Contrôle électro-actif des bornes pour l'atténuation du bruit : stratégies locales et d’advection

Electro-active boundary control for noise mitigation : local and advective strategie

• Auteur / Autrice : Emanuele De Bono
• Direction : Manuel Collet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 29/06/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Annick Galland
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Manuel Collet, Gérard Scorletti, Emeline Reboul, Emmanuel Gourdon, Romain Fleury
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Aurégan, Alain Berry

Mots clés

Mots clés libres

Contrôle actif du bruit

Contrôle d'impédance

Absorbeur non linéaire

Métamatériaux actifs

Non-réciprocité acoustique

Active noise control

Impedance control

Non-linear absorber

Active metamaterials

Acoustic non-reciprocity

Résumé

Le traitement aux bornes pour l'atténuation du bruit a longtemps été ciblé par les stratégies de contrôle du bruit. Les applications vont du confort sonore des bâtiments et des véhicules au réduction plus pénible du bruit émis par les moteurs d'avions. D'une part, les matériaux absorbants passifs ne sont pas affectés par des problèmes de stabilité mais sont généralement volumineux et pas très performant dans des bandes suffisamment larges dans la gamme des basses fréquences. D'autre part, les systèmes classiques de contrôle actif du bruit sont fortement influencés par la modification des environnements acoustiques externes, tels que les modifications du mobilier d'une pièce, ou la variation de la vitesse et de l'angle d'incidence dans une nacelle d'avion. Dans cette perspective, la stratégie de contrôle d'impédance offre un moyen efficace pour assurer la stabilité indépendamment de l'environnement acoustique. Dans cette thèse, le concept de contrôle d'impédance est approfondi et élargi. Le premier chapitre est une introduction au problème théorique du traitement aux bornes et à l'état de l'art des technologies existantes (à la fois passives et actives). Cette introduction aide à comprendre soit les limites soit les espaces pour améliorer. Une attention particulière est accordée au problème d'atténuation du bruit par traitement aux bornes des parois d'un guide d'ondes acoustique, vu que l'objectif industriel de cette thèse est de proposer une solution alternative aux liners pour les nouvelles générations de turboréacteurs à ultra-grand taux de dilution (UHBR). Le deuxième chapitre analyse les potentialités de la technique de contrôle d'impédance pilotée par le courant et basée sur la pression pour surmonter les limites des matériaux absorbants passifs. Les contraintes de stabilité d'un tel contrôle d'impédance sont étudiées analytiquement, numériquement et expérimentalement, en particulier en ce qui concerne l'inévitable retard, et une solution pratique pour élargir les marges de stabilité est fournie. Le chapitre se termine par deux perspectives qui élargissent telle technique de contrôle d'impédance: l'approcheH1 de synthèse de contrôle automatique, et une implémentation en temps réel innovante qui permet d'atteindre comportement non linéaire réglable de l'absorbeur à faibles amplitudes de l'excitation. Le troisième chapitre traite d'un contrôle aux bornes non locales capables d'améliorer les performances d'isolation par rapport à la commande d'impédance (locale), et d'obtenir une propagation non réciproque dans des milieux guidés. Une telle stratégie est un élargissement du contrôle d'impédance classique, avec convection de la réaction de surface dans une direction prescrite le long de la frontière elle-même. Des outils analytiques, ainsi que des simulations numériques sont développés pour caractériser pleinement les performances et limites d'un tel concept de contrôle de frontière. Enfin, des tests expérimentaux valident son caractère non-réciproque, ses capacités d'isolation élevées, ainsi que ses contraintes de stabilité.

Boundary treatment for noise mitigation has long been targeted by both passive and active noise control strategies. Applications range from building and vehicle sound comfort, to the more challenging reduction of the noise radiated from aircraft engines. On the one hand the passive absorbing materials are not affected by stability problems but are usually bulky and not much performant in sufficiently large bandwidths in the low-frequency range. On the other hand, classical active noise control systems are very much affected by modification of the external acoustic environments, such as changes in the furniture of a room, or variation of the flow-speed and incident angle in an aircraft nacelle. In this perspective, the impedance control strategy provides an efficient way to assure stability independently from the external acoustic environment. In this thesis, the impedance control concept is deeply investigated and enlarged. The first chapter is an introduction on the boundary treatment theoretical problem and state-of-art technologies (both passive and active). This introduction helps in the understanding of both limitations and spaces for improvements. Special attention is given to the problem of noise attenuation by boundary treatment of the parietal walls of an acoustic waveguide, as the industrial objective of this thesis is to provide an alternative solution to liners for the new generation of ultra-high-bypass-ratio (UHBR) turbofans. The second chapter analyses the potentialities of the pressure-based, current-driven impedance control technique to overcome the passive absorbing material limitations. The stability constraints of such impedance control are investigated analytically, numerically and experimentally, especially with respect to the inevitable time delay, and a practical solution to enlarge the stability margins is provided. The chapter ends with two broadening perspectives for such impedance control technique: theH1 automatic control synthesis approach, and a real-time innovative implementation featuring tunable non-linear behaviour of the absorber at low excitation amplitudes. The third chapter deals with a non-local boundary control capable of enhancing the isolation performances of the (local) impedance control, and of achieving non-reciprocal propagation in guided media. Such strategy is an enlargement of the classical impedance control, featuring convection of the surface reaction in a prescribed direction along the boundary itself. Analytical tools, along with numerical simulations are developed to fully characterize both performances and limitations of such boundary control concept. Finally, experimental tests validate its nonreciprocal character, its high isolation capabilities, as well as its stability constraints.