Etude théorique et expérimentale de l'impédance acoustique de matériaux en présence d'un écoulement d'air tangentiel

• Auteur / Autrice : Cécile Malmary
• Direction : Jean Kergomard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance en 2000
• Etablissement(s) : Le Mans

Mots clés

Mots clés contrôlés

Son -- Propagation

Son -- Mesure

Isolants acoustiques

Impédance acoustique

Acoustique

Résumé

Une croissance durable du transport aérien ne sera possible que si les nuisances sonores autour des aéroports, occasionnées par les mouvements d'avions, sont considérablement réduites. Parmi les émissions acoustiques issues de l'avion, le bruit des moteurs et particulièrement le bruit de soufflante est une source prépondérante. Pour réduire ce bruit, l'intérieur de la nacelle est tapissé de matériaux absorbants constitués d'un couche mince (de-type plaque perforée) collée sur des cavités d'air cloisonnées. Le travail de la thèse consiste à étudier, théoriquement et expérimentalement, les propriétés de l'impédance acoustique spécifique de ce type de matériaux, en présence d'un écoulement d'air tangentiel à leur surface, de vitesse représentative de l'environnement dans la nacelle (240 m/s). Une étude bibliographique montre les propriétés de l'impédance d'orifices, de plaques perforées et de tissus métalliques en fonction de la fréquence de l'onde sonore à laquelle ils sont soumis (modèle linéaire), del'amplitude de la vitesse acoustique (modèle non linéaire) et des caractéristiques de l'écoulement d'air. Ces propriétés sont principalement quantifiées par des formules semi- ou totalement empiriques, qui diffèrent selon le dispositif expérimental utilisé et sont spécifiques aux types de couches testées. Une étude expérimentale s'avère donc nécessaire. La majeure partie du travail a consisté en la mise au point d'un banc mesurant l'impédance des couches minces en présence d'écoulement d'air tangentiel, à de forts niveaux sonores. La méthode de mesure choisie est basée sur la technique dite des ''deux microphones''. Plusieurs méthodes de déduction de l'impédance sont développées et comparées selon cette technique, utilisant une sonde microphonique mobile ou deux microphones classiques fixes. Un échantillon de couche et les capteurs sont placés dans un conduit avec écoulement, dont la vitesse peut atteindre 240 m/s. Des mesures sur une tôle perforée ''test'' sont comparées aux résultats donnés par un système sans écoulement et à des modèles. La méthode utilisant deux microphones fixes donne des résultats en bon accord avec un modèle empirique de la littérature : en fonction de la vitesse d'air, la résistance de la tôle perforée augmente et la réactance diminue. Les mesures sont effectuées jusqu'à Mach 0,6 et montrent que les lois empiriques d'évolution de l'impédance ne sont pas modifiées à de faibles (< 0,2) ou de forts (> 0,2) nombres de Mach. Les tests sur un matériau de type ''tôle perforée 4- tissu métallique'' présentent comme attendu une plus faible sensibilité de l'impédance à la vitesse acoustique et à la vitesse de l'écoulement. Parallèlement à ce travail expérimenta], un code de calcul analytique est développé pour modéliser la pression acoustique dans le conduit, en présence d'écoulement uniforme. La sonde mobile permet une exploration de la pression sur une section du conduit. Sans écoulement d'air, la comparaison entre ces mesures et le modèle est satisfaisante. En présence d'écoulement, les différences observées peuvent être expliquées par le fait que le profil de l'écoulement (de type turbulent) n'est pas pris en compte dans le modèle.

Lasting increasing of air traffic will only be feasible if noise pollution near airports, due to aircraft flyover, is significantly reduced. Among acoustic emissions from the aircraft, engine noise, and particularly fan noise, is a preponderant source. In order to reduce this noise, the nacelle is lined with absorbing materials made of a thin layer (such as perforated plate) bounded to partitioned air cavities. The thesis work consists in studying, experimentally and theoretically, specifie acoustic impedance properties of these materials, with a tangential air flow whose speed is representative of the nacelle environment (240 m/s). A bibliographic study shows impedance properties of orifices, perforated plates and wire-mesh as a function of acoustic wave frequency (linear model), acoustic velocity (non linear modei) and air flow characteristics. This properties are mainly quantified by semi or totally empirical formulas, which depend on the experimental set-up and are specific for each type of tested layer. An experimental study is then required. Most of the present work consisted in developing a set-up of thin layers impedance measurement with tangential air flow, at high sound pressure levels. The chosen measurement method is based on the so-called ''two-microphones'' technique. Several impedance deduction methods are developed and compared according to this technique, ueing a mobile microphonic probe or two fixed classic microphones. A layer sample and the transducers are placed in a duct flow in which air fiow speed reaches 240 m/s. Measurements on a ''test'' perforated plate are compared to no-flow set-up results and models. The fixed microphones method shows good agreement with an empirical model from litterature : perforated plate resistance increases and reactance decreases as a function of air flow speed. Measurements are performed up to Mach 0. 6 and show that empirical laws of impedance evolution are not modified at low (< 0. 2) or high (> 0-2) Mach numbers. Tests on a ''perforated plate + wire-mesh'' material show as expected a lower sensibility of impedance as a function of acoustic velocity and air flow speed. In addition to this experimental work, an analytical code is developed in order to predict acoustic pressure in the duct with uniform flow. The mobile probe allows pressure exploration on a section of the duct. Without flow, comparison between these measurements and the model is satisfactory. With flow, the observed differences may be explained by the fact that the flow profile (turbulent) is not taken into account in the model.