Étude et développement de matériaux microstructurés pour une absorption acoustique large bande

Contexte et problématique : Les matériaux poreux et fibreux sont communément utilisés afin d’améliorer le comportement acoustique absorbant des structures. Cependant, pour un encombrement limité, leur efficacité se limite aux moyennes et hautes fréquences dans le domaine audible. Pour atteindre les basses fréquences tout en maintenant un faible encombrement, des matériaux structurés ont été développés [1-5]. Une solution faisant intervenir un réseau périodique de cavités d’air fines résonantes (d’épaisseurs bien inférieures aux longueurs d’onde acoustiques) a été proposée (PPC) [1-2]. L’association de la périodicité et des effets viscothermiques dans les cavités permet d’activer un phénomène d’augmentation de la compressibilité du fluide équivalent responsable d’effets d’absorption très basses fréquences, bien inférieures aux fréquences propres des résonateurs conventionnels. Un absorbeur tonal a ainsi pu être développé dont les fréquences d’absorption peuvent être ciblées pour des applications spécifiques [1-2]. Pour élargir la bande de fréquence efficace, une évolution de la microgéométrie de ce matériau structuré a par la suite été proposée (SBH) [3]. Le concept créé correspond à celui d’un trou noir acoustique dissipatif. Cette solution permet une absorption acoustique large bande en moyenne fréquence. Ces deux solutions ont été couplées [4] et permettent une absorption relativement large bande de fréquence en basse fréquence, mais il reste toujours un compromis à trouver entre une absorption basse fréquence relativement fine et une absorption large bande en moyennes fréquences qui n’est pas encore satisfaisant.

De plus, ces solutions sont susceptibles d’être utilisées dans des environnements extrêmes (moteurs, réacteurs d’avion, etc.) pour lesquels les niveaux d’excitations mécaniques et acoustiques peuvent être très élevés; or, le comportement acoustique de ces matériaux est très sensible au niveau d’excitation [2,5, 6]. La compréhension et la modélisation de ces effets non linéaires doivent être encore approfondies. 

Objectif du doctorat : développer de nouveaux concepts de matériaux microstructurés pour l’absorption acoustique large bande de fréquence incluant en particulier les basses fréquences pour des excitations réalistes.

Pour cela, le doctorat comprend deux parties interdépendantes :

1. Étude et développement d’un matériau structuré optimisé comme absorbeur acoustique large bande de fréquence.
2. Étude et modélisation de ces matériaux structurés optimisés sous fort niveau d’excitation acoustique.

Méthodologie : Le doctorat proposé comprend les étapes suivantes : 

• Revue de littérature sur les matériaux structurés,
• Modélisations analytiques et numériques,
• Optimisation topologique des macro et microstructures du matériau,
• Analyse de l’influence des changements d’échelle ainsi que l’étude de l’influence des paramètres physiques sur les propriétés acoustiques de l’absorbeur,
• Conception, fabrication et test de prototypes de matériaux microstructurés,
• Adaptation des modèles pour les forts niveaux d’excitation,
• Test des prototypes sous fort niveau d’excitation.

Références : [1] T. Dupont, P. Leclaire, R. Panneton, O. Umnova. A microstructure material design for low frequency sound absorption, Applied Acoustics 136, 86–93, 2018

[2] Brooke D, O. Umnova, A.S. Elliott, P. Leclaire, T. Dupont. Acoustic metamaterial for low frequency sound absorption in linear and nonlinear regimes. Journal of sound and vibration. 485, 2020, 115585.

[3] O. Umnova, D. Brooke, P. Leclaire, T. Dupont. Multiple resonances in lossy acoustic black holes - theory and experiment. Journal of Sound and Vibration. Volume 543, 20 January 2023, 117377

[4] G. Bezançon, M. Lopez, O. Doutres, R. Panneton and T. Dupont. Low-frequency absorption band in a thin acoustic metamaterial using acoustic black hole termination. Applied Acoustics. Vol. 233, 30 March 2025, 110595

[5] G. Bezançon, O. Doutres, O. Umnova, P. Leclaire and T. Dupont. Experimental analysis of metamaterial with improved high sound levels absorption using complex frequency plane. Applied Acoustics. 231, Mar 2025, 110529

[6] M. Lopez, T. C. Kone, A. E. Benchikh Le Hocine, T. Dupont and R. Panneton Mass-spring model for a perforated periodic metamaterial in linear and nonlinear regimes.  J. Acoust. Soc. Am. 157, 2025, 3192–3203.