Investigations on the sensitivity of the relationships between sound absorption characteristics and microstructure related parameters for polyurethane foams

International audienceStraightforward semi-phenomenological models have been developed for highly porous polyurethane foams to predict the macroscopic nonacoustic parameters involved in the classical Johnson-Champoux-Allard model (i.e., porosity, airflow resistivity...) from microstructure properties (i.e, strut length, strut thickness and reticulation rate). These microstructure properties are measured using sophisticated optical methods (i.e., optical microscope, SEM) and a large variability can be observed due to great complexity of the 3D microstructure; variability which also depends on the precision of the measurement device. This work investigates how the variability associated with the model inputs affects the model outputs (i.e., non-acoustic parameters, surface impedance and sound absorption coefficient). The sensitivity analysis is based on the Fourier Amplitude Sensitivity Test (FAST). It helps quantify the correlation between the input parameters and identify the parameters contributing the most to output variability, thus requiring precise measurement. This study illustrates the preponderant impact of the reticulation rate (i.e, open pore content) on acoustic performances and guides the user on the required optical measurement device

Evaluation of the acoustic and non-acoustic properties of sound absorbing materials using a three-microphone impedance tube

This paper presents a straightforward application of an indirect method based on a three-microphone impedance tube setup to determine the non-acoustic properties of a sound absorbing porous material. First, a three-microphone impedance tube technique is used to measure some acoustic properties of the material (i.e., sound absorption coefficient, sound transmission loss, effective density and effective bulk modulus) regarded here as an equivalent fluid. Second, an indirect characterization allows one to extract its non-acoustic properties (i.e., static airflow resistivity, tortuosity, viscous and thermal characteristic lengths) from the measured effective properties and the material open porosity. The procedure is applied to four different sound absorbing materials and results of the characterization are compared with existing direct and inverse methods. Predictions of the acoustic behavior using an equivalent fluid model and the found non-acoustic properties are in good agreement with impedance tube measurements

Caractérisation mécanique de matériaux fibreux en vibro-acoustique

This work deals with modelization and characterization of the mechanical properties of soft fibrous materials used in aeronautic industries. First, the Biot-Allard model and a simplified model dedicated to soft materials are presented. The simplified model, called limp model, assumes that the frame has no bulk stiffness. Being an equivalent fluid model accounting for the the motion of the frame, it has fewer limitations than the usual equivalent fluid model assuming a rigid frame. A criterion is proposed to identify the porous materials for which the limp model can be used : the use of the Biot model is generally recommended in the vicinity of the frame resonances. Next, three experimental methods of the characterization of elastic and damping properties of acoustic fibrous materials are presented. The main objective is to take into account the presence of the air inside and outside the porous material to insure a good evaluation of the viscoelastic properties. The first two methods are based on measurements representative of industrial use : transmission loss of large size coated panel and acoustic radiation of finite dimension vibrating multilayer plate. The use of an inverse method based on analytical models to determined the viscoelatic properties insure a good simulation of the porous material behaviour in the required context. The third method is based on a mechanical impedance measurement of a porous sample. The sample is placed in a closed cavity to take into account the effect of the air and it is loaded using an electrodynamic transducer. This method has been patented. First results validate the method.Ce travail de thèse a pour objectif la modélisation et la caractérisation des matériaux poreux, et en particulier des matériaux fibreux utilisés dans un contexte aéronautique. La première partie est consacrée à la modélisation des matériaux poreux. Le modèle de Biot-Allard ainsi qu'un modèle simplifié dit de "fluide équivalent" sont présentés. Le modèle simplifié, encore appelé modèle "limp", est basé sur l'hypothèse que la rigidité du matériau est négligeable par rapport à celle de l'air. Il est donc principalement dédié aux matériaux souples du type laine de verre ou coton. Un critère d'utilisation de ce modèle est présenté dans cette partie. On montre alors que, dans la majorité des cas, le modèle limp peut être utilisé en dehors des fréquences de résonance du squelette et ce, même pour des matériaux rigides. La seconde partie de ce travail propose trois nouvelles méthodes de caractérisation mécanique basses et moyennes fréquences dédiées aux matériaux fibreux. Le module d'Young et le facteur d'amortissement du squelette sont estimés indirectement par l'étude du comportement mécanique du matériau soumis à diverses sollicitations. Les deux premières méthodes placent le matériaux poreux dans un contexte proche de son utilisation réelle : étude de la transmission et du rayonnement acoustique de parois revêtues du matériau poreux. Dans les deux cas, le modèle utilisé pour l'inversion tient compte de l'effet de l'air saturant le matériau et de son couplage avec le milieu extérieur. La troisième méthode est basée sur la mesure de l'impédance mécanique d'un échantillon de taille réduite soumis à une sollicitation en tractioncompression. L'échantillon est placé dans une cavité fermée afin de limiter l'effet de l'air ambiant. Un transducteur électrodynamique est utilisé comme source et comme capteur. Ce banc de mesure a fait l'objet d'un dépôt de brevet en 2007. Les premiers résultats obtenus à l'aide d'un prototype ont permis de valider la méthode

Développement de méta-bouchons d’oreilles basés sur le principe d’absorption parfaite afin de réduire l’effet d’occlusion

Les bouchons d’oreilles passifs sont couramment utilisés afin de réduire l’exposition sonore des travailleurs à des niveaux de bruit trop élevés. Le port de bouchons d’oreilles est cependant associé à plusieurs inconforts d’origines diverses (e.g., acoustique, physique, fonctionnel ou psychologique). L’effet d’occlusion est un inconfort acoustique se manifestant par la perception accrue des bruits physiologiques propagés par conduction osseuse jusqu’à la cochlée. Ce phénomène se caractérise objectivement par une augmentation du niveau de pression dans le conduit occlus comparé au conduit ouvert principalement en basses fréquences (entre 0.1 et 1 kHz) et pour des profondeurs d’insertion faible ou moyenne du dispositif d’occlusion. Dans ce travail, de nouveaux concepts de bouchons d’oreilles sont développés dans le but de réduire l’effet d’occlusion objectif. La stratégie proposée ici consiste à réduire l’impédance d’entrée de ces bouchons (vue par la cavité du conduit) à l’impédance caractéristique de l’air en utilisant le principe d’absorption parfaite large bande issu du monde des méta- matériaux. Plusieurs concepts de « méta-bouchons » sont développés, basés sur l’utilisation de résonateurs de Helmholtz, de systèmes masse-membrane et de mousse acoustique. Des modèles semi-analytiques par matrice de transfert sont utilisés dans un processus d’optimisation afin d’obtenir une absorption parfaite large bande. Les méta-bouchons sont ensuite fabriqués par impression 3D. Leur coefficient d’absorption est mesuré en tube d’impédance et comparé aux prédictions du modèle tandis que l’effet d’occlusion et la perte par insertion sont évalués sur têtes artificielles

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