Étude et conception d'architectures à trous noirs munies d'amortisseurs pour l'atténuation vibro-acoustiques des vibrations dans des structures de transport // study and design of black hole architectures fitted with dampers for the vibro-acoustic attenua

Topic description

Les structures minces utilisées dans le secteur du transport, panneaux de carrosserie automobile, parois de fuselage aéronautique, planchers de wagons ferroviaires et caisses de bus sont soumises à des excitations vibratoires à large bande générées par les sources mécaniques embarquées. Ces vibrations se propagent principalement sous forme d'ondes de flexion et rayonnent acoustiquement, constituant la principale source de gêne sonore dans les véhicules modernes. Les approches conventionnelles de traitement par des matériaux visco-élastiques massifs, doublures acoustiques et amortisseurs pilotés permettent de réduire efficacement ces nuisances, mais au prix d'une pénalité de masse significative, incompatible avec les objectifs d'allègement structurel imposés par les réglementations environnementales actuelles.
Le concept de Trou Noir Vibro-Acoustique (TNVA) offre une alternative passive et légère. Le phénomène Trou Noir Acoustique (TNA) se développe dans le domaine de la dynamique structurale et ce sont des ondes élastiques de flexion qui sont piégées (Pelat et al. [1]). Le principe fondateur du TNA a été énoncé par Mironov [2] en où la vitesse de phase locale de l'onde de flexion décroît continuellement. Par conséquent, le temps de parcours de l'onde vers la pointe tend vers l'infini et l'onde est piégée sans jamais être réfléchie. Ce résultat, purement réactif, constitue le fondement théorique du TNA. Pelat et al. [1] rappellent qu'une épaisseur résiduelle égale à 0,1 % de l'épaisseur uniforme peut engendrer une réflexion de l'ordre de 70 % de l'onde incidente. L'ajout d'une couche visco-élastique, modélisée par Ross, Ungar et Kerwin [3], permet de dissiper l'énergie piégée avant qu'elle ne soit réfléchie en pointe, restaurant ainsi de très faibles coefficients de réflexion.
Les structures de transport sont rarement planes. Un panneau de carrosserie automobile, une paroi de fuselage, ou un plancher de wagon sont par nature des plaques courbes, dont la géométrie est décrite par la théorie des coques minces de Leissa [7]. Or, la courbure modifie profondément la physique de la propagation des ondes de flexion par rapport au cas plan : elle introduit un couplage flexion-membrane qui modifie la relation de dispersion, la vitesse de phase des ondes, et par conséquent l'expression de la fréquence de coupure du TNA. Pelat et al. [1] couvrent exhaustivement les TNA dans des structures planes (poutres droites, plaques plates), mais la configuration de plaque courbe constitue un verrou scientifique explicitement non traité. Cette lacune est d'autant plus significative que les structures de transport représentent précisément l'application industrielle la plus demandée pour les architectures TNA.
Dans l'intégralité des travaux de TNA recensés par Pelat et al. [1], la couche visco-élastique est invariablement traitée comme un milieu isotrope De plus, toutes les études de TNA portent sur des configurations planes, sans tenir compte des effets de courbure. La courbure d'une structure induit une directionnalité du champ d'ondes de flexion qui rend l'hypothèse de couche isotrope particulièrement sous-optimale : en ignorant la direction privilégiée de propagation, la couche isotrope dissipe l'énergie de manière uniformément répartie alors qu'une couche anisotrope orientée permettrait de concentrer la dissipation là où l'énergie est effectivement présente.
L'objectif de la thèse est de traiter les aspects scientifiques suivants :
-Dans quelle mesure la courbure de la structure modifie l'effet TNVA ?
-La substitution de la couche visco-élastique isotrope par une couche visco-élastique anisotrope, permet-elle d'améliorer significativement la dissipation vibratoire dans des structures de transport courbes ?
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Thin-walled structures in the transport sector automotive body panels, aeronautical fuselage skins, railway wagon floors, and bus body shells are continuously subjected to broadband vibratory excitation generated by onboard mechanical sources. These vibrations propagate primarily as flexural waves and radiate as airborne noise, representing the dominant source of acoustic discomfort in modern vehicles. Conventional treatments such as viscoelastic damping materials, acoustic liners, and active dampers deliver effective noise and vibration attenuation. However, they impose a significant mass penalty that conflicts with the stringent lightweighting targets imposed by current environmental regulations. Periodic resonator arrays, explored by Claeys [8], offer an alternative by exploiting bandgap properties to block wave propagation, yet remain narrow-band and highly sensitive to tuning.
The Vibro-Acoustic Black Hole (VABH) concept offers a fundamentally different, passive and lightweight alternative. Rooted in structural dynamics, the Acoustic Black Hole (ABH) phenomenon traps incoming elastic flexural waves through a power-law reduction in local structural thickness, as reviewed by Pelat et al. [1]. The founding principle was established by Mironov [2] in : as the local phase velocity of the flexural wave decreases continuously toward the tip, the wave travel time tends to infinity and the wave is trapped without ever being reflected. This purely reactive result constitutes the theoretical foundation of the ABH. Pelat et al. [1] note that a residual thickness as small as 0.1% of the uniform thickness can generate a reflection coefficient of approximately 70%. The addition of a thin viscoelastic damping layer, modelled within the Ross–Ungar–Kerwin (RUK) framework [3], dissipates the concentrated energy before it can reflect at the tip, thereby restoring very low reflection coefficients.
Transport structures are rarely flat. Automotive body panels, fuselage walls, and wagon floors are inherently curved, their geometry governed by Leissa's thin shell theory [7]. Curvature profoundly alters the physics of flexural wave propagation compared to the flat case: it introduces a bending–membrane coupling that modifies the dispersion relation, the local phase velocity, and consequently the ABH cut-on frequency. While Pelat et al. [1] provide an exhaustive treatment of ABH behaviour in flat structures straight beams and flat plates curved shell configurations remain an explicitly unresolved scientific challenge. This gap is all the more critical given that transport structures represent precisely the primary industrial application domain for ABH architectures.
Furthermore, across the entire ABH literature reviewed by Pelat et al. [1], the viscoelastic damping layer is invariably treated as an isotropic medium, with a scalar loss factor uniform in all directions. All existing ABH studies are restricted to flat configurations, with curvature effects entirely disregarded. Yet structural curvature induces a preferential directionality in the flexural wave field, rendering the isotropic layer assumption particularly suboptimal: by ignoring the dominant propagation direction, an isotropic layer dissipates energy uniformly, whereas a directionally oriented anisotropic layer could concentrate dissipation precisely where wave energy is most intense.
The aim in this thesis is to solve the following core scientific questions:
-To what extent does structural curvature alter the VABH effect?
-Does replacing the conventional isotropic viscoelastic layer with an anisotropic counterpart significantly improve vibrational dissipation in curved transport structures?
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Début de la thèse : 01/10/

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Financement d'un établissement public Français