Vibro-acoustique des structures immergées sous écoulement turbulent

par Mathieu Aucejo

Thèse de doctorat en Acoustique

Sous la direction de Jean-Louis Guyader et de Laurent Maxit.

Soutenue en 2010

à Lyon, INSA .


  • Résumé

    L’objectif de cette thèse est l’étude du bruit propre d’origine hydrodynamique au niveau de l’antenne d’étrave d’un sous-marin pour des fréquences comprises entre 10 Hz et quelques kHz. Dans cette optique, trois problématiques particulières doivent être étudiées : la modélisation du comportement vibro-acoustique des structures en fluide lourd, l’intégration de l’excitation couche limite turbulente (CLT) dans les modèles numériques déterministes et la mesure de la réponse d’une structure sous écoulement turbulent. Le premier chapitre est consacré à la synthèse bibliographique des différentes méthodes existantes pour étudier de tels problèmes. Dans un second chapitre, nous présentons la méthode PTF (Patch Transfer Functions), qui est une approche par sous-structuration de domaines permettant l’étude des problèmes vibro-acoustiques en basses et moyennes fréquences. Cette méthode n’ayant été appliquée qu’en fluide léger, l’un des enjeux de ce chapitre est d’étudier son applicabilité en fluide lourd et de mettre en lumière d’éventuels points de blocage. Nous montrons ainsi que des problèmes de convergence de la méthode apparaissent en fluide lourd. Pour pallier ces difficultés, nous présentons, dans le troisième chapitre, deux stratégies de calcul permettant d’accélérer la convergence globale de la méthode. Le quatrième chapitre propose une application de la méthode PTF pour caractériser la réponse vibro-acoustique en fluide lourd d’une structure soumise à une CLT et couplée à un milieu fluide extérieur et à une cavité acoustique, encombrée par des structures déformables. Pour traiter ce problème, nous complétons, tout d’abord, le modèle PTF par l’introduction de l’excitation CLT dans les modèles déterministes, à partir d’une décomposition de l’interspectre des fluctuations de pression pariétale sur une base d’ondes planes décorrélées. Nous présentons, ensuite, le calcul de l’impédance de rayonnement par pavé pour des surfaces de couplage de géométrie quelconque, ainsi qu’un modèle d’encombrement permettant, à partir de considérations physiques, de tenir compte simplement de la complexité structurale de structures encombrant une cavité acoustique. Cette application nous permet de montrer que l’influence de l’encombrement des cavités sur la réponse vibro-acoustique du système ne peut pas être négligée, lorsque l’on s’intéresse à l’étude du bruit hydrodynamique au niveau d’une antenne d’étrave de sous-marin. Dans le cinquième chapitre, nous développons une technique expérimentale permettant de caractériser le comportement des structures sous écoulement turbulent. Cette technique est basée sur la décomposition en ondes planes décorrélées présentée au chapitre 4 et nécessite la génération de champs de pression pariétale correspondant à ceux que l’on obtiendrait à partir d’ondes propagatives et évanescentes pour tenir compte des caractéristiques spectrales de la CLT. Pour cela, nous utilisons une antenne de monopôles acoustiques, dont nous déterminons numériquement les principaux paramètres (taille, nombre de monopôles et distance antenne paroi). Le nombre de monopôles augmentant avec la fréquence, la mise en œuvre de cette méthode peut s’avérer délicate. Pour contourner cette difficulté, nous présentons le principe de l’antenne synthétique, dont la validation expérimentale est étudiée dans le dernier chapitre

  • Titre traduit

    = Vibro-acoustics of immersed structures subjected to turbulent flow


  • Résumé

    The aim of this thesis is the study of the hydrodynamic self-noise under a SONAR dome from 10 Hz to a few kHz. For this purpose, three particular studies has to be considered : the modelling of the vibro-acoustic behaviour of immersed structures in heavy fluid, the implementation of the turbulent boundary layer (TBL) excitation in deterministic formulations and the measurement of the response of a structure to a TBL. The first chapter is devoted to a bibliographical study of existing methods to deal with such problems. In the second chapter, we introduce the PTF (Patch Transfer Functions) method, which is based on substructuring and impedance/mobility concepts. This approach allows solving vibro-acoustic problems in the low and mid-frequency ranges. Because this method has only been applied to light fluid cases, one of the main issues of this chapter is the study of its applicability to heavy fluid cases. In the latter situation, convergence difficulties are observed. To overcome them, two strategies are developed in the third chapter to improve the global convergence of the method. The fourth chapter presents an application of the PTF method to a structure subjected to a TBL excitation and coupled to an external fluid medium and an acoustic cavity, cluttered up by elastic structures. To solve this problem, we first complete the PTF model by introducing the TBL excitation in the method from a plane waves expansion of the TBL cross-spectrum. Then, we introduce the computation of the PTF of an external fluid medium and that of a cavity cluttered up by elastic structures from a simplified model of the clutter. This application highlights the non-negligible influence of the clutter on the vibro-acoustic response of the whole system. In the fifth chapter, an experimental technique to simulate the behaviour of structures under TBL is developed. This technique is based on the plane waves expansion presented in chapter 4 and required the generation of wall pressure fields corresponding to those of propagating and evanescent waves to represent the spectral features of the TBL. To this end, a monopole array is used. The main parameters of the array are numerically estimated. The number of monopoles increasing with frequency, the experimental implementation of this technique can be delicate. To overcome this difficulty, the use of a synthetic antenna is introduced. The experimental validation of this technique is studied in the last chapter

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XX-166 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 157-166

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(3640)
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