Les mousses adaptives pour l'amélioration de l'absorption acoustique : modélisation, mise en oeuvre, mécanismes de contrôle

• Main Author: Leroy, Pierre
• Other Authors: Berry, Alain
• Language: French
• Published: Université de Sherbrooke 2008
• Online Access: http://savoirs.usherbrooke.ca/handle/11143/1840

L'objectif de cette thèse est de mener une étude approfondie du concept de mousse adaptative ou "smart foam", et d'en dégager les mécanismes physiques et les limitations technologiques pour le contrôle de l'absorption acoustique. Une mousse adaptative est la réunion d'un matériau absorbant et d'un actionneur permettant de compléter le manque d'efficacité de ce matériau dans les basses fréquences. Le matériau absorbant ici est une mousse de mélamine et l'actionneur est un film piézoélectrique de PVDF. Un modèle éléments finis 3D couplant les domaines poroélastiques, acoustiques, élastiques et piézoélectriques a été proposé. Le modèle utilise des éléments quadratiques volumiques et surfaciques. La formulation en déplacement et pression dite (u,p) améliorée est utilisée pour le domaine poroélastique. Un élément poreux orthotrope est proposé. Le bilan de puissance dans le poreux est établi. C'est un outil performant et général permettant la modélisation de toutes configurations hybrides faisant intervenir des domaines poroélastiques et piézoélectriques. Trois prototypes de mousse adaptative (smart foam) ont été réalisés dans le but de valider le modèle numérique et de mettre en place le contrôle actif expérimental. La comparaison des calculs numériques et des mesures expérimentales démontre la validité du modèle pour les aspects passifs, pour le comportement de transducteur et aussi pour les aspects de contrôle. Le contrôle actif de l'absorption acoustique est réalisé en incidence normale avec l'hypothèse d'onde plane sur la plage de fréquence [0-1500Hz]. Le critère de minimisation est la pression réfléchie mesurée par un microphone unidirectionnel. Trois cas de contrôle ont été testés : contrôle en boucle ouverte avec une somme de fréquences pures, contrôle adaptatif avec l'algorithme nFX-LMS pour une fréquence pure et pour un bruit aléatoire large bande. Les résultats font apparaître la possibilité d'absorber une pression de 1Pa à 100Hz avec 100V et un bruit large bande de 94dB avec une centaine de Vrms à partir de 250Hz. Ces résultats ont été obtenus avec un prototype de mousse adaptative ayant une épaisseur moyenne de 4cm. La capacité de contrôle des prototypes est directement reliée à leur débit acoustique. Un frein important au contrôle large bande provient du fort niveau de distorsion des prototypes dans le bas (<500Hz) et le haut (<1500Hz) du spectre de fréquences. L'utilisation du modèle numérique, complété par une étude analytique a permis de mettre en lumière le mode d'action et les mécanismes de dissipation dans la mousse adaptative. Le PVDF se déplace en phase et avec la même amplitude que l'onde incidente résiduelle qui n'est pas dissipée dans le poreux. La dissipation par effet visqueux est alors très faible dans les basses fréquences (<500.Hz) et redevient plus importante vers les fréquences plus hautes (>1000Hz). L'onde qui n'a pas été dissipée dans le poreux est transmise par le PVDF dans la cavité arrière. Les perspectives à donner à cette étude sont d'une part l'amélioration du modèle et des prototypes et d'autre part l'élargissement du champ de recherche au contrôle de la transmission et du rayonnement acoustique des surfaces. Le modèle pourrait être amélioré en intégrant des éléments viscoélastiques capables de rendre compte du comportement de la couche adhésive entre le PVDF et la mousse. II faudrait aussi intégrer des éléments pouvant modéliser le comportement des matériaux électro-élastomères. Ce nouveau type d'actionneur pourrait permettre de dépasser les limitations en amplitude de déplacement du PVDF. Enfin il serait intéressant pour les perspectives d'intégration industrielle de rechercher des configurations capables à la fois de maximiser l'absorption acoustique et de limiter la transmission et le rayonnement des surfaces.||The objective of this thesis is to conduct a thorough numerical and experimental analysis of the smart foam concept, in order to highlight the physical mechanisms and the technological limitations for the control of acoustic absorption. A smart foam is made of an absorbing material with an embedded able to complete the lack of effectiveness of this material in the low frequencies (<500Hz). In this study, the absorbing material is a melamine foam and the actuator is a piezoelectric film of PVDF. A 3D finite element model coupling poroelastic, acoustic, elastic and piezoelectric fields is proposed. The model uses volume and surface quadratic elements. The improved formulation (u,p) is used. An orthotropic porous element is proposed. The power balance in the porous media is established. This model is a powerful and general tool allowing the modeling of all hybrid configurations using poroelastic and piezoelectric fields. Three smart foams prototypes have been built with the aim of validating the numerical model and setting up experimental active control. The comparison of numerical calculations and experimental measurements shows the validity of the model for passive aspects, transducer behaviors and also for control configuration. The active control of acoustic absorption is carried out in normal incidence with the assumption of plane wave in the frequency range [0- 1500Hz]. The criterion of minimization is the reflected pressure measured by an unidirectional microphone. Three control cases were tested: offline control with a sum of pure tones, adaptative control with the nFX-LMS algorithm for a pure tone and for a random broad band noise. The results reveal the possibility of absorbing a pressure of 1Pa at 100Hz with 100V and a broad band noise of 94dB with a hundred Vrms starting from 250Hz. These results have been obtained with a mean foam thickness of 4cm. The control ability of the prototypes is directly connected to the acoustic flow. An important limitation for the broad band control comes from the high distorsion level through the system in the low and high frequency range (<500Hz, > 1500Hz). The use of the numerical model, supplemented by an analytical study made it possible to clarify the action mode and the dissipation mechanisms in smart foams. The PVDF moves with the same phase and amplitude of the residual incidental pressure which is not dissipated in the foam. Viscous effect dissipation is then very weak in the low frequencies and becomes more important in the high frequencies. The wave which was not been dissipated in the porous material is transmitted by the PVDF in the back cavity. The outlooks of this study are on the one hand, the improvement of the model and the prototypes and on the other hand, the widening of the field of research to the control of the acoustic transmission and the acoustic radiation of surfaces. The model could be improved by integrating viscoelastic elements able to account for the behavior of the adhesive layer between the PVDF and foam. A modelisation of electro-elastomers materials would also have to be implemented in the code. This new type of actuator could make it possible to exceed the PVDF displacement limitations. Finally it would be interesting for the industrial integration prospects to seek configurations able to maximize acoustic absorption and to limit the transmission and the radiation of surfaces at the same time.