Modélisation multi-échelle de la dissipation acoustique dans des textiles techniques faits de fibres naturelles

par Hoang Tuan Luu

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Camille Perrot.

Soutenue le 12-12-2016

à Paris Est en cotutelle avec Groupe d'Acoustique de l'Université de Sherbrooke (Québec, Canada) , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire Modélisation et simulation multi échelle (Marne-la-Vallée) (laboratoire) et de Laboratoire de Modélisation et Simulation Multi Echelle / MSME (laboratoire) .

Le président du jury était Guy Bonnet.

Le jury était composé de Camille Perrot, Raymond Panneton, Vincent Monchiet.

Les rapporteurs étaient Philippe Leclaire, Saïd Elkoun.


  • Résumé

    Ce projet de recherche s'inscrit dans une démarche d'éco-conception de matériaux architecturés à fort potentiel acoustique. On s'intéresse en particulier dans ce travail de thèse à la description des phénomènes de dissipation et de propagation des ondes acoustiques dans un milieu fibreux par une approche multi-échelle et multi-physique. Dans cette étude, il s'agit de décrire les propriétés acoustiques du milieu fibreux à partir d'une description de la géométrie à l'échelle locale de milieux fibreux. Le milieu fibreux est constitué de fibres d'asclépiades, qui sont typiquement des fibres végétales adoptant la forme de longs cylindres. Pour traiter ce problème, la méthodologie employée consiste en quatre étapes principales : (i) caractérisation et modélisation de la géométrie du milieu fibreux; (ii) calcul des paramètres de transport et acoustiques du milieu fibreux reconstruit; (iii) validation expérimentale de propriétés de transport et acoustiques; (iv) évaluation des évolutions de propriétés de transport en fonction des paramètres de la géométrie à l'échelle locale de matériau. En particulier, un modèle isotrope spatialement stationnaire de lignes droites (processus de Poisson) et le tenseur d'orientation angulaire correspondant, constituent des outils de modélisation de la géométrie aléatoire du milieu fibreux permettant de représenter les principales caractéristiques susceptibles d'influencer ses propriétés de transport. Il s'agit ensuite de résoudre les principaux problèmes aux limites gouvernant le comportement acoustique à l'échelle supérieure en appliquant une technique classique d’homogénéisation numérique. On montre dans un premier temps que la méthode développée permet de prédire le comportement en absorption d'un milieu fibreux aléatoire en se basant uniquement sur la description des caractéristiques géométriques du matériau fibreux réel (porosité, rayon de fibres, distributions des orientations angulaires) sans coefficient d'ajustement, validations expérimentales à l'appui. Sur la base de ce travail de reconstruction tridimensionnel, on étudie ensuite systématiquement l'ensemble des phénomènes de transport d'intérêt sur une large gamme de porosité et d'orientations angulaires, de manière à produire des lois qui peuvent être appliquées par la suite par d'autres utilisateurs sur une large gamme de milieux fibreux réels. Finalement, on examine plus particulièrement l'hypothèse classique selon laquelle un milieu fibreux peut être décrit à partir de la moyenne arithmétique du diamètre de ses fibres, afin de cerner les limites de cette approche et ses conditions d'applicabilité lorsque le milieu fibreux présente une distribution étendue de diamètres de fibres ou bimodale

  • Titre traduit

    Multi-scale modeling of the acoustical dissipation within technical textiles made by naturals fibres


  • Résumé

    This research project was inscribed in an eco-conception approach for architected materials with high acoustic potential. In this research project, we are interested particularly in the description of dissipation and propagation phenomena of sound waves in a fibrous medium by using multi-scale and multi-physics approaches. In this work, we determine the transport and acoustic properties of fiber media based on the description of geometry at their local scale. The fiber media consist of asclepias fibers which are typically vegetable fibers adopting a long hollow cylinder. To solve this problem, the methodology consists of 4 principle steps below: (i) Characterize and model the geometry of fiber medium; (ii) Calculate the transport parameters and acoustic properties of reconstructed fiber medium; (iii) Validate the results of the transport and acoustic properties by comparing with experimental measurements; (iv) Evaluate the evolution of transport parameters as function of geometrical parameters at the local scale. For the geometrical reconstruction, isotropic model of straight lines (Poisson processes) and angular orientation tensor were used. They allow representing of principle characteristics influencing the transport and acoustic properties of material at macroscopic scale. The resolutions of principal problems governing the acoustic behavior at the macroscopic scale were then performed by using the numerical homogenization method. We firstly demonstrate that the developed method allows predicting of absorption behavior of a random fiber medium based on only their geometrical characteristic description (porosity, fibers radius, angular orientation distribution) without adjustment coefficient, and the validated by experimental measurements. Secondly, based on the reconstruction method, one can systematically study the whole transport phenomena on a wide range of porosity and angular orientation in order to provide the laws which can be applied by other user on a wide range of real fiber media. Finally, we verify more particular the hypothesis that a fibrous material can be described by a mean diameter value of their fibers, this work allows identifying the limit of this approach and their application conditions when a fiber medium is constituted of a large distribution of fiber diameters or bimodal


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