On the multi-scale vibroacoustic behavior of multi-layer core topology systems

par Nassardin Guenfoud

Thèse de doctorat en Génie mécanique

Sous la direction de Mohamed Ichchou, Olivier Bareille et de Wim Desmet.

Le président du jury était Noureddine Atalla.

Le jury était composé de Mohamed Ichchou, Olivier Bareille, Wim Desmet, Abdel Malek Zine, Elke Deckers.

Les rapporteurs étaient Elisabetta Manconi, Francesco Franco.

  • Titre traduit

    Etude du comportement vibroacoustique multi-échelle des structures multicœur en nid d’abeille


  • Résumé

    Les panneaux sandwichs en nid d'abeille ont fait l'objet d'intenses recherches ces dernières décennies. En effet, outre leurs bonnes performances mécaniques et leur rapport rigidité poids faible, il en résulte une baisse importante des propriétés acoustiques. Ainsi, de nombreux designs sont régulièrement proposés afin de palier à cette problématique. En parallèle, différents modèles sont développés afin de modéliser des structures de plus en plus complexes, en utilisant notamment les propriétés périodiques dans le but d’étudier la propagation des ondes. Cette dernière permet une étude approfondie des paramètres vibro-acoustique de la structure. Cette thèse se propose d'étudier des panneaux sandwichs dont le cœur est constitué d'un empilement de nids d'abeille. L'empilement est effectué sans peau intermédiaire, ce qui mène à une rupture d'impédance due aux surfaces de contacts entre les couches. De plus, une telle structure permet d'augmenter l'espace de design jusque-là limité par les structures standard composées d'un unique cœur. Il est alors possible d'obtenir de nombreuses configurations sans altérer la masse, grâce notamment à des décalages entre les couches. Un modèle paramétrique est proposé afin de permettre l'extraction d'une cellule unitaire à travers l'épaisseur du panneau et donc d'appliquer les propriétés périodiques. La modélisation des structures multicouches en nid d'abeille est effectuée via le modèle éléments finis de la cellule unitaire et l'extension d'un modèle existant afin d'obtenir les propriétés en transmission acoustique. L'étude se focalise alors sur les phénomènes de fréquences de transition, de transmission sonore ainsi que les phénomènes de couplage d'ondes et de résonances internes, pour finir avec une optimisation des paramètres géométriques et l'étude de l'influence de ces derniers sur les performances mécaniques et acoustique de la structure. Bien que les propriétés mécaniques lors d'un chargement en compression orthogonal au plan du nid d'abeille se révèlent diminuées dans le cas des structures multicœur, il est possible d'augmenter fortement leurs propriétés en compression dans le plan du cœur. Celles-ci sont étudiées via la comparaison d'une structure multicœur en nid d'abeille hexagonal avec une structure standard. Finalement, ces travaux de thèse se terminent par une étude de l'absorption acoustique avec notamment l’ajout de perforations sur les peaux supérieurs de la structure et l'effet thermo-visqueux qui se produit dans le cœur. En effet, il est possible d'augmenter la dissipation d'énergie de l'onde acoustique en modifiant la géométrie du nid d'abeille de chaque couche, et donc d'agir sur le coefficient d'absorption. Le parallèle est effectué avec les structures poreuses et les paramètres de Jhonson-Champoux-Allard sont calculés pour caractériser l’écoulement du fluide acoustique ainsi que pour alimenter le modèle.Une forte augmentation de la transmission acoustique est obtenue sur l'ensemble de la plage de fréquence étudiée ainsi qu'une amélioration des performances en absorption. Toutefois, cela entraîne la diminution des propriétés mécanique dont le module de compression ainsi que la rigidité dynamique.


  • Résumé

    In this last decades, honeycomb sandwich panels have been the subject of intensive researches. Indeed, their high mechanical performances combined to a low stiffness to weight ratio result in a reduced acoustic efficiency. Therefore, many designs are usually proposed to overcome this issue. Besides, different methods are developed to model more complex structures using the periodic structure theory to study the wave propagation allowing to investigate the vibroacoustic parameters. The main purpose of this thesis is to investigate the vibroacoustic multi-scale behavior of multi-layer core topology systems which consist on stacking layers of honeycomb cores leading to an impedance mismatch between layers. In addition, such structures allow to increase the design space up to now limited to standard sandwich panels made of a single honeycomb core. Therefore, it is possible to obtain many configurations keeping the mass constant with simple shifting process between layers. A parametric model is proposed allowing to extract the unit cell through the thickness of the panel and to apply the periodic structure theory. Modelling multi-layer core topology systems has been performed using the wave finite element method, and an extended method has been proposed to solve the acoustic transmission problem. The study is focused on transition frequencies, the sound transmission loss as well as veering effects and internal resonances, to finally optimize the geometrical parameters and to analyze their influence on the acoustical and mechanical performances of the structure. Although the out-of-plane compression properties of multi-layer core topology systems are reduced, it is possible to strongly improve the in-plane compression properties. These later are studied by comparing a multi-layer hexagonal core and a standard single hexagonal core. Finally, using multi-layer core topology systems and a perforated upper skin, it is possible to increase the energy dissipation occurring inside the core and thus, improve the sound absorption coefficient. Therefore, the thermo-viscous effect is considered. The acoustic behavior is similar to porous media and the Johnson-Champoux-Allard parameters are retrieved to characterize the acoustic fluid flow.An improvement of the sound transmission loss and the sound absorption coefficient is obtained in a broadband frequency and the obtained resonance frequencies can be modified. However, this leads to lower mechanical properties especially the compression modulus and the dynamic rigidity.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 20-02-2021


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Informations

  • Sous le titre : On the multi-scale vibroacoustic behavior of multi-layer core topology systems
  • Détails : 1 vol. (xviii-154 p.)
  • Notes : Thèse soutenue en co-tutelle.
  • Annexes : Bibliogr. p. 137-154
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