Добірка наукової літератури з теми "Métamatériaux – Propriétés acoustiques – Propriétés mécaniques"

Dans le cadre de l'acoustique sous-marine, la détection de bâtiments est aujourd'hui un sujet largement étudié. Les revêtements de coques permettent d'échapper à cette détection mais il est nécessaire d'améliorer leurs performances pour suivre le développement des systèmes SONAR, en particulier pour les basses fréquences.Les métamatériaux sont utilisés dans ce but pour leurs propriétés de filtrage fréquentiel et de résonance locale. Cependant une autre stratégie consiste à s'intéresser aux métamatériaux architecturés permettant l'obtention de propriétés mécaniques hors du commun, par exemple un coefficient de Poisson anti-auxétique, c’est-à-dire supérieur à 0,5.Dans cette thèse, une structure permettant d'obtenir de tels coefficients de Poisson est étudiée, dans le cas de volumes infinis puis adaptée au cas de plaques d'épaisseur finie, par des outils numériques basés sur la simulation éléments finis. Une méthode d'homogénéisation dans la limite des grandes longueurs d’onde est développée à partir des outils numériques en exploitant les courbes de dispersion et est utilisée pour obtenir les propriétés effectives de la structure aussi bien en volume qu'en plaque. Dans le cas de la plaque, le modèle est adapté afin de prendre en compte une densité matricielle. La structure en plaque est ensuite caractérisée en statique par des essais en traction et en dynamique par l'identification des modes de flexion. Ces tests permettent de mettre en évidence les limites de validité du modèle d’homogénéisation. Enfin, des revêtements sont conçus à partir de la structure architecturée pour répondre aux objectifs de performances fixés, notamment en basses fréquences, pour la furtivité sous-marine. Plusieurs panneaux sont alors proposés
In the framework of underwater acoustics, detection of submerged vehicles is widely studied. Hull coatings are used to avoid such detection. Due to the enhancement of SONAR system low frequency performance, hull coatings must be improved.Acoustic metamaterials can be useful for this purpose thanks to their stop-band effect and local resonances. Alternatively, other types of metamaterials can be explored. A novel approach consists in exploring architectured metamaterials allowing outstanding mechanical properties, such as anti-auxetic Poisson's ratios greater than 0.5.In this thesis, a structure exhibiting anti-auxetic Poisson's ratios is studied using the finite element method. The study is conducted on the one hand for infinite volumes and on the other hand for finite thickness plates. An homogenization method is developed to obtain the effective properties of the structure in the low frequency domain using numerical tools based on the structure’s dispersion curves. The effective properties are determined for both infinite volumes and finite plates. Those determined in the case of plates are adapted in order to take into account an anisotropic density. The plates are then characterized experimentally using two methods. First a static characterization is performed through a tensile test. Then a dynamic characterization through an identification of the flexural modes is conducted. Those measurements allow to define limits of validity for the homogenization model. Finally, hull coatings based on the architectured structure are designed in order to reach the performance objectives for underwater stealth, mainly in low frequency. Several panels are then proposed

L'utilisation des mousses de polymères réticulés gagne de plus en plus de terrain, notamment pour l'absorption acoustique. Ce travail présente de nouvelles approches pour la caractérisation de ces matériaux, possèdant un comportement en hystérésis avec 3 zones distinctes. Tout d'abord le comportement linéaire est présenté sur une large gamme de fréquences grâce à l'application du principe de Superposition Temps-Température (TTS). 2 aspects sont ainsi mis en évidence: une faible portion du squelette participe à la transmission de la contrainte, et le module élastique à fréquence nulle décroît avec la taille des pores. Ensuite une extension de la théorie Preisach issue du magnétisme est présentée pour de grandes déformations: l'hystérésis est ainsi modélisée à partir d'une distribution d'hysterons microscopiques. Enfin, 2 mécanismes de relaxation de ces mousses sont distingués. La relaxation principale réduit les contraintes par réarrangement topologique des poutres de la mousse
The use of cross-linked polymer foams gains ground more and more, particularly for acoustic absorption. This work present new approaches for the characterization of these materials, which have a behavior in hysteresis with 3 distinct zones. First the linear behavior is presented on a large frequency band with the application of the Time-temperature Superposition (TTS) principle. 2 aspects are thus shown: a weak portion of the skeleton takes part in the stress transmission, and the elastic modulus at null frequency decrease with the pore size. Then an extension of the magnetism Preisach's theory is presented for great deformations: hysteresis is thus modelled starting from a distribution of microscopic hysterons. Lastly, 2 compressive relaxation mechanisms are distinguished. Principal relaxation decreases stress by topological rearrangement of the foam beams

Ce travail porte sur le comportement acoustique et vibratoire de matériaux poreux et perforés. Dans la 1ère partie, les différents aspects de la modélisation de la propagation des ondes acoustiques dans les milieux poreux, à matrice rigide, saturés d'air, sont énumérées. Ces modèles sont repris pour traiter et caractériser le comportement acoustique de panneaux multicouches absorbants, à parement perforés. Plusieurs types d'associations "Poreux-Tôle perforée" sont considérés pour mettre en évidence le rôle de chaque constituant. Le cas particulier de résonateurs couplés, constitués uniquement d'un assemblage de tôles perforés, est abordé. Ces différents comportements étant rappelés, des matériaux poreux de remplacement originaux, issus du broyage de matériaux recyclés sont utilisés dans la conception de ces panneaux absorbants à parement perforés. Il est montré que ces matériaux granulaires pulvérulents ont des propriétés acoustiques étroitement liées à la classe granulométrique employée et donc à la répartition de la taille des pores. Ils peuvent, parfois, avantageusement substituer les laines minérales habituellement utilisées. La 2nde partie porte sur l'étude des caractéristiques mécaniques et sur le comportement vibratoire de plaques métalliques perforées. Les constantes élastiques de celles-ci sont calculées à partir de celles de la tôle pleine par le biais de la théorie de Meijers. Le comportement vibratoire de ces tôles peut être prévu. Ceci est confirmé par la confrontation avec les résultats d'une expérience simple : la mesure de l'impédance mécanique ponctuelle d'un disque à bord libre excité en son centre, et par l'observation des déformés, pour différents modes de vibration, sur clichés obtenus par interférométrie holographique par double exposition
The purpose of this work is to study the acoustical behaviour and the vibration response of porous and perforated materials. In this first part, different aspects of the prediction of sound propagation in rigid frame air-saturated porous materials are listed. Then, these models are used to treat and determine the acoustical properties of absorptive multi-layer panels with a perforated facing. Various associations "Porous materials-Perforated metal sheet" are considered to highlight the contribution of each element. The particular case of coupled resonators, only made of several associated perforated metal plates, is tackled. Original porous materials of replacement, issued from crushed recycled materials (tyres, plastic bottles. . . ) are used in the design of these absorptive panels with a perforated facing. It is shown that these pulverulent granular materials, mechanically stronger, have acoustical properties closely linked to the grading class used and consequently to the pore size dsitribution. Incertain cases, they can attractively replace mineral wools commonly used. The second part of this work considers the mechanical characteristics and the vibration behaviour of perforated metal sheets. With the help of Meijers's theory, the elastic constants are calculated from those of the solid plate. Then, the vibration response of these metal sheets can be anticipated. This is confirmed on the one hand, by comparing theoretical results to those obtained from a simple experiment (the measurement of the driving-point impedance of a free boundary circular plate driven at its midpoint) and on the other hand, by observing transverse displacements for different modes of vibration, on photographs obtained by double exposure holographic interferometry

Ce travail porte sur la caractérisation, par une méthode acoustique, du comportement mécanique d'un milieu granulaire sous chargement cyclique. La propagation d'ondes ultrasonores, à travers le réseau des contacts supportant les efforts dans l'échantillon, permet de sonder les propriétés viscoélastiques de ces milieux hétérogènes. Dans une première partie, nous étudions le comportement visco-élasto-plastique d'un empilement de billes de verre lors d'un essai oedométrique. Nous examinons en particulier le tassement, ou la déformation résiduelle, et la dissipation hystérétique, en fonction du nombre de cycles, du taux de déformation et de l'état de surface des billes. Nous montrons que les modules déduits des donnés mécaniques (déformation e ~ 10?4-10?³) sont dix fois plus petits que ceux obtenus par les mesures acoustiques (e ~ 10?7) à cause de la réponse non linéaire du milieu. Dans une seconde partie, nous nous intéressons au fluage et à la relaxation de contrainte du milieu. L'originalité de cette étude est le suivi par la mesure de la vitesse du son, qui présente une augmentation de type logarithmique dans les deux types d'essais. Le modèle basé sur la mécanique des microcontacts entre grains rugueux décrit bien nos résultats expérimentaux

Depuis plusieurs dizaines d’années, les cristaux photoniques et phononiques font l’objet d’études poussées notamment enoptique, électromagnétisme et en acoustique. Ces Métamatériaux, constitués de diffuseurs périodiques, ont despropriétés impossibles à observer pour des matériaux usuels et peuvent par exemple, courber les rayons où interdire latransmission des ondes sonores sur certaines gammes de fréquences (bandes interdites). En agissant sur lescaractéristiques géométriques du cristal il est possible de combiner les pertes en transmission liées à la période, à deseffets de résonances plus basses fréquences liés aux diffuseurs (rigide, résonnant...) et obtenir des coefficients de transmission quasi nuls, où d’absorption quasi totale sur de larges bandes de fréquences. Deux métamatériaux sont étudiés, visant à trouver des solutions alternatives à des problématiques rencontrées en acoustique et utilisant un réseau périodique d’inclusions résonantes. Le premier est un cristal sonique utilisé comme barrière acoustique et créé à l’aide de cannes de bambou percées comportant des pertes en transmission basses fréquences. Le second est un panneau de matériau poreux enfermant des inclusions résonantes et offrant une absorption acoustique quasi totale pour des longueurs d’ondes jusqu’à 10 fois supérieures à l’épaisseur du matériau. Les comportements de ces deux dispositifs ont été étudiés théoriquement, expérimentalement et numériquement via plusieurs méthodes qui ont permis de mettre en évidence leurs excellentes performances pour des applications acoustiques dans l’audible
Since several decades, photonic and phononic crystals are the center of numerous studies and in particular in the optics,electromagnetism and acoustics fields. These metamaterials, created by a periodic array of inclusions, have propertiesimpossible to obtain with usual materials. They can, for example, bend the waves or stop the waves for some frequencyranges (band gap). By changing the characteristic of the unit cell, it is possible to combine transmission losses linked to theperiodicity, with low frequency resonances linked to the type of scatterer (rigid, resonator...) and obtain very low transmissioncoefficient or very high absorption coefficient on very large frequency ranges depending on the device. Two metamaterialsdevices are studied to find alternative solutions, for acoustics problems, by using periodic array of scatterers. The first deviceis a sonic crystal used has an noise barrier and built with drilled bamboo rods, that have low frequency transmission losses(around 300 Hz and around 2000 Hz). The second device is a periodic array of resonant inclusions embedded in a porousplate that can absorb almost all the waves for a wide frequency range that correspond to wavelength up to 10 times bigger than de thickness of the plate. The behavior of this two devices are studied theoretically, experimentally and numerically by using several methods (Plane Waves Expansion, Multiple Scattering Theory for the first device and finite element method for the second). All this methods allow to bring out the very good performances of this metamaterials devices in audiblefrequency range

Pour cette étude, trois espèces de la forêt boréale ont été sélectionnées selon leur importance pour l’industrie forestière canadienne. Quinze billes de pin gris ont été récoltées au Lac Saint-Jean (Québec) puis sciées, séchées et testées afin de connaître le module d’élasticité statique (MOEstat) des pièces à 12% de teneur en humidité. Le même processus a été appliqué pour l’épinette noire provenant de la Côte Nord (Québec) et pour une plus grande quantité de billes (92) d’épinette blanche récoltées à la Forêt expérimentale de Petawawa (Ontario). L’objectif de ce travail consiste à déterminer la force des relations, à trois étapes du processus de transformation, entre les vitesses sonores, les modules d’élasticité dynamique (MOEdyn) et les MOEstat mesurés sur les pièces sciées. Des simulations ont aussi permis d’évaluer l’influence de la variation de la teneur en humidité sur la force de la relation entre le MOEstat et le MOEdyn pour les billes. Les résultats montrent que la force de la relation entre le MOEstat et le MOEdyn s’améliore lorsque la variation de la teneur en humidité du bois et la variation de la masse volumique anhydre de la bille sont connues, ce qui indique qu’il est préférable de mesurer directement la masse volumique de la bille lors de l’évaluation du MOEdyn.

Ce travail porte sur le développement de techniques de caractérisation mécanique aux basses fréquences des matériaux poreux, tels que les mousse polymères et les matériaux fibreux, couramment utilisés pour réduire les nuisances sonores. Dans une permière partie un banc de caractérisation quasistatique en traction compression permettant de mesurer le module d'Young et le coefficient de Poisson de ces matériaux sur la plage de fréquence 1-100 Hz est présenté. Une attention particulière est portée à la recherche du domaine linéaire de mesure, à la dépendence en fréquence, à l'anisotropie et aux effets dynamiques et de couplage. La deuxième partie est consacrée à la validation d'une technique pour étendre la bande de fréquence de mesure mieux adaptée à l'utilisation industrielle de ces matériaux aux hautes fréquences. Cette technique, basée sur le principe de superposition fréquence-température, est validée pour les mousses polyuréthane. De plus, on montre que la caractérisation d'un seul module d'élasticité sur une large plage de fréquence est suffisante pour décrire la dépendance en fréquence de tous les modules d'élasticité du matériau. La demière partie présente un nouveau système expérimental pour la mesure dynamique du module de rigidité en flexion des plaques poroélastiques (cette configuration est souvent utilisée). L'inversion repose sur une analyse modale basée sur la méthode de Prony et sur un modèle de plaque basé sur la théorie de Biot, incluant les interactions fluide-structure dans la plaque. Les résultats obtenus sur un matériau fibreux sont satisfaisants alors que les résultats obtenus sur une mousse polyuréthane montrent les limites du modèle développé
This work deals with new caracterisation techniques of the mechanical properties of porous materials, such as polymeric foams and fibrous materials, currently used in sound absorbing applications. First, a quasistatic traction-compression experimental technic used to measure Young's modulus and Poisson's ratio of such materials on the frequency range 1-100 Hz is described. A special attention is paid on linear domain, frequency dependence, anisotropy and dynamical and coupling effects. Next a most adapted to industrial context technic allowing a large frequency range carcterisation is presented. This technic, based on the frequency-temperature superposition principle, is validated on polyurethan foams. Moreover, it is shown that the knowledge of the frequency dependence of one modulus is enougth to predict the frequency dependance of all moduli. These materials being usually plate like, the final part presents a new experimental device to measure the bending modulus of poroelastic plates. The inversion is based on modal analysis with the Prony method and on a analytical model of bending behaviour of poroelastic plates. This model is based on the Biot model in order to take into account the fluid-strucure coupling effects. Results obtained on a fibroux material are satisfying while results obtained on a polymeric foam show clearly the limits of this new model

Si actuellement les methodes quantitatives d'analyse en microscopie acoustique sont largement developpees sur des echantillons ayant une structure quasi-homogene, et dont les proprietes acoustiques ne varient pratiquement pas au voisinage de la surface, il n'en est pas de meme pour les materiaux ayant un gradient dans leurs proprietes mecaniques. C'est pour cela que nous avons developpe une importante etude aussi bien theorique que experimentale pour modeliser et caracteriser ces materiaux par des methodes microacoustiques. Sur le plan theorique, nous avons propose une methode originale de modelisation: elle est basee sur la subdivision du materiau a gradient en un nombre de couches suffisamment important pour que les parametres acoustiques varient de facon quasi-continue en fonction de la profondeur z suivant le profil du gradient considere. Ensuite, une etude fondamentale detaillee sur les courbes de dispersion pour differents couples de materiaux est presentee. L'analyse de ces courbes nous a permis de mettre en evidence deux points importants qui sont, suivant le couple de materiaux etudie: le point d'inflexion et le maximum de la courbure. Afin de completer cette etude, nous nous sommes interesses au probleme inverse qui nous permet, grace a ces points, de retrouver les caracteristiques physiques des materiaux a gradient. Les resultats experimentaux obtenus sur des echantillons d'acier, de verre et de materiaux metal/semi-conducteurs (in/gasb) ont confirme les previsions theoriques

Ce travail de thèse porte essentiellement sur l’étude du couplage élasto-plasmonique dans des systèmes périodiques nanostructurés. Cette interaction plasmon/phonon est étudiée dans un premier temps sur un nanofil métallique inséré dans une cavité d’un cristal bidimensionnel, consistant en un réseau de trous d’air percés dans une matrice diélectrique. Le second système analysé est un cristal à résonances locales composé d'une membrane diélectrique non absorbante, sur laquelle nous avons déposé un réseau carré de nanocylindres d'or. L'intérêt d'étudier ce système résulte du fait qu'il supporte des phonons bien localisés au niveau des nanocylindres, ce qui est une condition nécessaire pour un couplage efficace avec les modes plasmoniques. Le troisième système examiné est également un cristal à résonances locales, composé d’un réseau de nanocylindres métalliques en interaction avec un film métallique par l'intermédiaire d'un film ultra-mince de silice. L’intérêt d’étudier cette dernière structure est double : d’une part, les plasmons deviennent sensibles, par leur forte localisation, à des petites déformations du film ; d’autre part, ce système supporte des phonons bien localisés ce qui permet d’obtenir une amplification locale des vibrations à partir d’une source acoustique. En fin, il s’agit d’une cavité duale pour les phonons et les plasmons. Pour les trois systèmes étudiés dans cette thèse, nous avons montré qu’une vibration mécanique peut moduler au cours de sa période acoustique, la longueur d’onde de résonance des modes plasmoniques supportés par la structure
This thesis is focused on the elastoplasmonic coupling in periodic nanostructured systems. This interaction plasmon/phonon has been studied first for a metal nanowire inserted into a cavity of a two-dimensional crystal, consisting in a periodic array of holes in a dielectric matrix. The second investigated system is a crystal with sustaining local resonances. The crystal is formed by a square array of gold nanocylindres deposited on a non-absorbing dielectric membrane. The interest of such a system is that it can support phonon modes localized in the nanocylindre enabling thus an efficient coupling with plasmon modes. The third system is a crystal constituted by a metal nanoparticles array coupled to a metal film via an ultra thin dielectric spacer (silica). The motivation behind such a study is twofold: first, plasmon modes are sensitive to small local deformations due to their strong confinement; second such a system supports many localized phonons that can provide a local amplification of vibrations. It is then a dual cavity for phonon and plasmon modes. For the three systems studied in this thesis, we have shown that mechanical vibrations can modulate during an acoustic period the wavelength of the plasmon resonance modes supported by the structure