Influence de la prédéformation sur la mesure des propriétés mécaniques de matériaux poreux acoustiques

Une étude de l'influence de la précontrainte sur l'estimation des paramètres élastiques de matériaux poreux acoustiques est réalisée. Le dispositif expérimental utilisé pour cette étude, dérivant d'un système masse de précontrainte-ressort, est celui décrit par. Deux classes de comportement de la rigidité en fonction de la précontrainte sont identifiées : une pour les matériaux cellulaires (ou mousses), une seconde pour les matériaux fibreux ou agglomérés. Enfin, des indications quant au choix de la masse permettant d'atteindre le comportement élastique linéaire d'un matériau poreux quelconque, en compression unixiale, sont données

Étude numérique du comportement vibro-acoustique d'un système plaque-cavité dans un écoulement uniforme, pour différents types d'excitation

La réduction du bruit émis et transmis par les structures en mouvement excitées mécaniquement, aérodynamiquement ou acoustiquement intéresse de nombreux secteurs industriels tels que l'automobile, l'aéronautique et la marine (sous-marins). Les mécanismes physiques qui régissent le comportement vibroacoustique de structures se déplaçant dans des écoulements font cependant intervenir des mécanismes de couplage fluide-structure très complexes, qui sont difficiles à modéliser, notamment dans le cas d'excitation par couches limites turbulentes. Dans les secteurs industriels mentionnés, les structures qui se meuvent, peuvent être souvent, en première approximation, assimilés à des systèmes constitués par une structure qui vibre, souple à une cavité. Dans ce travail, on propose une formulation basée sur des hypothèses simples, pour estimer la réponse vibroacoustique basses fréquences d'un système particulier : une plaque bafflée, encastrée, immergée d'un côté dans un écoulement uniforme et couplé de l'autre cote à une cavité. Cette plaque est excitée de façon mécanique, acoustique ou par une couche limite turbulente établie. La principale contribution de ce travail est l'estimation de l'influence d'un écoulement uniforme sur les différents indicateurs vibroacoustiques caractérisant le comportement vibratoire et acoustique de la structure. Cette étude comporte plusieurs originalités scientifiques. La première réside dans la prise en compte des effets de convection liés au mouvement du fluide extérieur à la cavité. La seconde a trait au caractère inédit de la formulation intégrale du problème. La troisième porte sur le caractère général de la formulation proposée, qui est basée sur une méthode mixte d'éléments finis et d'éléments de frontières et permet le traitement de plaques et de cavités de formes quelconques (pourvu que la cavité comporte une face plane bafflée). La quatrième est liée, au fait que la formulation met en évidence les effets de l'écoulement uniforme en terme de masse, d'amortissement et de raideur ajouté, et permet une analyse physique de ceux-ci sur les indicateurs vibroacoustiques. Enfin, une dernière originalité a trait à la puissance des algorithmes de calcul (calcul des matrices d'impédances) et de résolution (projection sur bases modales), mis en place dans l'implantation numérique de la formulation. Les résultats obtenus montrent que l'écoulement a des effets importants, sur la réponse vibroacoustique de la structure, pour des vitesses d'écoulement importantes lorsque le fluide convecteur est de l'air (typiquement M[indice inférieur infini] > 0.4), et relativement faibles lorsque le fluide convecteur est de l'eau (U[indice inférieur infini] > quelques m/s). L'ampleur des changements dans les niveaux des indicateurs dépend aussi du type d'excitation

Étude numérique du comportement vibro-acoustique d'un système plaque-cavité dans un écoulement uniforme, pour différents types d'excitation

La réduction du bruit émis et transmis par les structures en mouvement excitées mécaniquement, aérodynamiquement ou acoustiquement intéresse de nombreux secteurs industriels tels que l'automobile, l'aéronautique et la marine (sous-marins). Les mécanismes physiques qui régissent le comportement vibroacoustique de structures se déplaçant dans des écoulements font cependant intervenir des mécanismes de couplage fluide-structure très complexes, qui sont difficiles à modéliser, notamment dans le cas d'excitation par couches limites turbulentes. Dans les secteurs industriels mentionnés, les structures qui se meuvent, peuvent être souvent, en première approximation, assimilés à des systèmes constitués par une structure qui vibre, souple à une cavité. Dans ce travail, on propose une formulation basée sur des hypothèses simples, pour estimer la réponse vibroacoustique basses fréquences d'un système particulier : une plaque bafflée, encastrée, immergée d'un côté dans un écoulement uniforme et couplé de l'autre cote à une cavité. Cette plaque est excitée de façon mécanique, acoustique ou par une couche limite turbulente établie. La principale contribution de ce travail est l'estimation de l'influence d'un écoulement uniforme sur les différents indicateurs vibroacoustiques caractérisant le comportement vibratoire et acoustique de la structure. Cette étude comporte plusieurs originalités scientifiques. La première réside dans la prise en compte des effets de convection liés au mouvement du fluide extérieur à la cavité. La seconde a trait au caractère inédit de la formulation intégrale du problème. La troisième porte sur le caractère général de la formulation proposée, qui est basée sur une méthode mixte d'éléments finis et d'éléments de frontières et permet le traitement de plaques et de cavités de formes quelconques (pourvu que la cavité comporte une face plane bafflée). La quatrième est liée, au fait que la formulation met en évidence les effets de l'écoulement uniforme en terme de masse, d'amortissement et de raideur ajouté, et permet une analyse physique de ceux-ci sur les indicateurs vibroacoustiques. Enfin, une dernière originalité a trait à la puissance des algorithmes de calcul (calcul des matrices d'impédances) et de résolution (projection sur bases modales), mis en place dans l'implantation numérique de la formulation. Les résultats obtenus montrent que l'écoulement a des effets importants, sur la réponse vibroacoustique de la structure, pour des vitesses d'écoulement importantes lorsque le fluide convecteur est de l'air (typiquement M[indice inférieur infini] > 0.4), et relativement faibles lorsque le fluide convecteur est de l'eau (U[indice inférieur infini] > quelques m/s). L'ampleur des changements dans les niveaux des indicateurs dépend aussi du type d'excitation

Modélisation numérique de matériaux poreux hétérogènes (application à l'absorption basse fréquence)

Cette thèse porte sur la modélisation numérique des matériaux poreux hétérogènes afin d'optimiser l'absorption acoustique en basses fréquences. Une méthode éléments finis quadratiques basée sur la formulation de Biot généralisée et sur une formulation en fluide équivalent a été implantée et validée. Une procédure d'adaptation automatique de maillage a également été mise au point et validée dans le cas d'une formulation fluide équivalent. Un estimateur d'erreur a posteriori évalue l'erreur d'interpolation en effectuant une dérivation discrète du type différences finies sur les valeurs nodales du gradient de la pression. Un critère a été établi afin de piloter le raffinement du maillage. Dans un premier temps, l'outil est utilisé dans le cadre des matériaux à double porosité (matériaux à deux échelles de pores). Les résultats obtenus conforment les résultats théoriques d'Olny. Le pic caractéristique présent sur les spectres d'absorption des matériaux offrant un bon contraste de perméabilité est bien prédit. Une interprétation de ce pic est proposée à l'aide de la visualisation des puissances dissipées par éléments. Une technique d'optimisation des matériaux à double porosité basée sur la méthode des surfaces de réponses est également proposée. Enfin, l'adaptation automatique de maillage est utilisée pour effectuer une étude paramétrique de l'absorption de matériaux bi-couches présentant des fuites sur le pourtour de l'une ou l'autre de leur couche. Il est montré que l'influence de la fuite est plus importante lorsqu'elle est présente sur le pourtour de la première couche et que cette dernière n'est pas trop mince. Cette étude montre qu'il est possible d'améliorer l'absorption des matériaux au moyen de fuites. L'outil développé est fiable. L'adaptation automatique reste limitée à l'utilisation d'une formulation en fluide équivalent.This PhD thesis deals with the numerical modelling of the low frequency absorption of porous heterogeneous materials. A quadratic finite element method based on Biot-Allard's theory and on an equivalent fluid formulation has been implemented and validated. An auto adaptative meshing procedure has been developed and validated in the case of the equivalent fluid formulation. An a posteriori error estimator was used to evaluate the interpolation errors using a finite difference like derivative of the pressure gradient at the mesh nodes. A criterion has been established in order to control the mesh refinement. The developed tool has been used for the modelling of double porosity materials (materials with a double scale of pores). The results obtained confirm Olny's analytical results. The distinctive peak found on the absorption spectra is well predicted. Its position can be determined analytically for periodic homogeneisable materials. The dissipated powers within the mesh elements are used to interpret the diffusion layer and the associated absorption peak. Moreover, an optimisation technique based on a surface response method is also proposed for double porosity materials. The developed tool is finally used for a parameters study of double layer materials with lateral leaks. It is shown that air leaks affect more the first layer. This effect increases with the layer thickness and flow resistance. This study shows in particular that it is possible to enhance the absorption of materials with air partitions. The developed tool is reliable and easy to use. However, the proposed auto adaptative meshing technique is limited to the equivalent fluid formulation.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Caractérisation mécanique dynamique de matériaux poro-visco-élastiques

Les matériaux poreux visco-élastiques peuvent être modélisés par le biais du modèle de Biot-Allard. Ce modèle requiert la connaissance d'une série de paramètres macroscopiques décrivant la géométrie des pores du matériau d'une part et les propriétés élastiques du squelette du matériau d'autre part. Différentes méthodes de caractérisation des paramètres visco-élastiques de ces matériaux poreux sont étudiées dans cette thèse. Dans un premier temps, les méthodes quasistatique et résonante existantes sont décrites et analysées. Dans un second temps, une nouvelle méthode dynamique de caractérisation par inversion est développée. Cette dernière met en jeu une poutre bicouche, de type métal-poreux, qui est excitée en son centre et dont la réponse fréquentielle est mesurée. Le principe de mesure est simplifié par rapport aux méthodes existantes. L'obtention des paramètres se fait par un processus d'inversion, qui est la minimisation d'une fonction coût calculée à partir de la différence des fonctions de réponses en fréquences (FRF) mesurée et prédite, grâce à un modèle de stratifié. Une étude paramétrique donne les dimensions de poutre permettant de se placer dans le cas où le modèle est le plus sensible. L'avantage de l'utilisation d'un code ne prenant pas en compte les phénomènes d'interaction fluide-structure est la rapidité de l'inversion. Pour la plupart des matériaux cette interaction est négligeable en ce qui concerne les propriétés élastiques. Les méthodes sont appliquées sur plusieurs matériaux et les résultats sont comparés. Les limitations des méthodes sont ainsi fixées et des conclu sions, quant à leur utilisation, sont tirées.Poro-viscoelastic materials are well modelled with Biot-Allard equations. This model needs a number of geometrical parameters in order to describe the macroscopic geometry of the material and elastic parameters in order to describe the elastic properties of the material skeleton. Several characterisation methods of viscoelastic parameters of porous materials are studied in this thesis. Firstly, quasistatics and resonant characterization me- thods are described and analyzed. Secondly, a new inverse dynamic characterization of the same modulus is developed. The latter involves a two layers metal-porous beam, which is excited at the center. The input mobility is measured. The set-up is simpli ed compared to previous methods. The parameters are obtained via an inversion procedure based on the minimisation of the cost function comparing the measured and calculated frequency response functions (FRF). The calculation is done with a general laminate model. A pa- rametric study identi es the optimal beam dimensions for maximum sensitivity of the inversion model. The advantage of using a code which is not taking into account uid- structure interaction is the low computation time. For most materials, the e®ect of this interaction on the elastic properties is negligible. Several materials are tested to demons- trate the performance of the method compared to the classical quasi-static approaches, and set its limitations and range of validity. Finally, conclusions about their utilisation are given.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

On the removal of the open earcanal high-pass filter effect due to its occlusion: A bone-conduction occlusion effect theory

The occlusion effect is commonly experienced by in-ear device wearers as an increased loudness sensation of bone-conducted low frequency sounds. A widespread theory proposed by Tonndorf and based on a simplified electro-acoustic model describes the phenomenon as the removal of the open earcanal high-pass filter effect due to a perfect or partial occlusion. However, this filter has not been clearly defined and several ambiguities remain. Revisiting the model, a second order high-pass filter effect for the volume velocity transferred between the earcanal wall and the eardrum is highlighted. This filter remains for partial occlusion but vanishes for perfect occlusion. In the latter case, the volume velocity transferred from the earcanal cavity to the middle ear through the eardrum drastically increases, which explains the predominance of the occluded outer ear pathway on the hearing by bone-conduction at low frequencies

APPLICATION D'UNE METHODE D'ELEMENTS FINIS ET D'ANALYSE MODALE PAR SOUS-STRUCTURATION DYNAMIQUE A L'ETUDE DE L'ISOLATION ACOUSTIQUE EN BASSES FREQUENCES

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Modélisation par éléments finis des systèmes élasto-poro-acoustiques couplés (éléments hiérarchiques, maillages incompatibles, modéles simplifiés)

Dans cette recherche, la théorie des éléments hiérarchiques est utilisée pour implanter la formulation faible {u, P} des équations de la poroélasticité. On valide cette approche sur des configurations tridimensionnelles par comparaison avec des éléments finis poroélastiques linéaires. L'utilisation de polynômes d'ordre élevé pour construire les fonctions d'interpolation permet d'améliorer la convergence des éléments poroélastiques linéaires, conduisant à une importante réduction du nombre de degrés de liberté requis pour la modélisation d'un domaine poreux. Comme en éléments finis classiques, il est difficile de construire un critère de convergence de portée générale applicable à la modélisation des milieux poroélastiques par éléments hiérachiques. Les éléments hiérarchiques poroélastiques sont ensuite couplés à un domaine élastique modélisé par éléments finis ou un milieu fluide modélisé par éléments hiérarchiques, les maillages pouvant être incompatibles [...]VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Influence de l’impédance tympanique sur la perte par insertion de protecteurs auditifs intra-auriculaires

Les simulateurs d’oreilles inclus dans les têtes artificielles sont aujourd’hui couramment utilisés pour mesurer la perte par insertion des protecteurs auditifs intra-auriculaires. Leur simplicité permet une évaluation rapide et reproductible de cet indicateur, mais est aussi une limite pour une évaluation réaliste de la perte par insertion. C’est pourquoi les simulateurs actuels évoluent. La géométrie de certains simulateurs a par exemple été modifiée pour mieux prendre en compte l’effet de la forme du conduit auditif sur la perte par insertion des protecteurs. Une critique récurrente faite aux simulateurs d’oreilles est de ne pas rendre compte de la variabilité interindividuelle que l’on observe lors de campagne de mesures sur sujets. Si certaines caractéristiques, comme la géométrie du conduit, sont connues pour avoir une influence sur la perte par insertion, celle de la variabilité de l’impédance tympanique n’est pas encore claire. Il est donc important d’étudier l’effet de cette dernière sur la perte par insertion. Pour cela, des simulations utilisant la méthode des éléments finis sont réalisées pour déterminer si la variabilité interindividuelle de l’impédance tympanique observée dans la littérature peut être une cause de la variabilité de la perte par insertion observée lors de mesures sur sujets. Ces résultats constituent la première étape pour déterminer si les simulateurs d’oreilles doivent prendre en compte ou non cette variabilité

Assessment of the absorption performance of sound absorbing materials (use of the Trefftz's method and of a new dual particle velocity-pressure sensor)

Porous absorbing materials are applied in various fields of sound and noise control. The presented work wants to deliver a numerical simulation tool to predict the acoustical behavior of geometrically complex sound absorbing media under various excitations. To achieve this goal, a deterministic method, which is based on the indirect Trefftz's method and which makes use of solution functions of the governing equations to describe the field variables int he region of interest, is extented to analyze the sound field in and above porous absorbers. The model is experimentally validated and used to analyze the sound field in some real-life configurations. Afterwards, an initial impetus is given towards the further analysis of the absorption performance of various kinds of patchworks under different angles of sound incidence and the study of sound propagation over impedance jumps, with the aid of a model applicable to unbounded problems. Besides the development of the simulation tool, a new dual particle velocity-pressure measurement technique is presented.Les matériaux poreux absorbants constituent une solution avantageuse pour contrôler la qualité du son dans un espace. Le travail présenté propose un outil numérique de simulation en état de prévoir le comportement acoustique des matériaux absorbants géométriquement complexes sous des excitations diverses. Dans ce but, une méthode déterministe est développée pour analyser le champ sonore dans et au-dessus des poreux. La méthode est basée sur la méthode indirecte de Trefftz et se sert de fonctions qui vérifient les équations du problème pour décrire les variables dans la région d'intérêt. Le modèle est expérimentalement validé et employé pour analyser le champ sonore dans quelques configurations réelles. Ensuite, une première impulsion est donnée vers l'analyse du comportement absorbant de matériaux de genres divers à plusieurs angles d'incidence et vers l'étude de la propagation du son proche d'un changement brusque d'impédance, à l'aide d'un modèle applicable aux problèmes infinis. Après le développement de l'outil de simulation, un nouveau capteur mixte de vitesse particulaire et de pression est présenté.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF