Les fuselages des avions sont généralement en aluminium ou en composite renforcés par des raidisseurs longitudinaux (lisses) et transversaux (cadres). Les raidisseurs peuvent être métalliques ou en composite. Durant leurs différentes phases de vol, les structures d'avions sont soumises à des excitations aériennes (couche limite turbulente : TBL, champs diffus : DAF) sur la peau extérieure dont l'énergie acoustique produite se transmet à l'intérieur de la cabine. Les moteurs, montés sur la structure, produisent une excitation solidienne significative. Ce projet à [i.e. a] pour objectifs de développer et de mettre en place des stratégies de modélisations des fuselages d'avions soumises à des excitations aériennes et solidiennes. Tous [i.e. Tout] d'abord, une mise à jour des modèles existants de la TBL apparaît dans le deuxième chapitre afin de mieux les classer. Les propriétés de la réponse vibro-acoustique des structures planes finies et infinies sont analysées. Dans le troisième chapitre, les hypothèses sur lesquelles sont basés les modèles existants concernant les structures métalliques orthogonalement raidies soumises à des excitations mécaniqués, DAF et TBL sont réexaminés en premier lieu. Ensuite, une modélisation fine et fiable de ces structures est développée. Le modèle est validé numériquement à l'aide des méthodes des éléments finis (FEM) et de frontière (BEM). Des tests de validations expérimentales sont réalisés sur des panneaux d'avions fournis par des sociétés aéronautiques. Au quatrième chapitre, une extension vers les structures composites renforcées par des raidisseurs aussi en composites et de formes complexes est établie. Un modèle analytique simple est également implémenté et validé numériquement. Au cinquième chapitre, la modélisation des structures raidies périodiques en composites est beaucoup plus raffinée par la prise en compte des effets de couplage des déplacements planes et transversaux. L'effet de taille des structures finies périodiques est également pris en compte. Les modèles développés ont permis de conduire plusieurs études paramétriques sur les propriétés vibro-acoustiques des structures d'avions facilitant ainsi la tâche des concepteurs. Dans le cadre de cette thèse, un article a été publié dans le Journal of Sound and Vibration et trois autres soumis, respectivement aux Journal of Acoustical Society of America, International Journal of Solid Mechanics et au Journal of Sound and Vibration.

Avec des normes très strictes pour limiter les désagréments liés au bruit des véhicules en circulation proche des habitations et des lieux fréquentés, la réduction du bruit généré par les véhicules, et en particulier les véhicules récréatifs, est un élément de conception qui demandent beaucoup d'attention aux constructeurs. Si l'expérimentation est le moyen le plus fréquemment utilisé pour comparer des solutions, une approche par simulation sur modèle numérique se révèle devenir un atout de choix en terme de gains de temps et d'argent. Si la démarche est large-ment utilisée dans l'industrie automobile, elle l'est beaucoup moins dans le cas des motoneiges, étant donné la taille des équipes de développement. Grâce à cette approche, appliquée au cas de la poulie d'une transmission continument variable, les sources de bruits ainsi que les mécanismes de transmission/rayonnement liés pourront être mis en évidence et modifiés bien plus facilement, pour ensuite appliquer les solutions ainsi déterminées sur des prototypes réels puis les tester en laboratoire (banc d'essai) ou en conditions réelles (motoneige statique ou essai "pass-by").

Le bruit émis par une motoneige est une composante importante de sa conception, car elle doit satisfaire les normes en vigueur. Les différentes parties de la machine, du moteur jusqu'à l'habillage, en passant par la transmission, sont toutes autant de sources potentielles de vibration et de bruit. Si le bruit d'une transmission continuellement variable (CVT) de motoneige semble dû aux vibrations qui l'excitent, on peut légitimement penser intégrer des solutions classiques de l'industrie, comme les volants d'inertie ou encore les pendules centrifuges. Néanmoins, les contraintes de couple et d'encombrement rendent une telle intégration plus diffcile. La vitesse de rotation variable est aussi une composante à prendre en compte. Ainsi, après avoir développé une méthodologie permettant de comparer avec fiabilité différents modèles de CVT pour ainsi mieux cerner les paramètres importants des mécanismes de génération de bruit et vibration, nous expliciterons la démarche de conception d'une solution innovante de réduction des vibrations, appelée amortisseur dynamique en torsion auto-accordé (ADT2A), que l'on veut être une solution adaptée aux différents enjeux énoncés (fortes amplitudes de couple, adaptation de l'amortissement à la vitesse de rotation). Les essais qui seront menés sur la preuve de concept devront permettre de mieux maîtriser les paramètres de sa modélisation. Ce concept tentera de répondre aux besoins de machines dont les vibrations en torsion peuvent être sources de niveaux de bruit élevés ou dont les vibrations s'avèreraient gê- nantes voire critiques. Il présente aussi des paramètres, dont les connaissances devront être accrues par le biais de tests sur bancs d'essais et de modèles, comme l'effet des conditions de guidage/accordage sur la fréquence de résonance et ce, afin de le modéliser plus fidèlement pour l'optimiser et l'intégrer sur véhicule.

Cette thèse traite de la modélisation numérique de la réponse vibro-acoustique de structures sandwiches-composites avec matériaux viscoélastiques intégrés soumises à différents types d’excitations mécaniques et acoustiques. Dans une première phase, nous avons utilisé une approche de synthèse modale pour calculer les principaux indicateurs vibro-acoustiques de la structure : la vitesse quadratique, la puissance rayonnée, la perte par transmission…Ensuite, l’intégrale de Rayleigh a été exploitée pour calculer la puissance rayonnée de chaque structure. L’obstacle majeur que nous avons alors surmonté, était de gérer efficacement la dépendance en fréquence des propriétés de la couche viscoélastique dans l’approche de synthèse modale. Dans une second phase, en partant du champ vibratoire calculé dans la première étape, nous avons développé une méthode hybride FEM-TMM (méthode des éléments finis – méthode de matrices de transfert) pour prédire avec précision et en un temps de calcul acceptable, et jusqu’en hautes fréquences, les principaux paramètres de conception vibro-acoustique de ces structures, notamment l’amortissement équivalent et les nombres d’ondes suivant les deux directions spatiales x et y de propagation de l’onde acoustique. Les validations numériques que nous avons effectuées, montrent bien la robustesse de l'algorithme que nous avons développé. Ce dernier reste toutefois limité à des structures planes. Dans une troisième phase de ce travail, une étude paramétrique sur l’effet de l’emplacement et de la forme de la couche viscoélastique a été réalisée. Cette étude a été faite en se servant de la méthode hybride FEM-TMM pour calculer la réponse acoustique (puissance transmise et perte par transmission).

Ce travail répond à la question de l’identification de l'équation du mouvement à partir des mesures expérimentales. Les structures considérées ont soit une soit deux dimensions. La méthode présentée utilise les méthodes inverses locales qui se basent sur les mesures du champs vibratoire stationnaire. Ces méthodes sont indépendantes des conditions aux limites qui sont inconnues pour l'observateur. Deux méthodes de sélection des modèles sont utilisées pour choisir l'équation du mouvement la plus adaptée parmi un ensemble des modèles a priori. La méthode est appliquée a des nombreux cas expérimentaux. Trois problématiques sont traités: identification de la force axiale dans les poutres et membranes, identification de l'orthotropie de la plaque et identification d'un panel sandwich épais. / This works deals with a question of identification of the equation of motion based on experimental measurements. The considered structures are either one or two-dimensional plane structures. The developed methodology employs local inverse methods based on local steady-state vibration field and it is therefore independent of boundary conditions. Two different model selection techniques are used to select the most adapted equation of motion from a set of apriori candidate models. The method is applied to various experimental case studies as identification of axial force in beams and membranes, identification of plate orthotropy and identification of thick sandwich panel model.

Ce document rapporte une étude qui s'inscrit dans une démarche visant à diminuer les nuisances sonores produites par l'aspirateur électroménager. La première partie est une étude perceptive du son de neuf aspirateurs commercialisés. Des enregistrements binauraux ont été proposés à une population d'auditeurs constituée suivant des critères commerciaux définis par le constructeur. Lors d'une comparaison par paires chaque auditeur jugeait de l'agrément et de l'impression d'efficacité ressentie. Les résultats obtenus mettent en avant la difficulté de juger par l'écoute de cette dernière et permettent de définir les points sur lequel l'industriel doit travailler pour améliorer l'agrément du produit. Une deuxième étape applique la méthode des plans d'expériences aux tests d'écoutes perceptives. Un enregistrement binaural a été réalisé sur un aspirateur prototype du constructeur. Le son de celui-ci a été modifié selon trois paramètres identifiés comme important dans l'agrément. Ces modifications suivent une table de plan d'expérience fractionnaire. Les réponses d'agrément des auditeurs ont permis de quantifier les contributions relatives de ces différents paramètres. La seconde partie du document expose la fabrication d'un prototype de banc de comparaison et de caractérisation d'une source solidienne à liaison symétrique de révolution. Pour caractériser cette source, la connaissance de sa mobilité et des efforts qu'elle introduit dans une structure réceptrice sont nécessaires. La géométrie et les matériaux de la source ne permettent cependant pas de mesure directe. Une identification indirecte de force sur structure réceptrice est ici nécessaire. Celle-ci fait l'objet du plus important développement de cette seconde partie. Une coque cylindrique fait office de structure réceptrice académique. L'opérateur différentiel de Donnell nous permet d'utiliser une forme discrétisée de l'équation de mouvement et d'exprimer les efforts à partir des déplacements. Une difficulté technique majeure lors d'une identification de force sur coque est qu'elle nécessite un grand nombre de mesures tridimensionnelles des déplacements. En effet le couplage entre les directions de déplacements peut être important. Nous nous affranchissons ici de ce problème en proposant un développement particulier d'une discrétisation de l'équation de mouvement de la coque permettant de déterminer un effort tournant appliqué par la source au cylindre. S'il s'agit d'un effort tournant radial, la mesure des déplacements radiaux de la structure réceptrice en un nombre limité de génératrices est suffisant pour son identification.

La harpe de concert est un instrument à cordes dont les propriétés acoustiques et vibratoires ont fait l'objet de peu d'études. L'objectif visé au cours de ce travail de thèse est de comprendre et de modéliser le comportement vibro-acoustique de cet instrument.<br />Dans une première partie, une description générale de l'instrument est proposée, de ses origines à sa constitution actuelle. Une attention particulière est ensuite portée à l'interaction entre le doigt et la corde au moment du pincement : l'analyse d'images obtenues avec une caméra rapide permet d'obtenir les paramètres d'un modèle d'interaction. <br />Dans une deuxième partie, le rayonnement acoustique du corps sonore de l'instrument est étudié. Ce rayonnement met en jeu des couplages entre la table d'harmonie et la caisse de résonance. Une analyse modale, complétée par des mesures de vitesse particulaire acoustique en sortie d'évents permet d'identier deux modes couplés caractéristiques du comportement vibro-acoustique de l'instrument en basses fréquences. Un modèle discret 2 degrés de liberté décrivant la réponse de la harpe autour des fréquences de ces deux modes est développé. Du fait de la particularité des mécanismes d'amortissement présents dans le système, l'estimation des paramètres du modèle n'est possible que grâce à l'utilisation d'une méthode non standard d'analyse modale : l'appropriation par le calcul. Par ailleurs, le rayonnement acoustique en champ lointain est étudié à l'aide d'une antenne de microphones. La méthode dite des sources équivalentes est appliquée an d'identier une distribution de monopoles acoustiques rendant compte du rayonnement acoustique de l'instrument. Finalement, en basses fréquences, la harpe de concert est modélisée par 2 sources acoustiques élémentaires, l'une placée sur la table d'harmonie et l'autre au niveau des évents.<br />La troisième partie est consacrée à l'étude des couplages entre les cordes et la table d'harmonie qui donnent lieu à des phénomènes de résonance par sympathie. Ces couplages sont étudiés au moyen d'un modèle d'instrument à cordes générique constitué d'une poutre encastrée à ses extrémités sur laquelle des cordes sont xées à leurs extrémités. Le formalisme du vecteur d'état et la méthode des matrices de transfert sont utilisés pour décrire la propagation des ondes de exion et de compression dans chaque sous-structure (cordes et poutre). A partir des conditions de couplage entre les sous-structures, les modes de l'assemblage sont déterminés et ceux responsables du phénomène de vibration par sympathie sont identiés. Appliqués au cas de la harpe de concert, ces modes, dit sympathiques, sont également extraits expérimentalement. Les multiples couplages entre les cordes, occasionnés par ces modes, donnent lieu à des signaux musicaux présentant un grand nombre de composantes spectrales, dont les fréquences sont parfois très proches et non résolues dans un même partiel. L'identication de ces composantes est alors eectuée par l'emploi de méthodes spéciques du traitement du signal : des méthodes à haute résolution.<br />Des résultats issus de ces travaux sont mis en perspective pour des applications possibles en facture instrumentale.

La caractérisation expérimentale de la réponse vibro-acoustique de panneaux excités par des champs de pression aléatoires est d'un grand intérêt autant en recherche que pour des applications industrielles. Deux excitations sont particulièrement étudiées: le champ acoustique diffus les pressions fluctuantes induites par une couche limite turbulente. Les moyens d’essais associés à ces excitations (chambre réverbérante, soufflerie, essais in situ) peuvent être très coûteux, difficilement contrôlables et rarement comparables entre laboratoires ou centre d’essais (installations de différentes dimensions ou mises en œuvres). La reproductibilité des mesures peut alors être remise en cause, ce qui rend difficile la comparaison entre différentes solutions technologiques. Il y a donc un fort intérêt à disposer d'un outil de laboratoire permettant de reproduire l’effet de ces excitations aléatoires dans un environnement contrôlé. Dans ce contexte, cette thèse propose de développer une méthode expérimentale permettant de caractériser le comportement vibro-acoustique de panneaux sous un champ de pression aléatoire en s’affranchissant des moyens d’essais usuels. Les approches que l’on étudie se basent sur la formulation mathématique du problème dans le domaine des nombres d'onde. Celle-ci met en évidence une séparation explicite des contributions de l'excitation (via l’interspectre de pression pariétale), de celles du comportement vibro-acoustique du panneau (via les fonctions de sensibilité). A partir de la connaissance de l'interspectre de pression pariétale, il suffit alors de déterminer expérimentalement les fonctions de sensibilité du panneau afin de déterminer par post-traitement sa réponse à l'excitation considérée. Deux méthodes permettant de déterminer les fonctions de sensibilité sont étudiées numériquement et validées expérimentalement : la méthode dite de l’antenne synthétique et une méthode basée sur des principes de réciprocité. Pour étudier la validité de ces méthodes, on compare leurs résultats à ceux obtenus par des moyens standards pour deux types de panneaux et les deux types d’excitations évoqués précédemment. / Abstract: The experimental vibro-acoustic characterization of panels submitted to random pressure fields is of great interest in the industry as well as in research laboratories. For the transport sector, this type of excitation can be found when a turbulent flow develops at the wall of a moving vehicle for example. The pressure fluctuations induced by the turbulent boundary layer excite the panels which radiate a noise inside the cabin. The experimental reproduction of those pressure fluctuations requires test means which can be very costly (i.e., wind tunnel, in situ tests) and whose physical parameters can hardly be controlled. The repeatability of measurements can thereby be questioned which makes it hard to compare different technological solutions. A second example of random pressure field is the diffuse acoustic field. This latter is usually reproduced in a reverberant room which is often coupled with an anechoic chamber by means of the panel whose acoustic insulation is to be tested. A pressure field is assumed to be diffuse if the acoustic energy comes from every direction with an equiprobable intensity of the incident waves. This assumption is never fully reached in practice (lack of grazing incident waves, strong modal behavior of the room at low frequencies, etc.). A laboratory tool which allows reproducing the effect of those random excitations in a controlled environment is therefore of great interest. In this context, this thesis aims at developing an experimental method to characterize the vibro-acoustic behavior of panels under random pressure fields without using the common test means (wind tunnel, reverberant room, in situ tests, etc.). For relevance sake, this approach must compensate for the previously stated issues. The approaches studied in this work are based on the mathematical formulation of the problem in the wavenumber domain. This latter allows an explicit separation of the contributions of the excitation via the wall-pressure cross-spectrum, from those of the vibro-acoustic behavior of the panel via so-called ‘sensitivity functions’. Assuming the wall-pressure cross-spectrum of the excitation is known, it is only required to experimentally determine those sensitivity functions, on the panel or in the acoustic medium, to determine the response of the panel to the considered excitation by post-processing. Two methods aiming at determining the sensitivity functions will be numerically and experimentally studied: the source scanning technique and the method based on the reciprocity principle. Results obtained with those method are compared to measurements using standard test means to attest the validity of those methods. Several vibro-acoustic indicators will be confronted while considering the two previously mentioned excitations and for two types of panels: an academic panel and a ‘complex’ from the aeronautic sector. This latter shows the applicability of the method in an industrial context.

Le bruit généré par les avions lors des phases de décollage et d'atterrissage est un sujet d'intérêt actuel dans l'industrie aéronautique. Il peut devenir critique avec l'urbanisation croissante des populations, celle-ci contribuant à l'augmentation du trafic aérien et le rapprochement des aéroports avec les zones habitées. Pour prévenir cette problématique, les centres de recherches et les industriels de l'aéronautique se regroupent pour développer des solutions technologiques communes. Dans le cadre général de ce projet sur la réduction du bruit global des avions civils, un système de réduction se base sur le principe du contrôle actif du bruit tonal d'interaction rotor/stator. Celui-ci est en effet, avec le bruit de jet, une des principales causes de nuisance sonore au décollage et à l'atterrissage. Pour cela, des sources d'anti-bruit sont placées à l'intérieur du conduit à proximité de l'interaction rotor/stator afin de l'annuler. L'objectif de ce projet de maîtrise est de modéliser une des sources d'anti-bruit utilisée dans le contrôle. Celle-ci est placée sur chaque aube composant la grille de stator. Elle est constituée d'une aube dans laquelle est inséré un actionneur piézoélectrique. Ce dernier est ensuite recouvert de plaques perforées permettant de garder une transparence acoustique et un profil aérodynamique, puis commandé électriquement. Le comportement vibratoire de l'aube instrumentée est simulé à l'aide du logiciel éléments finis COMSOL MULTIPHYSICS. Cela permet d'estimer le rayonnement acoustique de la source secondaire. Les paramètres du modèle sont ensuite ajustés par des mesures expérimentales puis les résultats obtenus validés expérimentalement. Cette caractérisation vibro-acoustique conduit au final à la modélisation de l'aube instrumentée par une source acoustique compacte, que l'on peut introduire dans un modèle analytique simplifié de turboréacteur afin de réaliser des simulations de contrôle.

Une couche limite turbulente se développant le long d’une paroi présente des fluctuationsde vitesses et de pression importantes. Si la paroi du profil est suffisammentsouple, les fluctuations de pression pariétale peuvent la faire rentrer en vibration cequi induit un rayonnement acoustique de chaque côté de la paroi. Ce scenario estl’un des mécanismes de génération de bruit interne dans les aéronefs. Le but de cettethèse est de proposer un modèle de reconstruction des fluctuations de pression pariétaleafin de prévoir in fine le bruit rayonné. Plutôt que de reposer sur une approchesemi-empirique, les modèles développés dans cette thèse se basent sur la résolutionanalytique de l’équation de Poisson liant les fluctuations de pression aux fluctuationsde vitesses. Ces dernières sont modélisées par exemple à l’aide des profils moyensde la couche limite obtenus grâce à un calcul RANS. La résolution de l’équation dePoisson dans ce contexte a déjà été entreprise en particulier par Lysak et Aupoixet leurs travaux sont le point de départ de cette thèse. Cependant, leur modèle nedonne qu’une description temporelle des fluctuations de pression pariétale alors queles aspects spatiaux sont nécessaires pour une application vibro-acoustique. L’apportde cette thèse consiste donc en une modification de leur modèle afin de palliercette difficulté. En parallèle de ces travaux de modélisation, une expérience de validationen soufflerie a été élaborée et mise en place. Les fluctuations de vitesses ontété mesurées par vélocimétrie laser tandis que les fluctuations de pression pariétaleont été mesurées à l’aide de micro-tiges mobiles. Le modèle initialement développéà été affiné à l’aide de ces mesures. En particulier, une description anisotrope desfluctuations de vitesses a été développée, ce qui est plus cohérent pour un écoulementcisaillé que la description homogène isotrope utilisée jusqu’alors. Les modèlesdéveloppés ont un large recoupement avec le modèle semi-empirique de Corcos quiest la référence utilisée pour les applications en vibro-acoustique. Cependant, desdifférences comportementales importantes aux hautes et basses fréquences ont étémises en évidence. Le modèle de Corcos peut donc être remis en question pour cesplages fréquentielles. Ces résultats théoriques doivent néanmoins être confortés pardes mesures. / Large pressure and velocity fluctuations are present inside a turbulent boundarylayer developing along a wall. A non-rigid wall can be excited by the wall pressurefluctuations and thus acoustic radiations will be emitted above and bellow the wall.This scenario is one the mechanism of intern noise generation inside aircraft. Theaim of this thesis is to elaborate a turbulent wall pressure fluctuations model inorder to compute the noise radiated by the vibrating wall at the end. Modelsdeveloped during this thesis do not rely on an semi-empirical approach as they arebased on the analytical resolution of Poisson’s equation relating pressure and velocityfluctuations. This kind of approach has already been used by Lysak and Aupoix andtheir work was the starting point of this thesis. However, their model only gives atemporal description of the wall pressure fluctuations while a temporal and spatialdescription is needed for vibro-acoustics application. The major contribution of thisthesis is to modify their model in order to overcome this incapacity. In parallelto this theoretical modelling, a wind-tunnel experimental campaign dedicated tovalidation was designed and implemented. Velocity fluctuations were measured usingLaser Doppler Velocimetry while wall pressure fluctuations were measured usingmobile wall-mounted microphones. The initial model was improved using thesemeasurements. In particular, an anisotropic description of the velocity fluctuationswas developed which is more consistent for a sheared flow than the homogeneous andisotropic description used by Lysak and Aupoix. For a large frequency range, thefinal model behaves similarly to Corcos’ model which is the most used reference forvibro-acoustics applications. However, large differences were highlighted for low andhigh frequencies. Therefore the validity of Corcos’ model is questionable for thesefrequency range. These theoretical results must still be confirmed by experimentaldata.