Caractérisation acoustique de matériaux viscoélastiques homogènes et hétérogènes pour la furtivité sous-marine

Acoustic characterisation of homogeneous and heterogeneous viscoelastic materials for underwater stealth

• Auteur / Autrice : Quentin Baudis
• Direction : Régis Wunenburger, Tony Valier-Brasier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 19/01/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert (Paris ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Quentin Grimal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie Muller, Jean-Marc Conoir, Valentin Leroy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Thomas Brunet, Pierre Maréchal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Furtivité (science militaire)

Ondes de cisaillement

Viscoélasticité

Propriétés acoustiques

Métamatériaux

Mots clés libres

Métamatériaux

Visco-élasticité fractionnaire

Furtivité

Élastomère

Équivalence temps-température

Résonance dipolaire

Metamaterials

Fractionnar visco-elasticity

Stealth

Elastomer

Time-temperature superposition

Dipolar resonance

Résumé

Ce travail de thèse porte sur la caractérisation acoustique du comportement effectif de matériaux visco-élastiques hétérogènes pour des applications à la furtivité sous-marine. Le composite étudié est constitué d'un élastomère de polyuréthane, par définition souple et sensible aux variations de température, dans lequel est ajouté une population de billes denses résonnantes réparties de manière aléatoire mais contrôlée. La première partie de la thèse consiste à réaliser des mesures précises et répétables de la rhéologie du polyuréthane en fonction de la fréquence dans la gamme 0,05 - 5,0 MHz, et de la température dans la gamme 5 - 40 °C. L'identification de modèles visco-élastiques à dérivées fractionnaires est rendue possible par l'application du principe d'équivalence temps-température sur la mesure des modules de cisaillement, longitudinal et d'incompressibilité du polyuréthane. L'originalité de cette première partie réside notamment dans la technique expérimentale employée pour mesurer le comportement des ondes de cisaillement dans des matériaux aussi dissipatifs. La seconde partie de la thèse présente d'une part le protocole de fabrication des échantillons de polyuréthane chargés en billes, et d'autre part la caractérisation du nombre d'onde effectif à différentes températures. L'accord satisfaisant entre la théorie de la diffusion multiple et les mesures acoustiques en transmission permet de valider la prédiction du modèle à différentes températures compte tenu de la rhéologie de la matrice. La modélisation choisie pour décrire le comportement de la densité effective est vérifiée à l'aide d'un code numérique développé au sein du laboratoire et validée par des mesures de réflectivité. En perspective, les performances anéchoïques de ce composite sont optimisées aux fréquences d’intérêt pour les applications.

This thesis deals with the acoustic characterization of the effective behaviour of heterogeneous visco-elastic materials for underwater stealth applications. This composite consists of a polyurethane (PU) elastomer, by definition flexible and sensitive to temperature variations, in which a population of dense resonant beads is added in a random but controlled manner. The first part of the thesis consists in carrying out precise and repeatable measurements of the rheology of PU as a function of frequency in the range 0.05 - 5.0 MHz, and of temperature in the range 5 - 40 °C. Fractional derivative visco-elastic models are identifed by applying the time-temperature superposition principle to the measurement of PU's shear, longitudinal and bulk moduli. The originality of this first part lies in the experimental technique used to measure the behaviour of shear waves in such dissipative materials. The second part presents on the one hand the fabrication protocol of the bead-filled PU samples, and on the other hand the characterization of the effective wave number at different temperatures. The satisfactory agreement between the multiple scattering theory and the transmission acoustic measurements allows to validate the prediction of the model at different temperatures taking into account the rheology of the matrix. The model chosen to describe the behaviour of the effective density is verified using a numerical code developed in the laboratory and validated by reflectivity measurements. In perspective, the anechoic performance of this composite is optimised at frequencies of interest for underwater applications.