Acoustic properties of natural materials

par Weichun Huang

Thèse de doctorat en Acoustique

Soutenue le 04-12-2018

à Le Mans , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes) , en partenariat avec Laboratoire d'acoustique de l'Université du Mans (laboratoire) et de Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Mans / LAUM (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Propriétés acoustiques des matériaux naturels


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous étudions un métamatériau inspiré de la paille de blé pour l'absorption parfaite du son. Une botte de paille estidéalisée comme un milieu poreux anisotrope, composé d’un arrangement périodique très concentré de tubes creux cylindriques. L’approche théorique de ce métamatériau repose sur l'homogénéisation asymptotique à deux échelles d'un réseau perméable de résonateursparfaitement rigides dont la physique est enrichi par des résonances internes. Les principales caractéristiques de ce milieu poreux sont lacompressibilité effective négative autour de la résonance du tube et la réduction drastique de la vitesse de propagation du son (slowsound) à très basse fréquence. Une configuration optimale est conçue, basée sur la condition de couplage critique, pour laquelle la fuited’énergie du système résonnant ouvert est parfaitement compensée par les pertes intrinsèques induites par les pertes viscothermiques.Des mesures en tube à impédance sont effectuées sur des échantillons fabriqués par impression additive pour valider les résultatsthéoriques. Nous montrons que ce métamatériau est un absorbeur sub-longueur d'onde capable d’une absorption parfaite à très bassefréquence et d'introduire une quasi-bande interdite autour de la résonance du tube. De plus, la nature anisotrope de ce matériau conduit àune absorption globalement élevée à basse fréquence et ce pour toutes les incidences. Cette étude offre la possibilité de concevoir unabsorbeur acoustique sélectif en angle et en fréquence. Pour conclure, les résultats de cette thèse montrent que la paille est un boncandidat pour une absorption acoustique parfaite.


  • Résumé

    Straw-inspired metamaterials for sound absorption are investigated in this Thesis. A straw stack is idealized as a highly concentratedresonant anisotropic porous medium constituted of a periodic arrangement of densely packed cylindrical hollow tubes. The approach tothis metamaterial relies on the two-scale asymptotic homogenization of a permeable array of perfectly rigid resonators, where the physicsis further enriched by tailoring inner resonances. The main features of such sound absorbing medium are the possibility for the effectivecompressibility to become negative around the tube resonance and the drastic reduction of the effective sound speed (slow sound) at verylow frequency in the system. Moreover, an optimal configuration for sound absorption is designed, based on the critical couplingcondition, in which the energy leakage out of the open resonant system is perfectly compensated by the intrinsic losses induced by thevisco-thermal losses both in the anisotropic matrix and in the resonators. Impedance tube measurements are performed on 3-D printedsamples with controlled parameters to validate the theoretical results. This metamaterial is a sub-wavelength absorber that can achievetotal absorption at a very low frequency and possesses a quasi-band-gap around the tube resonance. Furthermore, the anisotropic nature ofthe configuration gives rise to high absorption at low-frequency range for all incidences and diffuse field excitation. It paves the way tothe design of angular and frequency selective sound absorber. To conclude, the results of this Thesis show that straw is a good candidatefor perfect sound absorption.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 31-10-2019

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