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Stimuler le renouveau industriel (DS03) 2017
Projet eTNAA

Etude de Trous Noirs Acoustiques Augmentés pour la conception de panneaux légers, raides et non résonants

La conception de panneaux, légers, raides et non rayonnants sur le plan acoustique constitue un enjeu important en ingénierie mécanique (aéronautique, spatiale par exemple). Les matériaux composites et architecturés constituent une réponse à cette problématique. L’insertion de trous noirs acoustiques (TNA), ou pièges à ondes vibratoires, 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 du projet est de repousser les limites actuelles de cette stratégie en développant des absorbeurs de type « trous noirs acoustiques augmentés » basés sur l'insertion de systèmes actifs piézoélectriques et thermiques, conduisant à des panneaux architecturés périodiques combinant 4 effets complémentaires : amortissement par effet trou noir géométrique, contrôle actif de la raideur, pilotage thermique de l’amortissement, effet de bande d’arrêt induit par la périodicité du milieu.

La mise en œuvre usuelle de l'effet Trou Noir Acoustique (TNA) sur une poutre jouant le rôle d’un guide d’ondes structurales consiste en une extrémité d'épaisseur décroissante, profilée selon une loi de puissance, recouverte d'un film absorbant, viscoélastique. L'inhomogénéité de la structure conduit à une baisse de la célérité et une augmentation de l'amplitude des ondes, ce qui a pour conséquence une dissipation d'énergie efficace. L’extension du concept à deux dimensions, (qui s’applique alors à un panneau plan) consiste en une cuvette de révolution dont le profil radial est similaire à celui du milieu monodimensionnel. Ce type de stratégie d’amortissement absorbeur vibratoire est caractérisé par un coefficient de réflexion faible au-dessus d’une fréquence de de coupure, et par des modes piégés en dessous de cette fréquence caractéristique. Ses performances sont limitées de trois façons 1/ par les difficultés de contrôler l’amortissement local à l’extrémité TNA, 2/ par l’épaisseur résiduelle à l’extrémité qui rend non nulle la rigidité de flexion et la vitesse de phase, 3/ par l’existence d’une fréquence de coupure en dessous de laquelle l’effet TNA est inopérant.
Nous proposons d’utiliser comme film absorbant un polymère à mémoire de forme dont le module d’Young élastique et le facteur de pertes sont hautement variables avec la température, ce qui autorise leurs contrôles par voie thermique et permet donc de répondre à la limite 1/. L’insertion d’un patch piézoélectrique, shunté par une capacité négative, permet par ailleurs de diminuer la raideur locale par contrôle actif. C’est précisément l’effet recherché au centre du TNA, dont les fréquences premiers modes piégés peuvent ainsi être contrôlées (limite 2/). Muni de ces deux moyens de contrôle, le TNA est dit Augmenté et on propose d’organiser un ensemble de TNAA selon un réseau périodique de façon à tirer parti des bandes d’arrêt de Bragg et de résonance qui peuvent alors être formées. L’ouverture d’une bande d’arrêt complète dans une plage basses fréquences résulte alors d’un dimensionnement précis : en accordant la fréquence de résonance locale d’un TNA sur la fréquence de Bragg, la bande d’hybridation alors obtenue constitue une bande d’arrêt élargie, à basses fréquences, en dessous de la fréquence du coupure du TNA, ce qui permet de repousser la limite 3/.

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 on propose d’évaluer la pertinence. Le projet 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.

Partenaires

FEMTO-ST Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique- Sciences et Technologies

LAUM Laboratoire d'acoustique de l'université du Maine

LTDS - CNRS Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes

Aide de l'ANR 384 588 euros
Début et durée du projet scientifique - 48 mois

 

Programme ANR : Stimuler le renouveau industriel (DS03) 2017

Référence projet : ANR-17-CE08-0035

Coordinateur du projet :
Monsieur Francois Gautier (Laboratoire d'acoustique de l'université du Maine)

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.