Prédiction des propriétés acoustiques de matériaux fibreux hétérogènes à partir de leur microstructure 3D

par Charles Peyrega

Thèse de doctorat en Morphologie mathématique

Sous la direction de Dominique Jeulin.

Soutenue en 2010

à Paris, ENMP .


  • Résumé

    Cette thèse se situe à l'interface de plusieurs disciplines, dans le cadre du programme de recherche Silent Wall qui a pour vocation d'élaborer un système isolant acoustique et thermique pour le bâtiment, à base de matériaux fibreux. La problématique d'isolation acoustique étant le fil rouge de ce travail, différents domaines de recherche sont abordés dans l'étude des propriétés microstructurales de ces matériaux. Un matériau fibreux de référence, le Thermisorel, élaboré par procédé papetier à base de fibres de bois, est retenu par le consortium Silent Wall pour ses bonnes propriétés d'isolation phonique et thermique. Des images 3D de ce matériau, réalisées par microtomographie aux rayons X, sont analysées par morphologie mathématique afin de caractériser la microstructure de ses phases fibreuse et porale. Un modèle booléen de cylindres aléatoires permet de simuler un tel matériau fibreux. L'adéquation des mesures morphologiques des milieux ainsi simulés, avec celles du Thermisorel valident ce modèle morphologique. Enfin, les propriétés thermo-acoustiques de cellules périodiques élémentaires microscopiques de milieux fibreux 3D simplifiés et composés de fibres parallèles, sont estimées par éléments finis, afin de relier leurs performances en absorption acoustique, à la taille des fibres et à l'épaisseur de l'échantillon. Après comparaison, les coefficients d'absorption acoustique des milieux fibreux simulés sont en adéquation avec les valeurs expérimentales mesurées sur des échantillons de Thermisorel. Ainsi, notre démarche globale de caractérisation, et de modélisations morphologique et thermo-acoustique à l'échelle de la microstructure, est validée par les propriétés morphologiques et acoustiques de panneaux de Thermisorel, et ouvre la voie à l'optimisation des performances acoustiques macroscopiques de tels matériaux fibreux par modification de leur microstructure.

  • Titre traduit

    Prediction of the acoustic properties of heterogeneous fibrous materials from their 3D microstructures


  • Résumé

    This PhD thesis is carried out in the framework of the Silent Wall research program whose main objective consists of designing an acoustic and thermal insulating system for buildings, from fibrous materials. Since the acoustic insulation is the main issue of this work, several fields of research are prospected within the study of the microstructural properties of these media. The Thermisorel material, made of wooden fibres, is a reference fibrous medium for the Silent Wall project thanks to its good acoustic and thermal insulating properties. Volumic 3D X-Ray microtomographic images of this material are analyzed by mathematical morphology in order to characterize the microstructures of its fibrous and porous phases. A 3D Boolean model of random cylinders is proposed to simulate such a fibrous medium. Since the morphological measurements processed on real and simulated media are quite similar, this morphological model is validated. Finally, the thermo-acoustic properties of microscopic elementary periodic cells of simplified media, composed of parallel fibres, are estimated by the finite element method. The objective of this modelling is to link the coefficient of acoustic absorption to the radii of the fibres and to the thickness of the material. The absorption coefficient of the simulated fibrous media are similar to the experimental measurements made on Thermisorel. Therefore, our global method to characterize, and to model the morphology and the thermo-acoustic properties of fibrous media at the microscopic scale, is validated by the morphological and acoustic properties of wooden panels of Thermisorel, and is helpful for future optimisations of the acoustic performances of fibrous materials by modifying their microstructures.

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  • Détails : 1 vol. (342 p.)
  • Annexes : Bibliographie p. 335-342

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