Le bruit de roulement est la principale source de bruit des transports ferroviaires pour des vitesses conventionnelles. Il est produit par les vibrations puis le rayonnement acoustique du matériel roulant et de la voie provoqués par le déplacement de la roue et du rail. Ce déplacement est imposé par les défauts microscopiques de surface présents sur les bandes de roulement appelés rugosité.La directive Européenne 2002/49/CE exige la réalisation la cartographies du bruit des infrastructures de transport. Le bruit dans l’environnement peut être prédit par des modèles dont les paramètres d’entrées sont notamment le comportement dynamique de la voie et la rugosité des rails. Ces données sont généralement évaluées par des systèmes de mesures statiques, ce qui limite la caractérisation de la voie à quelques dizaines ou centaines de mètres.Cette thèse a pour objectif de proposer et de valider une méthodologie de mesure de l'état acoustique de la voie sur l’ensemble du réseau. La solution proposée est un système de mesure en situation embarquée nommé LECAV pour « LECture Acoustique de la Voie », qui utilise le bruit rayonné par la voir et par la roue. Leurs gammes de fréquences de rayonnement distinctes permettent de traiter le problème inverse séparément pour la roue et pour le rail, et ceux à partir de l’impédance acoustique.Un modèle vibroacoustique basé sur la méthode des éléments finis et la formulation intégrale de Rayleigh est proposé afin d’estimer l’impédance acoustique de la roue. Pour le rail, les théories des poutres épaisses et des sources ponctuelles élémentaires sont utilisées dans le but de modéliser son impédance acoustique. / The rolling noise is the main source of noise in the railway transport sector at conventional speed. It is produced by the vibration and the acoustic radiation of the vehicle and the railway track, caused by the movement of at the wheel and the rail. These movements are imposed by microscopic irregularities on the rolling surface called roughness.The 2002/49/EC European directive imposes to build noise maps of transport infrastructure. The noise propagating in the environment can be assessed from models whose input parameters are particularly the dynamic behavior of railway tracks and the roughness of rails. These data are generally measured thanks to static systems, which narrow down to the analysis of railway tracks to a few meters.The aim of this Phd is to propose and validate a measurement methodology for the acoustic characterization of tracks for the whole railway network. It is an on-board measurement system named LECAV for "LECture Acoustique de la Voie" in French ("Acoustic reading of railway track") that uses the noise radiated from the wheel and the rail. The respective frequencies ranges of noise emission allow solving the invers problem separately for the wheel and for the rail, and this with the acoustic impedance.

Bien que l'évaluation perceptive et les tests de qualité sonore soient maintenant reconnus comme des parties essentielles du processus de développement de produit dans plusieurs domaines, ils sont rarement mis en oeuvre en utilisant des techniques de reproduction sonore spatiale. À la place, différentes présentations auditives (par exemple: stéréophoniques, Surround ou binaurales) sont utilisées. Ce mémoire propose une méthode pour utiliser des modèles vibroacoustiques courants en ingénierie pour commander des systèmes audio basés sur la Wave Field Synthesis 2.5D et formés de plusieurs réseaux linéaires de haut-parleurs. Des opérateurs pour Wave Field Synthesis (WFS) 2.5D améliorés sont proposés, pour une application dans un contexte d'ingénierie. Les opérateurs sont étudiés pour plusieurs cas de reproduction de modèles analytiques vibroacoustiques 3D de plaques (sources primaires étendues extérieures ou focalisées). La méthode accepte aussi en intrant d'autres types de modèles (méthode des éléments finis, méthode des éléments frontière). Des simulations de reproduction en champ libre démontrent que les opérateurs développés permettent une reproduction physique acceptable. Des reproductions physiques mesurées dans une salle WFS suggèrent que les nombreux effets de salle (réflexions et diffractions) modifient les caractéristiques reproduites du modèle. Globalement, de nombreuses similitudes existent entre les mesures et les simulations, soit les amplitudes globales, les distributions spatiales et temporelles, ainsi que les directions d'arrivée des fronts d'onde. Les caractéristiques spatiales et sonores des modèles sont bien reproduites, soit le patron de directivité, l'étendue spatiale perçue et le timbre. Cette validité est limitée dans le plan horizontal de reproduction, choix inhérent à la WFS 2.5D. On peut tirer du travail de l'étudiant quelques contributions originales: 1) Un opérateur WFS 2.5D qui permet des sources primaires étendues focalisées et extérieures pour une configuration formée de plusieurs réseaux linéaires de haut-parleurs. 2) Un facteur de compensation d'amplitude et de phase pour les sources primaires hors du plan de reproduction, adapté au nouveau concept de ligne de référence. 3) Une proposition pour ne pas utiliser la simplification traditionnelle en WFS qui suppose que la source virtuelle est suffisamment loin des haut-parleurs. 4) Un facteur de correction d'énergie, ce qui permet l'obtention des bons niveaux physiques pour la reproduction. 5) L'application de la Wave Field Synthesis telle que développée dans une partie d'un processus de développement de produit acoustique, c'est-à-dire l'auralisation d'une mesure de perte par transmission ou de perte par insertion de panneaux, afin d'illustrer le potentiel d'utilisation en ingénierie.

Le travail présenté dans cette thèse est dédié à l’étude d’un absorbeur bistable continu basé sur le principe du "Nonlinear Energy Sink" (NES) et son utilisation pour l’atténuation des vibrations d’un système mécanique à plusieurs degrés de liberté sous excitation acoustique. Le modèle analytique du comportement linéaire de l’absorbeur ainsi que le modèle numérique complet ont été présentés, analysés et validés par des séries d’expériences. Le complexité du transfert énergétique ciblé ("Targeted Energy Transfer" ou TET) entre l'absorbeur et le système primaire à contrôler n’a pas permis une description analytique simple. Nous avons donc choisi de concentrer cette étude sur l’exploration expérimentale et numérique de l’absorbeur couplé à des systèmes mécaniques sous excitations harmonique et aléatoire ainsi que sur l’identification des mécanismes de transfert d’énergie. Le système couplé a montré une dynamique très riche du fait de différents régimes de TET qui ont été décrits dans la littérature pour d’autres types de NES. Ce projet a été financé par Saint-Gobain. L’absorbeur a été adapté pour l’application prévue par la direction industrielle de la thèse: contrôle des vibrations de la double paroi sous excitation acoustique afin d’améliorer l’isolation acoustique fournie par le système.Les connaissances qualitatives sur la dynamique de l’absorbeur obtenues à partir des résultats expérimentaux et numériques, ainsi que l’analogie avec les autres types de NES, ont permis la création d’un absorbeur qui répond à la problématique posée. Les moyens pour l’optimisation et le développement de l’absorbeur ont été identifiés et les simulations préliminaires ont été fournies. / The work presented in this thesis is dedicated to the study of a continuous bistable absorber based on the principle of Nonlinear Energy Sink (NES) and its use for the vibration mitigation of a many-degree-offreedom mechanical systems under acoustic excitation. The analytical model of the linear behavior of the absorber and its complete numerical model were presented, analyzed and validated by series of experiments. The complexity of the Targeted Energy Transfer (TET) between the absorber and the primary system did not allow a simple analytical description. We have chosen to concentrate this study on the experimental and numerical exploration of the absorber coupled to mechanical systems under harmonic and random excitations, as well as on the identification of the mechanisms of energy transfer. The coupled system have shown very rich dynamics as it possessed different regimes of TET, which were earlier described in literature for other types of NES. This project was funded by Saint-Gobain. The absorber was adapted for the application foreseen by the industrial supervisors of the PhD: the vibration control of partitioning double walls under acoustic excitation so that to improve the acoustic isolation provided by the system. The qualitative knowledge on the absorber dynamics obtained from the experimental and numerical results, as well as the analogy with the other types of NES, permitted the creation of an absorber which corresponds to the problematic. The ways for the further optimization and development of the absorber were identified and preliminary simulations were provided.

Nous proposons une méthode afin de prédire le bruit rayonné en hautes fréquences par une structure qui vibre en basses fréquences. Cette méthode est qualifiée d'hybride car elle couple deux méthodes valables dans des domaines fréquentiels distincts. Le cas d'application traité est celui d'une boîte de vitesses au sein d'un compartiment moteur. Le comportement vibratoire du carter est induit par une excitation interne générée par le processus d'engrènement, l'erreur statique de transmission. Il est prédit par la méthode spectrale itérative qui repose sur une technique originale de résolution des équations à coefficients périodiques. Des sources équivalentes sont introduites afin de reproduire le bruit rayonné par le carter en champ libre. Chaque source est la somme des contributions d'une source de pression, d'une source de vitesse et d'une source d'intensité. Des formulations analytiques pour l'amplitude et la directivité de ces sources sont proposées. Elles sont ensuite utilisées dans la méthode du transfert radiatif qui s'inspire de l'écriture des échanges radiatifs en thermique et conduit au champ acoustique au sein du compartiment moteur. Cette méthode a été étendue dans ce travail par l'introduction de la diffraction acoustique. La méthode hybride a été validée pour une plaque simple bafflée et pour une plaque raidie dont les champs de vitesse et de pression pariétaux sont évalués expérimentalement, par comparaison avec la méthode des éléments finis de frontière. Enfin, l'application à une boîte de vitesses intégrée à un groupe motopropulseur placé au sein d'un encapsulage moteur de véhicule poids lourd a été résolue. L'intérêt de la méthode hybride est de permettre le couplage d'une méthode vibratoire dédiée aux basses fréquences à une méthode acoustique dédiée aux hautes fréquences qui conduit à des temps de calcul réduits par rapport aux méthodes d'éléments finis de frontière.

L'amortissement est un moyen habituel de maîtrise vibratoire des structures (vibroacoustique, fatigue vibratoire). Un amortissement passif efficace peut-être obtenu par l'ajout de traitements viscoélastiques au sein de la structure. Les propriétés mécaniques de tels matériaux dépendent non seulement de la fréquence, mais également de facteurs d'environnement telles que la précontrainte et la température. Leurs représentations, la modélisation éléments finis et les méthodes de résolution numérique habituellement appliquées aux structures amorties sont précisées, ainsi que de nouvelles techniques de réduction telles que la méthode d'itérations sur les résidus.<br />Un banc d'essai dynamique a été dimensionné et réalisé pour mesurer directement le module complexe de films viscoélastiques de plaques sandwich standard à des températures 0-50 ?C et sur la bande de fréquence 0-2000 Hz et, ce qui est nouveau, pour des taux de précontrainte statique de 0-300 %. Les mesures montrent que l'hypothèse de superposition fréquence-température peut être étendue à la précontrainte.<br />Le second objectif de ce travail est d'étudier et d'améliorer le comportement vibroacoustique d'une enceinte acoustique. Une modélisation éléments finis-éléments de frontière à basse fréquence (0-2000 Hz) est réalisée et validée par des mesures. Un traitement amortissant original est proposé et ses propriétés optimisées.

Dans le contexte du bruit intérieur des avions, ce travail de thèse étudie l'intérêt acoustique de l'utilisation de patchs viscoélastiques. La masse de ces traitements est aujourd'hui considérée comme pénalisante. Une optimisation en termes de taille et de placement est donc envisagée. La stratégie adoptée est choisie analytique pour couvrir une large gamme de fréquences avec des temps de calcul performants. Ce mémoire de thèse propose une approche originale calculant le rayonnement acoustique de plaques amorties localement. Cette approche présente les intérêts suivants : s'absoudre des difficultés de calcul des impédances de rayonnement et être particulièrement adaptée aux structures complexes de l'avion. L'apport scientifique de cette thèse en terme de modélisation réside d'une part dans une approche de calcul vibroacoustique basée sur la minimisation de l'erreur de vérification de l'équation de mouvement sur un échantillonnage spatial et, d'autre part, dans un formalisme par fonctions Dirac mis en œuvre pour simuler les hétérogénéités aux limites d'un patch amortissant localisé. Ce modèle analytique est appliqué à des plaques planes finies non raidies où un traitement amortissant localisé, une plaque multicouche ou une plaque à épaisseur variable peuvent être considérés. Une validation numérique pour les excitations mécanique, acoustique et aérodynamique ainsi qu'une validation expérimentale sous excitation champ diffus démontrent une très bonne précision du modèle développé : le couplage fluide-structure et l'amortissement localisé sont correctement modélisés. Les effets de taille et de placement du patch sont finalement étudiés sur un cas particulier sous excitation aérodynamique en conditions réalistes. Le comportement non linéaire observé de l'effet de taille par rapport à la masse ajoutée permet de définir un optimum. L'apport scientifique de cette thèse offre un outil prédictif performant et adapté à la problématique du bruit interne des avions.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de l'intégration des fonctions d'amortissement vibroacoustique dans des plaques en matériau composite. Dans un premier temps, pour une méta-plaque non composite, les caractéristiques d'atténuation des vibrations ont été étudiées avec un réseau périodique de résonateurs (poutre-masse) attachés à une plaque.L'effet de périodicité et des résonances locales permet de bloquer la propagation d'ondes sur des plages de fréquences données, appelée bandes interdites. Des simulations numériques basées sur la MEF ont permis de calculer les diagrammes de bandes des plaques périodiques et d'analyser la sensibilité de ces bandes interdites aux différents paramètres de conception de méta-plaque. Les calculs de coefficient de transmission d'une onde plane selon la direction perpendiculaire à la zone traitée, mettent en évidence la présence des bandes interdites prédites par le diagramme de bande. Les réponses fréquentielles de plusieurs modèles sont comparées, pour mettre en évidence les écarts entre une structure infinie et une structure finie. Une méthode automatique originale est mise au point pour détecter les gammes de fréquences des bandes interdites pour une méta-plaque finie.Ces méthodes théorique et expérimentale sont alors appliquées à des plaques composites SMC avec des perforations périodiques. Des essais avec une excitation unidirectionnelle et une excitation ponctuelle sont réalisés. L'influence de chaque type de sollicitation sur la réponse vibratoire des plaques est analysée pour mettre en évidence la détectabilité des bandes interdites. Enfin, la robustesse des bandes interdites aux variations du réseau périodique est validée. / The vibration attenuation characteristics of a metamaterial plate were investigated theoretically and experimentally with a 2-dimensional periodic array of resonators (mass-beam) attached to a thin homogeneous plate.The sensitivity analysis of the band gap frequency range took into account the uncertainties of all the design parameters of the metamaterial plate. The theoretical approach used the finite element method (FEM) to compare the predicted band gaps with those derived from infinite and finite models of the metamaterial.An original automatic method is proposed to detect the frequency ranges of band gaps in finite metamaterial based on the behavior of the corresponding bare plate. Directional plane wave excitation and point force excitation were applied to evaluate the efficiency of the detection method. The results of these analyses were compared with experimental measurements. Frequency ranges of experimental vibration attenuation are in good agreement with the theoretically predicted complete and directional band gaps.These theoretical and experimental methods are then applied to SMC (Sheet Molding Compound) composite plates with periodic perforations. Tests with unidirectional excitation and point force excitation are performed. The influence of each type of excitation on the vibratory response of the plates is analyzed in order to demonstrate the detectability of the bands gaps.Finally, the robustness of the band gap to the variations of the periodic lattice is validated following an integration of perturbations: addition of local mass on half of the unit cells according to a periodic or random positions.

L'utilisation de plus en plus fréquente de matériau composite, qui combine 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. / Composite materials are widely used in the aeronautic industry for their low mass/stiffness ratio. However, this property tends to reduce the acoustic transmission loss, particularly at low frequencies. At these frequencies, active control is an effective mean of controlling sound transmission. Among the various approaches, Active Structural Acoustic Control (ASAC) has received considerable attention because transducers can be integrated to the structure. In order to reduce the acoustic power radiated by a flexible panel, dual colocated actuator sensor pairs are used to modify its vibration. The control strategy implemented for harmonic disturbances leads to locally impose a virtual mechanical impedance to the structure, using a decentralized controller. This virtual mechanical impedance is computed in order to minimise the radiated acoustic power. The challenging problem is then to find the local control to impose on each independent devices that minimizes the global acoustic radiation of the structure. The proposed approach consists in two steps : (1) the matrix of optimal virtual mechanical impedance is calculated by measuring the primary disturbance and the transfer functions between actuators and structural / acoustic sensors, (2) the virtual mechanical impedance objective is achieved using a real-time integral controller. Special focus is put on the discussion about such control approach versus a classical active damping strategy were the virtual mechanical impedance is defined as real positive. Considering that optimal control is computed during the first step for a given primary disturbance, the robustness of the method to variations of the primary disturbance between step 1 and step 2 is discussed. Theoretical and experimental results are compared in the case of a simply supported thin aluminum plate and a primary disturbance under the form of an incident plane wave. Then, the method is implemented on a curved composite aircraft panel comprising a window. Unlike most of previous studies where dissipative virtual mechanical impedance are imposed, it clearly appears that optimal control can require energy injection from the control units into the structure.

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…).

Le travail présenté est une analyse critique des éléments finis poroélastiques basés sur la théorie de Biot, permettant la simulation du comportement vibroacoustique des matériaux poreux à squelette déformable (mousses polymères, en particulier). Dans un premier temps, une étude de convergence montre que les critères de maillage, habituellement utilisés pour les éléments monophasiques, s'appliquent eu égard aux longueurs d'onde de Biot, mais restent insuffisants pour des applications tridimensionnelles. Une deuxième partie est consacrée à la validation expérimentale. Une attention particulière est portée sur la caractérisation expérimentale des matériaux. La première validation concerne la mesure d'impédance en conduit d'un échantillon résonnant. Différentes conditions aux limites sont réalisées afin de tester la validité des lois de comportement isotrope ou isotrope transverse pour le squelette. La deuxième validation porte sur la vibration d'une plaque amortie par collage d'une couche poreuse. Bien que les tendances soient bonnes, la difficulté à caractériser le comportement mécanique du squelette est mise en relief. Dans la dernière partie, on s'intéresse à l'analyse du comportement des matériaux poroélastiques. Un calcul de la répartition des puissances dissipées et réactives est développé à partir de la formulation par éléments finis. Appliqué au cas d'une couche poreuse collée à une plaque, il permet de montrer l'importance de la dissipation due à la viscoélasticité du squelette. Un modèle de plaque équivalente, considérant la couche poreuse comme un milieu viscoélastique, sujet au cisaillement, a été développé. Les bons résultats obtenus permettent un allégement conséquent des calculs en ce qui concerne le comportement vibratoire de cette structure.