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Le travail réalisé au cours de cette thèse, suite à l'initiative de Turbomeca, est une contribution à l'étude du bruit à large bande à l'échappement d'un turbomoteur d'hélicoptère, portant plus précisément sur la gamme de fréquences qui s'étend sur la gamme de fréquences qui s'étend de 100 à 5000 Hz. Contrairement au bruit à l'échappement des turboréacteurs d'avion sur lesquels le bruit de jet prédomine, ici ce dernier est négligeable en raison de la faible vitesse d'échappement des gaz. L'analyse des données disponibles à Turbomeca et une étude bibliographique approfondie ont permis de préciser la signature fréquentielle du bruit à large bande à l'échappement avec notamment trois contributions distinctes :- Le bruit de combustion direct généré au niveau de la chambre par la flamme (100-400 Hz)- Le bruit de la combustion indirect généré par la turbine haute-pression (500-800 Hz)- Le bruit de combustion indirect généré par la turbine libre (1-3 Hz)Le bruit de combustion indirect est issu de la déformation des perturbations tourbillonnaires et entropiques issues de la combustion lors de leur passage dans les turbines. Ce travail de thèse porte plus précisément sur ce mécanisme. Notamment, des essais sur une turbine industrielle ont été réalisés afin de mettre sa présence en évidence. En parallèle, un modèle analytique de type " disque d'action " (c'est-à-dire dans lequel la turbine est assimilée à une surface de discontinuité) a été développé. Ceci est justifié par le fait que les longueurs d'ondes (acoustique et aérodynamique) sont grandes devant les dimensions des aubes, notamment la corde axiale. On néglige ainsi la géométrie fine des aubes. Seule est prise en compte leur influence sur l'écoulement qui se traduit uniquement par l'accélération et/ou la déviation de ce dernier, et le changement des propriétés thermodynamiques correspondant. La difficulté de la modélisation réside dans l'écriture des relations de saut entre les grandeurs de l'écoulement en amont et en aval de la grille d'aubes.

L'objectif industriel de cette thèse est d'étudier l'impact de l'environnement moyennes et hautes fréquences sur les lanceurs de missiles et de fusées. Ce champ acoustique est aléatoire et large bande et génère des vibrations à l'intérieur des lanceurs, qui peuvent détériorer les structures et les équipements fragiles, notamment les composants électroniques des équipements embarqués (premiers modes de vibration à 200-500 Hz, situés dans la zone des moyennes fréquences des lanceurs). Il est nécessaire de réaliser un modèle numérique du lanceur, afin de déterminer les niveaux de vibrations se propageant dans les structures internes des lanceurs sur l'ensemble du spectre fréquentiel. Dans le domaine des moyennes fréquences, les méthodes par éléments-finis ou énergétiques -- comme la SEA (Analyse Energtique Statistique) -- ne sont ni efficaces ni précises. Une nouvelle méthode est alors introduite : la méthode SEA-like. Cette méthode est déterministe et énergétique - pour prendre en compte le caractère aléatoire de l'excitation et les incertitudes des paramètres de la structure - mais s'appuie également sur des analyses basses fréquences, comme l'analyse modale ou par élément fini. Cette méthode est donc valable sur des domaines fréquentielles o'u la méthode SEA ne peut plus être utilisée. Dans une première partie, un système couplé plaque-cavité soumis à une excitation rain-on-theroof est étudié. Ce système a été modélisé avec trois méthodes : la méthode SEA-like basée sur une méthode par couplage modal - qui permet l'étude des échanges énergétiques en interaction fluide-structure dans le domaine des moyennes fréquences - la méthode SEA - qui permet de valider le modèle SEA-like dans le domaine des hautes fréquences, - et enfin une méthode SEA-like basée sur une modélisation par éléments-finis du système couplé et qui permet la validation dans le domaine des moyennes fréquences. Dans une deuxième partie, la méthode SEA-like est étendue à des cas de charges aéroacoustiques. En effet, deux types d'excitations sont fréquemment rencontrées dans le domaine de l'aérospatial et notamment dans l'étude des lanceurs : l'excitation par bruit diffus, qui intervient lors de la première phase de décollage du lanceur et une excitation par couche limite turbulente, qui intervient lors du vol atmosphérique. Ces excitations sont appliqués au système couplé plaque-cavité et modélisés avec la méthode SEA-like. Pour ce faire, les différentes excitations aéroacoustiques sont assimilées à des excitations delta-corrélées équivalentes. Les caractéristiques de l'excitation apparaissent alors dans le vecteur de puissance injectée et la modélisation SEA-like du système proprement dit est indépendante du type d'excitation. La méthode SEA-like est ainsi directement généralisable à différentes excitations. Ces modèles sont validés par comparaison avec des modèles connus d'excitations aéroacoustiques.

Le crissement des freins à disque est un phénomène sonore indésirable dû au frottement des garnitures sur le disque. Ce système dynamique autonome non-linéaire génère des vibrations auto-entretenues responsables d'émissions sonores pouvant atteindre 110dB. Les études actuelles se limitent principalement à l'analyse de stabilité qui surestime généralement le domaine d'instabilité. L'objectif de cette thèse est donc d'étendre l'étude du crissement de frein au domaine non-linéaire à l'aide de méthodes moins coûteuses numériquement que les traditionnelles méthodes temporelles. Dans un premier temps, nous nous sommes tout d'abord intéressé à la modélisation simplifiée d'un système de frein composé d'une garniture et d'un disque de frein. Nous avons réduit ces éléments aux interfaces de contact permettant ainsi de garder les non-linéarités tout en traitant des modèles de plus petite taille. Dans un second temps, nous avons développé une méthode non-linéaire originale qui, basée sur les méthodes classiques de balance harmonique, permet de calculer la réponse dynamique des systèmes autonomes non-linéaires. Cette méthode, applicable sur des systèmes soumis à un ou plusieurs modes instables, est capable de calculer des réponses périodiques ou pseudo-périodiques. Enfin nous avons appliqué cette méthode sur le modèle réduit de frein et montré son avantage en terme de coût numérique. Cette étude a également permis de mettre en avant des phénomènes non-linéaires complexes tels que l'augmentation des amplitudes avec l'ajout d'amortissement ou encore la disparition d'un mode instable dans la réponse dynamique.

Pour les turbomachines, les écoulements de jeu entre parties mobiles et fixes peuvent être une source non négligeable de dégradation des performances. Afin de contrer ces écoulements, on fait souvent appel à un traitement de carter. Cette étude est axée sur la définition, l'analyse et l'optimisation d'un nouveau concept de traitement de carter applicable aux turbomachines basse vitesse. Plusieurs outils numériques sont nécessaires pour mener à bien cette étude. Pour la simulation numérique, il convient de disposer de schémas spatiaux adaptés aux maillages non-uniformes, lesquels sont développés ici. L'analyse pratique du traitement de carter fait intervenir une technique de dérivation d'ordre élevé du champ aérodynamique, permettant ensuite une reconstruction rapide des différentes géométries et des champs aérodynamiques associés. Cette technique de dérivation est couplée avec un algorithme génétique afin d'optimiser le traitement de carter. Un outil d'analyse et de visualisation du front de Pareto est alors employé. Le nouveau traitement de carter proposé est un rainurage hélicoïdal du carter. Ce dispositif est utilisé pour réduire le débit de jeu et la giration de l'écoulement de jeu dans le cas de turbomachines présentant une virole. Le traitement de carter est modélisé afin de valider le concept même du rainurage. L'analyse des performances montre une amélioration par rapport à un jeu standard. L'étude du champ aérodynamique associé aux rainures fait ressortir des structures tourbillonnaires complexes et couplées. Une étude paramétrique permet de caractériser finement le comportement du nouveau traitement de carter relativement aux paramètres géométriques définissant la forme des rainures. On valide l'ensemble des variations obtenues avec la méthode de dérivation d'ordre élevé. Le rainurage est alors optimisé en utilisant la base de donnée constituée par ces variations. L'analyse du front de Pareto permet de choisir une configuration optimale de traitement de carter. Cette solution est appliquée à un ventilateur de refroidissement. L'écoulement et les performances de l'ensemble [rotor+traitement de carter] sont étudiés précisément. Dans cette configuration, on améliore remarquablement les caractéristiques de l'écoulement de jeu.

Lorsqu'une machine tournante est composée d'un rotor et d'une paroi de carter, le jeu désigne l'espace entre l'extrémité des pales et le carter. Ce jeu est le lieu d'écoulements complexes contribuant aux émissions acoustiques des machines tournantes. Ce travail de thèse a pour objectif d'améliorer la compréhension des divers phénomènes résultants d'écoulements de jeu ainsi que de prédire le rayonnement acoustique associé. La littérature traitant de l'aérodynamique des écoulements de jeu est présentée. Une expérience est réalisée sur une configuration simplifiée constituée d'un profil simple fixe à incidence et jeu variables placé dans un écoulement à bas nombre de Mach. Une étude paramétrique est menée afin d'observer l'influence de trois paramètres expérimentaux: la vitesse incidente, l'angle d'attaque et le jeu. Les principaux résultats ainsi que les lois d'évolution qui en découlent sont discutés.

L'ABS est un copolymère de Acrylonitrile-Butadiène-Styrène utilisé industriellement et dont la surface peut être recouverte para un dépôt métallique. Le processus traditionnel pour déposer des films métalliques de manière auto catalytique est connu comme " Electroless ". Cependant, ce processus utilise un mélange sulfochromique dans l'étape de traitement préliminaire de la surface, contenant du Cr (VI), qui est dans la liste des contaminants toxiques qui doivent être substitués. Il est donc primordial de développer de nouveaux procédés de modification de surface de faible impact sur l'environnement. Dans ce travail de thèse, nous avons développé trois nouvelles techniques de modifications de la surface d'ABS. Les deux premières permettent une modification générale de la surface et la troisième une modification spécifique. La première méthode, par voie sèche basée sur l'application en alternance de décharges Corona et radiations ultra-violet, est appelée " Traitement Optophysique ". La deuxième méthode appelée " Traitement Photocatalytique " correspond à l'application des propriétés photocatalytiques de nanoparticules de TiO2 (30nm) en suspension sur la surface du polymère et soumis à une radiation ultra-violet. La troisième méthode appelée " Traitement Optothermique " permettant une modification sélective, est réalisée par ablation thermique laser" à partir d'une sensibilisation de la surface avec des nanoparticules de Palladium et des particules d'Argent. Postérieur à l'étape de traitement " Traitement Optophysique " ou " Traitement Photocatalytique ", les substrats ont été pré-métallisés soit par le procédé " Electroless ", soit par le procédé de "Dépôt Chimique Dynamique " (DCP). A différence du procédé " Electroless ", le procédé " DCP " ne nécessite pas d'une étape antérieure d'activation de sites superficielles avec des ions palladium. Le dépôt métallique final est réalisé par voie électrolytique conventionnelle. Les surfaces prétraitées ont été analysées par des Mesures d'Angle de Contact et les techniques de spectroscopie FT-IR et XPS. La présence de charges superficielles a été évaluée par la Mesure de Potentielle de Surface et de Radiométrie des Photoporteurs. La morphologie des surfaces a été observée et mesurée par les techniques de SEM, AFM et AFAM. Les analyses de rugosité ont été faites par Senseur Mécanique, par Optique Interférentielle et par AFM. L'adhérence des dépôts métalliques a été mesurée par la méthode de la Bande Adhésive sur Coupe Croisée (ASTM D-3359), les essais Pull Off. (ASTM D4541-02) et Peel Off (ASTM B533 A). Les dépôts les plus adhérents ont été obtenus avec un prétraitement " Optophysique " et une pré-métallisation par " DCP ". Les valeurs d'adhérence obtenues sont supérieures à celle des dépôts obtenus para le procédé traditionnelle " Electroless ". Le " Traitement Optothermique " a permis une gravure sélective de la surface de l'ABS en utilisant des lasers de faible puissance.

La présente thèse s'inscrit dans la suite des travaux sur les absorbants acoustiques hybrides actifs/passifs menés au Centre Acoustique du LMFA depuis une quinzaine d'années. Ces absorbants sont constitués de cellules couvertes par une mince couche de matériau poreux et équipées d'un système de contrôle actif permettant d'annuler la pression acoustique en face arrière du poreux. L'impédance de surface ainsi obtenue est purement réelle et donnée par la résistance du poreux utilisé. Le concept d'absorbant hybride renvoie au fonctionnement double des cellules puisque le contrôle actif est utilisé en basses fréquences uniquement,le système passif cavité-poreux assurant une absorption suffisante en plus hautes fréquences. Une application distincte a fait l'objet d'un grand nombre d'études, à savoir l'utilisation des cellules hybrides comme revêtement pour les parois de conduits, et plus particulièrement des entrées et des sorties d'air de nacelles de turboréacteurs. En effet, les absorbants passifs classiquement utilisés manquent de performance dans le domaine des basses fréquences. Or, le taux de dilution des nouveaux moteurs d'avions ne cesse de s'accroître,ce qui implique des soufflantes de plus en plus grandes, générant des émissions harmoniques en basses fréquences.Les objectifs de ce travail résultent de différents enjeux qui se présentent dans le cadre d'une telle application. Premièrement, l'impédance optimale en termes de réduction de bruit à réaliser en paroi d'un conduit est complexe et dépend de la fréquence. Un nouvel absorbant, dit absorbant hybride complexe, a été développé dans le but de produire de telles impédances. Un microphone supplémentaire en face avant du poreux permet alors d'estimer la vitesse à partir du gradient de pression et par conséquent l'impédance de surface de l'absorbant. Une couche protégeant le microphone en face avant de l'écoulement rasant est devenue nécessaire, et son effet sur l'impédance doit être prise en compte. Les mesures en Tube de Kundt montrent toutefois que des impédances optimales typiques (telle que l'impédance de Cremer) peuvent être obtenues. La bonne performance du nouvel absorbant est confirmée par mesure de la perte par transmission en absence d'écoulement ; elle est triplée par rapport à l'ancien absorbant hybride. Le champ complexe des impédances a ensuite été balayé expérimentalement à l'aide du nouvel absorbant, et ceci sans, ainsi qu'avec écoulement. La performance maximale est trouvée considérablement réduite en présence d'un écoulement,en contraste avec les calculs qui prédisent avant tout un décalage de l'optimum. L'étude des effets menant à la dégradation des performances constitue le deuxième axe de ce travail. Elle est menée à travers de mesures de Vélocimétrie Laser Doppler qui permettent de visualiser le champ acoustique en voisinage des différents absorbants hybrides. En effet, l'influence de l'absorbant hybride sur la veine est étendue sans écoulement et sa surface apparaît comme impédance uniforme. La présence de l'écoulement fait rétrécir cette zone au voisinage direct de chaque cellule.A ce jour, il n'est pas certain que la performance des absorbants hybrides puisse être considérablement améliorée en présence d'un écoulement rapide. Cependant, il y a des applications possibles a court terme du contrôle actif d'impédance, par exemple comme moyen expérimental. En effet, un contrôle plus flexible des conditions aux limites peut être utile pour une multitude d'expérimentations en acoustique.

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Le concept de pompage énergétique qui a inspiré de nombreux travaux de recherche depuis plus d'une dizaine d'années, est un phénomène dynamique prometteur susceptible de susciter le développement d'innovations de premier plan. Les absorbeurs non linéaires qui utilisent ce principe de fonctionnement ont démontré une grande efficacité par rapport à des absorbeurs classiques linéaires dans certaines configurations de résonances. Le transfert des développements théoriques vers une application réelle exige une méthodologie d'optimisation des absorbeurs de vibrations non linéaire similaire au cas des absorbeurs linéaires. Un nouvel éclairage est donné dans cette thèse visant à répondre à ce propos en définissant des critères analytiques ou pseudoanalytiques de design optimal de la raideur non linéaire. Sur la base de la méthodologie esquissée, nous avons proposé une application réelle de cette nouvelle génération d'absorbeur non linéaire sur un modèle de véhicule Peugeot 307-CC pour atténuer les vibrations dues au premier mode de torsion de caisse. La présente étude fait l'objet d'une collaboration industrielle PCA/CNRS/ENTPE qui consiste à diminuer la masse des absorbeurs ajoutés en utilisant le pompage énergétique. Des études analytique et numérique sont menées en parallèle avec une campagne d'essai dynamique sur un prototype hébergé à l'école ESTACA simulant le mode de torsion considéré du véhicule. Les premiers résultats semblent attester un début prometteur pour l'emploi des NES dans un cas réel. Pour analyser des signaux de réponse de système dynamique non linéaire, souvent très complexes tant sur le plan temporel que sur le plan fréquentiel, un outil numérique ondelettes a été développé introduisant de nouveaux algorithmes rapides pour rendre efficace les calculs des analyses super-résolutions sur des grilles temps-fréquence denses.