Contrôle des vibrations de flexion des plaques minces au moyen de Trous Noirs Acoustiques augmentés - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Control of bending vibrations of thin plates by means of enhanced Acoustic Black Holes

Contrôle des vibrations de flexion des plaques minces au moyen de Trous Noirs Acoustiques augmentés

Résumé

Vibration control of thin structures under a weight reduction constraint is an important issue in mechanical engineering, especially in aeronautics and space. The insertion of Acoustic Black Holes (ABH), which are bending wave traps based on local heterogeneity of stiffness and damping, is an innovative method inducing a passive absorption of vibrations without adding mass. The objective of this thesis is to push back the current limits of this strategy by developing "enhanced Acoustic Black Holes" (eABH) absorbers based on the insertion of passive mechanical and semi-active piezoelectric and thermal systems.The usual implementation of the Acoustic Black Hole (ABH) effect on a beam acting as a structural waveguide consists in a tip of decreasing thickness, profiled according to a power law, covered with a viscoelastic absorbing film. In the absence of this absorbing film, the inhomogeneity of the structure leads to a decrease of the bending waves celerity and to an increase of their amplitude. In the presence of the film, the vibratory field in the termination results in an effective energy dissipation. The anechoic termination thus realized is intrinsically characterized by its reflection coefficient. The extension of the concept to two dimensions consists of a circular ABH whose radial profile is similar to that of the one-dimensional medium. This two-dimensional ABH constitutes a penetrable and absorbent scatterer, which can be characterized by its scattering matrix, including a reflection coefficient associated to each circumferential order. This type of vibratory absorber can be considered as a continuum of sub-wavelength absorbers, each associated with a collection of trapped modes. Each mode leads to a local drop in the reflection coefficient which can reach strictly zero (perfect absorption) when the damping is perfectly adjusted. The density of modes and their overlap tends to increase at high frequencies, which leads to a low reflection coefficient. At low frequencies, their reduced number leads to localized drops in the reflection coefficient, tunable to target frequencies, by adjusting the stiffness.The performance of the ABH being linked to the control of the damping and stiffness of the terminal part, three types of control are proposed: 1/ temperature variations of a ABH using an absorbing film, made of a shape memory polymer whose elastic Young's modulus and loss factor strongly depend on its thermal state; 2/ the application of localized, elastic and damping mechanical supports; 3/ the insertion of a shunted piezoelectric patch. Equipped with these control means, the ABH is said to be enhanced. The interest of each type of control is evaluated by analyzing the reflection coefficient in the complex frequency plane, which makes it possible to implement a strategy of in-situ adjustment of the mechanical properties of the ABH.In general, the lightening of a structure and the control of its vibration damping are two properties difficult to reconcile and the eABH strategy is a compromise proposal whose relevance is evaluated. The work presented in this thesis aims at designing, modeling, optimizing and experimentally characterizing a new type of mechanical panel, using an architecture where physical effects are combined in a novel way, which contribute to make the structure non-resonant, while keeping interesting static stiffness and lightness properties.
Le contrôle des vibrations des structures minces sous une contrainte d'allègement constitue un enjeu important en ingénierie mécanique, notamment aéronautique et spatiale. L’insertion de Trous Noirs Acoustiques (TNA), ou pièges à ondes de flexion, basés sur une hétérogénéité locale de la raideur et de l’amortissement constitue une technique innovante induisant une absorption passive des vibrations sans ajout de masse. L’objectif de cette thèse est de repousser les limites actuelles de cette stratégie en développant des absorbeurs de type « Trous Noirs Acoustiques Augmentés » (TNAA) basés sur l'insertion de systèmes passifs mécaniques et semi-actifs piézoélectriques et thermiques. La mise en œuvre usuelle de l'effet Trou Noir Acoustique (TNA) sur une poutre, siège de vibrations de flexion, consiste en une extrémité d'épaisseur décroissante, profilée selon une loi de puissance, recouverte d'un film absorbant visco-élastique. En l’absence de ce film absorbant, l'inhomogénéité de la structure conduit à une diminution de la célérité des ondes de flexion et à une augmentation de leur amplitude des ondes. En présence du film, le champ vibratoire dans la terminaison donne lieu à une dissipation d'énergie efficace. La terminaison anéchoïque ainsi réalisée est intrinsèquement caractérisée par son coefficient de réflexion. L’extension du concept à deux dimensions conche siste en une cuvette de révolution dont le profil radial est similaire à celui du milieu monodimensionnel. Ce TNA circulaire constitue un diffuseur pénétrable et absorbant, que l'on peut caractériser par sa matrice de diffusion, comprenant un coefficient de réflexion associé à chaque ordre circonférentiel. Ce type d'absorbeur vibratoire peut être considéré comme un continuum d'absorbeurs sub-longueur d'ondes, chacun étant associé à une collection de modes piégés. Chaque mode conduit à une chute locale du coefficient de réflexion qui peut atteindre strictement zéro (absorption parfaite) lorsque l'amortissement est parfaitement ajusté. La densité de modes et leur recouvrement tend à s'accroître à hautes fréquences, ce qui mène à un coefficient de réflexion faible. En basses fréquences, leur nombre réduit entraîne des chutes du coefficient de réflexion, localisées en fréquences, accordables sur des fréquences cibles, par ajustement de la rigidité.Les performances du TNA étant liées au contrôle de l’amortissement et de la raideur de la partie terminale, trois types de contrôle sont proposés : 1/ des variations de la température d’un TNA utilisant un film absorbant, réalisé au moyen d’un polymère à mémoire de forme dont le module d’Young élastique et le facteur de pertes dépendent fortement de son état thermique ; 2/ l’application de supports mécaniques localisés, élastiques et amortissants ; 3/ l’insertion d’un patch piézoélectrique shunté de façon contrôlé. Muni de ces moyens de contrôle, le TNA est dit Augmenté. L’intérêt de chaque type de pilotage est évalué en l'analysant le coefficient de réflexion dans le plan des fréquences complexes, ce qui permet de mettre en œuvre une stratégie d’ajustement in-situ des propriétés mécaniques du TNA.De façon générale, l’allègement d’une structure et le contrôle de son amortissement vibratoire sont deux propriétés difficiles à concilier et la stratégie TNAA est une proposition de compromis dont la pertinence est évaluée. Le travail présenté dans cette thèse vise à concevoir, modéliser, optimiser et caractériser expérimentalement un panneau mécanique d’un nouveau type, utilisant une architecture où se combinent de de façon inédite des effets physiques, qui contribuent à rendre la structure non résonante, tout en conservant des propriétés de raideur statique et de légèreté intéressantes.
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2022LEMA1012.pdf (15.15 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03772524 , version 1 (08-09-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03772524 , version 1

Citer

Guillaume Raybaud. Contrôle des vibrations de flexion des plaques minces au moyen de Trous Noirs Acoustiques augmentés. Acoustique [physics.class-ph]. Le Mans Université, 2022. Français. ⟨NNT : 2022LEMA1012⟩. ⟨tel-03772524⟩
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