"Smart foams" for enhancing acoustic absorption : modelisation, experimental implementation, action mode.

Les mousses adaptatives pour l'amélioration de l'absorption acoustique : modélisation, mise en oeuvre, mécanismes de contrôle

Pierre Leroy (1, 2)

1 LMA - Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique [Marseille]
2 UdeS - Département de génie mécanique [Sherbrooke]

Absorbing materials are inefficient in the low frequency range (<500Hz). "Smart foams" have been developed in order to complete the lack of effectiveness of these materials. A smart foam is made of an absorbing material with an embedded actuator driven by an active control system. The objective of this thesis is to conduct a thorough numerical and experimental analysis of the smart foam concept, in order to highlight the physical mechanisms and the technological limitations for the control of acoustic absorption. In this study, the absorbing material is a melamine foam and the actuator is a piezoelectric film of PVDF. The active control of acoustic absorption is carried out in normal incidence with the assumption of plane wave in the frequency range [0-1500Hz ]. The results reveal the possibility of absorbing a pressure of 1Pa at 100Hz with 100V and a broad band noise of 94dB with a hundred Vrms starting from 250Hz. These results have been obtained with a mean foam thickness of 4cm. An important limitation for the broad band control comes from the high distorsion level through the system in the low and high frequency range (<500Hz, >1500Hz). A 3D finite element model coupling poroelastic, acoustic, elastic and piezoelectric fields is proposed and experimentally validated. The use of the numerical model, supplemented by an analytical study made it possible to clarify the action mode and the dissipation mechanisms in smart foams. The PVDF moves with the same phase and amplitude of the residual incidental pressure which is not dissipated in the foam. Viscous effect dissipation is then very weak in the low frequencies and becomes more important in the high frequencies.

Les matériaux absorbants ont une efficacité très faible aux basses fréquences (<500Hz). Les mousses dites adaptatives ont été développées pour combler ce manque d'efficacité. Une mousse adaptative est la réunion d'un matériau absorbant et d'un actionneur commandé par un système de contrôle actif. L'objectif de cette thèse est de mener une étude numérique et expérimentale approfondie du concept de mousse adaptative et d'en dégager les mécanismes physiques et les limitations technologiques pour le contrôle de l'absorption acoustique. Le matériau absorbant est ici une mousse de mélamine et l'actionneur est un film piézoélectrique de PVDF. Le contrôle actif de l'absorption acoustique est réalisé en incidence normale avec l'hypothèse d'onde plane sur la plage de fréquence [0-1500Hz]. Les résultats font apparaître la possibilité d'absorber une pression incidente de 1Pa à 100Hz avec 100V et un bruit large bande de 94dB avec une centaine de Vrms à partir de 250Hz. Ces résultats ont été obtenus avec un prototype de mousse adaptative ayant une épaisseur moyenne de 4cm. Un frein important au contrôle large bande provient du fort niveau de distorsion des prototypes dans le bas (<500Hz) et le haut (<1500Hz) du spectre de fréquences. Un modèle éléments finis 3D couplant les domaines poroélastiques, acoustiques, élastiques et piézoélectriques a été proposé et validé expérimentalement. L'utilisation de ce modèle, complété par une étude analytique, a permis de mettre en lumière le mode d'action et les mécanismes de dissipation dans la mousse adaptative.

Mots clés: acoustic absorption; active control; adaptative foam; active foam; finite element method; FEM; energy balance; (u; p) formulation; poroelasticity

Mots clés: absorption acoustique; contrôle actif; mousse adaptative; smart foam; mélamine; PVDF; éléments finis; modèle 3D; bilan énergétique; formulation (u; p); poroélasticité

Domaines: Acoustique [physics.class-ph]; Mécanique [physics.med-ph]

Pierre Leroy. Les mousses adaptatives pour l'amélioration de l'absorption acoustique : modélisation, mise en oeuvre, mécanismes de contrôle. Acoustique [physics.class-ph]. Université de Provence - Aix-Marseille I, 2008. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00352363⟩