Étude et réalisation de métamatériaux acoustiques architecturés

Studies and realization of architectured acoustical metamaterial

• Auteur / Autrice : Arthur Terroir
• Direction : Anne-Christine Hladky, Jérôme Vasseur
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 25/03/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Ganghoffer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charles Croënne, Bertrand Habert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Brunet, Pierre Maréchal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isolation acoustique

Sous-marins

Furtivité (science militaire)

Méthodes d'homogénéisation numérique

Plaques (ingénierie)

Acoustique sous-marine

Propriétés mécaniques

Propriétés acoustiques

Métamatériaux

Mots clés libres

Coefficient de Poisson

Non-auxétique

Poisson ratio

Non-auxetic

Homogenization

Underwater acoustic

Résumé

Dans le cadre de l'acoustique sous-marine, la détection de bâtiments est aujourd'hui un sujet largement étudié. Les revêtements de coques permettent d'échapper à cette détection mais il est nécessaire d'améliorer leurs performances pour suivre le développement des systèmes SONAR, en particulier pour les basses fréquences.Les métamatériaux sont utilisés dans ce but pour leurs propriétés de filtrage fréquentiel et de résonance locale. Cependant une autre stratégie consiste à s'intéresser aux métamatériaux architecturés permettant l'obtention de propriétés mécaniques hors du commun, par exemple un coefficient de Poisson anti-auxétique, c’est-à-dire supérieur à 0,5.Dans cette thèse, une structure permettant d'obtenir de tels coefficients de Poisson est étudiée, dans le cas de volumes infinis puis adaptée au cas de plaques d'épaisseur finie, par des outils numériques basés sur la simulation éléments finis. Une méthode d'homogénéisation dans la limite des grandes longueurs d’onde est développée à partir des outils numériques en exploitant les courbes de dispersion et est utilisée pour obtenir les propriétés effectives de la structure aussi bien en volume qu'en plaque. Dans le cas de la plaque, le modèle est adapté afin de prendre en compte une densité matricielle. La structure en plaque est ensuite caractérisée en statique par des essais en traction et en dynamique par l'identification des modes de flexion. Ces tests permettent de mettre en évidence les limites de validité du modèle d’homogénéisation. Enfin, des revêtements sont conçus à partir de la structure architecturée pour répondre aux objectifs de performances fixés, notamment en basses fréquences, pour la furtivité sous-marine. Plusieurs panneaux sont alors proposés.

In the framework of underwater acoustics, detection of submerged vehicles is widely studied. Hull coatings are used to avoid such detection. Due to the enhancement of SONAR system low frequency performance, hull coatings must be improved.Acoustic metamaterials can be useful for this purpose thanks to their stop-band effect and local resonances. Alternatively, other types of metamaterials can be explored. A novel approach consists in exploring architectured metamaterials allowing outstanding mechanical properties, such as anti-auxetic Poisson's ratios greater than 0.5.In this thesis, a structure exhibiting anti-auxetic Poisson's ratios is studied using the finite element method. The study is conducted on the one hand for infinite volumes and on the other hand for finite thickness plates. An homogenization method is developed to obtain the effective properties of the structure in the low frequency domain using numerical tools based on the structure’s dispersion curves. The effective properties are determined for both infinite volumes and finite plates. Those determined in the case of plates are adapted in order to take into account an anisotropic density. The plates are then characterized experimentally using two methods. First a static characterization is performed through a tensile test. Then a dynamic characterization through an identification of the flexural modes is conducted. Those measurements allow to define limits of validity for the homogenization model. Finally, hull coatings based on the architectured structure are designed in order to reach the performance objectives for underwater stealth, mainly in low frequency. Several panels are then proposed.