Actuellement, les turboréacteurs sont les principales sources de bruits d’un avion. Afin de supprimer cette source de bruit qui est très incommodante pour l’environnement, les ingénieurs ont conçu durant ces trente dernières années des matériaux permettant de réduire l’émission de bruit provenant des turboréacteurs. Ces matériaux communément appelés liners sont pour l’instant relativement efficaces. Afin de contrôler la qualité de fabrication des liners, l’instigateur du projet Pratt & Whitney Canada (PWC) veut caractériser ces traitements acoustiques en mesurant leur impédance acoustique en tenant compte des conditions réelles de champ acoustique et des conditions aérodynamiques. C’est ainsi qu’a pris naissance mon projet de maîtrise portant sur la conception et la fabrication d’un banc de mesure en vue de la caractérisation de ces liners. En premier lieu, une amélioration de la méthode de caractérisation géométrique et acoustique des liners au niveau de la nacelle du turboréacteur (in situ) a été apportée. En effet, une méthode de mesure par imagerie a été élaborée pour mesurer le taux de perforation et le diamètre de perforation d’un liner au sein même de la nacelle. D’autre part, les fuites acoustiques au sein du tube d’impédance in situ de PWC ont été éliminées. Par ailleurs, une méthode de mesure in situ de l’impédance des liners a été établie. En second lieu, un banc d’essai a été conçu et fabriqué pour mesurer, par méthode inverse, l’impédance des liners sous incidence rasante. Divers matériaux ont été testés afin de valider le banc. Les résultats expérimentaux sont bien proches des résultats numériques. Nous n’avons pas abouti à la partie considérant l’écoulement vu la limitation de puissance de la soufflerie du GAUS néanmoins le concept théorique et la méthode de mesure expérimentale restent bien valables dans le cas d’un écoulement. Nous avons choisi une soufflante pour générer l’écoulement dans le banc et cette partie sera traitée par un autre étudiant.

Les constructeurs aéronautiques sont de plus en plus sensibles aux problèmes liés à la nuisance sonore due aux réacteurs des avions. De nos jours, on utilise les traitements acoustiques, qu'on appellera liners dans la suite du document, comme absorbeurs sonores. Ces absorbeurs sont sélectifs et leur comportement acoustique est non linéaire. Pour remédier à ces faiblesses, les mousses métalliques à porosité ouverte sont de bonnes candidates. On a réalisé une étude de faisabilité sur l'utilisation des mousses métalliques dans les traitements acoustiques (liners) des nacelles de réacteur d'avion. Notre étude a porté sur une mousse à base de Nickel et une autre à base d'acier inoxydable (Inox): le procédé de fabrication étant basé sur le même principe, soit celui breveté par l'Institut des Matériaux Industriels (IMI) du Conseil National de Recherches du Canada (CNRC). À partir de la caractérisation acoustique des mousses seules, on a pu vérifier que les mousses de Nickel ont un potentiel au niveau de l'absorption large bande et de la linéarité de la réponse acoustique en fonction du niveau d'excitation acoustique. Les résultats de simulations des performances acoustiques de concepts de liners intégrant les mousses de Nickel sont bons, surtout au niveau de la masse surfacique ces matériaux peuvent concurrencer les plaques perforées. Par contre, pour les mousses en Inox, il s'avère que leur porosité est en grande partie fermée et qu'elles souffrent d'une hétérogénéité au niveau de la taille et de la distribution des pores : ceci détériore leurs performances acoustiques en tant qu'absorbeur large bande. Toutefois cela ne diminue en rien l'intérêt que peuvent susciter ces matériaux. En effet on s'est aperçu qu'ils sont assimilables, à faible épaisseur, à des plaques perforées au niveau de leur réponse acoustique. L'utilisation de ces mousses à la place des plaques perforées peut être bénéfique surtout au niveau du poids. Au cours de notre étude, on s'est principalement intéressé aux performances acoustiques et à la masse surfacique des mousses. Les résultats obtenus sont bons. Par contre, pour donner une réponse claire quant à leur utilisation éventuelle dans les liners de moteur d'avion, d'autre éléments restent à être considérés, notamment le coût de production, les propriétés mécaniques, la fabrication à grande échelle, la formabilité et l'assemblage.

Résumé : Ce projet de recherche est composé de trois parties principales : la première comprend l'analyse expérimentale et la simulation des performances vibratoires de matériaux avec amortissement viscoélastique, en tant que traitements acoustiques appliqués aux structures du fuselage d'un avion. La deuxième partie comprend l'analyse expérimentale et le calcul de la performance acoustique de ces matériaux amortissant en comparaison avec l'effet d'une masse équivalente. Enfin, la troisième partie est une étude paramétrique sur les effets de localisation, de la densité et de la taille d'un traitement massique. Les systèmes d'isolation phoniques typiquement employés dans la construction des fuselages d'avions sont composés de matériaux poreux, avec ou sans des matériaux amortissant (matériaux viscoélastiques). La performance et donc l'utilité de ces traitements amortissant, en comparaison avec une couche de masse équivalente, reste une question largement ouverte. Dans ce travail on a comparé numériquement et expérimentalement les performances acoustiques d'un traitement amortissant avec celui d'une masse équivalente tous les deux incorporées dans le traitement phonique et ceci pour plusieurs types d'excitations. Deux structures représentant des fuselages, une en aluminium et la seconde en carbone composite, ont été sélectionnées pour cette étude ainsi que deux matériaux poreux couramment utilisés en aéronautique : une laine en fibre de verre et une mousse à cellules ouvertes. Deux types d'excitations ont été étudiés numériquement et expérimentalement. La première est une excitation acoustique (champ diffus) et la seconde mécanique (forces ponctuelles). Une troisième, excitation par couche limite turbulente a été étudié numériquement. Dans tous les cas, la perte par insertion du traitement acoustique est utilisée comme indicateur principal de la performance. D'autres indicateurs comme le coefficient d'absorption, le coefficient de perte par amortissement et la vitesse quadratique moyenne sont aussi utilisés pour mieux cerner et expliquer l'effet du traitement. Il a été démontré que l'utilisation d'une couche de masse équivalente à un traitement viscoélastique conduit systématiquement à la meilleure performance acoustique et ceci pour les trois types d'excitations étudiées. En particulier, dans le cas classique où le traitement amortissant est appliqué directement au fuselage. Dans ce dernier cas, les effets de doubles parois créés par la couche massique, positionnée judicieusement loin du fuselage, augmentent la performance en moyennes et hautes fréquences. Les performances en basses fréquences restent limitées par la fréquence de résonance double parois. Et même l'effet amortissant des traitements viscoélastiques, théoriquement visible aux résonances et coïncidences du système, se trouve limité par l'amortissement ajouté par le montage et le traitement absorbants. Cependant, l'efficacité de la couche massique est compromise par les difficultés d'installations et en particulier pour les fibreux. Les résultats de cette thèse restent toutefois limités par notre choix de structures et de traitements étudiés. / Abstract : The project is made up of three main parts. The first part involves a comprehensive experimental and numerical analysis of viscoelastic damping materials as acoustic treatments to aircraft fuselage structures. The second part involves numerical and experimental acoustic comparison of viscoelastic damping material to equivalent mass. And the third part is a parametric study of equivalent mass for the effects of mass location, density and size. The goal of the project is to identify the vibroacoustic effect of viscoelastic material damping of fuselage skin, and develop possible alternatives to damping. The insulation systems (typically used on aircraft) that are made up of porous materials with or without viscoelastic damping material or equivalent mass were called sound packages throughout this document. The viscoelastic damping material and equivalent mass both incorporated in sound packages were acoustically compared. Fiberglass and open cell foam were used as porous materials. The viscoelastic damping material used in this study is constraining layer damping and abbreviated as CLD. The equivalent mass was an impervious screen. Both representative Aluminum and carbon composite fuselage skin structures were treated with sound packages as part of the comparison. The vibroacoustic performance indicators were used to characterize the sound packages. The indicators were airborne insertion loss (ABIL), structure borne insertion loss (SBIL), turbulent boundary layer insertion loss (TBLIL), average quadratic velocity (AQV), damping loss factor (DLF), absorption coefficient, and radiation efficiency. Diffuse field acoustic excitation was used to obtain the vibroacoustic indicators of ABIL and absorption coefficient. Mechanical excitation was used to obtain SBIL, AQV, DLF, absorption coefficient, and radiation efficiency. Turbulent boundary layer excitation was modeled to obtain TBLIL. The numerical methods of finite element method (FEM) and transfer matrix method (TMM) were used to calculate all of the above vibroacoustic performance indicators. Experimentally, ABIL, SBIL, AQV, DLF and radiation efficiency were measured. Experimental modal analysis was also performed to characterize representative Aluminum and carbon composite fuselage skin structures. Based on the numerical analysis, equivalent mass generated a double or multiple (in case of double wall layer configuration) wall effect and hence became an effective acoustic insulator as part of sound packages at mid to high frequencies. Even at coincidence frequencies (in case of the representative carbon composite fuselage skin), the equivalent mass layer was more effective than viscoelastic damping material. However, the drawback was the occurrence of the double wall resonance at lower frequencies which compromised the effectiveness. Nevertheless, the parametric study of equivalent mass revealed that equivalent mass is superior to viscoelastic damping material at reduced weight in term of vibroacoustic performance indicators of overall ABIL/SBIL/TBLIL in the frequency range of 100 to 6300 Hz and mean ABIL/SBIL/TBLIL in SIL (octave lk, 2k, 4k Hz) frequency range.

Résumé : Ce projet fait partie du projet MFERD (Magnésium Front End Research and Development) qui vise à développer les technologies permettant de rendre les alliages de Magnésium (Mg) comme un principal matériau structural pour les voitures (aujourd'hui essentiellement constituées d'acier quatre fois plus lourd que le Mg) afin d'en réduire leur masse pour des raisons environnementales et sécuritaires. Dans ce travail de maîtrise nous avons regardé la partie acoustique dans le cas d'un tablier (structure métallique derrière le tableau de bord) en magnésium. En effet, le confort acoustique à l'intérieur des voitures est devenu un argument de marketing d'une grande importance. Le tablier en séparant le compartiment moteur, source de bruit, de l'habitacle, joue un rôle important dans l'isolation acoustique de l'intérieur de la voiture. Ainsi le passage d'un tablier en acier à un tablier en Mg ne doit pas entraîner une baisse de performance. Dans ce travail, nous avons d'abord effectué une revue de la littérature sur les types de traitements acoustiques utilisés dans l'industrie automobile ainsi que des différentes techniques de leur modélisation. Nous avons ensuite comparé les performances acoustiques du tablier en Mg sur lequel on a appliqué des traitements classiques (à une couche, deux couches et trois couches) à celles des tabliers en acier et en aluminium et ce, à masse surfacique, raideur et/ou fréquences de résonnances égales. Finalement nous avons optimisé différents concepts de traitements acoustiques innovants appliqués sur le tablier en Mg en vue d'avoir des performances acoustiques semblables ou supérieures à celles du tablier en acier classique. L'optimisation s'est faite à partir d'un modèle SEA (Statitical Energy Analysis) couplé à un code d'optimisation basé sur un algorithme génétique||Abstract : This work is part of the MFERD (Magnesium Front End Research and Development) project which goal is to develop enabling technologies for the use of magnesium alloys as a principal structural material for cars (mainly made in steel which is four time heavier than magnesium) in order to reduce their mass for both, environmental and security concerns. In this work we have focused on the acoustic part, in the case of a magnesium alloy dash panel. The dash board, by separating the engine compartment from the interior cabin, plays a critical role in the insulation of the car interior. Since the acoustic comfort inside the car has become a marketing argument of great importance, the passage from steel to magnesium dash panel should not deteriorate acoustic performances. In this work, we first conducted a literature review on the types of acoustic treatments used in the automotive industry as well as various techniques of their modeling. We then compared the acoustic performances of a Mg dash with attached traditional acoustic treatments (single-layer, two layers and three layers) to those of a steel and aluminum dash panels with the same mass density, stiffness and/or frequency of resonances. Finally, we optimized different concepts of innovative sound packages applied on the Mg dash panel to achieve a noise performance similar or superior to those of a conventional steel dash. The optimization was done using a SEA (Statitical Energy Analysis) model, coupled with an optimization code based on a genetic algorithm.

L’évolution des turboréacteurs vers des taux de dilution toujours plus importants est associée à de nouvelles problématiques. Parmi elles, le raccourcissement de l’entrée d’air et de la tuyère est associé à une diminution du gain apporté par les traitements acoustiques de nacelle. La contribution des traitements situés dans l’espace entre la soufflante et le stator redresseur (OGV) va donc prendre de l’importance par rapport à l’ensemble des traitements. Cette zone, également appelée “interstage”, est caractérisée par une forte giration de l’écoulement moyen due à l’entraînement du fluide par le rotor. L’objectif de ce travail est de développer un modèle analytique afin d’évaluer l’effet de la giration sur le comportement des traitements acoustiques dans l’interstage, ainsi que sur le bruit à large-bande rayonnant en amont dû à l’interaction de la turbulence en aval de la soufflante avec les aubes des stators (OGV). Dans un premier temps, l’évolution de petites perturbations dans écoulement moyen tournant et cisaillé dans un conduit rigide est étudiée. Après avoir introduit les équations ainsi que les hypothèses du problème, l’analogie acoustique de Posson & Peake [122] est présentée. L’effet de la giration sur le contenu modal dans un conduit rigide est mis en évidence pour plusieurs types d’écoulements tournants. En particulier, le décalage des fréquences de coupures est étudié. L’étude est ensuite étendue au cas d’un conduit annulaire traité acoustiquement. Une attention particulière est portée sur la condition aux limites à appliquer aux parois du conduit. Dans ce cadre, une correction due aux effets centrifuges est apportée à la condition aux limites de Myers [101]. Une extension du modèle de Brambley [24] est aussi proposée afin de prendre en compte l’effet de l’épaisseur de la couche limite aux parois du conduit dans le cas tournant. Les effets combinés de la rotation et de la condition aux limites sur le contenu modal sont ensuite étudiés. En outre, une relation de dispersion pour les modes de surfaces en présence d’écoulement tournant est développée. À partir des développements précédents, un modèle de transmission acoustique est proposé afin d’évaluer l’effet de la giration sur le comportement des traitements acoustiques. La méthode repose sur le principe de raccordement modal appliqué à la conservation du débit massique et de l’enthalpie totale aux interfaces séparant les sections rigides et traitées. Une nouvelle méthode de projection basée sur les propriétés des polynômes de Chebyshev est proposée. À partir de ce modèle, l’efficacité des traitements acoustiques est étudiée pour différents écoulements tournants. Enfin, un modèle de prédiction du bruit à large-bande d’interaction rotor-stator est établi à partir de l’analogie de Posson & Peake [122], dans le but de prendre en compte l’effet de la giration sur la puissance acoustique rayonnée en amont. Le terme source est calculé selon le formalisme de Posson et al. [120]. Le modèle ainsi développé permet de prendre en compte une évolution radiale des paramètres géométriques et des propriétés statistiques de la turbulence incidente. Le modèle est ensuite évalué sur le cas test NASA SDT pour différents régimes et géométries. / The advent of modern turbofan engines such as UHBR goes along with new issues. Amongst others, the shortening of the inlet and exhaust yield a relatively higher importance of the liners located inside the interstage, where the flow is highly swirling. The present work aims at developing analytical models to assess the effect of the swirl both on the behavior of the interstage liners and on the upstream radiation of the fan-OGV interaction broadband boise. The evolution of small fluctuations in a rigid annular duct containing a swirling and sheared mean flow are studied first. After having introduced the governing equations and the main assumptions, the acoustic analogy of Posson & Peake [122] tailored to an annular duct with swirl and shear is presented. The effect of the swirl on the modal content in a rigid annular duct is highlighted for different types of swirl. In particular the shift of the cut-on thresholds is studied. Then, the modal analysis is extended to a duct with lined walls. A particular attention is paid on the boundary condition. Notably, a correction of the classical Myers boundary condition [101] is proposed to account for the centrifugal effects. An extension of Brambley’s boundary condition [24] is also derived to account for the boundary layer thickness to first order. The effect of both the swirl and the boundary condition on the modal content are studied. Besides, a dispersion relation for the surface waves is derived for the corrected Myers boundary condition. Based on the previous modal analyses, a transmission tool is developed to assess the effect of the swirl on the efficiency of a liner. The method, which relies on the mode-matching approach, is based on the conservation of the total enthalpy and the mass flow at the interfaces between the rigid and the lined sections. Due to the nature of the eigenfunctions, a new projection method based on the Chebyshev polynomial properties is proposed. Thanks to this model, the absorption is assessed for different types of swirl. Finally, a rotor-stator interaction broadband noise prediction model is derived from Posson & Peake’s acoustic analogy [122], to account for the effect of the swirl on the upstream radiated acoustic power. The source term is computed according to Posson et al.’s model [120]. It allows considering a radial variation of the geometry and the statistical properties of the incident turbulence. The model is assessed on the NASA SDT test case and the effect of the swirl is evaluated for several stator geometries and regimes.