Principe de la modélisation vibroacoustique soustractive et application à la prédiction du rayonnement acoustique de coques cylindriques immergées partiellement revêtues

Principle of vibroacoustic subtractive modelling and application to the prediction of the acoustic radiation of partially coated submerged cylindrical shells

• Auteur / Autrice : Florent Dumortier
• Direction : Laurent Maxit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 30/11/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LVA - Laboratoire Vibrations Acoustique (Lyon, INSA) - Laboratoire Vibrations Acoustique / LVA
• Jury : Président / Présidente : Morvan Ouisse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Maxit, Morvan Ouisse, Oriol Guasch i Fortuny, Nicole Kessissoglou, Christian Audoly, Valentin Meyer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Oriol Guasch i Fortuny, Nicole Kessissoglou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Coques (ingénierie)

Émission acoustique

Acoustique sous-marine

Génie acoustique

Mots clés libres

Acoustique sous-Marine

Modélisation

Acoustique

Coque cylindrique

Revêtement acoustique

Sous-Structuration

Découplage

Rayonnement acoustique

Underwater Acoustics

Modelisation

Acoustic

Cylindrical shell

Acoustic coating

Substructuring

Decoupling

Acoustic radiation

Résumé

La recherche sur le comportement vibroacoustique des coques cylindriques est d'un grand intérêt dans un contexte industriel, pour ses applications dans les domaines naval et aéronautique. Afin de limiter le bruit rayonné et diffusé par les coques, et dans un contexte de grande nécessité de furtivité acoustique et de discrétion des navires sous-marins, des revêtements peuvent être appliqués sur la surface de la coque. Les revêtements que l'on peut trouver sur des structures sous-marines sont des matériaux viscoélastiques que l'on peut généralement séparer en deux grandes catégories. D'un côté, les matériaux de masquage permettent d'isoler la coque résistante du milieu environnant, servant ainsi de protection face aux sonars passifs. D'un autre côté, les matériaux anéchoïques ont pour but de protéger le sous-marin face aux sonars actifs en limitant au maximum la réflexion des ondes provenant de l'extérieur. Si l'on peut trouver dans la littérature de nombreuses recherches s'intéressant aux coques cylindriques entièrement revêtues, peu de travaux ont été effectués sur les coques partiellement revêtues. Modéliser le comportement vibroacoustique de telles structures pourrait s'avérer utile afin de prédire l'impact des zones de revêtement manquantes, ou pour étudier des coques cylindriques présentant plusieurs types de revêtement différents. Par rapport à une coque entièrement revêtue, la perte de l'axisymétrie induite par le revêtement partiel entraîne un couplage des ordres circonférentiels de la coque en eau, ce qui conduit à des calculs très lourds limitant la possibilité d'utiliser les méthodes numériques classiques, tout en rendant impossible l'application des méthodes semi-analytiques usuellement utilisées pour étudier les coques cylindriques. Dans cette thèse, une approche de modélisation soustractive est développée afin de remédier à ce problème. Elle se base sur une formulation inversée de la méthode des fonctions de transfert condensées (CTF, Condensed Transfer Function), une approche de sous-structuration ayant déjà montré sa capacité pour étudier et modéliser des systèmes vibroacoustiques complexes. Grâce à cette approche de modélisation soustractive, une coque cylindrique partiellement revêtue pourrait être modélisée en partant d'un modèle de la coque cylindrique intégralement revêtue, auquel on enlèverait un modèle de la partie manquante du revêtement. Les principes théoriques de la méthode sont dans un premier temps explorés sur des problèmes 1-D et 3-D, avant d'être appliqués à des cas tests permettant d'évaluer l'efficacité et la précision de la méthode. Des erreurs numériques sont ensuite introduites afin d'évaluer la sensibilité de la méthode aux erreurs de modèle. Enfin, l'approche de modélisation soustractive est appliquée au cas d'intérêt initial, correspondant à la coque cylindrique partiellement revêtue.

Modelling the vibroacoustic behavior of submerged cylindrical shells has been a challenging issue for the last decades in the naval industry. The application of viscoelastic coatings on submarine hulls allows reducing the noise radiated and scattered by the shell and is thus of paramount importance for their acoustic furtivity. These coatings can generally be decomposed into two categories. Decoupling coatings isolate the hull from the surrounding medium and reduce the radiated noise, serving as a protection against passive sonars, while anechoic coatings serve as a protection against active sonars by reducing the acoustic scattering from the hull. If fully coated cylindrical shells have been intensively studied in the literature, few works can be found on partially coated cylindrical shells. Modelling the vibroacoustic behavior of such structures may be useful for predicting the impact of missing coating tiles, or for studying cylindrical shells with several kinds of coatings. Compared to fully coated cylindrical shells, partial coating induces a coupling of the circumferential orders of the submerged shell, leading to prohibitive calculation costs for numerical methods and the impossibility of applying classical semi-analytical methods. In this work, a subtractive modelling approach is developed to circumvent this issue. It is based on a reverse formulation of the Condensed Transfer Function method, a substructuring approach that has already proven its ability in dealing with complex vibroacoustic problems. Considering this approach, the partially coated cylindrical shell can be studied considering the model of a fully coated cylindrical shell, from which a model of the missing part of the coating is removed. The theoretical framework of the method is explored for 1-D and 3-D problems before being applied to several test cases to evaluate the method’s accuracy and its sensitivity to model errors. Finally, the partially coated cylindrical shell is studied using this subtractive modelling approach.