Les mousses de polyuréthane (PU) hautement poreuses sont largement utilisées dans différentes
industries pour dissiper l’énergie des ondes sonores et vibratoires. La propagation
des ondes acoustiques dans ces matériaux poroélastiques est décrite à partir d’un ensemble
de paramètres physiques connus sous le nom de paramètres de Biot (pour les matériaux
isotropes, ils sont composés de 5 paramètres non acoustiques et de 4 paramètres mécaniques).
Il est bien connu que les propriétés macroscopiques dépendent intrinsèquement
des propriétés de la microstructure de la mousse. Ainsi, une compréhension claire des corrélations
entre la structure interne des mousses de PU et leurs paramètres de Biot ainsi
que la contribution de chaque paramètre, soit microscopique ou macroscopique, sur l’indicateur
vibroacoustique désiré est d’un intérêt majeur au stade précoce de la conception et
de l’optimisation de ces matériaux poroélastiques. Le développement d’un modèle micromacro
qui corrèle les propriétés de la microstructure aux paramètres macroscopiques de
Biot est donc nécessaire.
Récemment, un modèle qui corrèle les propriétés de la microstructure des mousses PU
hautement poreuses à leurs propriétés non acoustiques a été présenté par Doutres et coll.
[24, 25]. Dans cette étude, les propriétés de la microstructure (dimensions de la cellule et
taux de réticulation) sont d’abord caractérisées par un microscope électronique à balayage
(SEM). Ensuite, l’effet du taux de réticulation (mesurant le pourcentage de fenêtres ouvertes),
de la taille des cellules et de la densité relative sur les propriétés mécaniques de
la mousse de polyuréthane a été élucidé à l’aide d’un modèle numérique. Se basant sur
ce modèle, un modelé analytique existant, qui corrèle les propriétés de la microstructure
de mousses PU entièrement réticulées à ses propriétés mécaniques, a été revu et corrigé
pour tenir compte de l’effet important du taux de réticulation. En combinant le modèle
de Doutres avec le modèle mécanique développé dans cette thèse, un modèle micro-macro
complet est ainsi obtenu. Utilisant ce modèle, l’impact de la variabilité de la microstructure
et la contribution de chacun des paramètres microstructuraux à la réponse vibroacoustique
ont été étudiés utilisant une méthode d’analyse de sensibilité globale (FAST). La méthode
FAST a été utilisée pour identifier l’impact de la microstructure sur, premièrement, les
paramètres de Biot-Allard et, deuxièmement, sur les indicateurs vibroacoustiques (absorption
et perte par transmission) des mousses de polyuréthane poroélastiques. Une fois les
modèles micro-macro et la contribution des propriétés de la microstructure connus, la
performance vibroacoustique de la mousse a été optimisée. Ainsi nous avons testé numériquement
la performance acoustique de mousses homogènes et de mousses graduellement
structurées (variation de propriétés suivant l’épaisseur de la mousse). Cette étude ouvre
ainsi de nouvelles portes pour concevoir des mousses PU innovantes avec une microstructure
modifiée et des performances vibroacoustique améliorées. / Abstract : Highly porous polyurethane (PU) foams are widely used in different industries to dissipate the energy of sound and vibration waves. Propagation of acoustic waves in such poroelastic materials is explained based on a set of physical parameters known as the Biot's parameters (for isotropic materials these are comprised of 5 non-acoustical parameters and 4 mechanical parameters). These macroscopic properties are inherently dependent on the microstructure properties of the foam. Hence, a clear understanding of correlations between the internal structure of PU foams and their Biot's parameters and the contribution of each parameter, either microscopic or macroscopic, to classical vibro-acoustic indicators is of utmost interest at the early stage of design and optimization of such poroelastic materials. In consequence, a micro macro model that correlates microstructure properties to macroscopic Biot's parameters is needed.
Recently, a model that correlates the microstructure properties of highly porous PU foams to their non-acoustical properties was presented by~\citet{Doutres2011,Doutres2013}. In this study, micro-structure properties (strut length, strut thickness, and open pore content) are first characterized using a Scanning Electron Microscope (SEM). Then, a numerical study is performed to elucidate the effect of open pore content (known as reticulation rate), cell size, and relative density on the mechanical properties of polyurethane foam. Based on this study, an existing analytical model~\cite{Gong2005} that correlates fully reticulated unit cell microstructure properties of PU foams to its mechanical properties is corrected and updated to account for these important parameters. Combined with Doutres’ model, the proposed extension lead to a full micro-macro model for predicting the acoustic performance of PU foams from its microstructure. Using this model, the contribution of the unit cell parameters and effect of their variability on classical vibro-acoustic indicators (absorption and transmission loss) is investigated using a global sensitivity analysis method (FAST). The FAST method is used to identify the impact of microstructure role on, first, the Biot-Allard parameters and, second, on vibro-acoustical indicators of poroelastic polyurethane foams. Based on this sensitivity analysis study, the developed micro-macro model, is used to design both optimum homogeneous foam and functionally graded foams (properties optimally varnish along the thickness of the foam) targeting specific in absorption and/or transmission loss problems. This study opens thus a new door to design innovative PU foams with modified micro-structure and improved vibro-acoustical performance.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usherbrooke.ca/oai:savoirs.usherbrooke.ca:11143/10532 |
| Date | January 2017 |
| Creators | Gholami, Mohammad Sadegh |
| Contributors | Atalla, Noureddine |
| Publisher | Université de Sherbrooke |
| Source Sets | Université de Sherbrooke |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Thèse |
| Rights | © Mohammad Sadegh Gholami |
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