Modelling of thin and imperfect interfaces : Tools and preliminary study

Abstract

For quite some time, the strive for more efficient acoustic absorbers keepsincreasing, driven by a number of psycho-physiological studies on health re-lated dangers of noise exposure. As the global wealth increases and with itthe global expectation of quieter living and working environments, manifestedin both politics and research, an important market for sound absorbing andnoise control systems develops in all industrialised countries. In the acousticcommunity, the main endeavours of the two last decades have been orientedtowards a better understanding of the dissipation phenomena in absorbers(and especially in poroelastic media) as well as proposing new topologies andstructures for these elements. These efforts have resulted in an abundant lit-erature and numerous improvements of the characterisation, modelling anddesign methodologies for a wide range of media and many different systems.The chosen research direction for the present thesis slightly deviates fromthis usual path of modelling absorbing materials as bulk media. Here theaim is to investigate the interfaces between the different components of typ-ical absorbers. Indeed, these interface regions are known to be difficult tocharacterise and controlling their properties is challenging for a number ofreasons. Interfaces in sound packages for instance are inherently by-productsof the assembly process and, even if they surely have an important impact onthe acoustic performance, they remain mostly overlooked in the establishedmodelling practices. Therefore, the overall objective of the current doctoralproject is to identify strategies and methods to simulate the effect(s) of un-certainties on the interface physical or geometrical parameters.The present licentiate thesis compiles three works which together form adiscussion about techniques and tools designed in an attempt to efficientlymodel thin layers and small details in rather large systems. As part of thework a section of physical model simplifications is discussed which will laythe ground for the next stages of the research. Two publications on the firsttopic are included, presenting Finite-Element-based hybrid methods that al-low for coating elements in meta-poroelastic systems to be taken into accountand reduce the computational cost of modelling small geometric features em-bedded in large domains. The third included contribution is an anticipation,to a certain extent, of the remainder of the doctoral project, discussing theuse of physical heuristics to simplify porous thin film models. Here a steptowards the modelling of interface zones is taken, departing from numericalsimulations and reflecting instead on the physical description and modellingof thin poroelastic layers.Sedan en tid tillbaka kan en ökande efterfrågan av material och konstruk-tioner med effektivare akustiska absorptionsegenskaper skönjas. Detta drivsav ett antal psykofysiologiska studier kring hälsorisker relaterade till långva-rig bullerexponering. Till detta kommer den växande globala välfärden somger upphov till en förväntad höjning livskvalitet i form av till exempel tystareboende- och arbetsmiljöer, manifesterad i både politiska beslut och forskning.Ur detta utvecklas en viktig marknad för ljudabsorberande material, kon-struktioner och bullerreducerande system i allt fler länder. Inom forskningensom rör akustiska material och bulleråtgärder, har forskningen under de tvåsenaste decennierna framförallt varit inriktad på en bättre förståelse för dis-sipationsfenomen (omvandling av akustisk energi till andra energiformer, tillexempel värme) i absorberande material (och särskilt då i poroelastiska me-dier) samt att utveckla nya topologier och sammansatta strukturer för dennatyp av akustiska element. Dessa ansträngningar har resulterat i en omfattan-de vetenskaplig litteratur och framsteg inom karaktäriserings-, modellerings-och designmetoder, och innovativa lösningar, för olika tillämpningar .Forskningen i denna avhandling avviker något från den traditionella mo-delleringen av absorberande material, genom att undersöka gränsytorna mel-lan olika skikt och komponenter hos typiska absorbenter. Faktum är att des-sa gränssnittsregioner är kända för att vara både svåra att karaktärisera ochatt styra deras egenskaper i produktion är en utmaning av ett antal olikaskäl. Angränsande ytor i ljudabsorbenter är till exempel ofta biprodukterfrån tillverknings- och monteringsprocessen och, även om de utan tvekan haren viktig inverkan på akustiska prestanda, bortses det ofta från dessa i deflesta etablerade simuleringsmodeller. Det övergripande målet med forskning-en inom detta projektet är därför att identifiera strategier och metoder föratt modellera och simulera effekterna av osäkerheter i tillhörande fysiska ellergeometriska parametrar som används för att beskriva dessa gränsytor.I denna licentiatavhandling sammanställs tre artiklar som tillsammans ut-gör en diskussion om tekniker och verktyg utformade för att effektivt model-lera tunna skikt och små detaljer som delar i större komponenter och system.Som en del av arbetet diskuteras dessutom en del av de fysikaliska modell-förenklingar som kommer att ligga till grund för nästa etapp av forskningen.I två publikationer som berör det första ämnet ingår finita element-baseradehybridmetoder som möjliggör modellering av olika typer av täckskikt i såkallade meta-poroelastiska system, med fokus på noggrannhet och beräk-ningskostnader för modellering av små geometriska inneslutningar inbäddadei större domäner. Det tredje bidraget diskuterar användningen av heuristiska,förenklade porösa tunnfilmsmodeller som baseras på fysikaliska förenklingaroch som möjliggör modellering av tunna skikt i numeriska simuleringar somen del av sammansatta poroelastiska komponenter.Depuis quelques temps, l’effort pour améliorer l’efficacité des absorbeursacoustique n’a cessé d’augmenter, sous-tendu par nombre d’études psycho-physiques sur les dangers de l’exposition au bruit pour la santé. Alors quecroit la richesse globale et avec elle l’envie d’environnements de travail et devie plus silencieux (ce qui se manifeste dans les politiques publiques comme enrecherche), un marché important se développe pour les systèmes d’absorptionet de contrôle du bruit dans tous les pays industrialisés. Dans la communautéacoustique, les principaux efforts au cours des vingt dernières années se sontorientés vers une meilleure compréhension des phénomènes de dissipation dansles absorbeurs (et en particulier dans les matériaux poroélastiques) ainsi quevers la recherche de nouvelles topologies et structures pour ces éléments. Cesefforts ont mené à une littérature abondante et de nombreuses améliorationsdes méthodologies de caractérisation, modélisation et conception pour unelarge gamme de média et de nombreux systèmes.L’axe de recherche choisi pour la présente thèse diffère quelque peu duchemin classique visant à modéliser le cœur des matériaux absorbants. Ici,l’objectif est d’étudier les interfaces entre les différents composants des absor-beurs classiques. En effet, ces régions sont notoirement difficiles à caractériseret contrôler leurs propriétés est un défi complexe pour un certain nombre deraisons. Les interfaces au sein des isolants acoustiques sont intrinsèquementdes sous-produits du processus d’assemblage et, bien qu’ils aient un impactimportant sur la performance acoustique, sont le plus souvent négligés dansles modèles classiques. L’objectif global du projet doctoral est ainsi d’identi-fier des stratégies et méthodes pour simuler le ou les effets d’incertitudes surles paramètres physiques ou géométriques des interfaces.La présente thèse de Licentiate compile trois travaux qui, pris ensemble,forment une discussion autour de techniques et d’outils conçus pour modéli-ser efficacement des couches et détails fins inclus dans d’assez grand systèmes.Une section de la dissertation s’attarde sur des possibles simplifications desmodèles physiques et discute ce qui formera la base des prochaines étapesde cette recherche. Deux publications traitant du premier sujet sont inclues,présentant deux méthodes hybrides basées sur la FEM qui permettent deprendre en compte les fines couches recouvrant par exemple les systèmesmeta-poroélastiques pour un coup réduit ainsi que de modéliser de petitséléments géométriques présents dans de grands domaines. La dernière contri-bution jointe à cette thèse anticipe, dans une certaine mesure, la suite duprojet doctoral en proposant l’utilisation d’heuristiques physiques pour sim-plifier un modèle pour les films acoustiques fins. Cela constitue un pas vers lamodélisation des zones d’interfaces en s’éloignant des simulations numériquesau profit d’une réflexion sur la description et la modélisation des couchesporoélastiques fines.QC 20180516</p