Contribution to the mechanical characterization of poro-visco-elastic materials in vibro-acoustics.
Contribution à la caractérisation mécanique de matériaux poro-visco-élastiques en vibro-acoustique
Résumé
This work presents two experimental methods for the characterization of elastic and damping properties of acoustic porous materials in dynamic regime.
Young's or shear moduli and structural damping coefficients of polymer foams or fibrous materials are estimated in practical conditions, i.e. in bending or shear vibrations for temperature and frequency ranges existing in buildings construction or in the transport industries.
The Biot-Johnson-Champoux-Allard theory is used to describe the poro-visco-elastic behaviour of these materials, modeled as biphasic systems constituted of a solid phase and a fluid one, the air, coupled in time and space.
The first method derive from the Oberst's beam one: a transverse displacement is imposed at the center of a free-free beam.
A hierarchical finite element calculus and a non-linear inversion algorithm are used to estimate the material unknown parameters and to determine their evolutions in frequency and temperature.
The second method is based on bending vibrations of a multi-layered
plate. A simplified numerical calculus is jointly used with the previous inversion algorithm for the same purpose of elastic and damping characterization of poro-visco-elastic materials.
Applications to light visco-elastic materials or various foams
allow to check the relevance of these two methods compared to the existing ones and fix their limitations.
Young's or shear moduli and structural damping coefficients of polymer foams or fibrous materials are estimated in practical conditions, i.e. in bending or shear vibrations for temperature and frequency ranges existing in buildings construction or in the transport industries.
The Biot-Johnson-Champoux-Allard theory is used to describe the poro-visco-elastic behaviour of these materials, modeled as biphasic systems constituted of a solid phase and a fluid one, the air, coupled in time and space.
The first method derive from the Oberst's beam one: a transverse displacement is imposed at the center of a free-free beam.
A hierarchical finite element calculus and a non-linear inversion algorithm are used to estimate the material unknown parameters and to determine their evolutions in frequency and temperature.
The second method is based on bending vibrations of a multi-layered
plate. A simplified numerical calculus is jointly used with the previous inversion algorithm for the same purpose of elastic and damping characterization of poro-visco-elastic materials.
Applications to light visco-elastic materials or various foams
allow to check the relevance of these two methods compared to the existing ones and fix their limitations.
Ce travail présente deux méthodes expérimentales de caractérisation des propriétés élastiques et d'amortissement de matériaux poreux acoustiques en régime dynamique.
Les modules d'Young ou de cisaillement ainsi que les coefficients
d'amortissement de mousses polymères ou matériaux fibreux sont estimés dans leurs conditions usuelles d'utilisation, i.e. en flexion ou cisaillement et dans des gammes de température et de fréquence habituellement rencontrées dans les industries du bâtiment ou des transports. La théorie de Biot-Johnson-Champoux-Allard est utilisée pour décrire le comportement de ces matériaux poro-visco-élastiques modélisés comme des systèmes diphasiques constitués d'une phase solide et d'une phase fluide, l'air, couplées dans le temps et l'espace.
La première méthode est dérivée de celle de la poutre d'Oberst : un
déplacement transverse est imposé au centre d'une poutre en conditions limites libre-libre. Un calcul par éléments finis hiérarchiques et un algorithme non-linéaire d'inversion sont utilisés afin d'estimer les paramètres inconnus des matériaux et de déterminer leurs évolutions en fonction de la fréquence et de la température.
La seconde méthode est basée sur l'étude des vibrations d'une plaque multicouche en flexion. Un code numérique hiérarchique
simplifié est utilisé conjointement au précédent algorithme d'inversion dans le même but de caractérisation des matériaux poro-visco-élastiques.
Des applications à quelques matériaux, visco-élastiques légers ou
mousses aux propriétés très différentes, ont permis de vérifier la pertinence de ces méthodes face à celles déjà existantes et d'en fixer les limitations.
Les modules d'Young ou de cisaillement ainsi que les coefficients
d'amortissement de mousses polymères ou matériaux fibreux sont estimés dans leurs conditions usuelles d'utilisation, i.e. en flexion ou cisaillement et dans des gammes de température et de fréquence habituellement rencontrées dans les industries du bâtiment ou des transports. La théorie de Biot-Johnson-Champoux-Allard est utilisée pour décrire le comportement de ces matériaux poro-visco-élastiques modélisés comme des systèmes diphasiques constitués d'une phase solide et d'une phase fluide, l'air, couplées dans le temps et l'espace.
La première méthode est dérivée de celle de la poutre d'Oberst : un
déplacement transverse est imposé au centre d'une poutre en conditions limites libre-libre. Un calcul par éléments finis hiérarchiques et un algorithme non-linéaire d'inversion sont utilisés afin d'estimer les paramètres inconnus des matériaux et de déterminer leurs évolutions en fonction de la fréquence et de la température.
La seconde méthode est basée sur l'étude des vibrations d'une plaque multicouche en flexion. Un code numérique hiérarchique
simplifié est utilisé conjointement au précédent algorithme d'inversion dans le même but de caractérisation des matériaux poro-visco-élastiques.
Des applications à quelques matériaux, visco-élastiques légers ou
mousses aux propriétés très différentes, ont permis de vérifier la pertinence de ces méthodes face à celles déjà existantes et d'en fixer les limitations.
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