L'objet de cette thèse est l'extension aux structures complexes de la méthode de Résolution Inverse Fenêtrée Filtrée (RIFF). L'idée principale se base sur le modèle Eléments Finis local et libre d'une partie de la structure étudiée. Tout d'abord, la méthode a été développée dans le cas des poutres. Les mesures de vibrations sont alors injectées dans le modèle Eléments Finis de la partie de poutre analysée. Les rotations sont estimées à l'aide de mesures de déplacements supplémentaires et des fonctions de forme sur le support élémentaire. La méthode étant sensible vis-à-vis des incertitudes de mesures, une régularisation a dû être développée. Celle-ci repose sur une double inversion de l'opérateur où une régularisation de type Tikhonov est appliquée dans la seconde inversion. L'optimisation de cette régularisation est réalisée par le principe de la courbe en L. A cause des effets de lissage induits par la régularisation, les moments ne peuvent être reconstruits mais ils apparaissent comme des ''doublets'' de forces. Ceci nous a conduit à résoudre le problème en supposant que seules des forces agissent sur la poutre. Enfin, une étude des effets de la troncature du domaine a été menée dans le but de s'affranchir des efforts de couplage apparaissant aux limites de la zone étudiée. Le cas des plaques a été considéré ensuite afin d'augmenter progressivement la complexité des modèles utilisés. L'approche Eléments Finis a permis d'intégrer à la méthode des techniques de condensation dynamique et de réduction par la méthode de Craig-Bampton. Le nombre de degrés de liberté est trop élevé pour permettre une estimation des rotations par mesures de déplacements supplémentaires, la condensation dynamique est employée afin de les supprimer dans le modèle théorique. Par ailleurs, la régularisation induisant une perte de résolution spatiale à cause de son effet de lissage, une procédure de déconvolution spatiale basée sur l'algorithme de Richardson-Lucy a été ajoutée en post traitement. Enfin, une application de la méthode à la détection de défauts a été envisagée de même que l'application de la méthode à l'identification des efforts appliqués par une pompe à huile sur un banc d'essais industriel. Le travail s'est donc appuyé sur des développements numériques et la méthode a été validée expérimentalement en laboratoire et en contexte industriel. Les résultats de la thèse fournissent un outil prédictif des efforts injectés par des sources de vibrations raccordées à une structure en s'appuyant sur un modèle Eléments Finis local et des mesures de déplacements vibratoires, le tout en régime harmonique. / The object of this thesis is the extension to complex structures of the RIFF method (Résolution Inverse Fenêtrée Filtrée). Considering a subpart of a structure, the main idea is to build a local Finite Element model using free boundary conditions. First, the general method was developed on beams. Vibration measurements are injected in the Finite Element model of the analysed part of the beam. Rotations are estimated using extra-displacement measurements and elementary shape functions. The method is highly sensitive towards errors present in measurements, so a regularisation had to be used. This one consists in a double inversion of the operator where a Tikhonov regularisation is applied when performing the second inversion. The regularisation parameter is tuned by the L-curve principle. Because of the smoothing effect of the Tikhonov procedure, moments cannot be reconstructed anymore at this stage, but they do still appear as sets of opposite forces. This setback led us to solve the problem by restricting it to forces only equations. At last, the study of the truncature of the domain was conducted in the aim to suppress coupling forces appearing at the limits of the studied area. Then, the case of plates was considered in order to increase progressively the models’ complexities. The Finite Element approach permitted us to implement dynamical condensation as well as Craig-Bampton reduction techniques. This allowed us to reduce the total number of degrees of freedom to be taken into account both from a numerical and an experimental standpoint. For example, dynamical condensation allows to eliminate rotations in the model. Besides, regularisation induces a lack of spatial resolution because of its smoothing effect. A spatial deconvolution technique was therefore developed; it is based on the Richardson-Lucy algorithm which is applied at a post-processing stage. At last, it was successfully proposed to extend the method to the application of detecting defaults present in the structure. The method was also validated on an industrial test bench in order to identify the forces applied by an oil pump taken from a truck’s engine. This phD thesis relied on numerical developments and the method was validated experimentally both in laboratory and industrial context. Main results provide a predictive tool to evaluate injected forces by vibration sources linked to a structure. It necessitates to inject vibratory displacements measurements into a Finite Element model.

La maîtrise du bruit et des vibrations est un objectif fréquemment rencontré dans le domaine industriel. Qu’il s’agisse de questions de confort ou de sécurité, les domaines d’applications sont nombreux et variés : transport, BTP, ingénierie civile et militaire… Dans cette thèse, un problème de vibroacoustique interne avec couplage fluide-structure est étudié. Il s’agit d’une cavité remplie de fluide dont les parois sont constituées d’une structure sandwich viscoélastique. Les difficultés numériques associées à ce modèle portent sur la non linéarité du matériau et sur les propriétés des opérateurs matriciels manipulés (conditionnement, non symétrie). Le calcul des vibrations du système dissipatif couplé nécessite une valeur initiale, choisie comme la solution du problème conservatif. Cette solution n’étant pas aisée à déterminer, deux solveurs aux valeurs propres basés sur la Méthode Asymptotique Numérique (MAN) sont proposés pour résoudre le problème des vibrations libres du système conservatif. Associant des techniques de perturbation d'ordre élevé et de continuation, la MAN permet de transformer le problème non linéaire de départ en une suite de problèmes linéaires, plus simples à résoudre. Les solutions obtenues sont ensuite utilisées comme point initial pour déterminer la réponse libre du système dissipatif. Un solveur de Newton d’ordre élevé, basé sur les techniques d’homotopie et de perturbation est développé pour résoudre ce problème. Enfin, le régime forcé est étudié. Pour toutes les configurations envisagées, les résultats obtenus mettent en évidence des performances numériques améliorées par rapport aux méthodes classiquement utilisées (Arpack, Newton…). / Noises and vibrations control is a common objective in the industrial field. Whether it is a question of comfort or safety, the fields of application are numerous and varied: transport, building, civil and military engineering… In this thesis, a vibroacoustics interior problem with fluid-structure coupling is studied. A cavity filled of fluid whose walls are made of a sandwich viscoelastic structure is considered. The numerical difficulties associated with this model relate to the non-linearity of the viscoelastic material and the properties of the matrix operators used (conditioning, non-symmetry). The calculation of the vibrations of the coupled dissipative system requires an initial value, chosen as the solution to the conservative problem. Since this solution is difficult to determine, two eigenvalue algorithms based on the Asymptotic Numerical Method (ANM) are proposed to solve the problem of free vibrations of the conservative system. Combining high order perturbation and continuation techniques, ANM transforms the initial non-linear problem into a set of linear problems that are easier to solve. The solutions obtained are then used as the initial point to determine the free vibrations of the dissipative problem. A high order Newton solver, based on homotopy and perturbation techniques, is developed to solve this problem. Finally, the forced harmonic response of the damped system is computed. For all the configurations tested, the results obtained show improved numerical performance compared to the methods conventionally used (Arpack solver, Newton algorithm…).

La compréhension et la prédiction du comportement vibro-acoustique des systèmes légers bois du bâtiment constitue un enjeu scientifique d'actualité. En 2015 une étude montrait encore que presque la moitié de ces systèmes constructifs n'offrait pas satisfaction. Un modèle prédictif à l'échelle du bâtiment, en cours de normalisation, permet de prendre en compte la performance individuelle des différents systèmes séparatifs pour remonter à un niveau de performance globale. La difficulté scientifique réside alors dans l'évaluation de la performance individuelle associée à chaque conception admissible, dans un vaste ensemble de systèmes techniquement réalisables. Dans cette recherche, une méthodologie est proposée pour la construction de modèles numériques capables de prendre en compte, aux basses fréquences, la complexité et la diversité des systèmes bois constitués de multiples plaques, poutres, cavités acoustiques et matériaux poroélastiques. En accord avec les procédures d'évaluation normalisées, des modèles déterministes pour les excitations mécaniques du système sont construits. Une approche probabiliste est alors développée en réponse à la problématique des incertitudes liées à la construction légère. Ainsi, en résolvant un problème stochastique inverse utilisant des données expérimentales pour identifier les hyperparamètres de modèles probabilistes développés, il est possible de quantifier la propagation des incertitudes du système à la performance prédite en conditions de laboratoire. Par suite, des configurations optimales, robustes aux incertitudes, sont recherchées. Du fait de la nature combinatoire du problème d'optimisation, un algorithme génétique, particulièrement adapté à un espace de recherche discret ainsi qu'à l'optimisation multi-objectif, est mis en oeuvre. Dans les cas traités, les configurations optimales tendent vers une maximisation de la rigidité structurelle / Being able to understand and predict the vibroacoustic behavior of lightweight wood-based building systems contitute a serious scientific concern. In 2015, acoustic comfort investigation claims that unsatisfactions are expressed with respect to around 50% of such constructions. In particular, low frequency discomfort is target of criticism. A methodology was proposed, currently running through standardisation process, which translates the individual performance of the building systems into a global building performance index. The challenge consequently lies in the prediction of the individual performances in regard to the wide spread of wood based designs. In this research, a methodology is introduced for the construction of computational models able to handle the complexity and diversity of the systems, constituted of multiple boards, stiffeners, cavities and poroelastic media. Structural excitations of the system are constructed according to standard evaluation procedures. Then, a probabilistic approach is undertaken in order to take into account the uncertainty problematic, inherent to lightweight wood based constructions. In particular, stochastic inverse problems are constructed to identify, from experimental measurements, hyperparameters associated with ad hoc probabilistic models. Eventually, uncertainty quantification can be performed in regard to predicted performance in laboratory conditions. Following, robust optimal designs are sought in the presence of uncertainties. No continuous mapping from the search space of the configurations to the space of the fitness functions representative of the objective performance exists and derivatives cannot be defined. By way of consequence, the class of the evolutionnary algorithm, suited to discrete search spaces as well as multi-objective optimisation, is chosen. Considered optimisation problems displayed preferential directions of the genetic algorithm towards stiffest admissible designs

Résumé : Les véhicules aériens et terrestres sont constitués de systèmes bâtis complexes. La structure principale est généralement composée de panneaux légers renforcés par des éléments rigides. Cette solution de conception est répandue parce qu’elle allie la force et un faible poids. Cependant, on sait qu’elle offre des résultats vibroacoustiques médiocres, c’est à dire que l’effet des perturbations externes qui touchent le système peut générer un niveau de bruit excessif à l’intérieur de la cabine des passagers. C’est une préoccupation majeure chez les fabricants, parce que ce niveau de bruit nuit sensiblement au confort ressenti par les clients et peut causer de la fatigue chez les conducteurs et les pilotes. Pour cette raison, les composants passifs constitués de matériaux dissipatifs assemblés en mode multicouche sont généralement intégrés à la structure. Ces assemblées bordées intègrent surtout des matériaux poroélastiques, qui sont plutôt répandus, grâce à l’agencement intéressant de bonnes propriétés d’isolation sonore et de faible poids. L’intégration en amont des traitements de contrôle du bruit au processus de conception est la clé de succès d’un produit. Pour ce faire, des outils pratiques numériques en mesure de capter le comportement dynamique des systèmes vibroacoustiques impliquant les structures, les cavités et les matériaux d’insonorisation sont requis. D’une part, la modélisation de ces systèmes couplés en utilisant des procédés à base d’éléments finis peut être, bien que précis, irréalisable pour des applications pratiques. D’autre part, les approches analytiques telles que la méthode de matrice de transfert sont souvent préférées grâce à leur facilité d’utilisation, même si elles manquent de précision en raison des hypothèses rigoureuses inhérentes au cadre analytique. Dans ce contexte, les procédures de structuration hybrides sont récemment devenues très populaires. En effet, les différentes techniques de modélisation sont généralement recherchées pour décrire les systèmes vibroacoustiques complexes arbitraires sur la plus large gamme de fréquences possible. L’objectif du projet proposé est de mettre au point un cadre hybride offrant une mé- thodologie simple pour tenir compte des traitements de contrôle du bruit dans l’analyse vibroacoustique par éléments finis. A savoir, le modèle de calcul qui en découle conserve la souplesse et la précision de la méthode des éléments finis en bénéficiant de la simplicité et de l’efficacité de la méthode de matrice de transfert pour obtenir une réduction de la charge de calcul pour la modélisation de composants acoustiques passifs. La performance de la méthode pour prédire la réponse vibroacoustique de structures planes homogènes avec des traitements acoustiques attachées est évaluée. Les résultats démontrent que la méthode hybride proposée est très prometteuse, parce qu’elle permet une réduction de l’effort de calcul tout en conservant suffisamment de précision par rapport à l’analyse complète par éléments finis. En outre, la méthode de matrice de transfert proposée de modélisation des traitements de contrôle des bruits est générale, comme on peut l’appliquer dans d’autres cadres outre l’application de l’élément fini considéré dans ce travail. // Abstract : Aerial and terrestrial vehicles consist of complex built-up systems. The main structure is typically made of light panels strengthened by stiffer components. Such design solution is widely used as it combines strength and low weight. However, it is known to give poor vibroacoustic performances, i.e. the effect of external disturbances acting on the system may generate an excessive noise level inside the passengers cabin. This is a main concern for the manufacturers, as it significantly affects the comfort experienced by the costumers and may fatigue drivers and pilots. For this reason, passive components consisting of dissipative materials assembled in a multilayer fashion are typically integrated within the structure. These lined assemblies mainly involve poroelastic materials, which are commonly used thanks to the appealing combination of good noise insulation properties and low weight. The early integration of noise control treatments in the design process is the key to a successful product. For this purpose, practical numerical tools able to capture the dynamic behavior of vibroacoustic systems involving structures, cavities and noise proofing materials are demanded. On the one hand, modeling such coupled systems using finite element based methods can be, albeit accurate, time consuming for practical applications. On the other hand, analytical approaches such as the transfer matrix method are often preferred thanks to their ease of use, although they suffer from a lack of accuracy due to the stringent assumptions inherent within the analytical framework. In this context, hybrid substructuring procedures have recently become quite popular. Indeed, different modeling techniques are typically sought to describe arbitrarily complex vibroacoustic systems over the widest possible frequency range. The aim of this thesis is to devise a hybrid framework providing a simple methodology to account for noise control treatments in vibroacoustic finite element analysis. Namely, the resulting computational model retains the flexibility and accuracy of the finite element method while taking advantage from the simplicity and efficiency of the transfer matrix method to obtain a reduction of the computational burden in the modeling of passive acoustic components. The performance of the method in predicting the vibroacoustic response of flat structures with attached homogeneous acoustic treatments is assessed. The results prove that the proposed hybrid methodology is very promising, as it allows for a reduction of the computational effort while preserving enough accuracy with respect to full finite element analysis. Furthermore, the proposed transfer matrix based methodology for noise control treatments modeling is general, as it can be used in alternative frameworks besides the finite element application considered in this work.

Cette thèse répond à une problématique de commande frontière d’une conduite acoustique dont l’actionnement est assuré par un réseau d’actionneurs/capteurs co-localisés constituant une peau active. Pour faire face au caractère intrinsèquement multiphysique de ce problème vibro-acoustique, nous avons choisi dans cette thèse d’employer une approche hamiltonienne à ports, approche structurée basée sur la représentation des échanges entre différents domaines énergétiques au sein d’un système et entre différents systèmes. Nous avons proposé une modélisation hamiltonienne à ports de l’équation d’onde interconnectée à la frontière au système d’actionnement distribué, correspondant à une formulation 2D du problème physique. Nous avons développé une méthode de discrétisation spatiale basée sur l’utilisation de différences finies sur plusieurs grilles en quinconce qui préserve la structure hamiltonienne à ports de l’équation d’onde. Cette méthode permet en outre d’interconnecter facilement le système discrétisé avec d’autres sous-systèmes, dans le but de mettre en place un actionnement par exemple. Son principal avantage sur d’autres méthodes préservatives de structure réside dans sa simplicité de mise en œuvre qui découle de l’utilisation de différences finies. Concernant la commande du système vibro-acoustique, nous avons proposé une méthode de synthèse de loi de commande distribuée pour les systèmes régis par deux lois de conservation en 1D. L’originalité de cette méthode réside en le fait qu’elle repose sur le calcul d’invariants structuraux (fonctions de Casimir) exploités afin de modifier la structure du système en boucle fermée. Les conditions d’application sur un système 2D sont étudiées et des résultats numériques valident les lois de commande synthétisées. / This thesis deals with the boundary control of an acoustic by a network of co-localised sensors/actuators which constitutes a smart skin. In order to cope with this multiphysical problem, we chose to place our study in the framework of port-Hamiltonian systems, a structured approach based on the representation of energy exchanges between different energy domains between different systems of subsystems. We proposed a port-Hamiltonian model of the wave equation interconnected through its boundary to the distributed actuation system, which corresponds to a 2D formulation of the physical problem. We developed a spatial discretization method based on the use of finite differences on several staggered grids that preserve the port-Hamiltonian structure of the wave equation. This method also permits to easily interconnect the discretized system with other subsystems, which is convenient for instance for control purposes. Its main advantage over other structure preserving methods is its simplicity of implementation which stems from the use of finite differences. In order to control the vibro-acoustic system, we proposed a control law synthesis method for systems governed by two conservation laws in 1D. The originality of this method lies in the fact that it relies on the computation of structural invariants (Casimir functions) exploited in order to modify the structure of the system in closed loop. The conditions of application of these laws on a 2D system are studied and numerical results validate the synthesized control laws.

Les joints de porte et de vitrage des voitures jouent un rôle très important dans la réduction du bruit d’origine aérodynamique, à la fois par transmission directe et de par son rôle en tant que condition limite ees autres éléments transmetteurs (portes et fenêtres). Par conséquent, sa conception est fondamentale pour l’optimisation du confort de passager. Néanmoins, la méthode traditionnelle pour sa conception, basée sur une approche par tâtonnement de tests en soufflerie, est très coûteuse et insuffisante. Une approche différente est envisagée dans ce manuscrit, par la création d’un modèle capable de prédire la transmission du bruit jusqu’`a la cavité du véhicule, qui puisse être appliqué ultérieurement dans une routine d’optimisation. La modélisation des joints de vitrage et des fenêtres fait face à plusieurs difficultés. La fermeture de la porte subie par le joint de porte avant d’être soumis à l’excitation acoustique, ainsi que le comportement hyperélastique du caoutchouc, mènent à des déformations non-linéaires. Ce comportement change les propriétés (telles que la rigidité) du joint comprimé lors qu’il est soumis à l’excitation acoustique. De plus, l’interaction du son transmis par les joints avec la cavité du véhicule doit être prise en compte. Néanmoins, la taille réduite et la géométrie complexe du joint appellent à une approche telle que la méthode EF, tandis que la grande taille de la cavité véhicule nécessite d’une approche plus grossière, pour ne pas aboutir sur un modèle trop lourd. La solution proposée dans ce manuscrit implique la création d’un modèle hybride capable de modéliser le joint et la cavité séparément, avec l’approche la plus adaptée `a chaque cas, et de les coupler dans un seul modèle. Les comportements hyperélastique et viscoélastique des joints, avant et durant l’excitation acoustique, sont modélisés à l’aide du code commercial ABAQUS, tandis qu’une méthode énergétique appelée Méthode Energétique Simplifiée est utilisée pour la propagation ´ du son depuis les joints jusqu’au reste de la cavité. Cette méthode, adaptée aux besoins de l’application souhaitée, et couplée aux résultats du modèle EF, permet l’obtention rapide et locale du niveau de pression acoustique en n’importe quel point de la cavité. Finalement, des campagnes expérimentales sont mises en œuvre pour la validation des modèles. Les mises en place et les résultats sont détaillés dans ce manuscrit. / Car door and window seals have been proven to be of utmost importance to reduce aerodynamic noise, both through direct transmission and through their role as boundary conditions of the other transmitting elements (car doors and windows). As consequence, their design has become of great relevance when it comes to passenger comfort optimization. However, the traditional method for their conception, based on a trial and error approach through wind-tunnel testing, has been found to be insufficient and costly. A different approach is contemplated in this dissertation, through the development of a model capable of predicting sound transmission through seals and into the vehicle cavity, for its subsequent application into an optimization procedure. Several difficulties arise from the modeling of car door and window seals. Indeed, the door closure imposed on the door seal before any acoustic excitation, as well as the hyperelasticity of the rubber lead to a non-linear deformation behavior. This behavior changes the seal properties (e.g. stiffness) which have to be modeled under acoustic excitation. Additionally, the interaction of the transmitted sound with the vehicle cavity must be taken into account. However, the small, precise geometry of the seal would call for an approach such as FE method, whereas the big dimensions of a vehicle cavity demand a much coarser approach so that the problem doesn’t become unmanageable in size. The solution that is proposed in this dissertation, implies the creation of an hybrid model capable of modeling the seal and the vehicle cavity separately, with the most adequate approach to each case, and coupling them afterward into a single model. As consequence, the hyperelastic and viscoelastic behaviors of the seals, prior to and during the acoustic excitation, are modeled through FE software ABAQUS, whereas an energy method called Méthode Energétique Simplifiée is used for the propagation ´ of the sound from the seal to the rest of the cavity. This method, improved to better suit the requirements of the discussed application, and coupled to the results of the FE model, allows a fast and local computation of the sound pressure level at any point inside the cavity. Finally, some experimental tests are put in place for the validation of the models. The different setups and results are detailed in this dissertation.