patchs piézoélectriques, il est possible de contrôler le comportement vibratoire de la structure et donc de traiter les problèmes de transmissions solidiennes ou de transmissions aériennes.La méthode de shunt choisie est la méthode dite de shunt à capacité négative qui permet de modifier la rigidité d'une structure. Cette méthode dite semi-passive présente plusieurs avantages : la mise en œuvre est simple, il est possible d'intégrer les patchs directement à l'intérieur de la paroi, elle consomme une faible quantité d'énergie électrique et sa mise en application est peu onéreuse
Reduction of vibrations and radiated wall noise by distributed control
L'allègement des structures est un enjeu économique important dans les domaines d'activités industrielles telles que l'automobile, l'aéronautique ou le naval, qui intègrent peu à peu les matériaux composites dans la fabrication des structures. Cet allègement s'accompagne d'un raidissement de la matière qui implique des problèmes de vibrations et d'isolation acoustique. Plusieurs méthodes de traitement existent pour diminuer les vibrations ou le bruit rayonné d'une paroi, mais ces méthodes ont l'inconvénient d'augmenter significativement la masse de la paroi. Afin de répondre à cette problématique, il est proposé dans cette thèse de modifier le comportement dynamique des structures à partir d'un réseau périodique de patchs piézoélectriques shuntés avec un circuit électrique dont il est possible de modifier l'impédance. En contrôlant ainsi le comportement dynamique des patchs piézoélectriques, il est possible de contrôler le comportement vibratoire de la structure et donc de traiter les problèmes de transmissions solidiennes ou de transmissions aériennes.La méthode de shunt choisie est la méthode dite de shunt à capacité négative qui permet de modifier la rigidité d'une structure. Cette méthode dite semi-passive présente plusieurs avantages : la mise en œuvre est simple, il est possible d'intégrer les patchs directement à l'intérieur de la paroi, elle consomme une faible quantité d'énergie électrique et sa mise en application est peu onéreuse.Making the structure lighter is an important economic stake in the field of industrial activities such as automotive, aeronautic or naval, which gradually integrate composite materials in the manufacturing of structures. This reduction of the mass goes along with a stiffening of the matter implying acoustics and vibrations issues. Several methods exist to reduce vibrations or acoustic radiations of structures, but these methods increase the mass. In order to answer the problematic, we propose to change the dynamic behavior of structures with a periodic lattice of piezoelectric patches shunted with an electrical circuit whose the impedance can be controlled. Therefore, the control of the coupled behavior of the piezoelectric patches allows the control of vibrational wave's diffusion inside the structure and so to treat the structure-borne vibrations and airborne acoustics emission. The shunt method chosen is negative capacitance shunt which allows to modify the rigidity of a structure. This semi-passive method has several advantages: the implementation is simple, it is possible to integrate the patches directly inside the wall, it consumes a low amonte of electrical energy and its implementation is inexpensive
Optimisation d’un réseau de résonateurs de Helmholtz dans un volume restreint pour diminuer sur une large bande fréquentielle la transmission des ondes dans un conduit rectangulaire
International audienceCes dernières années, de nombreux travaux se sont concentrés sur la recherche de dispositifs innovants pour atténuer le son se propageant dans des conduites d’air de plus en plus bas en fréquence et avec des contraintes d'intégration de plus en plus restreintes. Ce travail contribue au développement d'un système de silencieux pour empêcher la transmission du son au travers un conduit de section rectangulaire dans un système de chauffage et de climatisation automobile (HVAC). Ces systèmes HVAC peuvent être décrits comme l'association de trois sous-systèmes : un groupe moto-ventilateur qui aspire l’air depuis le bloc d’entrée d’air et le propulse vers le bloc de distribution qui répartit l’air à différents endroits de l’habitacle selon la consigne utilisateur. Le groupe moto-ventilateur de l’HVAC est une source d'ondes sonores qui se propagent à travers le conduit d'air et rayonnent en sortie de bouche du bloc de distribution. Une certaine difficulté est rencontrée pour réduire ce rayonnement acoustique basse fréquence directement issu du système de soufflage. L'utilisation d'un silencieux constitué d'un réseau de résonateurs de Helmholtz semble être une stratégie intéressante pour maximiser les pertes par transmission des ondes sonores qui se propagent dans le conduit d'air de la sortie de la soufflante vers le bloc de distribution. Nous proposons de présenter ici la méthode utilisée pour optimiser l'agencement du réseau de résonateurs en fonction des différents paramètres géométriques pour une gamme de fréquences donnée et des volumes parallélépipédiques disponibles. Le flux d’air n’est pas considéré dans la méthode
Optimisation d’un réseau de résonateurs de Helmholtz dans un volume restreint pour diminuer sur une large bande fréquentielle la transmission des ondes dans un conduit rectangulaire
International audienceCes dernières années, de nombreux travaux se sont concentrés sur la recherche de dispositifs innovants pour atténuer le son se propageant dans des conduites d’air de plus en plus bas en fréquence et avec des contraintes d'intégration de plus en plus restreintes. Ce travail contribue au développement d'un système de silencieux pour empêcher la transmission du son au travers un conduit de section rectangulaire dans un système de chauffage et de climatisation automobile (HVAC). Ces systèmes HVAC peuvent être décrits comme l'association de trois sous-systèmes : un groupe moto-ventilateur qui aspire l’air depuis le bloc d’entrée d’air et le propulse vers le bloc de distribution qui répartit l’air à différents endroits de l’habitacle selon la consigne utilisateur. Le groupe moto-ventilateur de l’HVAC est une source d'ondes sonores qui se propagent à travers le conduit d'air et rayonnent en sortie de bouche du bloc de distribution. Une certaine difficulté est rencontrée pour réduire ce rayonnement acoustique basse fréquence directement issu du système de soufflage. L'utilisation d'un silencieux constitué d'un réseau de résonateurs de Helmholtz semble être une stratégie intéressante pour maximiser les pertes par transmission des ondes sonores qui se propagent dans le conduit d'air de la sortie de la soufflante vers le bloc de distribution. Nous proposons de présenter ici la méthode utilisée pour optimiser l'agencement du réseau de résonateurs en fonction des différents paramètres géométriques pour une gamme de fréquences donnée et des volumes parallélépipédiques disponibles. Le flux d’air n’est pas considéré dans la méthode
Subwavelength Broadband Perfect Absorption for Unidimensional Open-Duct Problems
[EN] Passive metamaterials provide efficient solutions for sound absorption in the low-frequency regime with deep subwavelength dimensions. They have been extensively applied in unidimensional reciprocal problems considering that an incident wave is either reflected or transmitted at the outlet boundary. However, the generalized problem with impedance boundary condition is not well understood yet. This work presents a general design methodology of metamaterial absorbers for open-duct problems, which is a special case of impedance outlet boundary encountered in broad practical applications, for example, noise-attenuation problems in heat ventilation and air conditioning systems. By properly using monopolar point scatterers made of arrays of Helmholtz resonators, the design process is significantly simplified; the transfer matrix modeling is sufficiently accurate to describe the acoustic response of the system. A single monopolar point scatterer is insufficient to attenuate both the reflected and radiated waves; a frequency-dependent maximum absorption exists and is derived analytically. To go beyond this absorption bound and achieve perfect absorption, at least two point scatterers are necessary. Specific designs are provided and validated experimentally for maximum or perfect absorption, either at single frequencies or over specific frequency bands.All the authors gratefully acknowledge the support of Valeo. J.-P.G. and V.R.-G. would like to acknowledge the support of the ANR-RGC METARoom project (ANR-18-CE08-0021).Meng, Y.; Romero-García, V.; Gabard, G.; Groby, J.; Bricault, C.; Goudé, S. (2023). Subwavelength Broadband Perfect Absorption for Unidimensional Open-Duct Problems. Advanced Materials Technologies. 8(12). https://doi.org/10.1002/admt.20220190981
Absorption bound of a locally resonant element in a unidimensional scattering problem
International audienceWe consider the scattering properties of a locally resonant element either in series or in parallel of a waveguide resulting in a unidimensional problem. At the downstream side of the waveguide, an arbitrary passive outlet boundary is accounted for by introducing an impedance boundary condition. The goal is to suppress both the reflected and the transmitted waves by the locally resonant element. It is shown that the absorption coefficient of the system has a frequency-dependent upper bound, which is in general less than one and depends on the impedance of the outlet. The analytical prediction of the maximum absorption is validated against experiment results obtained with specifically designed samples, which work for either a single frequency or a broadband frequency range
Absorption bound of a locally resonant element in a unidimensional scattering problem
International audienceWe consider the scattering properties of a locally resonant element either in series or in parallel of a waveguide resulting in a unidimensional problem. At the downstream side of the waveguide, an arbitrary passive outlet boundary is accounted for by introducing an impedance boundary condition. The goal is to suppress both the reflected and the transmitted waves by the locally resonant element. It is shown that the absorption coefficient of the system has a frequency-dependent upper bound, which is in general less than one and depends on the impedance of the outlet. The analytical prediction of the maximum absorption is validated against experiment results obtained with specifically designed samples, which work for either a single frequency or a broadband frequency range
Multimodal reduction of acoustic radiation of thin plates by using a single piezoelectric patch with a negative capacitance shunt
International audienceThe ability of a single piezoelectric patch with a single negative capacitance shunt for the multimodal vibration damping is used in this work to drastically reduce the acoustic radiation of a vibrating plate. With a geometry fixed, the elastic properties can be controlled using the resistance and the negative capacitance of the shunt: using a value of the negative capacitance close to the instability domain of the circuit, the stiffness can be placed in the softening region of the system, while the resistance tunes both the stiffness and losses. By means of an optimal design, several modes with non-zero electromechanical coupling factors can be simultaneously damped. As a consequence at these frequencies the acoustic radiation of the plate is drastically decreased. The results open prospects to tackle the vibration and acoustic problems in an industrial context
Evidence of multimodal vibration damping using a single piezoelectric patch with a negative capacitance shunt
International audienceIn this work, a piezoelectric patch shunted with a negative capacitance circuit has been used to simultaneously damp several modes of a square aluminum plate at low frequencies. The active nature of such electromechanical system leads to regions of instabilities in which the highest vibration attenuation performance appears in the softening region. Once the geometry is fixed, the system has two degrees of freedom, dominated by the electrical parameters of the circuit: the resistance and the negative capacitance. We tune both the value of the negative capacitance, in order to place the structure close to the instability in the softening region, and the resistance of the circuit in such that control the losses of the system. This work shows an optimal design to simultaneously damp several modes with non-zero electromechanical coupling factors using a single shunted patch at low frequencies. The problem is solved numerically and tested experimentally with good agreement. The results show the possibility of controlling the modal response of the system, opening prospects to improve the acoustic comfort with systems using piezoelectric shunted damping circuits with small additional mass with a high tunability by only adjusting the properties of the shunt