Les panneaux passifs, en particulier les doubles-cloisons, permettent d'obtenir de bonnes performances en isolation acoustique pour éliminer les bruits indésirables en moyennes et hautes fréquences. Ils ont été largement utilisés dans les domaines du bâtiment ou encore de l'industrie du transport. Un panneau hybride actif/passif est ici étudié, afin d'obtenir de bonnes performances en absorption et en isolation sur une gamme incluant des basses fréquences. La source secondaire est réalisée par une plaque active composée de deux céramiques piézo-électriques collées sur une plaque en acier. Le coeur du double panneau peut inclure un matériau poreux pour améliorer les performances de l'ensemble. Les résultats numériques et les données de mesure montrent que ces panneaux présentent sur une large bande de fréquences de bonnes performances avec contrôle actif.

Les panneaux passifs, en particulier les doubles-cloisons, permettent d’obtenir de bonnes performances en isolation acoustique pour éliminer les bruits indésirables en moyennes et hautes fréquences. Ils ont été largement utilisés dans les domaines du bâtiment ou encore de l’industrie du transport. Un panneau hybride actif/passif est ici étudié, afin d’obtenir de bonnes performances en absorption et en isolation sur une gamme incluant des basses fréquences. La source secondaire est réalisée par une plaque active composée de deux céramiques piézo-électriques collées sur une plaque en acier. Le coeur du double panneau peut inclure un matériau poreux pour améliorer les performances de l’ensemble. Les résultats numériques et les données de mesure montrent que ces panneaux présentent sur une large bande de fréquences de bonnes performances avec contrôle actif. / Passive structures such as double walls are effective at reducing noise transmission at medium and high frequencies. They are widely used in building and transport applications. In this thesis, a hybrid passive/active acoustic panel concept is developped, with the aim of allowing high levels of absorption and insulation over a wide range of frecuencies. The secondary source is realized by an active plate consiting of two piezoelectric patches bonded to an elastic thin plate. The use of porous material as the core of the double-panel improves the acoustic efficiency of the structure. Numerical and experimental results show that this structure presents good absorption and transmission properties thanks to active control.

La sonorité de l’échappement joue un rôle significatif sur le confort acoustique des occupants, ainsi que sur le caractère du véhicule. L’étude proposée porte sur la problématique industrielle suivante : « Description et quantification de la transmission du son entre la bouche d’échappement et l’intérieur du véhicule ». Physiquement la transmission sonore entre l’échappement et l’intérieur du véhicule s’effectue en trois étapes : Propagation des ondes sonores de la canule à la surface extérieure du véhicule et conversion en énergie vibratoire (1) ; Le bruit structurel se propage de la peau extérieure du véhicule à l’habillage intérieur (2) ; La surface intérieure du véhicule rayonne de l’énergie dans l’air à l’intérieur (3). Dans l’état de l’art proposé, la méthode de sous-structuration vibro-acoustique Patch Transfer Functions (PTF) est considérée comme une alternative viable à la problématique proposée. Cependant, avant d’appliquer la méthode sur un véhicule complet, la problématique suivante devait être résolue : « Caractérisation expérimentale d’un sous-système par des mesures sur un système couplé ». Ce manuscrit propose une méthode originale pour mesurer des fonctions de transfert d’un système découplé, sur la base de la réponse d’un système couplé. En raison de la nature mal posée du problème inverse, une méthode originale de régularisation a été proposée. La méthode a été validée pas des essais numériques, puis par un test physique. / Exhaust noise has a significant impact on acoustic comfort and the sound identity of a vehicle brand. The present study focuses on the: “Description and quantification of the sound transmission from the exhaust outlet into the interior of a vehicle”. Physically the noise propagation from the exhaust pipe to the cabin consists of three steps: The sound waves propagate through the air from the exhaust outlet to the external skin of the vehicle (1); the external skin vibrates and transmits its vibration to the internal skin (2); the internal skin radiates sound in the passengers’ cabin (3). The Patch Transfer Functions method, which is based on the framework of dynamic substructuring, allows for the consideration of this complex problem as simpler subproblems that consist of subsystem interactions. Yet the application of the method to a full vehicle requires addressing the problem: “Characterization of Patch Transfer Functions of a subsystem by means of measurement on a coupled system”. This dissertation presents an original inverse method for the measurement of Patch Transfer Functions. In industrial structures, this in-situ characterization is generally the only possible measurement method. Yet, due to the ill posed nature of the problem, the inversion process is difficult. An original regularization method is proposed. The method is tested through numerical simulations, and is validated with an experimental setup.

Dans ce travail, nous avons introduit le concept sous-jacent de PUFEM et la formulation de base lié à l'équation de Helmholtz dans un domaine borné. Le processus d'enrichissement de l'onde plane de variables PUFEM a été montré et expliqué en détail. L'idée principale est d'inclure une connaissance a priori sur le comportement local de la solution dans l'espace des éléments finis en utilisant un ensemble de fonctions d'onde qui sont des solutions aux équations aux dérivées partielles. Dans cette étude, l'utilisation des ondes planes se propageant dans différentes directions a été favorisée car elle conduit à des algorithmes de calcul efficaces. En outre, nous avons montré que le nombre de directions d'ondes planes dépend de la taille de l'élément PUFEM et la fréquence des ondes à la fois en 2D et 3D. Les approches de sélection de ces ondes planes sont également illustrés. Pour les problèmes 3D, nous avons étudié deux systèmes de distribution des directions d'ondes planes qui sont la méthode du cube discrétisé et la méthode de la force de Coulomb. Il a été montré que celle-ci permet d'obtenir des directions d'onde espacées de façon uniforme et permet d'obtenir un nombre arbitraire d'ondes planes attachées à chaque noeud de l'élément de PUFEM, ce qui rend le procédé plus souple.Dans le chapitre 3, nous avons étudié la simulation numérique des ondes se propageant dans deux dimensions en utilisant PUFEM. La principale priorité de ce chapitre est de venir avec un schéma d'intégration exacte (EIS), résultant en un algorithme d'intégration rapide pour le calcul de matrices de coefficients de système avec une grande précision. L'élément 2D PUFEM a ensuite été utilisé pour résoudre un problème de transmission acoustique impliquant des matériaux poreux. Les résultats ont été vérifiés et validés par la comparaison avec des solutions analytiques. Les comparaisons entre le régime exact d'intégration (EIS) et en quadrature de Gauss ont montré le gain substantiel offert par l'EIE en termes de temps CPU.Une 3D exacte Schéma d'intégration a été présenté dans le chapitre 4, afin d'accélérer et de calculer avec précision (jusqu'à la précision de la machine) des intégrales très oscillatoires découlant des coefficients de la matrice de PUFEM associés à l'équation 3D Helmholtz. Grâce à des tests de convergence, un critère de sélection du nombre d'ondes planes a été proposé. Il a été montré que ce nombre ne pousse que quadratiquement avec la fréquence qui donne lieu à une réduction drastique du nombre total de degrés de libertés par rapport au FEM classique. Le procédé a été vérifié pour deux exemples numériques. Dans les deux cas, le procédé est représenté à converger vers la solution exacte. Pour le problème de la cavité avec une source de monopôle située à l'intérieur, nous avons testé deux modèles numériques pour évaluer leur performance relative. Dans ce scénario, où la solution exacte est singulière, le nombre de directions d'onde doit être choisie suffisamment élevée pour faire en sorte que les résultats ont convergé.Dans le dernier chapitre, nous avons étudié les performances numériques du PUFEM pour résoudre des champs sonores intérieurs 3D et des problèmes de transmission d'ondes dans lequel des matériaux absorbants sont présents. Dans le cas particulier d'un matériau réagissant localement modélisé par une impédance de surface. Un des critères d'estimation d'erreur numérique est proposé en considérant simplement une impédance purement imaginaire qui est connu pour produire des solutions à valeur réelle. Sur la base de cette estimation d'erreur, il a été démontré que le PUFEM peut parvenir à des solutions précises tout en conservant un coût de calcul très faible, et seulement environ 2 degrés de liberté par longueur d'onde ont été jugées suffisantes. Nous avons également étendu la PUFEM pour résoudre les problèmes de transmission des ondes entre l'air et un matériau poreux modélisé comme un fluide homogène équivalent. / In this work, we have introduced the underlying concept of PUFEM and the basic formulation related to the Helmholtz equation in a bounded domain. The plane wave enrichment process of PUFEM variables was shown and explained in detail. The main idea is to include a priori knowledge about the local behavior of the solution into the finite element space by using a set of wave functions that are solutions to the partial differential equations. In this study, the use of plane waves propagating in various directions was favored as it leads to efficient computing algorithms. In addition, we showed that the number of plane wave directions depends on the size of the PUFEM element and the wave frequency both in 2D and 3D. The selection approaches for these plane waves were also illustrated. For 3D problems, we have investigated two distribution schemes of plane wave directions which are the discretized cube method and the Coulomb force method. It has been shown that the latter allows to get uniformly spaced wave directions and enables us to acquire an arbitrary number of plane waves attached to each node of the PUFEM element, making the method more flexible.In Chapter 3, we investigated the numerical simulation of propagating waves in two dimensions using PUFEM. The main priority of this chapter is to come up with an Exact Integration Scheme (EIS), resulting in a fast integration algorithm for computing system coefficient matrices with high accuracy. The 2D PUFEM element was then employed to solve an acoustic transmission problem involving porous materials. Results have been verified and validated through the comparison with analytical solutions. Comparisons between the Exact Integration Scheme (EIS) and Gaussian quadrature showed the substantial gain offered by the EIS in terms of CPU time.A 3D Exact Integration Scheme was presented in Chapter 4, in order to accelerate and compute accurately (up to machine precision) of highly oscillatory integrals arising from the PUFEM matrix coefficients associated with the 3D Helmholtz equation. Through convergence tests, a criteria for selecting the number of plane waves was proposed. It was shown that this number only grows quadratically with the frequency thus giving rise to a drastic reduction in the total number of degrees of freedoms in comparison to classical FEM. The method has been verified for two numerical examples. In both cases, the method is shown to converge to the exact solution. For the cavity problem with a monopole source located inside, we tested two numerical models to assess their relative performance. In this scenario where the exact solution is singular, the number of wave directions has to be chosen sufficiently high to ensure that results have converged. In the last Chapter, we have investigated the numerical performances of the PUFEM for solving 3D interior sound fields and wave transmission problems in which absorbing materials are present. For the specific case of a locally reacting material modeled by a surface impedance. A numerical error estimation criteria is proposed by simply considering a purely imaginary impedance which is known to produce real-valued solutions. Based on this error estimate, it has been shown that the PUFEM can achieve accurate solutions while maintaining a very low computational cost, and only around 2 degrees of freedom per wavelength were found to be sufficient. We also extended the PUFEM for solving wave transmission problems between the air and a porous material modeled as an equivalent homogeneous fluid. A simple 1D problem was tested (standing wave tube) and the PUFEM solutions were found to be around 1% error which is sufficient for engineering purposes.