La modélisation vibroacoustique d'un TGV peut être simplifiée par l'analyse des relations entre les paramètres mécaniques d'une structure, les paramètres acoustiques des signaux rayonnés et la perception du voyageur. Cette analyse indique quels éléments structuraux sont responsables du bruit perçu. L'étude de ces relations est menée en parallèle sur une voiture de TGV et sur un système constitué d'une plaque vibrante fermant une cavité. L'intérêt de cette structure plus simple est de tester et valider des méthodes d'analyses vibratoires, acoustiques et perceptives. L'étude se décompose donc en deux parties pour chacune des deux structures : la modélisation vibroacoustique et les tests perceptifs. Le comportement vibroacoustique du système plaque/cavité est décrit par une méthode modale analytique. Les expériences menées à l'intérieur d'un modèle expérimental et des comparaisons avec un logiciel de calcul par éléments finis ont validé cette méthode. Les tests perceptifs sur des signaux de synthèse et enregistrés mettent en évidence entre autres l'influence sur la perception du type de plaque et de l'amortissement des parois. Le comportement vibroacoustique du TGV est décrit par une analyse modale expérimentale sans connaissance a priori de la source excitatrice (méthodes LSCE, AR et SSI). Ces méthodes permettent aussi de resynthétiser des signaux à partir des paramètres modaux identifiés. Les tests perceptifs à partir de signaux enregistrés permettent de différencier la perception des architectures de voitures de trains, de la position à l'intérieur d'une voiture et de la vitesse du train.

Les effets des vibrations du corps d'un instrument de musique à vent sur le son qu'il produit, sont un sujet d'importance et peu étudié. Les vibrations mettent en jeu divers couplages vibroacoustiques : couplage conduit/fluide interne et couplage conduit/fluide externe. Ces deux mécanismes et leurs effets sont analysés.<br />Un modèle décrivant les couplages entre les vibrations d'un conduit cylindrique et la colonne d'air qu'il contient, permet d'aboutir à une expression de son impédance d'entrée acoustique, qui diffère du cas du conduit indéformable. Pour la plupart des cas d'instruments réels, les effets sont très faibles. Cependant, les couplages sont non négligeables lorsque le conduit présente un léger défaut de circularité, qui est toujours présent en pratique. La perturbation de l'impédance est maximisée lorsque la fréquence de résonance d'un mode mécanique du conduit, un mode d'ovalisation notamment, coïncide avec celle d'un des modes acoustiques de la colonne d'air. Les résultats théoriques sont confrontés à des mesures d'impédance d'entrée sur différents conduits vibrants, validant l'approche. Les sons musicaux produits par ces conduits, associés à des embouchures d'instruments de musique (bec de clarinette et embouchure de tuyau d'orgue), sont analysés. Les effets des vibrations de paroi, dépendant du niveau de perturbation de l'impédance d'entrée, vont d'une légère modification de timbre à des transitions d'un régime périodique "normal" vers un régime pseudo-périodique présentant des battements, non souhaité en situation musicale.<br />Le couplage conduit/fluide externe est exploré dans le cas d'un pavillon de trombone. Le rayonnement externe du pavillon sous excitation acoustique libre de vibrer diffère très légèrement du cas où ses vibrations sont amorties par du sable. Des différences de quelques décibels sont observées à des fréquences de résonance mécanique du pavillon, pour des modes de vibrations rayonnants, efficaces du point de vue du rayonnement acoustique.

L'association d'un absorbeur non linéaire à un système primaire linéaire peut permettre d'observer le phénomène de pompage énergétique. Le travail de cette thèse a consisté à appliquer ce concept à l'acoustique, c'est-à-dire à travailler sur une nouvelle technique passive de réduction du bruit utilisant un absorbeur non linéaire. Cette technique serait efficace pour traiter les basses fréquences, là où les matériaux absorbants sont inopérants. Un montage expérimental académique a été développé en utilisant l'air à l'intérieur d'un tube en tant que milieu acoustique primaire, une fine membrane circulaire visco-élastique en tant qu'oscillateur à raideur essentiellement cubique et l'air contenu dans une boîte de grande taille pour assurer un couplage faible entre ces deux éléments. Un modèle de ce montage a également été élaboré afin de pouvoir procéder à des simulations. En oscillations libres, le pompage énergétique se traduit par une rapide décroissance du niveau sonore dans le tube pendant que l'énergie initialement présente dans ce système primaire se localise entièrement sur la membrane puis se dissipe par viscosité dans celle-ci, sans retour possible vers le milieu acoustique. On parle ainsi de transfert énergétique ciblé (“targeted energy transfer”) dans la littérature, terme devenu équivalent à celui de pompage énergétique (“energy pumping”). Ceci n'est cependant possible qu'à partir d'un certain seuil d'énergie initiale en dessous duquel la membrane n'exerce aucune action particulière. En fréquentiel, sous certaines conditions de niveau d'énergie, la membrane est capable de simplement écrêter le premier pic de résonance du milieu acoustique sans modifier la réponse initiale du système autour de celui-ci.

Ce travail de thèse à été financé par le projet LICORVE (Développement de garnitures légères, innovantes, recyclables et poly-sensorielles pour les applications de coffres de véhicule). Il consiste à développer une méthodologie de mesure pour localiser et caractériser les sources de bruit dans un coffre de voiture. L'environnement de mesure se caractérise par un petit volume où les réflexions de la source d'intérêt et des sources perturbatrices sur les parois ne peuvent être négligées. La méthode doit donc permettre de séparer les différents contributions pour estimer le plus précisément possible les sources étudiées (déconfinement). Dans un premier temps, deux méthodes de séparation : Double Layer SONAH (Statistically Optimal Near el Acoustical Holography) et Field Separation Method (FSM) sont étudiées numériquement. Les limites et avantages de chacune ont été déterminés dans un environnement de mesure confiné. Cela a permis de choisir la méthode la plus adaptée à notre problématique. Dans un deuxième temps les principales conclusions de l'étude numérique sont validées expérimentalement. Dans ce cadre, un ensemble de mesures sont réalisées dans une maquette avec la méthode FSM pour localiser et caractériser des sources maitrisées. Après avoir validée la fiabilité de la méthode de séparation, FSM a été mise en œuvre dans le coffre d'une Peugeot 508 sw en condition de roulement. Les résultats obtenus ont permis d'orienter le choix des garnitures pour un traitement acoustique optimal.

Pour élargir le domaine fréquentiel d'analyse vibroacoustique des méthodes éléments finis et de la SEA (Statistical Energy Analysis), la Méthode Énergétique Simplifiée MES utilisant des variables quadratiques permet de considérer aussi bien les moyennes que les hautes fréquences. Cette méthode est basée sur une analyse des ondes propagatives vibratoires et acoustiques. Dans ce travail, la formulation inverse de la MES est proposée. A partir d'un vecteur de densité d'énergie et intensité vibroacoustique données, la formulation MES inverse permet de remonter aux sources. Elle permet d'identifier les sources de vibration dans des systèmes bidimensionnels (plaque excitée en flexion,...) et les sources acoustiques dans des systèmes tridimensionnels (cavité acoustique excitée,...). La formulation MES inverse est numériquement validée dans plusieurs cas de figures. Une analyse paramétrique est effectuée afin de tester la robustesse et l'efficacité de cette approche. Par exemple, la sensibilité avec les données d'entrée ou à la nature des sources envisagées est traitée.Une comparaison entre les résultats numériques obtenus par la MES et ceux obtenus par la SEA est abordée permettant de présenter les avantages de la MES au niveau de l'identification des sources. Une application industrielle de la MES inverse est réalisée dans le cadre de ce travail. Elle montre la fiabilité de la méthode pour le cas d'une cabine excitée par un bruit blanc. Finalement, la MES est utilisée pour réduire les nuisances sonores détectées dans les cabines. Un programme d'optimisation est développé permettant de trouver la meilleure répartition des absorbants et de définir leurs caractéristiques.

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 / This research lies in the domain of the vibroacoustic analysis of complex structures. It proposes a new energy approach using the energy-density field in order to simplify such an analysis. This approach is based on a stochastic computational model constructed using the nonparametric probabilistic approach of modeling and parameters uncertainties. The stochastic energy approach developed corresponds to a new representation of the vibroacoustic system in terms of random energy quantities. A mean vibroacoustic energy model is thus constructed using a statistical averaging of the random energy quantities. This mean energy model provides a tool to perform a vibroacoustic analysis of complex structures in the low and medium frequency range while the SEA is not adapted to this frequency band. The analysis of the properties of the mean energy quantities used for the construction of the vibroacoustic energy model allows the construction of a simplified model to be obtained and yields a simplified energy model for which a structural partitioning methodology is then established. An application of the energy approach ant of the structural partitioning methodology is done on an automotive vehicle structure coupled with its internal acoustic cavity

Pour élargir le domaine fréquentiel d’analyse vibroacoustique des méthodes éléments finis et de la SEA (Statistical Energy Analysis), la Méthode Énergétique Simplifiée MES utilisant des variables quadratiques permet de considérer aussi bien les moyennes que les hautes fréquences. Cette méthode est basée sur une analyse des ondes propagatives vibratoires et acoustiques. Dans ce travail, la formulation inverse de la MES est proposée. A partir d’un vecteur de densité d’énergie et intensité vibroacoustique données, la formulation MES inverse permet de remonter aux sources. Elle permet d’identifier les sources de vibration dans des systèmes bidimensionnels (plaque excitée en flexion,...) et les sources acoustiques dans des systèmes tridimensionnels (cavité acoustique excitée,...). La formulation MES inverse est numériquement validée dans plusieurs cas de figures. Une analyse paramétrique est effectuée afin de tester la robustesse et l’efficacité de cette approche. Par exemple, la sensibilité avec les données d’entrée ou à la nature des sources envisagées est traitée.Une comparaison entre les résultats numériques obtenus par la MES et ceux obtenus par la SEA est abordée permettant de présenter les avantages de la MES au niveau de l’identification des sources. Une application industrielle de la MES inverse est réalisée dans le cadre de ce travail. Elle montre la fiabilité de la méthode pour le cas d’une cabine excitée par un bruit blanc. Finalement, la MES est utilisée pour réduire les nuisances sonores détectées dans les cabines. Un programme d’optimisation est développé permettant de trouver la meilleure répartition des absorbants et de définir leurs caractéristiques. / To widen the frequency domain of vibroacoustic analysis of finite elements methods and the SEA (Statistical Energy Analysis), Simplified Energy Method MES (french abbreviation) using quadratic variables can cover as well medium as high frequencies. This method is based on an analysis of the vibratory and acoustic propagative waves. In this work, Inverse MES formulation is proposed. From a vector of energy density and vibroacoustic intensity data, inverse MES formulation can raise sources. It makes it possible to identify vibration sources in two-dimensional systems (excited plate in inflection...) and acoustic sources in three-dimensional systems (excited acoustic cavity...). Inverse MES formulation is numerically validated in several cases. A parametric analysis is carried out in order to test the robustness and the effectiveness of this approach. For example, the sensitivity with the data input or with nature of considered sources is treated. A comparison between numerical results founded by MES and those founded by SEA are discussed to present MES advantages at identifying sources. An industrial application ofthe inverse formulation of the method is carried out within the framework of this work. It shows its reliability in the case of a cabin excited by a white noise. Finally, MES shows its utility to reduce harmful sound detected in cabins. An optimization program is developed making it possible to find the best distribution of the poroelastic layers and to define their characteristics.

L’industrie aérospatiale doit faire face à de nouvelles exigences environnementales, tout particulièrement concernant la réduction des coûts de lancement. L’utilisation de matériaux sandwichs composites plus légers permet de répondre à ces besoins. Cependant, l’allégement des matériaux sandwichs favorise une transmission importante du bruit, d’où la nécessité de prendre en compte des critères vibroacoustiques dès la phase de préconception. Dans cette optique, le travail présenté dans ce mémoire a pour objectif de proposer une démarche d’optimisation vibroacoustique des panneaux sandwichs composites légers, sous contraintes de masse et rigidité. Une étude spécifique est consacrée à l’optimisation des variables géométriques de solides cellulaires à périodicité de type nid d’abeille. L’objectif principal est de minimiser la densité modale en s’appuyant sur des modèles homogénéisés fiables. Afin de calculer les propriétés mécaniques macroscopiques des panneaux sandwichs, une méthode numérique d’homogénéisation tridimensionnelle est développée. Cette méthode permet de calculer les propriétés mécaniques équivalentes en utilisant les déformations et contraintes moyennes sur le volume représentatif. Les résultats obtenus sont conformes à ceux calculés par des méthodes classiques basées sur des modèles analytiques. Dans le but d’identifier une fonction objectif riche en informations sur le comportement vibroacoustique de panneau sandwich, on choisit d’étudier la densité modale du panneau. Par la suite, la fréquence de transition, qui sépare la zone de comportement de flexion pure du panneau sandwich du comportement en cisaillement pur de l’âme, est utilisée pour définir la fonction objectif. Après une étude d’analyse de sensibilité sur les paramètres mécaniques et géométriques de la structure sandwich, une démarche globale d’optimisation mono-objectif est mise en oeuvre pour maximiser la fréquence de transition de la structure sandwich composite constituée d’une âme en nid d’abeille hexagonale. Enfin, cette démarche est étendue pour estimer les propriétés géométriques optimales de nouvelles âmes. / The aerospace industry has to adapt to new environmental requirements, especially concerning the reduction of the launch costs. The use of lighter composite sandwich materials can meet part of these requirements. However, their high stiffness-toweight ratio implies that they tend to increase noise transmission, which may be damageable to the payload. Vibroacoustic criterai should hence be taken into account from the early design stages. In this context, the work presented in this thesis aims to provide a vibroacoustic optimization approach of lightweight composite sandwich panels, under mass and stiffness constraints. A specific study is devoted to the optimization of geometric variables of periodic cellular solids such as honeycombs. The main objective is to minimize the modal density based on reliable homogenized models. In order to calculate the macroscopic mechanical properties of the sandwich panel, a numerical method of three-dimensional homogenization is developed. This method allows to calculate the equivalent mechanical properties by applying the average strains and stresses on a unit cell. The results obtained are consistent with those calculated by conventional methods based on analytical approaches. The modal density is chosen as an objective function for optimization, as it is closely related to the vibroacoustic behavior of the structure. The transition frequency, which separates the region of pure panel bending from the pure core shear zone, is further studied and considered as an alternative objective function. After a sensitivity analysis of the mechanical and geometric parameters of the sandwich structure, a mono-objective optimization approach is implemented to maximize the transition frequency of a composite sandwich structure with a hexagonal core. This approach is then extended to estimate the optimal geometric properties of new core shapes.

Ce travail porte sur l’optimisation sous contraintes de masse de structures de type cabine de camion. Il s’agit ici d’un problème dans lequel deux objectifs antagonistes doivent être conciliés. En effet, la réduction de la masse de la structure entraîne une dégradation de ses performances vibro-acoustiques. Il faut donc pouvoir déterminer quelles zones de la structure influent le moins sur ce comportement afin de diminuer la masse localement. C’est dans cet esprit que, dans un premier temps, différentes méthodes d’analyse de sensibilité sont présentées afin de déterminer leurs avantages et inconvénients dans le cas de leur utilisation pour identifier les variables à retenir dans le cas d’une procédure d’optimisation donnée. Ensuite une procédure d’optimisation adaptative en basses fréquences est présentée et appliquée à un cas test représentant schématiquement une cabine de camion et les résultats obtenus sont comparés à ceux issus d’un algorithme d’optimisation sous contraintes non-linéaires couramment utilisé. Une seconde méthode est également développée dans le cas des moyennes et hautes fréquences où les informations disponibles sur la structure sont seulement des quantités énergétiques. Ici encore les résultats obtenus sont comparés à ceux issus d’un algorithme d’optimisation sous contraintes non-linéaires. / This work deals with mass optimization procedures underdesign constraints of truck cabs. It consists in a problem where two conflicting objectives must be conciliated as the mass reduction would deteriorate the vibroacoustic behaviour. One has to determine the zones in which the mass could be locally reduced. First, this work presents several sensitivity analysis procedures and discusses theirs advantages and drawbacks. Then an adaptive optimization procedure is developed in the low frequency range. This procedure is applied on atest-case and the obtained results are compared with results issued from a commonlyused optimization algorithm. The procedure is then extended to medium and high frequency range where the only available quantities are energetic ones. The obtained results are also compared with those from a commonly-used optimization algorithm.

L'allègement des structures est un enjeu économique important dans les domaines d'activités industrielles telles que l'automobile, l'aéronautique ou le naval, qui intègrent peu à peu les matériaux composites dans la fabrication des structures. Cet allègement s'accompagne d'un raidissement de la matière qui implique des problèmes de vibrations et d'isolation acoustique. Plusieurs méthodes de traitement existent pour diminuer les vibrations ou le bruit rayonné d'une paroi, mais ces méthodes ont l'inconvénient d'augmenter significativement la masse de la paroi. Afin de répondre à cette problématique, il est proposé dans cette thèse de modifier le comportement dynamique des structures à partir d'un réseau périodique de patchs piézoélectriques shuntés avec un circuit électrique dont il est possible de modifier l'impédance. En contrôlant ainsi le comportement dynamique des patchs piézoélectriques, il est possible de contrôler le comportement vibratoire de la structure et donc de traiter les problèmes de transmissions solidiennes ou de transmissions aériennes.La méthode de shunt choisie est la méthode dite de shunt à capacité négative qui permet de modifier la rigidité d'une structure. Cette méthode dite semi-passive présente plusieurs avantages : la mise en œuvre est simple, il est possible d'intégrer les patchs directement à l'intérieur de la paroi, elle consomme une faible quantité d'énergie électrique et sa mise en application est peu onéreuse. / Making the structure lighter is an important economic stake in the field of industrial activities such as automotive, aeronautic or naval, which gradually integrate composite materials in the manufacturing of structures. This reduction of the mass goes along with a stiffening of the matter implying acoustics and vibrations issues. Several methods exist to reduce vibrations or acoustic radiations of structures, but these methods increase the mass. In order to answer the problematic, we propose to change the dynamic behavior of structures with a periodic lattice of piezoelectric patches shunted with an electrical circuit whose the impedance can be controlled. Therefore, the control of the coupled behavior of the piezoelectric patches allows the control of vibrational wave's diffusion inside the structure and so to treat the structure-borne vibrations and airborne acoustics emission. The shunt method chosen is negative capacitance shunt which allows to modify the rigidity of a structure. This semi-passive method has several advantages: the implementation is simple, it is possible to integrate the patches directly inside the wall, it consumes a low amonte of electrical energy and its implementation is inexpensive.