Réponse acoustique non-linéaire de métamatériaux compacts soumis à des niveaux d’excitation sonore élevés, modélisation par une approche masse-ressort

Lopez, Maël (2024). Réponse acoustique non-linéaire de métamatériaux compacts soumis à des niveaux d’excitation sonore élevés, modélisation par une approche masse-ressort. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’absorption des ondes acoustiques basses fréquences par des matériaux compacts est un challenge. En effet, les matériaux conventionnels poreux (ex. : mousses) et les résonateurs (ex. : plaque perforée suivie d’une cavité) nécessitent des épaisseurs importantes, de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde à traiter. Les volumes disponibles pour les matériaux acoustiques sont souvent restreints, comme par exemple dans les carénages de rotors de queue arrière d’hélicoptère. Pour ce type de problème, les matériaux structurés résonants sont des solutions intéressantes. Ils sont efficaces pour des longueurs d’onde de bien plus grandes dimensions que leur épaisseur. Cependant, ils sont sensibles aux niveaux d’excitation sonore. L’objectif principal de cette thèse porte sur l’analyse du comportement et le développement de matériaux structurés compacts pour le traitement acoustique des basses fréquences, soumis à des niveaux d’excitation sonore faibles à élevés. Pour répondre à cet objectif, les résultats de la thèse sont présentés dans quatre chapitres dont trois sont des articles scientifiques. Le premier article porte sur l’étude du comportement de matériaux structurés pour des niveaux d’excitation acoustiques faibles (<110 dB). Le matériau structuré proposé est constitué d’un réseau périodique de pores d’air espacés de résonateurs d’Helmholtz annulaires. Pour analyser son comportement, un modèle masse-ressort (analogie mécanoacoustique) a été développé. La solution du problème aux valeurs propres a permis de déterminer les fréquences des modes (fréquences des pics d’absorption) et leurs déformées. Ce modèle se compare bien aux résultats expérimentaux et issus de simulations numériques (éléments finis). Le deuxième article s’intéresse aux pertes ajoutées par les forts niveaux acoustiques pour un matériau de référence comprenant un réseau compact de plaques perforées. Une estimation de ces pertes a été déterminée en étudiant la résistivité au passage de l’air sur un matériau composé d’un réseau périodique de pores d’air espacés de cavités fines. Une étude par mécanique des fluides numérique a permis de montrer que les pertes dominent dans le premier pore et d’estimer un coefficient associé à ces pertes. Dans le troisième article, le modèle masse-ressort a été adapté à partir du paramètre de Forchheimer pour prédire l’absorption acoustique d’un matériau de référence sous forts niveaux. Le modèle a été validé avec des mesures pour des niveaux sonores allant jusqu’à 140 dB. Le dernier chapitre traite du comportement non-linéaire des trous noirs acoustiques : réseau de pores d’air à section décroissante espacés de cavités annulaires fines. Le modèle masse-ressort a été adapté à cette géométrie et validé par des mesures. La sensibilité aux forts niveaux d’excitation sonore a été analysée pour différents profils de décroissance de la section du pore.

Titre traduit

Nonlinear acoustic response of compact metamaterials under high sound pressure levels, modelled by a mass-spring approach

Résumé traduit

The absorption of sound at low frequencies by compact materials remains a challenge. Conventional porous materials (e.g. : foams) and resonators (e.g. : perforated plate backed by cavity) require significant thicknesses, of the order of magnitude of the wavelength to be treated. The volumes available for acoustic solutions are often limited, as in the case of helicopter tail rotor fairings. For this type of problem, resonant structured materials are interesting solutions. They are effective at wavelengths far greater than their thickness. However, they are sensitive to their environment, particularly to sound excitation levels. The main objective of this thesis is to analyze the behavior and develop compact structured materials for acoustic treatment of sound at low frequencies, subjected to low to high levels of sound excitation. To meet this objective, the results of the thesis are presented in four chapters, three of which are scientific papers. The first paper focuses on the study of the behavior of structured materials for low acoustic excitation levels (<110 dB). The proposed structured material consists of a periodic array of air pores spaced by annular Helmholtz resonators. To analyze its behavior, a mass-spring model was developed. By solving the eigenvalue problem, mode frequencies (absorption peak frequencies) and deformations were determined. This model compares well with experimental and numerical (finite element) simulation results. The second paper looks at the losses added by high acoustic levels in the reference material composed of a compact array of perforated plates. An estimate of these losses was determined by studying the resistivity to air flow over a material composed of a periodic array of air pores spaced by thin air cavities. A computational fluid dynamics study showed that losses dominate in the first pore and estimated a coefficient associated with these losses. In the third paper, the mass-spring model was adapted from the Forchheimer parameter to predict the sound absorption of the reference material at high levels. The model is validated with measurements at sound levels up to 140 dB. The last chapter is interested in the non-linear behavior of acoustic black holes : compact array of air pores with decreasing cross-section along the material thickness spaced by thin air cavities. The mass-spring model has been adapted to this geometry and validated by measurements. Sensitivity to high sound excitation levels was analyzed for different profiles of decreasing pore cross-section.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 181-193).
Mots-clés libres:	métamatériaux acoustiques, absorption basse-fréquence, forts niveaux de pression sonore, modèle masse-ressort, réponse acoustique non-linéaire
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Dupont, Thomas
Codirecteur:	Codirecteur Panneton, Raymond
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	09 avr. 2025 14:05
Dernière modification:	09 avr. 2025 14:05
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3561

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