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. / <p>QC 20180516</p>

In the context of interior noise reduction, the present work aims at proposing Finite Element (FE) solution strategies for interior structural-acoustic applications including 3D modelling of homogeneous and isotropic poroelastic materials, under timeharmonic excitations, and in the low frequency range. A model based on the Biot-Allard theory is used for the poroelastic materials, which is known to be very costly in terms of computational resources. Reduced models offer the possibility to enhance the resolution of such complex problems. However, their applicability to porous materials remained to be demonstrated.First, this thesis presents FE resolutions of poro-elasto-acoustic coupled problems using modal-based approaches both for the acoustic and porous domains. The original modal approach proposed for porous media, together with a dedicated mode selection and truncation procedure, are validated on 1D to 3D applications.In a second part, modal-reduced models are combined with a Padé approximants reconstruction scheme in order to further improve the efficiency.A concluding chapter presents a comparison and a combination of the proposed methods on a 3D academic application, showing promising performances. Conclusions are then drawn to provide indications for future research and tests to be conducted in order to further enhance the methodologies proposed in this thesis.

Dans le présent document de thèse, une extension de la méthode de calcul de la diffusion multiple stratifiée est développée en y incluant des structures phononiques à base de diffuseurs sphériques poroélastiques saturés immergés dans un fluide, en combinant la théorie de Biot avec le formalisme de diffusion multiple. La méthode est alors appliquée à une étude théorique, bien au-delà de l’approximation à grandes longueurs d’onde d’un milieu effectif, de la réponse acoustique d’un milieu granulaire à double porosité saturé, formé d’un réseau cristallin compact de sphères poreuses rigides ou molles. On montre que la variation de la taille des pores et/ou celle de la porosité dans une gamme allant du millimètre au micromètre pour le diamètre des sphères altère d’une façon significative les spectres de transmission, réflexion, et d’absorption d’une couche plane d’épaisseur finie de ces matériaux. Les spectres présentés sont analysés par référence aux modes acoustiques de sphères poreuses isolées d’une part, puis par rapport aux diagrammes de dispersion des cristaux infinis correspondants. Une interprétation cohérente de la physique sous-jacente est donnée. Ces résultats mettent en évidence l’occurrence de nouveaux modes, localisés dans la sphère, provenant des ondes longitudinales lentes propres aux milieux poroélastiques. Ces modes induisent quelques caractéristiques remarquables dans le comportement acoustique de ces matériaux à double porosité, comme des bandes d’absorption non-dispersive larges ou étroites en fréquence et/ou des bandes d’arrêt directionnel. Les propriétés acoustiques de ces structures phononiques à l’échelle sub-micrométrique, i.e. en régime hypersonique (GHz), peuvent être évaluées expérimentalement par diffusion Brillouin. Dans ce document, une approche théorique élasto-optique rigoureuse, basée sur les fonctions de Green, est proposée afin de décrire la diffusion inélastique de la lumière due aux variations spatiotemporelles de l’indice de réfraction du matériau induites par des phonons. Dans ce cadre des expressions analytiques de l’intensité d’un faisceau de lumière diffusé par une particule sphérique dans le vide sont dérivées, permettant ainsi d’améliorer la précision et rapidité des calculs précédents. Les grandes lignes de ce développement théorique jettent les bases pour une description rigoureuse de cet effet dans le cas de cristaux phononiques composés de particules sphériques colloïdales. / In the present thesis, an extension of the layer multiple scattering computational methodology to phononic structures of fluid-saturated poroelastic spherical bodies, combining Biot's theory with multiple scattering techniques, is developed. The method is applied to the theoretical study, beyond the long wavelength effective-medium approximation, of the acoustic response of double-porosity liquid-saturated granular materials consisting of close-packed hard or soft porous spheres. It is shown that variations of the pore size and/or the porosity within the millimeter and submillimeter-sized spherical grains signicantly alters the transmission, reflection, and absorption spectra of finite slabs of these materials. The calculated spectra are analyzed by reference to the acoustic modes of the constituent porous spherical grains as well as to relevant dispersion diagrams of correspondingly infinite crystals, and a consistent interpretation of the underlying physics is presented. Our results provide evidence for the occurrence of novel, unprecedented modes, localized in the sphere, which arise from slow longitudinal waves that are peculiar to poroelastic media. These modes induce some remarkable features in the acoustic behavior of these double-porosity materials under study, such as broad or narrow dispersionless absorption bands and/or directional transmission gaps. The acoustic properties of phononic (sub)micro structures, in the hypersonic (GHz) regime, can be probed, in general, by Brillouin light scattering experiments. In the present thesis we undertake a rigorous full elasto-optic theoretical approach to inelastic light scattering due to phonon induced spatiotemporal variations of the refractive index of a medium, based on Green's functions, and derive analytical expressions for the intensities of the scattered light beams by single spherical particles in vacuum, thus improving the computational efficiency and accuracy of previous calculations. The above framework provides, also, the basis for a rigorous description of the effect for phononic crystals of colloidal spherical particles.

In the context of interior noise reduction, the present work aims at proposing Finite Element (FE) solution strategies for interior structural-acoustic applications including 3D modelling of homogeneous and isotropic poroelastic materials, under timeharmonic excitations, and in the low frequency range. A model based on the Biot-Allard theory is used for the poroelastic materials, which is known to be very costly in terms of computational resources. Reduced models offer the possibility to enhance the resolution of such complex problems. However, their applicability to porous materials remained to be demonstrated.First, this thesis presents FE resolutions of poro-elasto-acoustic coupled problems using modal-based approaches both for the acoustic and porous domains. The original modal approach proposed for porous media, together with a dedicated mode selection and truncation procedure, are validated on 1D to 3D applications.In a second part, modal-reduced models are combined with a Padé approximants reconstruction scheme in order to further improve the efficiency.A concluding chapter presents a comparison and a combination of the proposed methods on a 3D academic application, showing promising performances. Conclusions are then drawn to provide indications for future research and tests to be conducted in order to further enhance the methodologies proposed in this thesis. / Dans le contexte de lutte contre les nuisances sonores, cette thèse porte sur le développement de méthodes de résolution efficaces par éléments finis, pour des problèmes de vibroacoustique interne avec interfaces dissipatives, dans le domaine des basses fréquences. L’étude se limite à l’utilisation de solutions passives telles que l’intégration de matériaux poreux homogènes et isotropes, modélisés par une approche fondée sur la théorie de Biot-Allard. Ces modèles étant coûteux en terme de résolution, un des objectifs de cette thèse est de proposer une approche modale pour la réduction du problème poroélastique, bien que l’adéquation d’une telle approche avec le comportement dynamique des matériaux poreux soit à démontrer.Dans un premier temps, la résolution de problèmes couplés élasto-poro-acoustiques par sous-structuration dynamique des domaines acoustiques et poreux est établie. L’approche modale originale proposée pour les milieux poroélastiques, ainsi qu’une procédure de sélection des modes significatifs, sont validées sur des exemples 1D à 3D.Une deuxième partie présente une méthode combinant l’utilisation des modèles réduits précédemment établis avec une procédure d’approximation de solution par approximants de Padé. Il est montré qu’une telle combinaison offre la possibilité d’accroître les performances de la résolution (allocation mémoire et ressources en temps de calcul).Un chapitre dédié aux applications permet d’évaluer et comparer les approches sur un problème académique 3D, mettant en valeur leurs performances encourageantes. Afin d’améliorer les méthodes établies dans cette thèse, des perspectives à ces travaux de recherche sont apportées en conclusion. / <p>QC 20120224</p> / FP6 Marie-Curie Smart Structures / FP7 Marie-Curie Mid-Frequency

Dans le contexte de lutte contre les nuisances sonores, cette thèse porte sur le développement de méthodes de résolution efficaces par éléments finis, pour des problèmes de vibroacoustique interne avec interfaces dissipatives, dans le domaine des basses fréquences. L’étude se limite à l’utilisation de solutions passives telles que l’intégration de matériaux poreux homogènes et isotropes, modélisés par une approche fondée sur la théorie de Biot-Allard. Ces modèles étant coûteux en terme de résolution, un des objectifs de cette thèse est de proposer une approche modale pour la réduction du problème poroélastique, bien que l’adéquation d’une telle approche avec le comportement dynamique des matériaux poreux soit à démontrer. Dans un premier temps, la résolution de problèmes couplés élasto-poro-acoustiques par sous-structuration dynamique des domaines acoustiques et poreux est établie. L’approche modale originale proposée pour les milieux poroélastiques, ainsi qu’une procédure de sélection des modes significatifs, sont validées sur des exemples 1D à 3D. Une deuxième partie présente une méthode combinant l’utilisation des modèles réduits précédemment établis avec une procédure d’approximation de solution par approximants de Padé. Il est montré qu’une telle combinaison offre la possibilité d’accroître les performances de la résolution (allocation mémoire et ressources en temps de calcul). Un chapitre dédié aux applications permet d’évaluer et comparer les approches sur un problème académique 3D, mettant en valeur leurs performances encourageantes. Afin d’améliorer les méthodes établies dans cette thèse, des perspectives à ces travaux de recherche sont apportées en conclusion. / In the context of interior noise reduction, the present work aims at proposing Finite Element (FE) solution strategies for interior structural-acoustic applications including 3D modelling of homogeneous and isotropic poroelastic materials, under timeharmonic excitations, and in the low frequency range. A model based on the Biot-Allard theory is used for the poroelastic materials, which is known to be very costly in terms of computational resources. Reduced models offer the possibility to enhance the resolution of such complex problems. However, their applicability to porous materials remained to be demonstrated.First, this thesis presents FE resolutions of poro-elasto-acoustic coupled problems using modal-based approaches both for the acoustic and porous domains. The original modal approach proposed for porous media, together with a dedicated mode selection and truncation procedure, are validated on 1D to 3D applications.In a second part, modal-reduced models are combined with a Padé approximants reconstruction scheme in order to further improve the efficiency.A concluding chapter presents a comparison and a combination of the proposed methods on a 3D academic application, showing promising performances. Conclusions are then drawn to provide indications for future research and tests to be conducted in order to further enhance the methodologies proposed in this thesis.