Étude et modélisation numérique de la transmission acoustique des entrées d'air de fenêtres.

Study and numerical modelling of window air inlet acoustic transmission.

• Auteur / Autrice : Julien Puig
• Direction : Jean-François Deu, Walid Larbi
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur spécialié Acoustique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 28/11/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMSSC - Laboratoire de Mécanique des structures et des systèmes couplés
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Conservatoire national des arts et métiers (France ; 1794-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Desceliers
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Deü, Nicolas Totaro, Romain Rumpler, Ludivine Menez, Walid Larbi, Mathieu Aucejo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Totaro, Romain Rumpler

Mots clés

Mots clés libres

Entrées d'air

Acoustique

Modélisation numérique

Éléments finis

Validation expérimentale

Patch Transfer Function

Window air inlet

Acoustic

Numerical modelling

Finite elements

Experimental validation

Patch Transfer Function

Résumé

Respirer un air sain chez soi ou au travail implique d’aérer efficacement les pièces. Les entrées d’air de fenêtres sont à ce titre largement utilisées. Néanmoins, ces menuiseries amoindrissent l'étanchéité acoustique des façades puisqu’elles constituent un chemin privilégié pour le passage du son de l’extérieur vers l’intérieur des bâtis : l’isolement acoustique d’une fenêtre équipée d’entrée d’air reste bien inférieur à celui d’une fenêtre non équipée. A l’heure où les effets potentiellement néfastes de la pollution sonore pour la santé sont mis en évidence, l’amélioration des performances acoustiques des entrées d’air devient un enjeu majeur. Afin de quantifier ces performances, les fabricants procèdent à des essais en laboratoire permettant la détermination de l’isolement acoustique normalisé. Plusieurs améliorations empiriques telles que l’ajout de blocs de mélamine autour du flux d’air réduisent légèrement la transmission du bruit. Néanmoins, les essais en laboratoire présentent plusieurs sources d’incertitude, notamment en basse fréquence, dépendant des caractéristiques des salles d’essais. En conséquence, la simulation numérique devient une alternative pertinente pour analyser le comportement acoustique d’une entrée d’air : elle permet d’étudier à moindre coût l’influence de divers paramètres sans recourir à la fabrication systématique d’un nouvel échantillon. L’objectif de ce travail de recherche est de construire un modèle numérique capable de prédire l’isolement acoustique normalisé (Dn,e) d’une entrée d’air. La nécessité de considérer le moyen d’essai complet, c’est-à-dire l’entrée d’air couplée aux chambres d’émission et de réception des laboratoires d’essais, sera mise en évidence. A cette fin, la modélisation numérique proposée s’appuie sur l’approche PTF (Patch Transfer Function), qui est une méthode de décomposition de domaines. Un programme spécifiquement dédié au calcul de la transmission acoustique d’une entrée d’air est développé. Les différents sous-systèmes PTF, la source et les points d'écoute sont définis. Chaque sous-système de géométrie complexe est modélisé par la méthode des éléments finis en considérant les matériaux poreux éventuellement présents. En revanche, les PTF des sous-systèmes de géométrie simple sont obtenues analytiquement par synthèse modale et enrichies à l'aide de solutions quasi-statiques calculées numériquement. Les prédictions du modèle sont comparées à des résultats d'essais ; ces travaux de recherche démontrent in fine la pertinence de ce type d’approche pour améliorer la conception des entrées d’air.

Breathing clean air at home or in the workplace implies efficient room ventilation. Window air inlets are widely used for this purpose. However, these elements compromise the acoustic sealing of facades since they serve as a preferred pathway for sound transmission from the outside to the interior of buildings. The acoustic isolation of a window equipped with an air inlet remains significantly lower than that of an unequipped window. In an era where the potentially harmful effects of noise pollution on health are being highlighted, improving the acoustic performance of air inlets has become a major concern. To quantify these performances, manufacturers conduct laboratory tests to determine the sound reduction index. Several empirical improvements, such as adding melamine blocks around the airflow, slightly reduce noise transmission. Nevertheless, laboratory tests have various sources of uncertainty, especially at low frequencies, depending on the characteristics of the testing rooms. Consequently, numerical simulation becomes a relevant alternative for analyzing the acoustic behavior of an air inlet, as it allows to explore the influence of various parameters without the need for systematic production of a new sample. The objective of this research is to develop a numerical model capable of predicting the standardized acoustic insulation (Dn,e or SRI) of an air inlet. The necessity of considering the complete test setup, i.e., the air inlet coupled with the emission and reception rooms of the testing laboratories, will be shown. To achieve this, the proposed numerical modeling relies on the Patch Transfer Function (PTF) approach, which is a domain decomposition method. A program specifically dedicated to calculating the acoustic transmission of an air inlet is developed. The various PTF subsystems, including the source and listening points, are defined. Each subsystem with complex geometry is modeled using the finite element method, taking into account any porous materials that may be present. Conversely, PTFs for subsystems with simple geometry are obtained analytically through modal synthesis and enriched using quasi-static solutions calculated numerically. The model predictions are compared to test results; this research finally demonstrates the relevance of this approach for improving the design of air inlets.