Optimisation de réseaux de sources pour la reproduction de champs sonores inhomogènes finement résolus

Source array optimization for the synthesis of random pressure fields for the vibroacoustic characterization of structures

• Auteur / Autrice : Augustin Djibane Pouye
• Direction : Laurent Maxit, Cédric Maury
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 22/09/2022
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LVA - Laboratoire Vibrations Acoustique (Lyon, INSA) - Laboratoire Vibrations Acoustique / LVA
• Jury : Président / Présidente : Manuel Melon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Maxit, Cédric Maury, Manuel Melon, Sergio De Rosa, Elena Ciappi, Mahmoud Karimi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sergio De Rosa, Elena Ciappi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vibrations

Acoustique

Mots clés libres

Acoustique

Méthode de balayage de source

Champ acoustique

Couche limite turbulente

Panneau plan

Panneau courbe

Vibroacoustique

Réponse vibroacoustique

Etude paramétrique

Fonction de transfert

Acoustic

Source scanning technique

Acoustic field

Turbulent boundary layer

Flat rectangular panels

Curved rectangular pannels

Vibroacoustics

Vibroacoustic response

Parametric study

Transfer function

Résumé

La reproduction des réponses vibratoires et acoustiques de structures sous excitations aléatoires telles que le champ acoustique diffus ou la couche limite Turbulente intéresse particulièrement le monde de la recherche et l’industrie des transports. En pratique, la caractérisation de structures sous excitations aléatoires nécessite de réaliser des mesures in-situ ou d’utiliser des moyens d’essais tels que les souffleries anéchoïques ou les salles réverbérantes, qui sont des méthodes complexes et coûteuses. Sur la base des considérations précédentes. Dans cette thèse, une méthode alternative appelée la méthode de balayage de source est présentée. Cette solution fait partie des procédés utilisant des réseaux de sources acoustiques. Cependant, contrairement aux autres techniques, la méthode de balayage de source est basée sur l’utilisation d’une seule source monopolaire en appliquant le principe du réseau synthétique : la source monopolaire est déplacée dans l’espace vers un nombre arbitraire de positions différentes suivant un pas spatial prédéfini, s’affranchissant des limitations dues à la densité du réseau de sources. Dans un premier temps, étude de cas consistant en un panneau plan en aluminium en appuis simples et soumis à une excitation de types champ acoustique diffus et couche limite turbulente est considérée. Après avoir mené des études paramétriques afin de définir les paramètres de conception optimaux du réseau virtuel de monopoles, une implémentation expérimentale de la méthode de balayage de source sur le panneau plan en aluminium est réalisée. La réponse expérimentale vibratoire du panneau ainsi que la perte en transmission sont comparées aux résultats de la théorie des vibrations aléatoires ainsi qu’aux résultats expérimentaux obtenus avec des mesures directes en salle réverbérante et en soufflerie anéchoïque. Ces comparaisons montrent un bon accord qui valide la méthode de balayage de source pour le panneau considéré. Dans un second temps, le but est d’étendre la méthode de balayage de source à des structures complexes telles que les panneaux courbes. Les fonctions de transfert analytiques entre une position source et un point d’un panneau courbe sont déterminées pour le cas bidimensionnel et le cas tridimensionnel et validées numériquement à l’aide de la méthode des éléments de frontière. Ensuite, des études paramétriques similaires à celles menées dans le cas des panneaux plans sont réalisées en considérant deux configurations géométriques réseau monopolaire – structure sont étudiées : configuration conforme et non conforme. Après avoir défini un montage expérimental pour l’application de l’approche proposée à des panneaux courbes, les fonctions de transfert sont validées expérimentalement en comparant les mesures aux solutions analytiques. Une implémentation expérimentale de la technique de balayage de source est faite pour le cas bidimensionnel et la comparaison avec les résultats analytiques est très satisfaisante.

The reproduction of the vibration and acoustic responses of structures under random excitation such as the Diffuse Acoustic Field or the Turbulent Boundary Layer is of particular interest to researchers and the transportation industry. In practice, the characterization of structures under random excitations requires making in-situ measurements or using test facilities such as anechoic wind tunnels or the reverberant rooms, which are complex and costly methods. Based on the previous considerations, the necessity of finding simple, cost-efficient and reproducible alternative methods, becomes obvious. In this thesis, an alternative method called the Source Scanning Technique is presented. This solution is part of the methods that employ acoustic source arrays. However, SST is based on the use of a single monopole source along with the synthetic array principle: the monopole source is spatially displaced to an arbitrary number of different positions following a predefined spatial step, thereby creating a virtual array of monopole sources, overcoming limitations due to the source array density, the upper frequency range of the synthesis and the geometry of the test structure. The first objective is to assess the validity of the proposed technique by comparing its results with numerical and experimental ones for simple structures such as Flat Rectangular Panels. An academic case study consisting of a baffled and simply supported aluminum panel under diffuse acoustic field and turbulent boundary layer excitations is considered. After conducting parametric studies in order to define the optimal design parameters of the virtual array of monopoles, an experimental implementation of SST on FRPs is done. The experimental vibration response of the panel as well as the transmission loss using the proposed process are compared to results from random vibration theory on one hand. On the other hand, the same experimental results obtained using the SST are compared with results obtained with measurements in a reverberant room and an anechoic wind tunnel. These comparisons show good agreement that validate SST for the considered panel. In a second step, the goal is to extend SST to more complex structures such as Curved Rectangular Panels. The closed-form transfer functions between one source position and a point on the structure are determined for the two-dimensional and the three-dimensional case and numerically validated using the Boundary Element Method. Afterwards, parametric studies similar to the ones conducted in the case of FRPs are done and two monopole array – structure geometric configurations are studied: conformal and non-conformal. After defining an experimental setup for the application of SST on CRPs, the transfer functions are experimentally validated by comparing the measurements to the analytical solutions. The comparison shows very good agreement between both types of results.