The effects of vortices on the propagation of acoustic waves are numerous, from simple convection effects to instabilities in the acoustic phenomena, including absorption,<p>reflection and refraction effects. This work focusses on the effects of mean flow<p>vorticity on the acoustic propagation. First, a theoretical background is presented<p>in chapters 2-5. This part contains: (i) the fluid dynamics and thermodynamics<p>relations; (ii) theories of sound generation by turbulent flows; and (iii) operators taken<p>from scientific literature to take into account the vorticity effects on acoustics. Later,<p>a family of scalar operators based on total enthalpy terms are derived to handle mean<p>vorticity effects of arbitrary flows in acoustics (chapter 6). Furthermore, analytical<p>solutions of Pridmore-Brown’s equation are featured considering exponential boundary<p>layers whose profile depend on the acoustic parameters of the problem (chapter 7).<p>Finally, an extension of Pridmore-Brown’s equation is formulated for predicting the<p>acoustic propagation over a locally-reacting liner in presence of a boundary layer of<p>linear velocity profile superimposed to a constant cross flow (chapter 8).<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Sur un territoire, des sources sonores émettent des sons qui peuvent être d’origines anthropophoniques (i.e. le bruit des véhicules), biophoniques (i.e. les sons émis par les oiseaux), ainsi que géophoniques (i.e. le bruit du vent). Ceci permet de décrire un paysage sonore des lieux tout en alimentant des besoins particuliers propres à la cartographie de l’environnement sonore tels que les propriétés acoustiques des territoires, nécessaires à la compréhension de l’environne me nt sonore. Au-delà des travaux de recherches qui étudient et analysent les propriétés acoustiques de l’environnement, l’état de l’existant se concentre sur deux types de cartes sonores : les cartes d’inventaire de sons et les cartes de bruit. Deux approches méthodologiques sont à l’origine de la production de ces cartes. La première est basée sur des enregistrements sonores mesurés et géoréférencées sur le territoire à l’aide de sonomètres, ou d’applications installées sur des tablettes/téléphones intelligents. La deuxième sert à modéliser la propagation de l’onde acoustique en lien avec les objets présents sur le territoire (i.e. bâtiments, arbres, etc.). Bien que cette deuxième approche considère les différents facteurs environnementaux qui peuvent affaiblir l’onde acoustique comme l’absorption atmosphérique (causée par le vent, la température, etc.), la divergence géométrique et la nature de la couverture des sols, on constate qu’elle est peu documentée dans la littérature scientifique, lorsqu’aucun capteur sonore n’est utilisé pour produire des cartes sonores. L’objectif principal est de définir une méthode générique de modélisation de la propagation acoustique du son pour territoire à l’aide de données géospatiales multi-sources, dont des images à très haute résolution. Ainsi à l’aide des outils géomatiques, il est possible de représenter l’interaction qui existe entre l’onde sonore et les objets environnementaux composant ce territoire. Il est alors possible à partir d’une source sonore et des points récepteurs du son de réaliser des cartes dites spatio-phoniques. Mots clés : environnement sonore, modélisation, géomatique, propagation, données géospatiales, cartographie / On a territory, sound sources emit sounds that can be of anthropophonic origins (i.e. vehicle noise), biophonic origins (i.e. sounds emitted by birds), as well as geophonic origins (i.e. wind noise). This makes it possible to describe a soundscape of the places while feeding particular needs specific to the mapping of the sound environment such as the acoustic properties of the territories, necessary to the understanding of the sound environment. Beyond the research work that studies and analyzes the acoustic properties of the environment, the state of the existing focuses on two types of sound cards: sound inventory cards and noise maps. Two methodological approaches are behind the production of these cards. The first is based on sound recordings measured and georeferenced on the territory using sound level meters, or applications installed on tablets/smartphones. The second is used to model the propagation of the acoustic wave in relation to the objects present on the territory (i.e. buildings, trees, etc.). Although this second approach considers the different environmental factors that can weaken the acoustic wave like atmospheric absorption (caused by wind, temperature, etc.), the geometric divergence and the nature of the cover of soil, it is found that it is poorly documented in the scientific literature, when no sound sensor is used to produce sound cards. The main objective is to define a generic method for modeling the acoustic propagation of a territory using multi-source geospatial data including very high resolution images. Thus, using geomatic tools, it is possible to represent the interaction that exists between the sound wave and the environmenta l objects that make up this territory. It is then possible from a sound source and sound receiving points to make so-called spatio-phonic cards

The acoustics of small cavities raises interest of the scientific community since it involves particular damping mechanisms. In fluid dynamics, when a small perturbation is propagating within a Newtonian and heat-conducting fluid bounded by a rigid and isothermal surface, viscous and thermal dissipative mechanisms are generated near the walls. Such effects can have significant impact on the acoustic behaviour of the system.<p>Several types of practical applications can be cited, among which: hearing aids, micro-electro-mechanical systems (transducers, microphones and loud-speakers), absorbing materials made of thin capillary nets or small pores, dissipative silencers, thermo-acoustic heat exchangers, or any kind of device bringing into play small resonant cavities filled with a dissipative fluid (micro-acoustics).<p><p>This study focuses on appropriated reductions of the physical equations, in order to enhance the efficiency of the numerical resolution without adversely affecting the accuracy. Moreover, the proposed strategies lead to numerically stable systems as they involve only one scalar partial order differential equation (or equivalent fluid equation). The emphasis is put on the physical aspect of those reductions, their range of applicability, benefits and drawbacks.<p>Two new reduced models are proposed to estimate the visco-thermal acoustic wave propagation. A first extension deals with waveguide geometries and relax the hypothesis of the fluid at rest. The second original formulation addresses visco-thermal acoustics in 3D arbitrary geometries. This model is based on different considerations coming from existing techniques as well as the estimation of a wall-distance field.<p><p>A second part aims at studying the acoustic behaviour of biphasic materials and more specifically poro-elastic materials. This type of acoustic component is widely used in industry because of their good absorbing properties in the medium- and high-frequency <p>ranges.<p>A preliminary bibliographic research deals with the derivation of the set of partial order differential equations that account for both fluid/structure interactions and the anisotropy of a given poro-elastic material. It has been shown that transversely orientated capillary materials (for instance catalyst substrates) can be simulated using the proposed reduction technique.<p>At last, the modelling of the acoustic transmission between two domains separated by perforated or micro-perforated plates or thin plates of poro-elastic materials is discussed. The analogy between the rigid perforated plate models with an equivalent fluid formulation has been presented. As a result, this model has been extended in order to account for flexural effects of the solid part.<p><p><p>Ce travail porte sur l'étude de certains phénomènes d'amortissements intervenant dans l'acoustique des petites cavités. En méchanique des fluides, lorsqu'une petite perturbation se propage au sein d'un fluide newtonien et caloporteur borné par un mur rigide et isotherme, ces mécanismes dissipatifs particuliers se localisent aux abords des parois et jouent un rôle significatif dans certaines situations.<p>Parmi les exemples d'applications pratiques, il est possible de citer les appareils d'aide auditive, les systèmes microélectromécaniques (transducteurs, microphones et haut-parleurs), les matériaux absorbants constitués de fins réseaux capillaires ou de pores aux dimensions réduites, les systèmes de silencieux, d'échangeurs de chaleur thermo-acoustiques ou tout autre appareil mettant en jeu des cavités résonantes aux dimensions réduites (micro-acoustique).<p><p>L'étude proposée ici se focalise sur des stratégies de réduction appropriées des équations physiques, ceci afin d'améliorer l'efficacité du modèle tout en conservant une précision acceptable. Les techniques présentées aboutissent à des systèmes numériquement stables mettant en jeu une seule équation scalaire (ou équation fluide équivalent). Ainsi, l'accent est porté sur l'aspect physique des réductions, leurs domaines d'application, avantages et inconvénients.<p>Deux modèles originaux sont proposés afin de prédire la propagation acoustique visco-thermique. Une première extension permet d'évaluer la pression acoustique au sein de géométries particulières de type guides d'onde en présence d'un écoulement hydrodynamique. La seconde formulation présentée s'intéresse à l'acoustique dans des domaines 3D arbitraires. Cette méthode se base sur des considérations conjointes de modèles réduits existants ainsi que sur l'estimation d'un champ de distance à la plus proche paroi.<p><p>Dans une seconde partie, nous nous proposons d'étudier le comportement acoustique de matériaux biphasique et plus précisément les matériaux poro-élastiques (très utilisés dans l'industrie en raison de leurs caractéristiques absorbantes dans les domaines des moyennes et hautes fréquences).<p>Une étude bibliographique préliminaire nous a permis d'exprimer l'ensemble des équations aux dérivées <p>partielles modélisant à la fois les interactions fluide/structure et l'anisotropie générale des matériaux. <p>Cette réflexion nous a permis d'aboutir à un modèle de matériau isotrope transverse intéressant, combinant le modèle fluide proposé et la formulation acousto-élastique équivalente. Ainsi la modélisation de structures capillaires orientées (comme les matériaux utilisés dans les catalyseurs automobiles) s'en trouve grandement simplifiée.<p>Enfin, la transmission acoustique intervenant entre deux domaines fluides séparés par une plaque perforée ou micro-perforée ou bien une couche de matériau poreux a été étudiée. L'analogie entre les modèlisations existantes et un modèle générique de fluide équivalent a été mise en évidence. Pour finir, cette formulation a été étendue afin de prendre en compte les effets de flexion de la partie solide. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans cette recherche, un modèle de propagation d’ondes de choc sur grandes distances sur un environnement urbain est construit et validé. L’approche consiste à utiliser l’Equation Parabolique Nonlinéaire (NPE) comme base. Ce modèle est ensuite étendu afin de prendre en compte d’autres effets relatifs à la propagation du son en milieu extérieur (surfaces non planes, couches poreuses, etc.). La NPE est résolue en utilisant la méthode des différences finies et donne des résultats en accord avec d’autres méthodes numériques. Ce modèle déterministe est ensuite utilisé comme base pour la construction d’un modèle stochastique de propagation sur environnements urbains. La Théorie de l’Information et le Principe du Maximum d’Entropie permettent la construction d’un modèle probabiliste d’incertitudes intégrant la variabilité du système dans la NPE. Des résultats de référence sont obtenus grâce à une méthode exacte et permettent ainsi de valider les développements théoriques et l’approche utilisée / This research aims at developing and validating a numerical model for the study of blast wave propagation over large distances and over urban environments. The approach consists in using the Nonlinear Parabolic Equation (NPE) model as a basis. The model is then extended to handle various features of sound propagation outdoors (non-flat ground topographies, porous ground layers, etc.). The NPE is solved using the finite-difference method and is proved to be in good agreement with other numerical methods. This deterministic model is then used as a basis for the construction of a stochastic model for sound propagation over urban environments. Information Theory and the Maximum Entropy Principle enable the construction of a probabilistic model of uncertainties, which takes into account the variability of the urban environment within the NPE model. Reference results are obtained with an exact numerical method and allow us to validate the theoretical developments and the approach used

In the global framework of improving vibro-acoustic numerical prediction quality together with the need to decrease the number of prototyping stages, this manuscript focuses on achieving greater accuracy for acoustic numerical simulations by making use of a parametric updating technique, which enables tuning the model parameters inside physically meaningful boundaries. The improved model is used for the next prototyping stages, allowing more accurate results within reduced simulation times. The updating technique is based on recent works dealing with the constitutive relation error method (CRE) applied to acoustics. The updating process focuses on improving the acoustic damping matrix related to the absorbing properties of the materials covering the borders of the acoustic domain. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Résumé:<p><p>Cette dissertation s’intéresse aux méthodes numériques dans le domaine de l’acoustique. Les propriétés acoustiques d’un produit sont devenues une part intégrante de la conception. En effet, de nos jours le bruit est perçu comme une nuisance par le consommateur et constitue un critère de vente. Il y a de plus des normes à respecter. Les méthodes numériques permettent de prédire la propagation sonore et constitue dès lors un outil de conception incontournable pour réduire le temps et les coûts de développement d’un produit.<p><p>Cette dissertation considère la propagation d’ondes acoustiques dans le domaine fréquentiel en tenant compte de la présence d’un écoulement. Nous pouvons citer comme application industrielle, le rayonnement d’une nacelle de réacteur d’avion. Le but de la thèse est de proposer une nouvelle méthode et démontrer ses performances par rapport aux méthodes actuellement utilisées (i.e. la méthode des éléments finis).<p><p>L’originalité du travail consiste à étendre la méthode de partition de l’unité polynomiale dans le cadre de la propagation acoustique convectée, pour des domaines extérieurs. La simulation acoustique dans des domaines de dimensions infinies est réalisée dans ce travail à l’aide d’un couplage entre éléments finis et éléments infinis.<p><p>La dissertation présente la formulation de la méthode pour des applications axisymétriques et tridimensionnelles et vérifie la méthode en comparant les résultats numériques obtenus avec des solutions analytiques pour des applications académiques (i.e. propagation dans un conduit, rayonnement d’un multipole, bruit émis par la vibration d’un piston rigide, etc.). Les performances de la méthode sont ensuite analysées. Des courbes de convergences illustrent à une fréquence donnée, la précision de la méthode en fonction du nombre d’inconnues. Tandis que des courbes de performances présentent le temps de calcul nécessaire pour obtenir une solution d’une précision donnée en fonction de la fréquence d’excitation. Ces études de performances montrent l’intérêt de la méthode présentée.<p><p>Le rayonnement d’un réacteur d’avion a été abordé dans le but de vérifier la méthode sur une application de type industriel. Les résultats illustrent la propagation pour une nacelle axisymétrique en tenant compte de l’écoulement et la présence de matériau absorbant dans la nacelle et compare les résultats obtenus avec la méthode proposée et ceux obtenus avec la méthode des éléments finis.<p><p>Les performances de la méthode de la partition de l’unité dans le cadre de la propagation convectée en domaines infinis sont présentées pour des applications académiques et de type industriel. Le travail effectué illustre l’intérêt d’utiliser des fonctions polynomiales d’ordre élevé ainsi que les avantages à enrichir l’approximation localement afin d’améliorer la solution sans devoir créer un maillage plus fin.<p><p><p>Summary:<p><p>Environmental considerations are important in the design of many engineering systems and components. In particular, the environmental impact of noise is important over a very broad range of engineering applications and is increasingly perceived and regulated as an issue of occupational safety or health, or more simply as a public nuisance. The acoustic quality is then considered as a criterion in the product design process. Numerical prediction techniques allow to simulate vibro-acoustic responses. The use of such techniques reduces the development time and cost.<p><p>This dissertation focuses on acoustic convected radiation in outer domains such as it is the case for turbofan radiation. In the current thesis the mapped infinite partition of unity method is implemented within a coupled finite and infinite element model. This method allows to enrich the approximation with polynomial functions. <p><p>We present axisymmetric and three-dimensional formulations, verify and analyse the performance of the method. The verification compares computed results with the proposed method and analytical solutions for academic applications (i.e. duct propagation, multipole radiation, noise radiated by a vibrating rigid piston, etc.) .Performance analyses are performed with convergence curves plotting, for a given frequency, the accuracy of the computed solution with respect to the number of degrees of freedom or with performance curves, plotting the CPU time required to solve the application within a given accuracy, with respect to the excitation frequency. These performance analyses illustrate the interest of the mapped infinite partition of unity method.<p><p>We compute the radiation of an axisymmetric turbofan (convected radiation and acoustic treatments). The aim is to verify the method on an industrial application. We illustrate the radiation and compare the mapped infinite partition of unity results with finite element computations.<p><p>The dissertation presents the mapped partition of unity method as a computationally efficient method and illustrates its performances for academic as well as industrial applications. We suggest to use the method with high order polynomials and take the advantage of the method which allows to locally enrich the approximation. This last point improves the accuracy of the solution and prevent from creating a finer mesh.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished