Métamatériaux pour l'isolation vibroacoustique

Metamaterials for vibroacoustic insulation

• Auteur / Autrice : Natacha Aberkane-Gauthier
• Direction : Charles Pézerat, Vicente Romero-Garcia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 20/10/2023
• Etablissement(s) : Le Mans
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'acoustique de l'Université du Mans - Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Mans / LAUM
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Totaro
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emeline Reboul, Manuel Collet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Totaro, Philippe Roux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes élastiques -- Propagation

Contrôle actif du bruit et des vibrations

Ondes kilométriques

Isolation acoustique

Métamatériaux

Mots clés libres

Transmission Loss

Vibroacoustique

Milieu périodique

Isolation

Matériau souple

Transmission Loss

Vibroacoustics

Periodic medium

Insulation

Soft material

Résumé

L'allègement des structures et la limitation de leur encombrement représentent des enjeux industriels majeurs. Obtenir une performance d'isolation acoustique et vibroacoustique basse fréquence et large bande représente un défi dans ce contexte. Les solutions classiques sont limitées par la loi de masse en basse fréquence et les niveaux d'isolation requis par les problématiques industrielles ne peuvent être atteints. Il est ainsi proposé de créer une solution basée sur la technologie des métamatériaux, qui ont la capacité de contrôler la propagation d'ondes de grandes longueur par rapport aux dimensions du traitement. Un métamatériau composé d'un panneau solide élastique souple dans lequel se trouve un réseau périodique unidimensionnel d'inclusions est présenté. L'utilisation d'un milieu souple permet de limiter les vitesses de propagation des ondes élastiques et de diminuer les fréquences traitées. Le métamatériau proposé permet d'obtenir une bande interdite de propagation élastique absolue ainsi qu'un phénomène d'interférence destructive entre deux modes élastiques du système, dont le mode de corps rigide. Cette combinaison d'effets permet de limiter considérablement le rayonnement acoustique et d'obtenir une isolation basse fréquence avec un système de dimensions lambda /38 par rapport à l'onde acoustique dans l'air. Lorsque le métamatériau est couplé à une plaque rayonnante, une bande interdite vibroacoustique est mise en évidence grâce à un outil de lecture des diagrammes de bande d'un point de vue vibroacoustique développé et proposé dans ces travaux. L'interférence destructive existe toujours, entre un mode de dilatation et un mode lié à la périodicité. L'introduction de la plaque permet également de bénéficier d'un découplage vibratoire permettant de surpasser la loi de masse sur toute la gamme de fréquences étudiée. Ce système est efficace sous incidence d'un champ diffus et sous incidence de couche limite turbulente. Cette thèse présente une étude du comportement physique de ce métamatériau à l'aide de la méthode des éléments finis et de validations expérimentales.

Lightening structures and limiting their size is a main industrial concern. Obtaining high vibroacoustic insulation performance on a broadband and low frequency range is challenging in this context. Commonly used treatments performances are limited by the mass law in the low frequency range and the insulation levels required to solve industrial problems can not be reached. It is proposed to create a solution using metamaterials, which can control the propagation of waves with a wavelength superior to the size of the treatment. A metamaterial composed of a soft elastic panel with a undimensional periodic array of inclusions embedded in is presented. Using a soft elastic medium limits the velocity of the elastic waves and lowers the frequencies that can be treated. The proposed metamaterial presents an absolute band-gap for elastic waves propagation along with a destructive interference phenomenon between two elastic modes of the system, including the rigid body mode. This combination of effects considerably reduces the acoustic radiation and leads to great insulation performance in the low frequency domain with a system of dimensions lambda /38 compared to the acoustic wavelength in air. When this metamaterial is coupled to a radiating plate, a vibroacoustic band-gap is obtained and presented thanks to a numeric tool developed here. This tool allows the reading of the band-diagrams from a vibroacoustic point of view. The destructive interference phenomenon still exists and involves a dilatational mode and a periodicity-related mode. Adding the plate also introduces a vibrational decoupling allowing to overcome the mass law on the whole studied frequency range. This system is shown to be efficient under both acoustic diffuse field and turbulent boundary layer incidences. This thesis presents the physical behavior of this metamaterial thanks to the finite elements approach and experimental validations.