Compact resonant systems for perfect and broadband sound absorption in wide waveguides in transmission problems

[EN] This work deals with wave absorption in reciprocal asymmetric scattering problem by addressing the acoustic problem of compact absorbers for perfect unidirectional absorption, flush mounted to the walls of wide ducts. These absorbers are composed of several side-by-side resonators that are usually of different geometry and thus detuned to yield an asymmetric acoustic response. A simple lumped-element model analysis is performed to link the dependence of the optimal resonators surface impedance, resonance frequency, and losses to the duct cross-sectional area and resonator spacing. This analysis unifies those of several specific configurations into a unique problem. In addition, the impact of the potential evanescent coupling between the resonators, which is usually neglected, is carefully studied. This coupling can have a strong impact especially on the behavior of compact absorbers lining wide ducts. To reduce the evanescent coupling, the resonators should be relatively small and therefore their resonances should be damped, and not arranged by order of increasing or decreasing resonant frequency. Finally, such an absorber is designed and optimized for perfect unidirectional absorption to prove the relevance of the analysis. The absorber is 30 cm long and 5 cm thick and covers a single side of a 14.8 x 15 cm(2) rectangular duct. A mean absorption coefficient of 99% is obtained experimentally between 700 and 800 Hz.The authors acknowledge the financial support from the ANR industrial chair MACIA (ANR-16-CHIN-0002). They also acknowledge the Safran group for supporting and funding this research.Boulvert, J.; Gabard, G.; Romero-García, V.; Groby, J. (2022). Compact resonant systems for perfect and broadband sound absorption in wide waveguides in transmission problems. Scientific Reports. 12(1):1-13. https://doi.org/10.1038/s41598-022-13944-111312

Acoustic wave propagation in effective graded fully anisotropic fluid layers

International audienc

Optimally graded porous material for broadband perfect absorption of sound

International audienceThis article presents a numerical optimization procedure of continuous gradient porous layer properties to achieve perfect absorption under normal incidence. This design tool is applied on a graded porous medium composed of a periodic arrangement of ordered unit cells allowing to link the effective acoustic properties to its geometry. The best micro-geometry continuous gradient providing the optimal acoustic reflection and/or transmission is designed via a nonlinear conjugate gradient algorithm. The acoustic performances of the so-designed continuous graded material are discussed with respect to the optimized homogeneous, i.e. non-graded, and monotonically graded material. The numerical results show a shifting of the perfect absorption peak to lower frequencies or a widening of the perfect absorption frequency range for graded materials when compared to uniform ones. The results are validated experimentally on 3D-printed samples therefore confirming the relevance of such gradient along with the efficiency of the control of the entire design process. a) [email protected]

Graded and anisotropic porous materials for broadband and angular maximal acoustic absorption

ABSTRACT: The design of graded and anisotropic materials has been of significant interest, especially for sound absorption purposes. Together with the rise of additive manufacturing techniques, new possibilities are emerging from engineered porous micro-structures. In this work, we present a theoretical and numerical study of graded and anisotropic porous materials, for optimal broadband and angular absorption. Through a parametric study, the effective acoustic and geometric parameters of homogenized anisotropic unit cells constitute a database in which the optimal anisotropic and graded material will be searched for. We develop an optimization technique based on the simplex method that is relying on this database. The concepts of average absorption and diffuse field absorption coefficients are introduced and used to maximize angular acoustic absorption. Numerical results present the optimized absorption of the designed anisotropic and graded porous materials for different acoustic targets. The designed materials have anisotropic and graded effective properties, which enhance its sound absorption capabilities. While the anisotropy largely enhances the diffuse field absorbing when optimized at a single frequency, graded properties appear to be crucial for optimal broadband diffuse field absorption

Traitements acoustiques à porosité contrôlée pour atténuation optimale

This thesis exploits some of the new possibilities offered by additive manufacturing to design and optimize treatments for sound attenuation consisting in porous materials. Additive manufacturing allows to control individually each pore of a material. The porous treatment design process is turned upside down: instead of searching through a catalogue of existing materials to solve a problem, it is possible to directly design the right material by adjusting its microstructure. This research is part of a plan to reduce aircraft engine noise but extends beyond the aeronautical field, both theoretically and in terms of possible applications. A predicting method of the acoustic behaviour of porous materials produced by additive manufacturing and taking into account the impact of manufacturing defects is first introduced. Porous materials with controlled graded properties are then studied. A method for optimizing microstructural or manufacturing parameters is developed. The ability of graded porous materials to attenuate frequencies too low to be attenuated by non-graded materials is then proven and the optimal gradient for broadband attenuation is defined. The impact of the wall thickness of the pores along with the impact of transverse propagation inside porous materials is studied. Finally, a metaporous treatment allowing broadband and sub-wavelength absorption is developed. The results of this research can be applied to create porous treatments with a high noise attenuation. The analytical and numerical models used in this research are based on the hypothesis of porous materials acoustically behaving as equivalent fluids. The results are physically analyzed and experimentally validated through impedance tube testing of specimens produced by additive manufacturing.Cette thèse exploite certaines possibilités offertes par la fabrication additive pour concevoir et optimiser des traitements pour l'atténuation acoustique à base de matériaux poreux sous un nouvel angle. La fabrication additive permet de contrôler chaque pore d'un matériau individuellement. Le processus de conception de traitement poreux est chamboulé : pour répondre à un problème, au lieu de chercher parmi un catalogue de matériaux existants, il est possible de concevoir directement le matériau adéquat en ajustant sa microstructure. Cette recherche s'inscrit dans une démarche de réduction du bruit des réacteurs d'avion mais s'étend au-delà du domaine aéronautique, aussi bien au niveau théorique qu'à celui de ses possibles applications. Une méthode de prédiction de comportement acoustique de matériaux poreux produits par fabrication additive prenant en compte l'impact des défauts de fabrication est d'abord introduite. Les matériaux poreux à gradient de propriétés contrôlé sont ensuite étudiés. Une méthode d'optimisation des paramètres microstructuraux ou de fabrication est développée. La capacité des matériaux poreux à gradient de propriété à atténuer des fréquences hors de portée des matériaux sans gradient est ainsi prouvée et le gradient optimal pour l'atténuation large bande est défini. L'impact de la taille des parois des pores ainsi que l'impact de possibilité du son de se propager transversalement dans un matériau poreux est étudié. Enfin, un traitement métaporeux permettant l'absorption large bande et sub-longueur d'onde est développé. Les résultats de cette recherche peuvent être mis en application pour créer des traitements poreux à forte capacité d'atténuation du bruit. Cette recherche fait appel à des modèles analytiques et numériques basés sur l'hypothèse selon laquelle le matériau poreux peut être considéré acoustiquement comme un fluide équivalent, à l'analyse physique des comportements et à des validations expérimentales au travers de tests en tube d'impédance de spécimens produits par fabrication additive

Acoustic treatments with controlled porosity for optimal attenuation

Cette thèse exploite certaines possibilités offertes par la fabrication additive pour concevoir et optimiser des traitements pour l'atténuation acoustique à base de matériaux poreux sous un nouvel angle. La fabrication additive permet de contrôler chaque pore d'un matériau individuellement. Le processus de conception de traitement poreux est chamboulé : pour répondre à un problème, au lieu de chercher parmi un catalogue de matériaux existants, il est possible de concevoir directement le matériau adéquat en ajustant sa microstructure. Cette recherche s'inscrit dans une démarche de réduction du bruit des réacteurs d'avion mais s'étend au-delà du domaine aéronautique, aussi bien au niveau théorique qu'à celui de ses possibles applications. Une méthode de prédiction de comportement acoustique de matériaux poreux produits par fabrication additive prenant en compte l'impact des défauts de fabrication est d'abord introduite. Les matériaux poreux à gradient de propriétés contrôlé sont ensuite étudiés. Une méthode d'optimisation des paramètres microstructuraux ou de fabrication est développée. La capacité des matériaux poreux à gradient de propriété à atténuer des fréquences hors de portée des matériaux sans gradient est ainsi prouvée et le gradient optimal pour l'atténuation large bande est défini. L'impact de la taille des parois des pores ainsi que l'impact de possibilité du son de se propager transversalement dans un matériau poreux est étudié. Enfin, un traitement métaporeux permettant l'absorption large bande et sub-longueur d'onde est développé. Les résultats de cette recherche peuvent être mis en application pour créer des traitements poreux à forte capacité d'atténuation du bruit. Cette recherche fait appel à des modèles analytiques et numériques basés sur l'hypothèse selon laquelle le matériau poreux peut être considéré acoustiquement comme un fluide équivalent, à l'analyse physique des comportements et à des validations expérimentales au travers de tests en tube d'impédance de spécimens produits par fabrication additive.This thesis exploits some of the new possibilities offered by additive manufacturing to design and optimize treatments for sound attenuation consisting in porous materials. Additive manufacturing allows to control individually each pore of a material. The porous treatment design process is turned upside down: instead of searching through a catalogue of existing materials to solve a problem, it is possible to directly design the right material by adjusting its microstructure. This research is part of a plan to reduce aircraft engine noise but extends beyond the aeronautical field, both theoretically and in terms of possible applications. A predicting method of the acoustic behaviour of porous materials produced by additive manufacturing and taking into account the impact of manufacturing defects is first introduced. Porous materials with controlled graded properties are then studied. A method for optimizing microstructural or manufacturing parameters is developed. The ability of graded porous materials to attenuate frequencies too low to be attenuated by non-graded materials is then proven and the optimal gradient for broadband attenuation is defined. The impact of the wall thickness of the pores along with the impact of transverse propagation inside porous materials is studied. Finally, a metaporous treatment allowing broadband and sub-wavelength absorption is developed. The results of this research can be applied to create porous treatments with a high noise attenuation. The analytical and numerical models used in this research are based on the hypothesis of porous materials acoustically behaving as equivalent fluids. The results are physically analyzed and experimentally validated through impedance tube testing of specimens produced by additive manufacturing

Sur l'existence de paléo-crypto karsts dans le bassin de l'Oubangui (République centrafricaine)

The occurence of many indications of carbonated bed formations have been reported by numerous naturalists, and more particularly the presence of a lot of closed basins which look like, dolines, spreadcd out in superficial xveathered formations. This events permit to presume the existence of ancient crypto-karsts in the Lilian gui basin. The show off by well boring of the so-called Bakouma sequence, which is carbonated, at the end of the sixties, confirmed the existence of a very old paleo-karst. Others could exist especially where closed basins open out on the surface. The problem is to know which part is due to the karst withdrawning in the form elaboration. The authors suggest to make researches into water analysis for the first results achieved on the llbangui basin are encouraging. At last thanks to the crosschecking of the numerous indications, a first cartography of the carbonated formation s in the Centrafrican Republic is proposed.La présence de multiples indices de formations carbonatées (signales par de nombreux naturalistes) et notamment celle de nombreuses dépressions fermées à allure de dolines, mais développées dans des formations altéritiques superficielles, laissait présumer l'existence de crypto-karsts anciens dans le bassin de l'Oubangui. La mise en évidence par sondage de la série carbonatée (200 m de puissance) dite de Bakouma, à la fin des années 1960, a confirmé l'existence d'un paléokarst très ancien. D'autres pourraient exister notamment là où en surface les dépressions fermées se multiplient. Le problème est de savoir quelle est la part qui revient à l'hydrocompaction et quelle est celle qui est fonction du soutirage karstique dans l'élaboration du modelé. Les auteurs suggèrent une voie de recherche par les analyses d'eau, car les premiers résultats obtenus sur l'Oubangui sont encourageants. Enfin, grâce au recoupement des nombreux indices, une première cartographie des formations carbonatées en Centrafrique est proposée.Boulvert Yves, Salomon Jean-Noël. Sur l'existence de paléo-crypto karsts dans le bassin de l'Oubangui (République centrafricaine). In: Karstologia : revue de karstologie et de spéléologie physique, n°11-12, Année 1988 1988. pp. 37-48

Traitement Compact et Asymétrique pour Absorption Acoustique Parfaite et Large Bande dans un Guide d'Ondes de Grande Section

International audienceLes traitements asymétriques ont démontré leur capacité à atteindre l’absorption parfaite en conduit, c’est-à-dire, à totalement bloquer la propagation d’une onde à une certaine fréquence sans qu’elle soit réfléchi en amont du traitement. L’absorption parfaite à une fréquence donnée demande d’utiliser une paire de résonateurs, l’un bloquant la propagation et l’autre donnant lieu à une impédance adaptée et donc à aucune réflexion. Pour élargir la plage d’efficacité de l’absorbeur, le nombre de résonateurs le composant doit être augmenté. Les études réalisées jusqu’à présent en vue d’obtenir une absorption parfaite sur une large plage de fréquences font appel à des conduits de faible section ou à des absorbeurs non compacts car composés de résonateurs espacés les uns des autres. Dans cette présentation, les spécificités des absorbeurs compacts et montés dans des conduits de grande section sont étudiées et un tel absorbeur est conçu, optimisé et testé expérimentalement. L’absorbeur a une hauteur de 5 cm, il est monté sur une seule des parois d’un conduit rectangulaire de 15 cm de hauteur. Expérimentalement, une absorption moyenne de 99% est obtenue entre 700 et 800 Hz, c’est-à-dire, pour des longueurs d’onde jusqu’à 9.8 fois la hauteur de l’absorbeur