Matériaux passifs et actifs pour l'acoustique

Cette thématique s'inscrit dans le contexte général de recherche de solutions permettant d'obtenir une réduction globale du bruit. On vise alors une diminution soit de la puissance acoustique rayonnée (réduction du bruit extérieur en milieu ouvert), soit de l'énergie acoustique (réduction du bruit intérieur, en milieu confiné). Classiquement les matériaux poreux, ou poro-visco-élastiques sont utilisés afin d'augmenter le pouvoir d'absorption ou d'isolation des parois. Bien souvent ces matériaux passifs se révèlent insuffisants pour traiter correctement les basses fréquences, ou alors au prix d'un encombrement et d'une masse peu compatibles avec les applications visées (transport, bâtiment). Par ailleurs, les techniques de contrôle actif se sont révélées efficaces pour créer localement des zones à faible niveau sonore. Cependant, si l'objectif est d'atteindre une réduction globale, la quantité à minimiser est bien souvent difficile à mesurer, ce qui rend impossible un contrôle en temps réel. Une alternative consiste alors à reformuler le problème en terme de conditions aux limites optimales à atteindre pour réduire la puissance ou l'énergie. L'objectif est alors de réaliser de véritables parois intelligentes dont on contrôle le pouvoir d'absorption ou d'isolation. Notre équipe développe depuis une dizaine d'années différents concepts et systèmes actifs avec cet objectif, pour des applications en aéoracoustique ou en vibroacoustique. Les actions actuellement en cours peuvent être organisées selon les trois axes suivants :

• 1. Contrôle direct de l'impédance acoustique. Cette stratégie est difficile à mettre en oeuvre car elle nécessite la présence de deux capteurs pour reconstituer la quantité à contrôler. Les systèmes développés (M. Furstoss) utilisent soit directement un accéléromètre collé sur la membrane plate de la source secondaire et un microphone à son voisinage, soit deux microphones. On aboutit ainsi à un contrôle précis de l'impédance acoustique mais complexe et limité en fréquences. De nouveaux dispositifs sont actuellement à l'étude avec l'utilisation d'un matériau intercalé, avec un double objectif : réduire la complexité du contrôle tout en permettant une réalisation précise des valeurs voulues pour l'impédance.

  

  Absorbant hybride

• 2. Absorbants hybrides pour application en écoulement. Dans de nombreuses applications du monde des transports, les traitements acoustiques doivent agir en présence d'un écoulement. Les absorbants hybrides que nous développons depuis quelques années présentent l'avantage de protéger le système de contrôle de celui-ci, grâce à la présence d'un matériau poreux. Le principe de base des absorbants hybrides est simple : le contrôle actif est utilisé pour réduire la pression à l'arrière d'un matériau poreux de manière à produire par transfert en face avant, une impédance proche de la valeur optimale prédéterminée par le calcul. Il faut d'ailleurs noter que la méthode inverse, c'est-à-dire l'application de conditions aux limites différentes à l'arrière d'un matériau suivie de la mesure des changements d'impédance en face avant, a permis d'élaborer une méthode rapide pour l'identification des paramètres caractéristiques des matériaux poreux (thèse de N. Sellen).

  Les principes de base de ces absorbants et les premiers développements ont fait l'objet de deux thèses au Centre Acoustique du LMFA (D. Thenail, M. Furstoss). Ensuite les travaux se sont poursuivis dans le cadre de projets européens : RANNTAC et RESOUND, en collaboration avec Metravib pour la partie actionneur. Des systèmes hybrides compacts (épaisseur inférieure à 3cm) ont été réalisés et des traitements composés de 4 cellules on été testés en paroi de conduits sans écoulement (test en chambre anéchoïque du Centre Acoustique et sur banc d'essai SNECMA), puis en écoulement. Ces premiers essais ont montré l'intérêt et le bon comportement en écoulement de ces absorbants. Les travaux se poursuivent dans le cadre du projet européen SILENCER pour l'optimisation de tels absorbants en vue d'une application aux nacelles de turboréacteurs. Une méthodologie a été développée et validée pour conduire à la réduction de bruit maximale dans l'application visée. Elle a été mise au point sur un banc d'essai spécialement développé, la veine MATISSE, avec des écoulements jusqu'à 50 m/s. Le processus d'optimisation concerne aussi bien la partie passive de l'absorbant (choix du matériau, de la géométrie, ...) que la partie active (actionneur, contrôleur, algorithme, ...). Les recherches essentiellement menées dans le cadre de trois thèses (N. Sellen, O. Hilbrunner, B. Mazeaud, thèse en cours) et de deux stages post-doctoraux (N. Sellen et M. Cuesta) ont permis de déterminer le meilleur fonctionnement possible pour ces absorbants. On définit ainsi une fréquence de coupure séparant le domaine des basses fréquences où le contrôle actif permet d'améliorer les performances de l'absorbant, du domaine des hautes fréquences où le matériau se comporte comme un absorbant classique passif. Les réductions de bruit mesurées sont tout à fait conformes aux prédictions (cf. courbes de pertes par transmission). Une présentation complète de la démarche, des installations et des résultats est téléchargeable.

  

  Banc d'essais Matisse pour la mesure des performances des absorbants en écoulement
  Matisse: development and optimization of a passive/active liner for flow duct applications

  

  Pertes par transmission Transmission Loss

  La réalisation de panneaux de grandes dimensions a pu ensuite être menée à bien, grâce au développement d'un algorithme de contrôle feedback digital, qui fonctionne indépendamment, cellule par cellule. Les deux panneaux construits (environ 30 cm par 60 cm) comportent une cinquantaine de cellules et le contrôle actif a été réalisé de manière automatique et stable, dans la grande soufflerie anéchoïque du Centre Acoustique, pour des écoulements jusqu'à 100 m/s.

• 3. Matériaux sandwich actifs pour l'isolation. Le même type de combinaisons de matériaux (assemblages de poro-élastiques et d'actionneurs piézo-électriques) est étudié pour la réalisation de parois isolantes dans des applications de type vibro-acoustique. Cette thématique fait l'objet d'un programme pluriformation PPF réunissant différentes équipes de recherche (PPF " vibroacoustique des structures sandwich "). L'isolation peut être envisagée pour réduire le bruit transmis à l'intérieur d'une cavité (thèse O. Lacour), ou au contraire pour réduire le bruit généré par une machine vers l'extérieur (capotage actif). Ce dernier thème sera abordé dans le cadre d'une thèse (J.B. Dupont) et d'une ACI cofinancée Ministère de la Recherche/INRS.

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Publications

Quelques communications

GALLAND M.A., SELLEN N., HILBRUNNER O., 2002, Noise reduction in a flow duct by active control of wall impedance, 8th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, AIAA Paper 2002-2498. download pdf

SELLEN N., HILBRUNNER O., GALLAND M.A, 2002, Identification of the characteristic parameters of porous media using active control, 8th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, AIAA Paper 2002-2504. download pdf

HILBRUNNER O., GALLAND M.A., PERISSE J., 2002, Optimisation of an hybrid acoustic liner for noise reduction of engine aircraft nacelles, Active, Southampton, 15-17 July 2002, Paper 157.

SELLEN N., CUESTA M., GALLAND M.A., 2003, Passive layer optimization for active absorbers in flow duct applications, 9th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, AIAA Paper 2003-3186. download pdf

HILBRUNNER O., MAZEAUD B., GALLAND M.A., 2003, Multi-cell digital feedback control for noise reduction through hybrid absorbers, 9th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, AIAA Paper 2003-3187. download pdf

MAZEAUD B., SELLEN N., GALLAND M.A., 2004, Design of an adaptive hybrid liner for flow duct applications, 10th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, AIAA Paper 2004-2852. download pdf

GALLAND, M.A., MAZEAUD, B., 2006, Decentralised feedback control for active absorption in flow ducts, Active 2006, 18-20 sept. 2006, Adelaide, Australia. download pdf

BATIFOL, C., ZIELINSKI, T.G., GALLAND, M.A., ICHCHOU, M.N., 2006, Hybrid piezo-poroelastic sound package concept: numerical/experimental validations, Active 2006, 18-20 sept. 2006, Adelaide, Australia. download pdf

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