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Développement d'une méthode de réduction du bruit d'impact des structures par ajout d'une couche mince d'élastomère

Arz, Jean-Pierre (2010). Développement d'une méthode de réduction du bruit d'impact des structures par ajout d'une couche mince d'élastomère. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le point de départ de la recherche présentée dans cette thèse est la problématique industrielle soumise à l'ÉTS par la compagnie Bombardier Produits Récréatifs (BRP) de la réduction du bruit généré par le système d'entraînement par chenille de la motoneige. L'identification des mécanismes physiques responsables de la génération du bruit dans la chenille a été faite par des mesures effectuées en partie avant le début de cette thèse (mesures sur bancs d'essais) et en partie dans le cadre de cette thèse (mesures de portions de chenille soumises à des impacts). Les résultats de l'ensemble de ces mesures montrent que la source principale du bruit d'entraînement est due aux impacts mécaniques générés entre les barreaux de la chenille et d'autres éléments (barbotin, roues, glissières) du système de guidage et d'entraînement.

Dans le cadre de ce doctorat, le moyen pratique envisagé pour réduire le bruit d'impact généré par les barreaux consiste à des réductions à la source. Plus précisément, l'action typique considérée est celle qui consiste à réduire la force générée lors de l'impact en ajoutant, dans la zone contact entre les deux stmctures, une couche mince d'un matériau souple tel que les élastomères.

L'objectif général de cette thèse est de développer une méthode permettant de prédire la réduction du bruit d'impact permise par l'ajout d'une couche mince d'élastomère entre l'objet impactant et la structure impactée qui est une structure complexe (c'est-à-dire une structure dont la géométrie est complexe et dont la composition fait intervenir plusieurs matériaux).

Pour atteindre cet objecfif général, trois objectifs spécifiques ont été fixés : (1) caractériser le comportement sous impact de différentes couches minces d'élastomères; (2) prédire la nouvelle force d'impact générée dans le cas où une couche mince d'élastomère est ajoutée entre l'impacteur et une stmcture vibrante complexe et (3) valider expérimentalement l'ensemble de la méthode de prédiction en l'appliquant à la réduction du bruit d'impact d'une barre de chenille de motoneige.

Pour atteindre le premier objectif spécifique (caractériser le comportement sous impact de différentes couches d'élastomères), une méthode expérimentale spécifique de caractérisation a été développée. Dans un premier temps, un dispositif expérimental a été réalisé dans le but de soumettre les couches à l'action reproductible d'un marteau d'impact. La pénétration de l'impacteur dans la couche est mesurée en filmant sa trajectoire avec une caméra hautevitesse puis en détectant sa position sur chacun des clichés. Dans un deuxième temps, l'analyse des signaux expérimentaux de force et de pénétration obtenus a permis de guider le choix d'un modèle de contact permettant de les reproduire.

Dans un troisième temps, les paramètres du modèle sont estimés à partir des résultats expérimentaux et du modèle. Huit couches d'élastomère différentes (quatre matériaux et deux épaisseurs) ont été caractérisées en utilisant cette méthode. Les résultats obtenus montrent que la méthode permet une caractérisation plus précise qu'une mesure de dureté.

Pour atteindre le deuxième objectif spécifique (prédire la nouvelle force d'impact générée dans le cas où une couche mince d'élastomère est ajoutée entre l'impacteur et une structure vibrante complexe), le phénomène de l'impact sur une stmcture vibrante a été modélisé. Le modèle retenu est un modèle de simulation sonore qui a développé dans le cadre du projet européen « Sounding Object » (Rocchesso et Fontana, 2003).

Par analogie entre l'approche modale utilisée dans ce modèle et le formalisme modal utilisé pour l'étude des vibrations de structures, de premières modifications ont été apportées au programme initial (programme MATLAB impactmodal.m de Sounding Object) afin de modéliser physiquement l'impact d'une masse sur une structure vibrante. De secondes modifications ont été apportées au programme afin de prendre en compte le mouvement d'ensemble de la structure dans le cas de conditions aux limites libres (car la structure considérée pour la validation de la méthode est sous conditions aux limites libres).

Pour atteindre le troisième objectif spécifique (valider expérimentalement la méthode de prédiction en l'appliquant à la réduction du bruit d'impact d'une barre de chenille de motoneige), la première étape a consisté à mesurer la force et la pression acoustique rayonnée par la barre dans deux configurations d'impact : AVEC et SANS couche d'élastomère dans la zone de contact. La deuxième étape a consisté à modéliser la configuration AVEC élastomère en appliquant le modèle d'impact d'une masse sur une structure vibrante (présenté au Chapitre 2). Pour déterminer la valeur des paramètres d'entrée du modèle qui décrivent la barre, les paramètres modaux des six premiers modes de flexion de la barre ont été mesurés en effectuant une analyse modale expérimentale. Enfin, la validation de la méthode a consisté dans un premier temps à vérifier expérimentalement l'hypothèse de linéarité en comparant les réductions des spectres de force permises par l'ajout de la couche d'élastomère aux réductions des spectres de bruit. Dans un deuxième temps, la méthode a été validée dans les domaines temporel et fréquentiel par des comparaisons entre les signaux de force simulés et les signaux de force mesurés. Ces comparaisons montrent que les différences sont relativement importantes pour certaines couches (en particulier car le mouvement d'ensemble de la structure libre est plus compliqué qu'une simple translation) mais que l'ordre de grandeur des signaux temporels et fréquentiels simulés est satisfaisant.

Titre traduit

Developpement of an impact noise reduction method by the adding of a small thickness elastomeric material

Résumé traduit

The starting point of this Ph.D. is the industrial issue submitted to the ÉTS by the company Bombardier Recreational Products (BRP) of the noise réduction of the tracked drive mechanism of snowmobiles. The identification of the physical mechanisms responsible for the track noise génération has been realized by measurements made partly before Ihis Ph.D. (measurements on test beds) and partly during this Ph.D. (measurements on track parts submitted to manual impacts). The results of thèse measurements show that the main noise source of the tracked drive mechanism is due to mechanical impacts generated between the bars of the track and other éléments (wheels, rails) of the guiding and driving mechanism.

In this Ph.D., the practical mean investigated to reduce the impact noise generated by the bars is réduction at the source. More precisely, the typical action considered consists in reducing the impact force magnitude by adding, in the contact zone between the colliding bodies, a soft material layer such as elastomeric materials.

The overall goal of this Ph.D. is to develop a method to predict the impact noise réduction obtained by the adding of an elastomeric layer spécimen of small thickness between the impacting body and the impacted structure which is a complex structure (i.e. a structure whose geometry is complex and whose composition involves several materials).

To reach this overall goal, three spécifie goals hâve been fixed: (1) characterize the behavior under impact of différent small thickness elastomeric layers; (2) predict the impact force generated when an elastomeric layer is added on a complex vibrating structure and (3) validate experimentally the whole method by applying it to the impact noise réduction of a bar of the snowmobile track.

To reach the first spécifie goal (characterize the behavior under impact of différent small thickness elastomeric layers), a spécifie expérimental characterization method has been developed. Firstly, an expérimental device has been realized to submit the elastomeric layer spécimens to the reproducible impact conditions of an impact hammer. The measurement of the pénétration depth of the hammer into the elastomeric layer is achieved by recording its motion with a high-speed caméra and by detecting its position by further analysis on the individual images. Secondly, the expérimental curves obtained are analyzed to point out their main characteristics and choose an appropriate impact model. Thirdly, the contact force parameters are estimated from the expérimental results and from the impact model. Using this method, eight impacted elastomeric spécimens hâve been characterized. The results show that a more précise characterization than hardness is obtained.

To reach the second spécifie goal (predict the impact force generated when an elastomeric layer is added on a complex vibrating structure), a simulation model of the impact on a structure whose vibrations are due to bending waves has been used. The physical model developed by the European project « Sounding Object » (Rocchesso et Fontana, 2003) has been chosen. From an analogy between the theory used in this model and the modal formulation used in vibration studies, some first modifications of the original program (MATLAB impactmodal.m script) hâve been made to simulate physically the impact of a mass on a vibrating structure. Some other modifications of the original program hâve been made in order to simulate the rigid body motion of the structure in the case of free boundary conditions (because the structure used for the validation of the method has free boundary conditions).

To reach the third spécifie goal (validate experimentally the whole method by applying it to the impact noise réduction of a bar of the snowmobile track), the first step has been the measurement of the force and the acoustic pressure in two configurations: WITH and WITHOUT the elastomeric layer in the contact zone. The second step has been the simulation of the configuration WITH the elastomeric layer by applying the impact model of a mass on a vibrating structure (presented in Chapter 2). In order to estimate the value of the model parameters describing the track bar, the modal parameters of the six first bending modes of the bar hâve been measured using expérimental modal analysis. Finally, validation of the method has been performed firstly by checking experimentally the hypothesis of linearity by comparisons between the réductions of force spectra obtained thanks to the adding of the elastomeric spécimen and the réductions of noise spectra. Secondly, validations of the method in time and frequency domains hâve been performed by comparisons between simulated and measured force signais. Thèse comparisons show that the discrepancies may be high enough for some spécimens (especially because the rigid motion of the structure is more complicated than a pure translation) but that the order of magnitude of simulated time and frequency signals is satisfactory.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliogr. : f. [135]-137.
Mots-clés libres: Bruit Réduction. Impact. Élastomères. Motoneiges. chenille, couche, mesure, simulation
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Laville, Frédéric
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 17 août 2010 14:49
Dernière modification: 18 janv. 2017 00:56
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/252

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