Comportements acoustiques non linéaires de plaques perforées en présence d'un écoulement

Nonlinear acoustic behaviours of perforated plates under grazing flow

• Auteur / Autrice : Emanuele Sarpero
• Direction : Marie-Annick Galland, Didier Dragna, Emmanuel Gourdon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 18/06/2025
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Leclaire
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Annick Galland, Didier Dragna, Emmanuel Gourdon, Gwénaël Gabard, Noureddine Atalla
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Estelle Piot, Gwénaël Gabard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aéroacoustique

Mots clés libres

Revêtements perforés

Acoustique non linéaire

Aéroacoustique

Perforated liners

Nonlinear acoustics

Aeroacoustics

Résumé

Cette thèse étudie le comportement acoustique non linéaire des plaques perforées sous un écoulement rasant d'un point de vue expérimental, analytique et numérique. Les revêtements perforés sont largement utilisés en aéronautique pour la réduction du bruit des moteurs d'avion, mais leur réponse à des niveaux de pression acoustique élevés sous écoulement reste encore difficile à prédire. D'un point de vue expérimental, des mesures en tube de Kundt et en conduit dans la soufflerie CAIMAN sont réalisées. Une procédure permettant de contrôler précisement le niveau de pression incident pour étudier le comportement des plaques perforées à fort niveau à été developpé. Sur le plan numérique, des simulations de la propagation acoustique en conduit sont réalisées en résolvant les équations d'Euler linéarisées dans le domaine temporel par méthodes différences finies. Une condition limite d'admittance dans le domaine temporel est implémentée permettant de prendre en compte une admittance qui varie à la fois avec la fréquence et avec la vitesse dans les perforations. Une étude est menée pour une première plaque perforée. En incidence normale, les résultats mettent en évidence que le coefficient d'absorption de la plaque perforée dépend fortement de l'amplitude du son. Des comparaisons avec des modèles d'impédance nonlinéaires de la littérature sont réalisées et montrent un bon accord global pour les différents niveaux d'excitation. En incidence rasante, les résultats confirment que la perte par transmission varie fortement avec le niveau sonore. La présence d'un écoulement, même pour des nombres de Mach faibles, tend à diminuer drastiquement la perte par transmission et à réduire l'effet du niveau sonore sur les résultats. Des comparaisons avec les simulations numériques montrent que celles-ci arrivent à reproduire fidèlement l'évolution de la perte par transmission avec le niveau d'excitation et avec la présence d'un écoulement. Par la suite, une seconde plaque perforée est concue avec l'objectif d'augmenter la perte par transmission pour un niveau d'excitation acoustique élevé et en présence d'un écoulement. Les mesures en soufflerie permettent de confirmer l'augmentation significative de la perte de transmission dans de telles conditions pour cette plaque. Les comparaisons avec les simulations numériques montrent là encore un bon accord et valident la méthodologie pour concevoir un revêtement plus efficace en régime non linéaire et sous écoulement. La thèse introduit également une nouvelle approche dynamique non linéaire pour étudier les plaques perforées, par l'utilisation d'une méthode à échelles multiples. Cette recherche permet de mieux comprendre le comportement acoustique non linéaire des structures perforées. Les techniques expérimentales et les modèles numériques développés fournissent des outils essentiels pour les recherches futures, facilitant la conception de revêtements acoustiques performants pour le contrôle du bruit dans les applications académiques et industrielles.

This thesis studies the nonlinear acoustic behaviour of perforated plates under grazing flow from an experimental, analytical and numerical point of view. Perforated liners are widely used in aeronautics for noise reduction in aircraft engines, but their response to high sound pressure levels under flow is still difficult to predict. From an experimental point of view, Kundt tube and duct measurements in the CAIMAN wind tunnel are carried out. A major contribution is the development of a procedure for precisely controlling the incident pressure level to study the behaviour of perforated plates at high levels. On the numerical front, simulations of acoustic propagation in ducts are carried out by solving linearized Euler equations in the time domain using finite-difference methods. A time-domain admittance boundary condition is implemented to take into account an admittance that varies with both frequency and velocity in the perforations. A study was carried out on a first perforated plate. At normal incidence, the results show that the absorption coefficient of the perforated plate depends strongly on the amplitude of the sound. Comparisons are made with nonlinear impedance models in the literature, showing good overall agreement for different excitation levels. At grazing incidence, the results confirm that transmission loss varies strongly with level. The presence of a flow, even at low Mach numbers, tends to drastically reduce transmission loss and reduce the effect of sound level on the results. Comparisons with numerical simulations show that they faithfully reproduce the evolution of transmission loss with excitation level and with the presence of a flow. Subsequently, a second perforated liner was designed with the aim of increasing transmission loss at high excitation levels and in the presence of flow. Wind tunnel measurements confirmed the significant increase in transmission loss under such conditions for this plate. Comparisons with numerical simulations again show good agreement and validate the methodology to design a more efficient liner in nonlinear regime and under flow. The thesis also introduces a new nonlinear dynamic approach to the study of perforated plates, employing a multiple scale method. This research provides a better understanding of the nonlinear acoustic behaviour of perforated structures. The experimental techniques and numerical models developed provide essential tools for future research, facilitating the design of high-performance acoustic liner for noise control in academic and industrial applications.