Ce projet de maîtrise s'inscrit dans le cadre d'un projet CRIAQ en collaboration avec l’École Polytechnique et quatre partenaires industriels (Bell Helicopters, Bombardier Aerospace, Pratt & Whitney Canada et Artec technologies). Le projet a pour but de développer une nouvelle technologie qui intègre, dès la phase de conception, des éléments amortissants SPADD (Smart Passive Damping Device) dans les structures sandwich-NIDA (une structure en forme de nids d'abeilles). L’objectif est la réduction de la transmission solidienne des vibrations mécaniques ainsi que la diminution de la transmission acoustique du bruit. Les travaux de recherche présentés dans cette maîtrise portent sur le développement d’une approche simple et robuste pour la caractérisation expérimentale de la réponse vibroacoustique des structures sandwich-NIDA avec amortissement SPADD intégré, lorsqu’elles sont soumises à diverses sollicitations. Cette étude, largement guidée par l’expérimentation, a nécessité la conception et la réalisation de nombreux bancs d’essai afin de comprendre et de mesurer les divers phénomènes pour caractériser ces nouvelles structures sandwich-NIDA avec amortissement intégré. L’étude expérimentale a permis de mettre en évidence un gain de 2 à 4 dB au niveau vibratoire et de 1.5 dB au niveau acoustique pour les panneaux NIDA avec amortissement intégré. Enfin, les bancs d’essai proposés ont permis de caractériser les structures sandwich (NIDA) avec amortissement intégré.

La problématique liée au bruit des motoneiges est un enjeu important dans l’industrie des véhicules récréatifs. Il est donc nécessaire de trouver de nouvelles solutions technologiques qui permettront de concevoir des motoneiges plus silencieuses. La suspension arrière est un élément contribuant aux transferts des vibrations du véhicule qui, par la suite, peuvent créer un rayonnement sonore. Pour identifier les chemins de transfert vibroacoustique une méthodologie type TPA (Transfer Path Analysis) et OTPA (Operational Transfer Path Analysis) est mise en place. Cela consiste à utiliser des procédés expérimentaux pour obtenir une modélisation matricielle vibroacoustique de la suspension. Les résultats obtenus seront ensuite validés expérimentalement et permettront de proposer des solutions technologiques qui pourront être intégrées sur les nouveaux prototypes de motoneige.

Dans beaucoup de cas les nuisances sonores auxquelles nous sommes quotidiennement exposés sont dues à la vibration d'une structure (machine industrielle, véhicule, appareil ménager …). Néanmoins, tous les bruits que nous percevons ne sont pas forcément dûs à la vibration d'une structure, par exemple, les bruits aérodynamiques, les bruits de turbine ou les bruits de jet … La recherche en vibroacoustique est étroitement liée avec des applications industrielles, car l'industrie a besoin des nouveaux outils numériques, développés dans les centres de recherche, pour concevoir de nouveaux produits silencieux. En effet, les démarches purement expérimentales sont en général longues, compliquées et coûteuses, elles peuvent être, de plus, très peu efficaces. Puisque l'objectif ultime est la conception d'une structure qui permet de réduire le bruit pour un très bon confort acoustique, les simulations numériques peuvent être incluses dans l'optimisation de la conception avec des techniques de conception optimales de forme et l'optimisation des matériaux. Une fois les simulations validées par les résultats expérimentaux, elles peuvent être utilisées comme outil de conception pour l'amélioration de la structure du système concerné. L'objectif principal de mon travail de thèse est le développement des outils de prédiction numériques permettant la réduction des nuisances sonores dues à la vibration des structures. Pour ce faire, des formulations théoriques originales ont été formulées, puis implantées afin de favoriser la conception de produits silencieux. D'une manière plus spécifique, deux parties vont être traitées : La première partie aborde le problème bien connu des fréquences irrégulières de la méthode des éléments finis de frontière, la BEM, pour le rayonnement acoustique dans un domaine extérieur. Dans la deuxième partie de cette thèse la formulation de la méthode multipôlaire rapide FMM couplée à la BEM, ainsi que sa mise en œuvre et validation ont été effectuées afin de repousser les limites de la BEM en terme de temps de calcul ainsi que de mémoire. / In many cases the noise which we are daily exposed are due to the vibration of a structure (industrial machinery, vehicle, appliance...). Nevertheless, all the sounds we perceive are not necessarily due to the vibration of a structure, for example, wind noise, the sounds of turbine or jet noise...The vibroacoustic research is closely linked with industrial applications because the industry needs new numerical tools, developed in research centers to develop new silent products. Indeed, purely experimental approaches are generally lengthy, complicated and expensive they can be, again, very inefficient. Since the ultimate objective is to design a structure that reduces noise for a good acoustic comfort, numerical simulations can be included in the design optimization techniques to design optimum shape and optimizationmaterials. Once the simulations validated by experimental results, it can be used as a design tool for improving the structure of the affected system. The main aim of my thesis is the development of numerical predictive tools for the noise reduction due to the vibrationof structures. To do this, the original theoretical formulations have been developed and implemented to encourage the design of silent products. In a more specific way, both parties will be addressed : the first part addreeses the familiarproblem of irregular frequencies of the finite element boundary, the BEM for acoustic radiation in an external field. In the second part of this thesis the formulation of the fast multipole method FMM coupled with BEM, as well asits implementation and validation were carried out to push the boundaries of the BEM in terms of computation time and memory.

Cette thèse présente une recherche en psychomécanique qui est une combinaison d'études vibroacoustiques et psychoacoustiques. Un des buts de la psychomécanique est d'identifier les attributs perceptifs qui sont pertinents pour la perception auditive de sons rayonnés par des structures vibrantes. Le travail porte sur la perception des sons rayonnés par une plaque mince, rectangulaire, encastrée, bafflée et soumise à une excitation de durée finie. Trois études ont été réalisées. La première étude met en évidence l'effet perceptif de la variation des paramètres mécaniques de la plaque (amortissment) ou de l'excitation (durée et lieu d'impact) en terme de perception de la qualité et de la similarité des sons. Une analyse multidimensionnelle des sons a montré que les dimensions perceptives traduisant les différences entre les sons étaient : la brillance, la tonalité sur la portion des sons dite "résonante" et l'acuité sur la portion dite "initiale ". Pour les estimations d'agrément, deux groupes de sujets se sont distingés. Une première moitié du groupe a basé ses jugements sur la brillance des sons estimant que l'agrément décroissait avec une augmentation de brillance. Les jugements de la seconde moitié des sujets étaient basés sur l'intérêt musical des sons : plus les sons étaient amortis, moins ils présentaient un intérêt musical, moins ils étaient agréables. La seconde étude concerne le problème de la simplificaiton de modèles complexes de plaques en se basant sur des critères perceptifs. La complexité concerne l'épaisseur de la plaque. Il est montré qu'un son de plaque d'épaisseur variable peut être perceptivement similaire à un son de plaque d'épaisseur constante "équivalente" ; le critère de similarité étant la hauteur tonale des sons déterminée par la composante spectrale de plus forte intensité. La dernière étude aborde le problème de la comparaison entre sons enregristrés et sons synthétisés de plaques. Le but est d'identifier les paramètres importants à prendre en compte dans le calcul de telle sorte que le son synthétisé soit le plus proche du son enregistré d'un point de vue perceptif. Les résultats montrent que, dans notre cas, le son synthétisé le plus proche du son enregistré correspond à une concordance de hauteur tonale, de fluctuation de niveau et de décroissance des signaux.

La caractérisation fine des mécanismes mis en jeu lors du couplage de systèmes vibrants est indispensable pour réduire le volume des calculs (ou le nombre de données à manipuler) nécessaires à la description correcte des phénomènes vibratoires résultants. Dans ce cadre, une nouvelle méthodologie a été développée puis appliquée au cas de deux plaques couplées par un ou plusieurs ressorts. <br />Fondée sur une approche modale et un formalisme vectoriel, elle s'appuie sur l'exploitation d'une matrice de couplage adimensionnelle qui décrit les échanges entre les deux plaques. Cette matrice admet autant de valeurs propres de couplage (quantités totalement déterministes) que de ressorts entre les plaques. Ces valeurs propres sont représentatives de la force du couplage tandis que les vecteurs propres indiquent les chemins modaux de transmissions. L'utilisation de ces quantités propres permet de reconstruire l'état vibratoire des plaques après couplage connaissant leur état avant couplage (en configuration découplée bloquée).<br />Une méthode simplifiée est développée dans le cas du couplage multiple. Le chemin de transmission dominant est identifié par l'examen et le tri des valeurs propres de couplage. Le fait de ne garder que la contribution correspondant à ce chemin modal dominant donne d'excellents résultats, l'erreur maximum par rapport à la solution de référence atteignant 3 dB aux plus hautes fréquences.<br />L'application expérimentale de cette méthodologie est possible puisque les valeurs propres de couplage sont mesurables. La méthode s'apparente à une approche de type mobilité, à la différence près que les grandeurs à mesurer sont en configuration découplée bloquée, ce qui permet d'éviter les fréquences singulières inhérentes à l'approche par mobilité classique. Dans des conditions de couplage multiple, l'application de la méthode simplifiée confirme la qualités des résultats obtenus précédemment de façon numérique.

La répétabilité et la reproductibilité sont les problèmes les plus communément rencontrés dans les études expérimentales de pertes par transmission. Des différences significatives ont été observées, dans différents laboratoires, sur des mesures de perte par transmission sonore de systèmes installés dans une niche (tunnel séparant la source des pièces réceptrices). Ces essais comparatifs inter-laboratoires ont trouvé que la perte par transmission sonore est influencée, non seulement par la plaque, la source et les paramètres récepteurs, mais aussi par la profondeur de niche et la localisation de la plaque dans celle-ci. L'objectif principal de ce travail est de développer et de valider une méthode semi-analytique qui soit à la fois rapide, en comparaison avec les méthodes des éléments finis et des éléments de frontière, et fiable afin d'étudier l'effet de la niche sur la perte par transmission sonore. Ainsi, une méthode serai-analytique est proposée et utilisée pour investiguer l'effet de plusieurs paramètres de niche sur la perte par transmission sonore d'une fine plaque élastique. Dans cette étude, deux problèmes seront investigués. Le premier traite de la niche sans plaque dans celle-ci, appelé « aperture ». Le second traite de l'effet de la niche sur la perte par transmission sonore d'une plaque baillée. Les ondes acoustiques dans la niche sont développées en termes de modes acoustiques évanescents et propagatifs. Plusieurs exemples sont présentés pour étudier la convergence et valider l'approche. Les découvertes montrent une décroissance considérable dans la puissance transmise lorsque la longueur de niche augmente. De plus, la longueur de niche joue un rôle important dans la transmission sonore comparée à la surface de section transverse de celle-ci. Dans le système niche-plaque, ta niche affecte le champ d'excitation en augmentant la pression sur la plaque. L'augmentation de pression est-plus importante au niveau des angles et des arêtes de la plaque. Nos résultats d'étude révèlent que la niche a plus d'effet sur le champ d'excitation que sur le champ de radiation. Ceci est important pour les essais expérimentaux où le champ source est mesuré dans une chambre réverbérant. Un minimum de perte par transmission sonore, en comparaison avec d'autres positions de plaque dans la niche, est obtenu lorsque la plaque est située au centre de la niche. Par conséquent, l'effet de niche est moins important quand la plaque est située dès le début de la niche.

L'utilisation de plus en plus fréquente de matériaux composites, qui combinent une raideur importante pour une faible masse, afin d'alléger les structures aéronautiques, entraîne la dégradation des performances d'isolation acoustique aux bruits extérieurs. La plupart du temps, ces nuisances sonores sont réduites par l'installation de matériaux isolants. Ces méthodes, dites passives, deviennent inefficaces aux basses fréquences et il est possible de mettre en place un contrôle actif au moyen de transducteurs électromécaniques. Dans le but de réduire la puissance acoustique transmise à travers la double paroi aéronautique dans la cabine, des unités de contrôle composées d'un actionneur et d'un capteur colocalisé dual sont réparties sur le panneau intérieur afin d'en modifier la vibration. Cette stratégie de contrôle actif vibroacoustique permet, pour des perturbations primaires harmoniques, d'imposer localement une impédance mécanique virtuelle à la structure, au moyen d'un contrôleur décentralisé. Cependant, sans communication entre les unités, le contrôle peut difficilement minimiser un critère global comme la puissance acoustique rayonnée. Afin de calculer les impédances mécaniques virtuelles qui garantissent la minimisation de la puissance acoustique rayonnée par la structure, une approche en deux étapes est considérée : (1) la matrice diagonale des impédances mécaniques virtuelles optimales est calculée à partir de mesures acoustiques ou vibratoires de la perturbation primaire et des transferts avec les actionneurs secondaires, (2) l'objectif exprimé en terme d'impédances mécaniques virtuelles est atteint grâce à un contrôle en temps réel. Une attention particulière est portée à la comparaison de cette approche avec une stratégie classique d'amortissement actif réalisée par un contrôle par rétroaction sur la vitesse de la structure, où l'impédance mécanique virtuelle alors imposée est un réel positif. Le calcul optimal réalisé à l'issue de la première étape se faisant pour une perturbation primaire donnée, la robustesse de la méthode aux variations de la perturbation primaire est un aspect également développé dans cette étude. Des résultats théoriques et expérimentaux sont comparés dans le cas académique d'une plaque mince d'aluminium simplement appuyée et soumise à une onde plane incidente. Enfin, la méthode est appliquée au panneau intérieur d'une double paroi aéronautique, à savoir une structure courbée, en matériau composite, et composée d'un hublot. Contrairement à la majorité des études qui considèrent l'implantation d'impédances virtuelles dissipatives, il apparaît que, dans certains cas, le contrôle optimal requiert l'injection d'énergie des unités à la structure.

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.

Ce travail de recherche s'inscrit dans le cadre de l'analyse vibroacoustique des structures complexes. Il propose une nouvelle approche énergétique utilisant le champ de densité d'énergie afin de simplifier une telle analyse. Cette approche est basée sur un modèle numérique stochastique construit à l'aide de l'approche probabiliste non paramétrique des incertitudes de modélisation et de paramètres. L'approche énergétique stochastique développée correspond à une nouvelle représentation du système vibroacoustique en terme des grandeurs énergétiques aléatoires. Un modèle vibroacoustique énergétique moyen est alors construit en prenant la moyenne statistique des grandeurs énergétiques. On dispose alors d'un modèle énergétique moyen pour analyser la vibroacoustique des systèmes complexes dans la bande des basses et des moyennes fréquences alors que la méthode SEA ne permet pas d'analyser cette bande de fréquence. L'analyse des propriétés des grandeurs énergétiques moyennes utilisées pour la construction du modèle vibroacoustique énergétique permet de construire une version simplifiée conduisant à un modèle énergétique simplifié pour lequel une méthodologie de partition structurale par zone est établie. Une application de cette approche énergétique et de la méthodologie de partition structurale par zone est présentée pour une voiture constituée d'une structure automobile couplée avec sa cavité acoustique interne

La méthode SEA (Statistical Energy Analysis) est une approche statistique de la vibroacoustique permettant de décrire les systèmes complexes en termes d'échanges d'énergies vibratoires et acoustiques. En moyennes et hautes fréquences, cette méthode se présente comme une alternative aux méthodes déterministes (coût des calculs dû au grand nombre de modes, de degrés de liberté, unicité de la solution) Néanmoins, son utilisation requiert la connaissance et le respect d'hypothèses fortes qui limitent son domaine d'application. Dans ce mémoire, les fondements de la SEA ont été examinés afin de discuter chaque hypothèse. Le champ diffus, l'équipartition de l’énergie modale, le couplage faible, l'influence des modes non résonants et l'excitation rain-on-the-roof sont les cinq hypothèses qui ont été abordées. Sur la base d'exemples simples (oscillateurs couplés, plaques couplées), les équivalences et leurs influences sur la qualité des résultats ont été étudiées pour contribuer à la clarification des hypothèses nécessaires à l'application de la SEA ct pour borner son domaine de validité SEA. / Statistical energy analysis is a statistical approach of vibroacoustics which allows to describe complex systems in terms of vibrational or acoustical energies. ln the high frequency range, this method constitutes an alternative to bypass the problems which can occur when applying deterministic methods (computation cost due to the large number of modes, the large number of degrees of freedom and the unicity of the solution). But SEA has numerous assumptions which are sometimes forgotten or misunderstood ln this thesis, foundations of SEA have been examined in order to discuss each assumption. Diffuse field, modal energy equipartition, weak coupling, the influence of non-resonant modes and the rain on the roof excitation are the five look up hypotheses. Based on simple examples (coupled oscillators, coupled plates), the possible equivalences and their influence on the quality of the results have been discussed to contribute to the clarification of the useful SEA assumptions and to mark out it's the validity domain.