Métamatériaux multi-résonnants et trous noirs acoustiques : vers une absorption parfaite large bande en régime linéaire et non linéaire

Résumé

Les absorbeurs acoustiques sont nécessaires pour améliorer la qualité sonore dans divers environnements. Les matériaux conventionnels, comme les matériaux poreux et fibreux, ont une absorption sur une large bande de fréquences, mais nécessitent une grande épaisseur pour être efficaces aux basses fréquences, tout en présentant des risques d'inflammabilité et des risques sanitaires. D’autre part, les résonateurs usuels peuvent absorber efficacement le son dans les moyennes et basses fréquences, selon le volume disponible, mais ils présentent généralement un seul pic d'absorption étroit. En revanche, les métamatériaux acoustiques, avec leurs multiples résonances, offrent une alternative prometteuse pour une absorption sonore efficace en moyennes et basses fréquences pour une faible épaisseur. L’absorbeur multipancake est un métamatériau acoustique composée de cavités annulaires minces disposées périodiquement et connectées par un pore principal constant, présentant de nombreux pics d’absorptions dont certains à basses fréquences. Cependant, ces pics d'absorption sont relativement étroits, ce qui peut être efficace pour atténuer les sons tonals mais moins adapté pour les sons à large bande. De plus, les matériaux multi-résonants sont susceptibles d’être utilisés dans des environnements extrêmes où le niveau sonore est élevé. Or, le comportement acoustique de ces métamatériaux devient non linéaire sous fort niveau sonore, et l’amplitude des pics d’absorption est très sensible au niveau d’excitation. Cette thèse vise à concevoir, à partir de l'absorbeur multi-pancake, des métamatériaux ayant une efficacité d'absorption acoustique sur une large bande de fréquences, en régime linéaire et sous fort niveau d'excitation acoustique. Le projet de recherche est divisé en trois parties, chacune étant présentée sous la forme d'un article scientifique : • Dans le premier article, des métamatériaux multi-pancakes avec des variations géométriques du profil du pore principal sont étudiées, incluant notamment des profils de trou noir acoustique, c’est-à-dire avec une décroissance progressive de le perforation principale. Un modèle analytique basé sur la formulation de matrice de transfert est proposé pour prédire les propriétés acoustiques, et il est validé par des simulations numériques et des mesures expérimentales. Une analyse de l'influence du rayon du pore principal à l'avant et à l’arrière de la structure permet la conception d'un profil de trou noir acoustique qui se traduit par une valeur élevée du coefficient d'absorption sur une bande de fréquences large. Néanmoins, cette bande d’absorption élevée n’est obtenue qu’à des fréquences relativement hautes (au-delà de 1500 Hz avec une structure d’épaisseur totale de 3 cm composée de 15 cellules fines). • Le deuxième article vise à obtenir une bande d'absorption à des fréquences plus basses en combinant un profil de pore principal constant avec une terminaison de trou noir acoustique. Cela permet d'exploiter l'absorption à basse fréquence du métamatériau à profil constant tout en utilisant le couplage avec les résonances VIII locales des cavités de la terminaison, pour former une bande d'absorption à des fréquences plus basses avec moins de pic. Un modèle analytique masse-ressort équivalent pour les basses fréquences est développé et validé par des simulations numériques et des mesures expérimentales. Un code d’optimisation est utilisé pour obtenir deux profils permettant d’obtenir des bandes d’absorption larges et élevées entre 500 et 1500 Hz, toujours avec une structure d’épaisseur totale de 3 cm. • Dans le troisième article, le comportement acoustique du métamatériau sous fort niveau sonore est étudié à travers l’utilisation du plan de fréquences complexe en régime linéaire. Cet outil permet d’anticiper directement l’évolution de l’absorption lorsque le niveau sonore augmente. Des profils constants sont sélectionnés pour présenter des résonances avec différents niveaux de pertes, et des mesures sont effectuées pour valider l'évolution attendue de l'absorption sous fort niveau sonore. Enfin, un profil de trou noir acoustique est déterminé pour une absorption large bande améliorée à des niveaux élevés, ce qui est confirmé expérimentalement. En plus des différents profils identifiés, cette thèse fournit des clés de compréhension sur le comportement acoustique du métamatériau multi-pancake, ainsi que sur sa conception, en mettant en évidence son large potentiel d’adaptation à différents objectifs d’absorption, tant en termes de bande de fréquences que de niveau sonore.

Date	11 mars 2025
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Thomas Dupont (Directeur(-trice)) & Olivier Doutres (Codirecteur(-trice))