L’aéroacoustique est une filière de l'acoustique qui étudie la génération de bruit par un mouvement fluidique turbulent ou par les forces aérodynamiques qui interagissent avec les surfaces. Ce secteur en pleine croissance a attiré des intérêts récents en raison de l’évolution de la transportation aérienne, terrestre et spatiale. Les microphones avec une bande passante de plusieurs centaines de kHz et une plage dynamique couvrant de 40Pa à 4 kPa sont nécessaires pour les mesures aéroacoustiques. Dans cette thèse, deux microphones MEMS de type piézorésistif à base de silicium polycristallin (poly-Si) latéralement cristallisé par l’induction métallique (MILC) sont conçus et fabriqués en utilisant respectivement les techniques de microfabrication de surface et de volume. Ces microphones sont calibrés à l'aide d'une source d’onde de choc (N-wave) générée par une étincelle électrique. Pour l'échantillon fabriqué par le micro-usinage de surface, la sensibilité statique mesurée est 0.4μV/V/Pa, la sensibilité dynamique est 0.033μV/V/Pa et la plage fréquentielle couvre à partir de 100 kHz avec une fréquence du premier mode de résonance à 400kHz. Pour l'échantillon fabriqué par le micro-usinage de volume, la sensibilité statique mesurée est 0.28μV/V/Pa, la sensibilité dynamique est 0.33μV/V/Pa et la plage fréquentielle couvre à partir de 6 kHz avec une fréquence du premier mode de résonance à 715kHz. / Aero-acoustics, a branch of acoustics which studies noise generation via either turbulent fluid motion or aerodynamic forces interacting with surfaces, is a growing area and has received fresh emphasis due to advances in air, ground and space transportation. Microphones with a bandwidth of several hundreds of kHz and a dynamic range covering 40Pa to 4kPa are needed for aero-acoustic measurements. In this thesis, two metal-induced-lateral-crystallized (MILC) polycrystalline silicon (poly-Si) based piezoresistive type MEMS microphones are designed and fabricated using surface micromachining and bulk micromachining techniques, respectively. These microphones are calibrated using an electrical spark generated shockwave (N-wave) source. For the surface micromachined sample, the measured static sensitivity is 0.4μV/V/Pa, dynamic sensitivity is 0.033μV/V/Pa and the frequency range starts from 100kHz with a first mode resonant frequency of 400kHz. For the bulk micromachined sample, the measured static sensitivity is 0.28μV/V/Pa, dynamic sensitivity is 0.33μV/V/Pa and the frequency range starts from 6kHz with a first mode resonant frequency of 715kHz.

Les moteurs à propergol solide sont parfois le siège d'instabilités aéroacoustiques résultant d'un couplage entre l'hydrodynamique des gaz brûlés et les modes acoustiques de la chambre de combustion. Ces instabilités se traduisent par de fortes Oscillations de Pression (ODP) dans la chambre de combustion du moteur. Ces ODP entrainent des vibrations de la structure, qui si elles venaient à dépasser certains niveaux pourraient nuire à la charge utile. Au vu du coût d'un essai, il est important de disposer d'outils permettant de prédire l'apparition de ces instabilités au moment de la conception. L'objectif de cette thèse est en premier lieu la mise au point d'une chaîne de couplage permettant d'évaluer l'impact des interactions fluide-structure sur l'amplitude des oscillations aéroacoustiques présentes au sein du propulseur. Une attention particulière est portée à l'algorithme de couplage entre les solveurs fluide et solide afin d'assurer une bonne conservation de l'énergie à l'interface fluide-structure, point clé dans l'étude d'instabilités. La chaîne numérique ainsi conçue est appliquée à une configuration réduite du moteur à propergol solide d'Ariane 5 dans le cadre de deux études. La première porte sur l'impact des vibrations de la structure sur les d'instabilités aéroacoustiques. L'effet d'un croisement de fréquences des modes propres longitudinaux de la structure et un des modes acoustiques de la chambre de combustion est traité. La seconde étude s'intéresse à l'effet des battements des protections thermiques du propulseur dans l'écoulement. Une structuration de l'écoulement et un net renforcement des ODP sont mis en évidence. / Large solid propellant rocket motors may be subjected to aero-acoustic instabilities arising from a coupling between the burnt gas flow and the acoustic eigenmodes of the combustion chamber. These instabilities lead to large pressure oscillations in the combustion chamber. These pressure oscillations cause vibrations which might jeopardize the payload if they happen to be larger than a certain threshold. Given the size and cost of any single firing test or launch, it is of first importance to rely on numerical tools able to predict these instabilities so that they can be avoided at the design level. The first purpose of this thesis is to build a numerical tool in order to evaluate how the coupling of the fluid flow and the whole structure of the motor influences the amplitude of the aeroacoustic oscillations living inside the rocket. A particular attention was paid to the coupling algorithm between the fluid and the solid solvers in order to ensure the best energy conservation through the interface.The numerical chain is applied to a sub-scaled configuration of Ariane 5 solid rocket motor in two studies. The first relates to the impact of vibration of the structure on aeroacoustic instabilities. The effect of a crossover frequency between the longitudinal modes of the structure and the acoustic modes of the combustion chamber is assessed. The second study examines the effect of thermal protection oscillations in the flow. An increased of the flow organisation and a significant strengthening of pressure oscillations are highlighted.

L'aéroacoustique est une filière de l'acoustique qui étudie la génération de bruit par un mouvement fluidique turbulent ou par les forces aérodynamiques qui interagissent avec les surfaces. Ce secteur en pleine croissance a attiré des intérêts récents en raison de l'évolution de la transportation aérienne, terrestre et spatiale. Alors que les tests sur un objet réel sont possibles, leur implantation est généralement compliquée et les résultats sont facilement corrompus par le bruit ambiant. Par conséquent, les tests plus strictement contrôlés au laboratoire utilisant les modèles de dimensions réduites sont préférables. Toutefois, lorsque les dimensions sont réduites par un facteur de M, l'amplitude et la bande passante des ondes acoustiques correspondantes se multiplient respectivement par 10logM en décibels et par M. Les microphones avec une bande passante de plusieurs centaines de kHz et une plage dynamique couvrant de 40Pa à 4 kPa sont ainsi nécessaires pour les mesures aéroacoustiques. Les microphones MEMS ont été étudiés depuis plus de vingt ans, et plus récemment, l'industrie des semiconducteurs se concentre de plus en plus sur ce domaine. Par rapport à tous les autres principes de fonctionnement, grâce à la miniaturisation, les microphones de type piézorésistif peuvent atteindre une bande passante plus élevée et ils sont ainsi bien adaptés pour les mesures aéroacoustiques. Dans cette thèse, deux microphones MEMS de type piézorésistif à base de silicium polycristallin (poly-Si) latéralement cristallisé par l'induction métallique (MILC) sont conçus et fabriqués en utilisant respectivement les techniques de microfabrication de surface et de volume. Ces microphones sont calibrés à l'aide d'une source d'onde de choc (N-wave) générée par une étincelle électrique. Pour l'échantillon fabriqué par le micro-usinage de surface, la sensibilité statique mesurée est de 0.4 μV/V/Pa, la sensibilité dynamique est de 0.033 μV/V/Pa et la plage fréquentielle commence à 100 kHz avec une fréquence du premier mode de résonance à 400 kHz. Pour l'échantillon fabriqué par le micro-usinage de volume, la sensibilité statique mesurée est de 0.28 μV/V/Pa, la sensibilité dynamique est de 0.33 μV/V/Pa et la plage fréquentielle commence à 6 kHz avec une fréquence du premier mode de résonance à 715 kHz.

In this study, the effects of design parameters on the fan noise level are investigated both theoretically and experimentally. For the theoretical study, a computational aero- acoustic method is used to predict the flow induced noise of a fan. This method involves the coupling of a flow solver and a wave equation solver. Unsteady flow analysis is performed with URANS using FLUENT. Then the time dependent data are processed with LMS Sysnoise to compute the acoustic radiation. Experimental studies are performed to verify the theoretical results and additionally to investigate the effects of different design alternatives on noise level of the fan. The sound pressure and intensity level measurements are performed in the full anechoic room of Ar&ccedil / elik A.S. Research and Development Laboratories. The validation experiments indicate that there is a good agreement between numerical and experimental results. The experimental study with different fan designs gives information about the noise reduction possibilities.

L'aéroacoustique est une filière de l'acoustique qui étudie la génération de bruit par un mouvement fluidique turbulent ou par les forces aérodynamiques qui interagissent avec les surfaces. Ce secteur en pleine croissance a attiré des intérêts récents en raison de l'évolution de la transportation aérienne, terrestre et spatiale. Les microphones avec une bande passante de plusieurs centaines de kHz et une plage dynamique couvrant de 40Pa à 4 kPa sont nécessaires pour les mesures aéroacoustiques. Dans cette thèse, deux microphones MEMS de type piézorésistif à base de silicium polycristallin (poly-Si) latéralement cristallisé par l'induction métallique (MILC) sont conçus et fabriqués en utilisant respectivement les techniques de microfabrication de surface et de volume. Ces microphones sont calibrés à l'aide d'une source d'onde de choc (N-wave) générée par une étincelle électrique. Pour l'échantillon fabriqué par le micro-usinage de surface, la sensibilité statique mesurée est 0.4μV/V/Pa, la sensibilité dynamique est 0.033μV/V/Pa et la plage fréquentielle couvre à partir de 100 kHz avec une fréquence du premier mode de résonance à 400kHz. Pour l'échantillon fabriqué par le micro-usinage de volume, la sensibilité statique mesurée est 0.28μV/V/Pa, la sensibilité dynamique est 0.33μV/V/Pa et la plage fréquentielle couvre à partir de 6 kHz avec une fréquence du premier mode de résonance à 715kHz.

La localisation de source Distribuée Cohérente (DC) présente un défi du traitement d'antenne. Les contributions de cette thèse s’articulent principalement autour de trois aspects. Premièrement, un estimateur conjoint de l'angle, la distance, la dispersion et la forme de la source appelée JADSSE est proposé pour le cas champ proche. L’estimation d’un paramètre de forme de distribution de la dispersion permet d’éviter des erreurs de modèles sur l’a priori de la forme de la distribution. Deuxièmement, on généralise l'estimateur Decoupled DSPE en champ proche. Cette approche permet de découpler l'estimation de la Direction D’Arrivée (DDA) et de la distance de l'estimation de la dispersion. Afin de permettre l’estimation de la dispersion sans connaître a priori les formes de distribution, on propose le DADSSE qui consiste à estimer successivement la DDA, la distance et ensuite la dispersion et la forme de la distribution de la source. Troisièmement, on généralise le modèle DC avec une dispersion spatiale bidimensionnelle de la source ainsi que l’estimateur JADSSE. Deux approches sont proposées pour l’estimation de la puissance prenant en compte le modèle d’étalement des sources. Les méthodes proposées sont testées sur les données expérimentales de la soufflerie de Renault. Les résultats mettent en évidence des sources aéro-acoustiques proches et de faibles puissances. L’ensemble de ces travaux permet de fournir un outil pour une meilleure cartographie et caractérisation des sources aéro-acoustiques grâce à l’estimation de la position, l'étalement, la puissance et la forme. / Localization of Coherently Distributed (CD) source presents a challenge in the array signal processing. Our work motivates the localization of aero-acoustic source based on its spatial extension. This challenge is practically ignored in the literature of acoustic imaging field where many applications consist in mapping noisy source to reduce its contribution. The thesis presents the three following contributions. First, we propose a Joint Angle, Distance, Spread and Shape Estimator called JADSSE. The estimation of the so-called spread shape distribution parameter proposed by JADSSE avoids the modeling error due to the required a priori knowledge on the source shape when using classical estimators. Second, we expand the Decoupled DSPE to the near field. This method decouples the Direction of Arrival (DoA) and the range estimation from the spread estimation. Meanwhile, this method prevents the spread estimation for unknown shape distribution. Therefore, we propose the DADSSE to successively estimate the DOA, the range and then the spread and the shape distribution of the source. Third, we generalize the CD model and the JADSSE to consider the bi-dimensional spread of the source. Next, we propose two source power estimation approaches accounting the spatial spread of the source. The proposed methods are tested using a set of experimental data of the Renault wind tunnel application. Results show the presence of new aero-acoustic sources especially the overlapped ones with weak powers. We provide a tool to better map and characterize the aero-acoustic source by estimating the position, spread, power and shape.

La localisation de source Distribuée Cohérente (DC) présente un défi du traitement d'antenne. Les contributions de cette thèse s’articulent principalement autour de trois aspects. Premièrement, un estimateur conjoint de l'angle, la distance, la dispersion et la forme de la source appelée JADSSE est proposé pour le cas champ proche. L’estimation d’un paramètre de forme de distribution de la dispersion permet d’éviter des erreurs de modèles sur l’a priori de la forme de la distribution. Deuxièmement, on généralise l'estimateur Decoupled DSPE en champ proche. Cette approche permet de découpler l'estimation de la Direction D’Arrivée (DDA) et de la distance de l'estimation de la dispersion. Afin de permettre l’estimation de la dispersion sans connaître a priori les formes de distribution, on propose le DADSSE qui consiste à estimer successivement la DDA, la distance et ensuite la dispersion et la forme de la distribution de la source. Troisièmement, on généralise le modèle DC avec une dispersion spatiale bidimensionnelle de la source ainsi que l’estimateur JADSSE. Deux approches sont proposées pour l’estimation de la puissance prenant en compte le modèle d’étalement des sources. Les méthodes proposées sont testées sur les données expérimentales de la soufflerie de Renault. Les résultats mettent en évidence des sources aéro-acoustiques proches et de faibles puissances. L’ensemble de ces travaux permet de fournir un outil pour une meilleure cartographie et caractérisation des sources aéro-acoustiques grâce à l’estimation de la position, l'étalement, la puissance et la forme. / Localization of Coherently Distributed (CD) source presents a challenge in the array signal processing. Our work motivates the localization of aero-acoustic source based on its spatial extension. This challenge is practically ignored in the literature of acoustic imaging field where many applications consist in mapping noisy source to reduce its contribution. The thesis presents the three following contributions. First, we propose a Joint Angle, Distance, Spread and Shape Estimator called JADSSE. The estimation of the so-called spread shape distribution parameter proposed by JADSSE avoids the modeling error due to the required a priori knowledge on the source shape when using classical estimators. Second, we expand the Decoupled DSPE to the near field. This method decouples the Direction of Arrival (DoA) and the range estimation from the spread estimation. Meanwhile, this method prevents the spread estimation for unknown shape distribution. Therefore, we propose the DADSSE to successively estimate the DOA, the range and then the spread and the shape distribution of the source. Third, we generalize the CD model and the JADSSE to consider the bi-dimensional spread of the source. Next, we propose two source power estimation approaches accounting the spatial spread of the source. The proposed methods are tested using a set of experimental data of the Renault wind tunnel application. Results show the presence of new aero-acoustic sources especially the overlapped ones with weak powers. We provide a tool to better map and characterize the aero-acoustic source by estimating the position, spread, power and shape.