La caractérisation expérimentale de la réponse vibro-acoustique de panneaux excités par des champs de pression aléatoires est d'un grand intérêt autant en recherche que pour des applications industrielles. Deux excitations sont particulièrement étudiées: le champ acoustique diffus les pressions fluctuantes induites par une couche limite turbulente. Les moyens d’essais associés à ces excitations (chambre réverbérante, soufflerie, essais in situ) peuvent être très coûteux, difficilement contrôlables et rarement comparables entre laboratoires ou centre d’essais (installations de différentes dimensions ou mises en œuvres). La reproductibilité des mesures peut alors être remise en cause, ce qui rend difficile la comparaison entre différentes solutions technologiques. Il y a donc un fort intérêt à disposer d'un outil de laboratoire permettant de reproduire l’effet de ces excitations aléatoires dans un environnement contrôlé. Dans ce contexte, cette thèse propose de développer une méthode expérimentale permettant de caractériser le comportement vibro-acoustique de panneaux sous un champ de pression aléatoire en s’affranchissant des moyens d’essais usuels. Les approches que l’on étudie se basent sur la formulation mathématique du problème dans le domaine des nombres d'onde. Celle-ci met en évidence une séparation explicite des contributions de l'excitation (via l’interspectre de pression pariétale), de celles du comportement vibro-acoustique du panneau (via les fonctions de sensibilité). A partir de la connaissance de l'interspectre de pression pariétale, il suffit alors de déterminer expérimentalement les fonctions de sensibilité du panneau afin de déterminer par post-traitement sa réponse à l'excitation considérée. Deux méthodes permettant de déterminer les fonctions de sensibilité sont étudiées numériquement et validées expérimentalement : la méthode dite de l’antenne synthétique et une méthode basée sur des principes de réciprocité. Pour étudier la validité de ces méthodes, on compare leurs résultats à ceux obtenus par des moyens standards pour deux types de panneaux et les deux types d’excitations évoqués précédemment. / Abstract: The experimental vibro-acoustic characterization of panels submitted to random pressure fields is of great interest in the industry as well as in research laboratories. For the transport sector, this type of excitation can be found when a turbulent flow develops at the wall of a moving vehicle for example. The pressure fluctuations induced by the turbulent boundary layer excite the panels which radiate a noise inside the cabin. The experimental reproduction of those pressure fluctuations requires test means which can be very costly (i.e., wind tunnel, in situ tests) and whose physical parameters can hardly be controlled. The repeatability of measurements can thereby be questioned which makes it hard to compare different technological solutions. A second example of random pressure field is the diffuse acoustic field. This latter is usually reproduced in a reverberant room which is often coupled with an anechoic chamber by means of the panel whose acoustic insulation is to be tested. A pressure field is assumed to be diffuse if the acoustic energy comes from every direction with an equiprobable intensity of the incident waves. This assumption is never fully reached in practice (lack of grazing incident waves, strong modal behavior of the room at low frequencies, etc.). A laboratory tool which allows reproducing the effect of those random excitations in a controlled environment is therefore of great interest. In this context, this thesis aims at developing an experimental method to characterize the vibro-acoustic behavior of panels under random pressure fields without using the common test means (wind tunnel, reverberant room, in situ tests, etc.). For relevance sake, this approach must compensate for the previously stated issues. The approaches studied in this work are based on the mathematical formulation of the problem in the wavenumber domain. This latter allows an explicit separation of the contributions of the excitation via the wall-pressure cross-spectrum, from those of the vibro-acoustic behavior of the panel via so-called ‘sensitivity functions’. Assuming the wall-pressure cross-spectrum of the excitation is known, it is only required to experimentally determine those sensitivity functions, on the panel or in the acoustic medium, to determine the response of the panel to the considered excitation by post-processing. Two methods aiming at determining the sensitivity functions will be numerically and experimentally studied: the source scanning technique and the method based on the reciprocity principle. Results obtained with those method are compared to measurements using standard test means to attest the validity of those methods. Several vibro-acoustic indicators will be confronted while considering the two previously mentioned excitations and for two types of panels: an academic panel and a ‘complex’ from the aeronautic sector. This latter shows the applicability of the method in an industrial context.

La caractérisation expérimentale de la réponse vibro-acoustique de panneaux excités par des champs de pression aléatoire est d'un grand intérêt dans le monde de la recherche, aussi bien industrielle qu'académique. Dans le domaine des transports, ce type d'excitation se rencontre par exemple lorsqu'un écoulement turbulent se développe en paroi d'un véhicule en mouvement. Les fluctuations de pression induites par la couche limite turbulente excitent les parois qui rayonnent un bruit à l'intérieur de l'habitacle. La reproduction expérimentale de ces fluctuations de pression nécessite des moyens qui peuvent être très coûteux (i.e, tunnel aérodynamique, essais in situ) et dont il est difficile de maîtriser tous les paramètres physiques. Un second exemple de champ de pression aléatoire est le champ acoustique diffus. Celui-ci est généralement reproduit dans une chambre réverbérante que l'on couple souvent à une chambre anéchoïque par l'intermédiaire de la paroi dont on souhaite étudier l'isolation acoustique. Un champ acoustique est supposé diffus si l'énergie acoustique provient de toutes les directions et l'intensité des ondes incidentes est équiprobable, ce qui n'est jamais le cas en pratique (problème des angles rasants, modes propres en basse fréquence, etc.). Il y a donc un fort intérêt à disposer d'un outil de laboratoire permettant de reproduire l'effet d'excitations aléatoires dans un environnement qui peut être contrôlé. C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse qui a pour but de développer une méthode expérimentale permettant de caractériser le comportement vibro-acoustique de panneaux sous champ de pression aléatoire tout en se passant des moyens de mesures usuels (soufflerie, chambre réverbérante, essais in situ, etc.). Les approches étudiées dans cette thèse se basent sur la formulation mathématique du problème dans le domaine des nombres d'onde. Celle-ci met en évidence une séparation explicite des contributions de l'excitation via son interspectre de pression pariétale, de celles du comportement vibro-acoustique du panneau via des fonctions appelées "fonctions de sensibilité". Supposant donc que l'interspectre de pression pariétale de l'excitation est connu, il suffit de déterminer expérimentalement ces fonctions de sensibilité, sur le panneau ou dans le milieu acoustique, pour déterminer par post-traitement la réponse du panneau à l'excitation considérée. Deux méthodes permettant de déterminer les fonctions de sensibilité seront étudiées numériquement et validées expérimentalement: la méthode par antenne synthétique et la méthode basée sur le principe de réciprocité. Pour étudier la validité de ces méthodes, on compare leurs résultats à ceux obtenus par des moyens standards sur la base de plusieurs indicateurs vibro-acoustiques. Les méthodes sont validées en considérant les deux types d'excitations évoqués précédemment et pour deux types de panneaux: un panneau académique et un panneau "complexe" issu du domaine aéronautique. / The experimental vibro-acoustic characterization of panels submitted to random pressure fields is of great interest in the industry as well as in research laboratories. For the transport sector, this type of excitation can be found when a turbulent flow develops at the wall of a moving vehicle for example. The pressure fluctuations induced by the turbulent boundary layer excite the panels which radiate a noise inside the cabin. The experimental reproduction of those pressure fluctuations requires test means which can be very costly (i.e., wind tunnel, in situ tests) and whose physical parameters can hardly be controlled. The repeatability of measurements can thereby be questioned which makes it hard to compare different technological solutions. A second example of random pressure field is the diffuse acoustic field. This latter is usually reproduced in a reverberant room which is often coupled with an anechoic chamber by means of the panel whose acoustic insulation is to be tested. A pressure field is assumed to be diffuse if the acoustic energy comes from every direction with an equiprobable intensity of the incident waves. This assumption is never fully reached in practice (lack of grazing incident waves, strong modal behavior of the room at low frequencies, etc.). A laboratory tool which allows reproducing the effect of those random excitations in a controlled environment is therefore of great interest. In this context, this thesis aims at developing an experimental method to characterize the vibro-acoustic behavior of panels under random pressure fields without using the common test means (wind tunnel, reverberant room, in situ tests, etc.). For relevance sake, this approach must compensate for the previously stated issues. The approaches studied in this work are based on the mathematical formulation of the problem in the wavenumber domain. This latter allows an explicit separation of the contributions of the excitation via the wall-pressure cross-spectrum, from those of the vibro-acoustic behavior of the panel via so-called `sensitivity functions'. Assuming the wall-pressure cross-spectrum of the excitation is known, it is only required to experimentally determine those sensitivity functions, on the panel or in the acoustic medium, to determine the response of the panel to the considered excitation by post-processing. Two methods aiming at determining the sensitivity functions will be numerically and experimentally studied: the source scanning technique and the method based on the reciprocity principle. Results obtained with those method are compared to measurements using standard test means to attest the validity of those methods. Several vibro-acoustic indicators will be confronted while considering the two previously mentioned excitations and for two types of panels: an academic panel and a `complex' from the aeronautic sector. This latter shows the applicability of the method in an industrial context.

La durée de vie des pièces mécaniques en contact est fortement affectée par la présence d'hétérogénéités dans le matériau, comme des renforts (fibres, particules), des précipités, des porosités, ou encore des fissures. Des hétérogénéités dures et de formes complexes peuvent créer des surcontraintes locales, initiatrices de fissures par fatigue à proximité de la surface de contact. Une analyse quantitative des surcontraintes créées par les hétérogénéités est nécessaire à la compréhension des mécanismes d'endommagement. Cette étude s'applique à des roulements de ligne d'arbre qui font partie des éléments critiques de moteurs en aéronautique. Elle vise à déterminer précisément la distribution du champ de pression sur l'aire effective de contact et à prédire le profil et l'évolution des champs de contraintes/déformations à chaque passage de la charge sur un volume élémentaire représentatif prenant en compte le gradient de dureté, la présence de carbures et l'existence des contraintes initiales d'origine thermochimique. Une partie de l’étude est consacrée au développement d’un solveur du problème de contact roulant élasto-plastique avec présence d’hétérogénéité par les méthodes semi analytiques assurant un excellent gain en temps et ressources de calculs. Ensuite, un algorithme homogénéisation a été conçu pour analyser le comportement effectif d’un massif élasto-plastique hétérogène sous indentation. Enfin une partie expérimentale est dédiée à la caractérisation microstructurale des aciers étudiés dans le but de déterminer leurs propriétés. Les analyses des résultats de cette étude concourent à soutenir que bien que les inclusions de particules non métalliques soient responsables de la haute résistance de ces matériaux, certaines d’entre elles (celles de longueur dépassant les dizaines de micromètre ou celles qui forment des chaines dans une direction particulière) deviennent, au cours des cycles de fatigue, les principales sources d’endommagement depuis l’échelle locale jusqu’à la rupture globale de la structure. / The lifetime of contacting mechanical parts is strongly affected by the presence of heterogeneities in their materials, such as reinforcements (fibers, particles), precipitates, porosities, or cracks. Hard heterogeneities having complex forms can create local overstress that initiating fatigue cracks near the contact surface. The presence of heterogeneities influences the physical and mechanical properties of the material at microscopic and macroscopic scales. A quantitative analysis of the over-stresses generated by heterogeneities is necessary to the comprehension of the damage mechanisms. The present study is applied to rolling bearings which are the critical elements of the aero-engine's mainshaft. The performance required for these bearings, led SKF Aerospace to introduce a new technology of hybrid bearing with ceramic rolling elements on high-strength steels having experienced a double surface treatment (carburizing followed by nitriding). The study aims to precisely determine the pressure field distribution on the effective contact area and to predict the profile and the evolution of the stress/strain fields at each loading cycle on a representative elementary volume that takes into account the gradient of hardness, the presence of carbides and the existence of an initial compressive stress from thermochemical origin. A major part of this study is devoted to develop a heterogeneous elastic-plastic rolling contact solver, by semi-analytical methods ensuring an excellent saving of calculation time and resources. Thereafter, a homogenization algorithm was built to analyze the effective behavior of a heterogeneous elastic-plastic half-space subjected to an indentation loading. Finally, an experimental part is dedicated to the microstructure characterization of the studied steels with intent to determine their properties. A description of the carbides behavior inside the matrix during micro-tensile tests was carried out under SEM in-situ observation. In the scheme of all analyses conducted in the present work, it can be argued that, although the heterogeneities (such as carbides or nitrides) are responsible for the high resistance of the studied materials, some of them (those whose length exceeds tens of micrometer or those which form stringers in a particular direction) become, over fatigue cycles, the main sources of damage, from their local scale up to the macroscopic failure of the structure.