Academic literature on the topic 'Matériau poroélastique'

Le travail présenté est une analyse critique des éléments finis poroélastiques basés sur la théorie de Biot, permettant la simulation du comportement vibroacoustique des matériaux poreux à squelette déformable (mousses polymères, en particulier). Dans un premier temps, une étude de convergence montre que les critères de maillage, habituellement utilisés pour les éléments monophasiques, s'appliquent eu égard aux longueurs d'onde de Biot, mais restent insuffisants pour des applications tridimensionnelles. Une deuxième partie est consacrée à la validation expérimentale. Une attention particulière est portée sur la caractérisation expérimentale des matériaux. La première validation concerne la mesure d'impédance en conduit d'un échantillon résonnant. Différentes conditions aux limites sont réalisées afin de tester la validité des lois de comportement isotrope ou isotrope transverse pour le squelette. La deuxième validation porte sur la vibration d'une plaque amortie par collage d'une couche poreuse. Bien que les tendances soient bonnes, la difficulté à caractériser le comportement mécanique du squelette est mise en relief. Dans la dernière partie, on s'intéresse à l'analyse du comportement des matériaux poroélastiques. Un calcul de la répartition des puissances dissipées et réactives est développé à partir de la formulation par éléments finis. Appliqué au cas d'une couche poreuse collée à une plaque, il permet de montrer l'importance de la dissipation due à la viscoélasticité du squelette. Un modèle de plaque équivalente, considérant la couche poreuse comme un milieu viscoélastique, sujet au cisaillement, a été développé. Les bons résultats obtenus permettent un allégement conséquent des calculs en ce qui concerne le comportement vibratoire de cette structure.

Le comportement acoustique d'un matériau poroélastique est décrit par le modèle de Biot. La première partie présente une étude analytique aboutissant à l'écriture sous forme compacte des coefficients de réflexion et de transmission de la plaque immergée et saturée d'eau. La deuxième partie est consacrée à l'étude numérique pour 2 matériaux différents. Il existe 2 types de modes guidés. Les premiers, issus d'un couplage entre les ondes, rapide et transverse (élastique), sont propagatifs. Les seconds, dus à un couplage des 3 ondes, ne se propagent que si l'onde n'est pas diffusive. La dernière partie traite de l'étude numérique des coefficients de réflexion et de transmission. Dans le cadre de la RST, l'utilisation des termes de transmission montre qu'un lien existe entre les résonances angulaires et modes guidés de type élastique. Une étude expérimentale permet de déterminer le domaine fréquentiel dans lequel le QF-20 obéit au modèle de Biot
The poroelstic material acoustic behaviour is modeled via the Biot model. In the first part, an analytic study allows to derive the reflection and transmission coefficients of the loaded water saturated poroelastic plate in compact new forms. The second part presents the numerical study for 2 different materials, "QF-20" and "Stoll sand". 2 kinds of leaky lamb waves exist. The first ones, due to a coupling between the fast and transverse waves (elastic), propagate. The second ones, due to a coupling between the 3 waves existing in the infinite porous medium, propagate only if the slow wave itself is propagative. The third part deals with the numerical study of the reflection and transmission coefficients. As part of the RST theory, the introduction of transmission terms shows the link between some angular resonances and the first type of leaky lamb waves. An esperimental study shows in which frequency domain the "QF-20" material obeys the Biot theory

Ce travail de thèse est basé sur l’utilisation de la technique de démodulation paramétrique pour la métrologie des propriétés acoustiques des matériaux poreux saturés d’air, à la fois dans des configurations en rétro-diffusion, ainsi qu’en transmission, en utilisant une technique mixte dans le domaine ultrasons / audio, où des ondes ultrasonores de puissance sont démodulées en amplitude dans l’air dans le domaine audio. En utilisant des procédures appropriées empruntées aux méthodes de l’acoustique sous-marine non linéaire (c’est-à-dire les antennes paramétriques), des ondes acoustiques de basse fréquence sont produites dans le régime d’échos impulsionnels avec des paquets d’onde courts. L’application des signaux acoustiques démodulés non linéairement en amplitude permet de mesurer les courbes de dispersion, le coefficient de réflexion et le coefficient d’absorption de divers matériaux poreux, soit en hautes fréquences avec une “ pompe ultrasonore ” de 170 kHz, soit en basse fréquence avec une pompe de 47 kHz. Les résultats sont confrontés avec des simulations numériques qui ont été réalisées dans le cadre des modèles de propagation traditionnels de type “ fluide équivalent ” et aussi comparées avec des prédictions issues du formalisme de Kramers-Krönig, et par diverses analyses permettent de déterminer certains paramètres du modèle de fluide équivalent
This doctoral work is based on the use of a demodulation parametric technique for the metrology of the acoustical properties of air-saturated porous materials, in the retrodiffusion configuration, as well as in transmission. This is done by using a mixed technique starting with powerful ultrasonic waves which are amplitude demodulated in air producing audio range signals. By using some procedures borrowed from the field of nonlinear underwater acoustics (i. E. The so-called parametric arrays), some low frequency acoustical waves are produced in the impulsive regime, with short bursts. The use of the nonlinearly amplitude demodulated acoustical signals allow to determine the dispersion curves, the reflexion coefficient as well as the absorption coefficient, in the high frequency range with an ultrasonic “ pump ” transducer tuned to 170 kHz, as well as in the low frequency region with a pump working at 47 kHz. The experimental results are compared with some numerical predictions in the framework of the so-called “ equivalent fluid ” model, as well as with the Kramers-Krönig formalism. Different analysis enable also to determine some physical parameters of the “equivalent fluid” model

Les mécanismes physiques régissant la propagation acoustique dans le tissu osseux trabéculaire sont très complexes. Une analyse expérimentale et théorique a été réalisée afin d’aider à éclaircir les différences observées in vivo et in vitro. Nous montrons expérimentalement que l’os trabéculaire exhibe un comportement (i) poroélaslique (existence de deux ondes longitudinales), (ii) dispersif et (iii) anisotrope. Il est ainsi mis en évidence que la propagation des ultrasons s’avère être affectée par la composition biphasique et l’organisation architecturale du milieu. Un modèle de propagation des ondes acoustiques dans un milieu poroélastique orthotrope a été développé dans lequel un nouveau paramètre caractérisant l’architecture de la phase solide est introduit. Les résultats théoriques et expérimentaux présentent une forte concordance, indiquant que cette méthodologie peut être utilisée pour caractériser la microstructure du milieu
The physical phenomena governing the propagation of acoustic waves in cancellous bone are very complex. An experimental and theoretical analysis of the acoustic properties of such tissue has been conducted as an attempt to explain the differences between in vivo and in vitro measurement data. It was experimentally demonstrated that cancellous bone exhibit a behavior which is (i) poroelastic (existence of two longitudinal waves). (ii) dispersive and (iii) anisotropic. The ultrasonic waves propagation in this tissue was shown to be affected by both the biphasic composition and the architectural organization of the media. An acoustic wave propagation model in a poroelastic orthotropic media was developed, introducing a new parameter characterizing the architectural design of the structure. Data of the theoretical model and experimental measurements are highly correlated, suggesting that this methodology can be used to indirectly characterize the microstructure of the media

Les milieux poreux satures presentent des proprietes de filtration qui, couplees aux deformations solides, induisent un comportement macroscopique global complexe. C'est ce comportement qui fait l'objet de l'etude presentee, dans le cas d'une matrice solide elastique saturee d'un fluide visqueux. Apres un rappel des notions physiques de porosite et de permeabilite, illustrees sur une mousse de latex, diverses voies de modelisation sont envisagees et rapidement presentees. Le modele retenu est le modele poroelastique, qui fait l'objet d'un expose complet. Les equations aux derivees partielles obtenues sont resolues analytiquement pour divers cas de figures originaux, en faisant varier la geometrie du domaine, aussi bien que la nature des sollicitations, dans le cas simple ou les deux phases sont incompressibles. La geometrie cylindrique de revolution, soumise a un essai de compression en rampe puis de relaxation, est alors choisie pour des tests rheologiques. Un protocole de caracterisation en est deduit, et valide sur des echantillons de mousse de latex

Le mémoire ci-présent s’inscrit dans le cadre d'une thèse CIFRE encadrée par le Laboratoire Roberval de l'Université de Technologie de Compiègne en partenariat avec le constructeur automobile français Renault S. A. L'objectif de cette thèse est la mise en place dans un environnement industriel de méthodologies destinées à l'amélioration de la prédiction des calculs vibroacoustiques sur des systèmes couplés fluide-structure de grande taille incluant des matériaux poroélastiques; ces calculs étant réalisés avec un logiciel éléments finis commercial spécialement dédié à cet effet. Le confort acoustique et vibratoire à l'intérieur d'un véhicule est un domaine de recherche très important pour l'industrie automobile, tant les bénéfices attendus sont importants en termes de vente. En raison d'une politique de réduction du nombre de prototypes, les simulations numériques profitent depuis quelques années d'une forte sollicitation de la part des industriels. De plus, les bouleversements récents (prix du baril de pétrole, taxes sur les véhicules polluants, crise économique…) ont profondément changé le comportement des clients qui se focalisent sur des véhicules bon marché, plus propres et plus sobres. L'industrie automobile se voit contrainte de s'adapter à cette nouvelle demande en allégeant ses véhicules, ce qui permet de diminuer la consommation et donc les émissions polluantes. Les insonorisants acoustiques sont particulièrement ciblés et de nouvelles solutions, plus complexes, sont amenées à être testées. L'outil numérique permet donc de valider, voire optimiser, ces nouvelles générations d'insonorisants. Le travail présenté dans ce mémoire présente trois axes de recherche : la modélisation éléments finis de ces insonorisants constitués en grande partie de matériaux poroélastiques, l'utilisation d'un logiciel commercial en tant qu'outil de conception et la mise en place d'un processus d'amélioration des modèles numériques tout en respectant les nombreuses contraintes inhérentes à un produit complexe dans un environnement industriel en pleine mutation
The present report is in line with an industrial thesis supported by the Roberval Laboratory of the University of Technology of Compiegne in partnership with the French car manufacturer Renault S. A. This thesis aims to develop, in an industrial environment, some methodologies intended for the improvement of the prediction of vibroacoustic calculations on large size coupled fluid-structure systems including poroelastic materials using commercial finite elements software especially dedicated for this purpose to perform the calculations. Acoustic and vibratory comfort within a passenger car is a very important field of research for the automotive industry, so much so that the awaited benefits are important in terms of sales. Because of a policy of reducing the number of prototypes, there has been strong interest from carmakers for numerical simulations for several years now. Moreover, recent upheavals (petroleum price, governmental penalties for polluting vehicles, economic crisis…) have radically changed customer behavior who now focus more on cheap, cleaner and more sober vehicles. The automotive industry has to adapt to this new demand by reducing vehicle weight, which makes it possible to decrease consumption and thus the polluting emissions. Soundproofing insulators are particularly targeted and new, more complex, solutions are proposed for testing. Numerical tools are now use to validate, even optimize, these new generations of insulators. The work presented in this thesis presents three research orientations: the finite elements modeling of these acoustical insulators made mainly of poroelastic materials, the use of commercial software as a computer aided design tool and the deployment of an improvement process for the numerical models while respecting the constraints inherent to a complex product developed in a rapidly changing industrial environment

L’encapsulage de moteurs automobiles par des écrans poreux est une solution technologique qui sert à réduire le bruit qu’ils rayonnent dans l’environnement. L’utilisation actuelle de ces écrans repose principalement sur leur capacité à absorber le son lorsqu’ils sont placés à distance du moteur dans son compartiment, mais une nouvelle configuration qui les place directement au contact du moteur apporte plusieurs avantages. Ceci permet notamment un gain de masse et de matière première, mais modifie significativement leur comportement acoustique. En particulier, la température du moteur, la précontrainte appliquée, et la proportion de contact entre le moteur et l’écran pilotent le comportement acoustique du système. Cette thèse a pour objectif de caractériser les matériaux poreux d’encapsulage et d’étudier leur comportement acoustique dans leur nouvelle configuration au contact d’une surface rayonnante représentant le moteur. Ce travail s’inscrit dans un projet industriel appeléSEMPAE (Simulation de l’Encapsulage Moteur Pour l’Acoustique Externe, de 2020 à 2024), mené en collaboration entre le groupe Trèves, équipementier automobile, le groupe Renault, constructeur automobile, le groupe ESI, éditeur de logiciel, et le laboratoire de recherche Roberval de l’UTC. Dans un premier temps, plusieurs matériaux d’encapsulage, dont des mousses polymères et des matériaux fibreux, sont caractérisés pour obtenir leurs propriétés et alimenter une modélisation poroélastique. Les diverses méthodes de caractérisation sont comparées entre elles et appliquées. Une attention particulière est portée à la caractérisation des propriétés mécaniques, pour lesquelles il reste à ce jour beaucoup d’incertitudes. Ensuite, la raideur d’une mousse en mélamine comprimée par une surface rigide est étudiée. Sa relaxation au cours du temps est observée et modélisée, mettant en lumière la rhéologie complexe des matériaux poreux. Sa non-linéarité en fonction de la déformation est prise en compte, permettant de comprendre l’interaction entre la non-linéarité intrinsèque du matériau et la non-linéarité due à la forme d’un échantillon à géométrie pyramidale. Puisque la raideur de compression d’une aspérité composée d’un matériau poreux peut être modélisée, la raideur de contact d’un matériau poreux à surface rugueuse peut être prédite.La dernière partie porte sur la réduction de la puissance acoustique rayonnée par une plaque recouverte d’un écran constitué d’une couche poreuse et d’une masse lourde. Le comportement masse-ressort de l’écran permet une réduction significative de la puissance rayonnée au-delà de la résonance du système. L’expérience montre qu’en réduisant la surface de contact entre l’écran et la plaque, la résonance se déplace vers les basses fréquences, améliorant donc l’isolation acoustique de l’écran. Le contact partiel est créé expérimentalement en rainurant les écrans et peut être modélisé par la méthode des matrices de transfert en parallèle
The encapsulation of car engines by porous screens is a technology that reduces the noise they radiate into their environment. Currently, their use relies mostly on their ability to absorb sound when placed inside the engine compartment, at a distance from the engine, but a new configuration that positions them directly in contact with the engine offers several advantages. Notably, this allows a reduction in mass and raw materials needed, but significantly alters their acoustic behaviour. In particular, the engine temperature, applied preload, and the amount of contact between the engine and the screen influence the acoustic behaviour of the system. This thesis aims to characterize the porous encapsulation materials and study their acoustic behaviour in their new configuration, in contact with a radiating surface representing the engine. This work is part of an industrial project called SEMPAE (Simulation of engine encapsulation for external acoustics, from 2020 to 2024), which is a collaboration between Trèves Group, an automotive equipment supplier, Renault Group, anautomotive manufacturer, ESI Group, a software publisher, and the Roberval research laboratory at UTC. First, various encapsulation materials, including polymer foams and fibrous materials, are characterized to obtain their properties that serve as input for poroelastic models. Various characterization methods are compared and applied. Special attention is given to the characterization of mechanical properties, for which there are still many uncertainties. Next, the stiffness of melamine foam compressed against a rigid surface is studied. Its relaxation over time is observed and modelled, highlighting the complex rheology of porous materials. Its nonlinearity as a function of strain is accounted for, revealing the interaction between the intrinsic nonlinearity of the material and the shape nonlinearity of a sample with a pyramidal geometry. Since the compression stiffness of an asperity made from a porous material can be modelled, the contact stiffness of a porous material with a rough surface can be predicted. Finally, the reduction of the acoustic power radiated by a plate covered with a screen consisting of a porous layer and a heavy sheet is studied. The mass-spring behaviour of the screen significantly reduces the radiated power beyond the resonance of the system. Experimental results reveal that by reducing the contact ratio between the screen and the plate, the resonance is shifted towards lower frequencies, which improves the acoustic insulation of the covering. Partial contact is created experimentally by cutting grooves into the screens, and is modelled using the parallel transfer matrix method

L'objectif de ce mémoire de recherche est de déterminer les propriétés acoustiques des milieux poroélastiques à partir d'une démarche multi-échelle et multi-physique. Il traite d'échantillons réels de mousses, à cellules ouvertes ou partiellement fermées, dont les propriétés microstructurales sont caractérisées par des techniques d'imagerie. Cette information est utilisée afin d'identifier une cellule périodique idéalisée tridimensionnelle, qui soit représentative du comportement acoustique du milieu poreux réel. Les paramètres gouvernant les propriétés acoustiques du milieu sont obtenus en appliquant la méthode d'homogénéisation des structures périodiques. Dans une première étape, la structure des mousses est supposée indéformable. Il a été montré que pour le cas d'une distribution étroite de tailles caractéristiques de la géométrie locale, le comportement macroscopique d'une mousse à cellule ouverte peut être calculé à partir des propriétés géométriques locales de manière directe. Dans le cas d'une distribution étendue, le comportement acoustique du milieu est gouverné par des tailles critiques qui sont déterminées à partir de la porosité et de la perméabilité statique pour une mousse à cellules ouvertes ; pour une mousse à cellules partiellement fermées il est nécessaire d'identifier en plus une dimension connue de la géométrie locale. Nos résultats sont comparés avec succès à des données expérimentales obtenues par des mesures au tube d'impédance. Dans une seconde étape, les propriétés élastiques effectives du milieu poreux sont déterminées. Une modélisation par éléments finis de la cellule représentative a été mise en œuvre. Les paramètres élastiques calculés sont finalement comparés avec les données de la littérature, ainsi qu'à des essais mécaniques

L'objectif de ce mémoire de recherche est de déterminer les propriétés acoustiques des milieux poroélastiques à partir d'une démarche multi-échelle et multi-physique. Il traite d'échantillons réels de mousses, à cellules ouvertes ou partiellement fermées, dont les propriétés microstructurales sont caractérisées par des techniques d'imagerie. Cette information est utilisée afin d'identifier une cellule périodique idéalisée tridimensionnelle, qui soit représentative du comportement acoustique du milieu poreux réel. Les paramètres gouvernant les propriétés acoustiques du milieu sont obtenus en appliquant la méthode d'homogénéisation des structures périodiques. Dans une première étape, la structure des mousses est supposée indéformable. Il a été montré que pour le cas d'une distribution étroite de tailles caractéristiques de la géométrie locale, le comportement macroscopique d'une mousse à cellule ouverte peut être calculé à partir des propriétés géométriques locales de manière directe. Dans le cas d'une distribution étendue, le comportement acoustique du milieu est gouverné par des tailles critiques qui sont déterminées à partir de la porosité et de la perméabilité statique pour une mousse à cellules ouvertes ; pour une mousse à cellules partiellement fermées il est nécessaire d'identifier en plus une dimension connue de la géométrie locale. Nos résultats sont comparés avec succès à des données expérimentales obtenues par des mesures au tube d'impédance. Dans une seconde étape, les propriétés élastiques effectives du milieu poreux sont déterminées. Une modélisation par éléments finis de la cellule représentative a été mise en œuvre. Les paramètres élastiques calculés sont finalement comparés avec les données de la littérature, ainsi qu'à des essais mécaniques
This work aims at determining the acoustical properties of poro-elastic media through a multi-scale method. Some imaging techniques (tomography and micrographs) allow to estimate some quantitative microstructure properties of foams containing open or partially closed cells. These properties are used in order to clarify the features of a representative three-dimensional unit cell of a periodic structure, which mimics the behaviour of the real foam. All parameters controlling the acoustical properties of the porous foam are obtained by using the homogenization of periodic structures. In a first step, the structure of the foam is assumed to be rigid. It was shown that, in the case of a narrow distribution of the characteristic size of the local geometry, a direct computation of the macroscopic behaviour from the local geometrical properties is consistent with the measured acoustical properties. For a wide distribution of pore size, the acoustical behaviour is controlled by critical sizes that are obtained from porosity and static permeability for an open-cell foam, while for partially closed cells, the identification of a complementary characteristic dimension within the pores becomes necessary (e.g. closure rate of membranes). Our results compare well with data obtained from an impedance tube set-up. In a second step, effective elastic properties are computed through a modelling of the foam structure by finite elements. The computed elastic parameters are finally compared with data coming from the literature and with results of mechanical tests

Dans un contexte de réduction internationale des émissions de gaz à effet de serre, les techniques de Captage Transport et Stockage de CO2 (CTSC) apparaissent comme une solution à moyen terme particulièrement efficace. En effet, les capacités de stockage géologique pourraient s'élever jusqu'à plusieurs millions de tonnes de CO2 injectées par an, soit une réduction substantielle des émissions atmosphériques de ce gaz. Une des cibles privilégiées pour la mise en place de cette solution sont les aquifères salins profonds. Ces aquifères sont des formations géologiques contenant une saumure dont la salinité est souvent supérieure à celle de la mer la rendant impropre à la consommation. Cependant, cette technique fait face à de nombreux défis technologiques ; en particulier la précipitation des sels, dissous dans l'eau présente initialement dans l'aquifère cible, suite à son évaporation par le CO2 injecté. Les conséquences de cette précipitation sont multiples, mais la plus importante est une modification de l'injectivité, c'est-à-dire des capacités d'injection. La connaissance de l'influence de la précipitation sur l'injectivité est particulièrement importante tant au niveau de l'efficacité du stockage et de l'injection qu'au niveau de la sécurité et de la durabilité du stockage. Le but de ces travaux de thèse est de comparer l'importance relative des phénomènes négatif (colmatage) et positif (fracturation) consécutifs à l'injection de CO2 et à la précipitation des sels. Au vu des nombreux résultats de simulations et de modélisation dans la littérature décrivant le colmatage de la porosité, il a été décidé de porter l'accent sur les effets mécaniques de la cristallisation des sels et la possible déformation de la roche mère. Une modélisation macroscopique et microscopique, tenant compte de deux modes possibles d'évaporation induits par la distribution spatiale de l'eau résiduelle a donc été développée afin de prédire le comportement mécanique d'un matériau poreux soumis à un assèchement par injection de CO2. Les résultats montrent que la pression de cristallisation consécutive à la croissance d'un cristal en milieu confiné peut atteindre des valeurs susceptibles localement de dépasser la résistance mécanique du matériau, soulignant ainsi l'importance de ces phénomènes dans le comportement mécanique global de l'aquifère. Sur le plan expérimental, les travaux ont porté sur l'utilisation d'un nouveau prototype de percolation réactive afin de reproduire le comportement d'une carotte de roche soumise à l'injection et ainsi obtenir l'évolution des perméabilités dans des conditions similaires à celle d'un aquifère.