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International audience; The understanding of the influence of non-axisymmetric internal frames on the vibroacoustic behavior of a stiffened cylindrical shell is of high interest for the naval or aeronautic industries. Several numerical studies have shown that the non-axisymmetric internal frame can increase the radiation efficiency significantly in the case of a mechanical point force. However, less attention has been paid to the experimental verification of this statement. That is why this paper proposes to compare the radiation efficiency estimated experimentally for a stiffened cylindrical shell with and without internal frames. The experimental process is based on scanning laser vibrometer measurements of the vibrations on the surface of the shell. A transform of the vibratory field in the wavenumber domain is then performed. It allows estimating the far-field radiated pressure with the stationary phase theorem. An increase of the radiation efficiency is observed in the low frequencies. Analysis of the velocity field in the physical and wavenumber spaces allows highlighting the coupling of the circumferential orders at the origin of the increase in the radiation efficiency.

International audience; The scattered pressure from a stiffened axisymmetric submerged shell impinged by acoustic plane waves has been investigated experimentally, analytically and through numerical models. In the case where the shell is periodically stiffened, it is shown that helical, Bragg, and Bloch-Floquet waves can propagate. The influence of non-axisymmetric internal frames on these scattering phenomena is nevertheless not well known, as it can considerably increase the computational cost. To overcome this issue, the Condensed Transfer Function method, which has been developed to couple subsystems along linear junctions in the case of a mechanical excitation, is extended to acoustical excitations. It consists in approximating transfer functions on the junctions and deducing the behavior of the coupled system using the superposition principle and the continuity equations at the junctions. In particular, the CTF method can be used to couple a dedicated model of an axisymmetric stiffened submerged shell with non-axisymmetric internal structures modeled by the Finite Element Method. Incident plane waves are introduced in the formulation and far-field reradiated pressure is estimated. An application consisting of a stiffened shell with curved plates connecting the ribs is considered. Supplementary Bloch-Floquet trajectories are observed in the frequency-angle spectrum and are explained using a simplified interference model.

International audience; This article presents the modeling of a MEMS microphone with an original architecture formed of mechanical structures moving in the plane of the substrate. On the contrary of most microphones generally constituted of an oscillating membrane, some transducers developed by the CEA-LETI with M&NEMS technology use micro beams moving in the plane of the silicon wafer under the effect of an acoustical wave. These micro-structures are connected to the substrate by flexible micro-hinge and strain silicon nano-gauge producing a variation in resistance by piezoresistive effect. After the description of the design and functioning of the microphone under study, the vibroacoustic model of the fluid-structure coupling is presented. Considering the dimensions of the MEMS transducer close to the thermal and viscous boundary layers thicknesses, this model has to include diffusion phenomena. The model is discretized using the finite element method and the weak formulation is implemented using COMSOL Multiphysics® software. The pressure sensitivity of the microphone is calculated and compared with an analytical lumped model to asses the numerical model. Pressure and velocity fileds are also computed. Solutions of simulations are interpreted by focusing on phenomena influencing the sensitivity of this novel sensor design. In particular, the influence of the geometry and the role of the different part of the transducer (back cavity, mechanical structures) are studied.

The workshop is partly supported by the LMAc institute, Le Mans Acoustique. This symposium is an action of the "METAPLAQ" research project funded over the period 2016-2019.; International audience; Since 2014 several collaborations between two laboratories of INSA Lyon - Mateis (materials science) and LVA (vibroacoustics) - have been focused on the modeling, designing and measuring hybrid sandwich composites structures with optimized damping properties for given frequency domains. The proposed contribution gives an overview of these modeling and experimental efforts, by presenting some results on several application cases.In a first study ([1-4]), a three layer steel/polymer/steel plate sandwich system is considered. Several aspects are studied by comparing four measurement techniques and three analytical models predictions. High resolution modal analysis coupled to contactless measurement of the velocity field of plates (CFAT) leads to the estimation of the equivalent single layer complex rigidity (frequency dependent “apparent bending stiffness” and “apparent damping”) for the whole [40Hz-20kHz] frequency band. Compared to the analytical modelling of Guyader based on wave propagation analysis, the results are in very good agreement. The comparison with this theoretical approach allows identifying the frequency dependent complex modulus of the polymer core layer through inverse resolution. The predicted properties turned out to match DMA measurements performed on the polymer material alone and the associated high frequency predictions (using the time-temperature equivalence principle). With this approach, the design of multilayer plates for vibroacoustics applications with optimized damping properties for given frequency domains may be performed.The second study ([5,6]) focuses on controlling the spatial in-plane viscoelastic properties of the polymeric core of sandwich structures. Aiming at creating materials by design, the tuning of the in-plane local material properties is pursued. The spatial patterning is achieved using a recently developed UV irradiation selective technique of Room Temperature Vulcanization silicone elastomeric membrane. “Structured” three-layer beams (aluminum/silicon/aluminum) with different core patterns (homogeneous and heterogeneous) are designed and tested. Fair model-experiments comparisons are obtained. This work permits the enunciation of guidelines for designing complex architectured systems with further control of the vibro-acoustics performances. In particular the effect of the viscoelastic patterning on the “optimum shearing zone” (position and width) will be discussed. The explored material solutions could be dedicated from low to very low frequency ranges where meta-material-based solutions are often inefficient.1.Ege et al., Inter-Noise 2015, San Francisco2.Roozen et al., JSV 2017, 390, pp.257-271. 3.Roozen et al., JSV 2017, 395, pp.90-101.4.Ege et al., JSV 2018, 426, pp.129-149.5.Gallo et al., Acoustics'2017, Boston.6.Gallo et al., ISNVH 2018, Graz.

International audience; In the development of numerical models, uncertainty quantification (UQ) can inform appropriate allocation of computational resources, often resulting in efficient analysis for activities such as model calibration and robust design. UQ can be especially beneficial for numerical models with significant computational expense, such as coupled models, which require several subsystem models to attain the performance of a more complex, interconnected system. In the coupled model paradigm, UQ can be applied at either the subsystem model level or the coupled model level. When applied at the subsystem level, UQ is applied directly to the physical input parameters, which can be computationally expensive. In contrast, UQ at the coupled level may not be representative of the physical input parameters, but comes at the benefit of being computationally efficient to implement. To be physically meaningful, analysis at the coupled level requires information about how uncertainty is propagated through from the subsystem level. Herein, the proposed strategy is based on simulations performed at the subsystem level to inform a covariance matrix for UQ performed at the coupled level. The approach is applied to a four-subsystem model of mid-frequency vibrations simulated using the Statistical Modal Energy Distribution Analysis, a variant of the Statistical Energy Analysis. The proposed approach is computationally efficient to implement, while simultaneously capturing information from the subsystem level to ensure the analysis is physically meaningful.

International audience; This paper aims at developing an experimental method to characterize the vibroacoustic response of a panel to a diffuse acoustic field excitation with a different laboratory setup than those used in standards (i.e., coupled rooms). The proposed methodology is based on a theoretical model of the diffuse acoustic field and on the measurement of the panel's sensitivity functions which characterize its vibroacoustic response to wall plane waves. These functions can be estimated experimentally using variations of the reciprocity principle which are described in the present paper. These principles can either be applied for characterizing the structural response by exciting the panel with a normal force at the point of interest or for characterizing the acoustic response (radiated pressure, acoustic intensity) by exciting the panel with a monopole and a dipole source. For both applications, the validity of the proposed approach is numerically and experimentally verified on a test case composed of a baffled simply supported plate. An implementation for estimating the sound transmission loss of the plate is finally proposed. The results are discussed and compared with measurements performed in a coupled anechoic-reverberant room facility following standards.

Research highlights: -Vibroacoustics modeling of dissipative treatments in the mid-frequency domain. -Equivalent models for viscoelastic and poroelastic materials. -Galerkin procedure with normal modes for estimating the modal damping loss factors. -Application to plate-cavity test cases with different dissipative treatments. -Comparisons of predicted and measured subsystem energy ratios up to 8 kHz; International audience; Vibro-acoustic simulation in the mid-frequency range is of interest for automotive and truck constructors. The dissipative treatments used for noise and vibration control such as viscoelastic patches and acoustic absorbing materials must be taken into account in the problem. The Statistical modal Energy distribution Analysis (SmEdA) model consists in extending Statistical Energy Analysis (SEA) to the mid-frequency range by establishing power balance equations between the modes of the different subsystems. The modal basis of uncoupled-subsystems that can be estimated by the finite element method in the mid-frequency range is used as input data. SmEdA was originally developed by considering constant modal damping factors for each subsystem. However, this means that it cannot describe the local distribution of dissipative materials. To overcome this issue, a methodology is proposed here to take into account the effect of these materials. This methodology is based on the finite element models of the subsystems that include well-known homogenized material models of dissipative treatments. The Galerkin method with subsystem normal modes is used to estimate the modal damping loss factors. Cross-modal coupling terms which appear in the formulation due to the dissipative materials are assumed to be negligible. An approximation of the energy sharing between the subsystems damped by dissipative materials is then described by SmEdA. The different steps of the method are validated experimentally by applying it to a laboratory test case composed of a plate-cavity system with different configurations of dissipative treatments. The comparison between the experimental and the simulation results shows good agreement in the mid-frequency range.

International audience; Modal-based acoustoelastic formulation is regarded as the cornerstone of vibro-acoustics and has been widely used for coupling analyses of structure-cavity systems. The controversy and the skepticism surrounding the acoustic velocity continuity with the surrounding vibrating structures have been persistent, calling for a systematic investigation and clarification. This fundamental issue of significant relevance is addressed in this paper. Through numerical analyses and comparisons with wave-based exact solution, an oscillating convergence pattern of the calculated acoustic velocity is revealed. Normalization of the results leads to a unified series truncation criterion allowing minimal prediction error, which is verified in three dimensional cases. The paper establishes the fact that the modal based decomposition method definitely allows correct prediction of both the acoustic pressure and the velocity inside an acoustic cavity covered by a flexural structure upon using appropriate series truncation criteria.

This paper presents an experimental validation of an in situ ultrasound technique for tracking the solid-liquid interface during directional solidification of photovoltaic silicon. Ultrasound bursts are introduced from the top into the melt via the tip of a carbon glass waveguide directly plunged into the liquid. Several runs of solidification have been conducted using the same waveguide thus demonstrating its reusability, its mechanical resilience and its appropriate acoustical and chemical compatibility with the melt. We present the times of flight analysis to track the location of the solid-liquid interface. As part of the signal crosses the solidifying ingot, we also measure $c_s$ , the average celerity of sound waves in the solid. Since $c_s$ exhibits a significant dependance on crystal orientation, we consider the possibility to use the echoes to extract some information on the crystalline orientation in the ingot. By quantifying the uncertainties and their dependence with the duration of the experiment in particular, we outline the conditions necessary to detect accurately the average orientation in the solid.

X-ray computed tomography (CT) is a powerful tool to characterize or localize inner flaws and to verify the geometric conformity of an object. In contrast to medical applications, the scanned object in non-destructive testing (NDT) might be very large and composed of high-attenuation materials and consequently the use of a standard circular trajectory for data acquisition would be impossible due to constraints in space. For this reason, the use of robotic arms is one of the acknowledged new trends in NDT since it allows more flexibility in acquisition trajectories and therefore could be used for 3D reconstruction of hardly accessible regions that might be a major limitation of classical CT systems. A robotic X-ray inspection platform has been installed at CEA LIST. The considered system integrates two robots that move the X-ray generator and detector. Among the new challenges brought by robotic CT, we focus in this thesis more particularly on the limited access viewpoint imposed by the setup where important constraints control the mechanical motion of the platform. The second major challenge is the truncation of projections that occur when only a field-of-view (FOV) of the object is viewed by the detector. Before performing real robotic inspections, we highly rely on CT simulations to evaluate the capability of the reconstruction algorithm corresponding to a defined scanning trajectory and data acquisition configuration. For this purpose, we use CIVA which is an advanced NDT simulation platform developed at CEA and that can provide a realistic model for radiographic acquisitions and is capable of simulating the projection data corresponding to a specific CT scene defined by the user. Thus, the main objective of this thesis is to develop analytical and iterative reconstruction algorithms adapted to nonstandard trajectories and to integrate these algorithms in CIVA software as plugins of reconstruction., La tomographie par rayons X ou CT pour "Computed Tomography" est un outil puissant pour caractériser et localiser les défauts internes et pour vérifier la conformité géométrique d’un objet. Contrairement au cas des applications médicales, l’objet inspecté en Contrôle Non Destructif (CND) peut être très grand et composé de matériaux de haute atténuation, auquel cas l’utilisation d’une trajectoire circulaire pour l’inspection est impossible à cause de contraintes dans l’espace. Pour cette raison, l’utilisation de bras robotisés est l’une des nouvelles tendances reconnues dans la CT, car elle autorise plus de flexibilité dans la trajectoire d’acquisition et permet donc la reconstruction 3D de régions difficilement accessibles dont la reconstruction ne pourrait pas être assurée par des systèmes de tomographie industriels classiques. Une cellule de tomographie X robotisée a été installée au CEA. La plateforme se compose de deux bras robotiques pour positionner et déplacer la source et le détecteur en vis-à-vis. Parmi les nouveaux défis posés par la tomographie robotisée, nous nous concentrons ici plus particulièrement sur la limitation de l’ouverture angulaire imposée par la configuration en raison des contraintes importantes sur le mouvement mécanique de la plateforme. Le deuxième défi majeur est la troncation des projections qui se produit lorsque l’objet est trop grand par rapport au détecteur. L’objectif principal de ce travail consiste à adapter et à optimiser des méthodes de reconstruction CT pour des trajectoires non standard. Nous étudions à la fois des algorithmes de reconstruction analytiques et itératifs. Avant d’effectuer des inspections robotiques réelles, nous comptons sur des simulations numériques pour évaluer les performances des algorithmes de reconstruction sur des configurations d’acquisition de données. Pour ce faire, nous utilisons CIVA, qui est un outil de simulation pour le CND développé au CEA et qui est capable de simuler des données de projections réalistes correspondant à des configurations d’acquisition définies par l’utilisateur.

Many works can be found in the literature concerning the vibroacoustic modelling of submerged stiffened cylindrical shells, because of high interest in the industrial domain, in particular for aeronautical or naval applications. However, only a few of them take into account non-axisymmetric internal frames, as for instance engine foundations or floor partitions, that can play a role on the vibroacoustic behavior of the system. That is why a substructuring approach called the Condensed Transfer Function (CTF) approach is proposed in the first part of this thesis. The aim is to take advantage of both analytical models and element-based models, in order to be able to deal with the geometrical complexity, and to calculate at higher frequencies than with element-based methods only. The substructuring method is developed in the general case of thin mechanical structures coupled along curves. A set of orthonormal functions called condensation functions, which depend on the curvilinear abscissa along the coupling line, is considered. This set is then used as a basis for approximating and decomposing the displacements and the applied forces at the line junctions. Thanks to the definition and calculation of condensed transfer functions for each uncoupled subsystem and by using the superposition principle for passive linear systems, the behavior of the coupled subsystems can be obtained. The method is first developed and validated for plates and convergence criteria are defined in relation with the size of the basis of condensation functions. The CTF method is then applied to the case of a submerged stiffened cylindrical shell with non-axisymmetric internal frames. The system is partitioned in 3 types of subsystems: the submerged shell, the axisymmetric frames (stiffeners, bulkheads) and the non-axisymmetric frames. The submerged shell is described by a semi-analytical method based on the Flügge equations in the spectral domain. The axisymmetric frames are described by axisymmetric Finite Element models and the non-axisymmetric frames by Finite Element models. The CTF method is applied to different test cases in order to highlight the influence of non-axisymmetric internal frames on the vibroacoustic behavior of a submerged stiffened cylindrical shell, for different excitations particularly relevant in the naval domain: a point force, an acoustic plane wave, and a random pressure field (such as a diffuse sound field or a turbulent boundary layer for instance)., De nombreux travaux dans la littérature se sont concentrés sur la modélisation vibro-acoustique de coques cylindriques raidies immergées, du fait des nombreuses applications industrielles, en particulier dans le domaine aéronautique ou naval. Cependant, peu d'entre elles prennent en compte des structures internes non-axisymétriques telles que des supports moteurs, des planchers ou des carlingages, qui peuvent avoir une influence importante sur le comportement vibro-acoustique du système. C'est pourquoi une méthode de sous-structuration baptisée CTF est présentée dans cette thèse. Elle est développée dans le cas général de deux structures minces couplées le long d'une ligne. Un ensemble de fonctions orthonormées, baptisées fonctions de condensation, est défini afin d'approximer les forces et déplacements à la jonction entre les sous-systèmes. Des fonctions de transfert condensées sont définies pour chaque sous-système découplé. L'utilisation du principe de superposition, de l'équilibre des forces et de la continuité des déplacements permet de déduire le comportement des sous-systèmes couplés. La méthode est d'abord développée et validée dans le cas de plaques, puis ensuite appliquée au cas d'une coque cylindrique raidie immergée couplée à des structures internes non-axisymétriques. Le système est dans ce cas décomposé en 3 familles de sous-systèmes : la coque cylindrique immergée décrite par une méthode semi-analytique basée sur la résolution des équations de Flügge dans le domaine des nombres d’onde, les structures internes axisymétriques (raidisseurs, cloisons) décrites par éléments finis axisymétriques et les structures non-axisymétriques décrites pas des modèles éléments finis. La méthode CTF est appliquée à différents cas tests afin de montrer l'influence des structures internes non-axisymétriques sur le comportement vibro-acoustique d'une coque cylindrique pour différents types d'excitations pertinents dans le domaine naval : une force ponctuelle, une onde plane acoustique et un champ de pression aléatoire (tel qu'un champ acoustique diffus ou une couche limite turbulente).

In this thesis, the acoustical behavior of irregular cavities leading to localization phenomenon is investigated for noise reduction applications. The aim of this work is to study and create by means of passive method, an accumulation of acoustical energy and dissipate it. Before addressing geometrical irregularities effects on the sound field, viscothermal dissipation mechanisms of sound are recalled and illustrated through few networks of quarter-wave resonators. In a second part, a study of the localization phenomenon is carried out by a modal analysis approach. The localization is quantified by the relative existence volume (VER), an indicator which gives a measure of the volume of the region in which a mode is localized as a fraction of the total cavity volume. The localization analysis is conducted using both regular and irregular cavities. It has been shown that only cavities with irregular geometry, such that sub-cavities are formed, can localize some acoustical modes. Moreover, the frequency of a localized mode is related to the dimensions of the localization region. Following the investigation of the localization phenomenon, the relation between cavities geometry and sound energy dissipation has been studied by the estimation of damping indicators, such as the quality factor, the sound absorption coefficient or the energy damping rate. According to this study, irregular cavities have higher capability to damp sound waves compared to regular cavities. However, for the case of irregular cavities only, the induced dissipation is not proportional to the localization. Nevertheless, when irregularities of rigid walls are not able to achieve sufficient dissipation, this can be obtained with slightly absorptive porous materials of irregular geometry. In fact, the dissipative properties of some porous materials can be optimized by giving them irregular interface. Finally, an experimental set-up has been designed to validate the localization phenomenon and to confirm the damping tendency of irregular geometries in comparison to regular ones. Moreover, measurements of the sound absorption coefficient of a hemp concrete reveal that the sample of irregular geometry achieves sound dissipation more than 40% higher than the one achieved by a regular plane sample. Finally, this thesis has addressed a technological challenge consisting of experimentally validating the localization phenomenon which is so far very difficult to obtain by the use of conventional pressure microphones. In the framework of this thesis, an optical non-conventional sound pressure measurement technique has been used. The used technique is the laser refracto-vibrometry which consists of using a laser vibrometer in some specific conditions to measure the acoustical field (sound pressure). This technique is difficult to conduct but it has the advantage of being contactless, thus less cumbersome for even very small cavities as compared to pressure microphones., Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la recherche des moyens de réduction du bruit. Le but est d’analyser et de créer par une méthode passive, le confinement d’énergie acoustique dans les irrégularités géométriques via le phénomène de localisation pour ensuite la dissiper. En prélude à l'atténuation du bruit par les géométries irrégulières, les mécanismes de la dissipation acoustique sont rappelés et illustrés par quelques exemples de réseaux de résonateurs quart-d'onde. Le phénomène de localisation est ensuite étudié par une analyse modale. Le caractère localisé d'un mode est quantifié par son volume d'existence relatif (VER) qui donne, en fraction du volume total du domaine, le volume effectif concerné par l'énergie du mode. Il ressort de cette étude que seules les cavités irrégulières ayant des irrégularités en forme de sous-cavités couplées à une cavité principale sont « localisantes ». La fréquence d'un mode localisé est liée aux dimensions de la zone irrégulière de localisation. Le lien entre les irrégularités géométriques et la dissipation acoustique est ensuite analysé au moyen des indicateurs tels que le facteur de qualité, le coefficient d'absorption ou le taux d'amortissement de l'énergie. Cette étude montre que les cavités irrégulières amortissement mieux une onde acoustique comparativement aux cavités à géométrie régulière. Toutefois, la dissipation de l'énergie acoustique des cavités irrégulières n'est pas uniquement liée à la localisation. Elle dépend également d'autres paramètres (porosité, résistivité, etc.). Lorsque les irrégularités des parois rigides ne permettent pas de réaliser une dissipation suffisante, elles peuvent être réalisées dans les matériaux poroélastiques à performance acoustique moyenne pour augmenter leur capacité dissipative. Enfin, des études expérimentales menées ont permis de valider l'existence du phénomène de localisation et de confirmer la tendance plus dissipative des géométries irrégulières par rapport aux géométries régulières. De même, des mesures du coefficient d'absorption d'un échantillon de forme préfractale d'un béton de chanvre (matériau ayant une performance acoustique moyenne) montrent une augmentation de la dissipation de plus de 40% induite par la forme irrégulière. La contribution majeure de cette thèse est d’avoir répondu à un défi technologique important consistant à effectuer une mise en évidence expérimentale du phénomène de localisation jusque-là difficile à réaliser avec des microphones. Pour y parvenir, un outil optique peu conventionnel dans la métrologie acoustique est adopté; il s'agit de la réfracto-vibrométrie qui consiste à utiliser, sous certaines conditions, le vibromètre laser pour mesurer un champ acoustique (pression acoustique). Bien que contraignante, cette technique présente l'avantage d'être non intrusive et donc moins encombrante même pour de petites cavités comparativement aux microphones.

International audience

The carbon-fiber-reinforced-polymer (CFRP) materials display excellent properties considering their weight. However, they also can display defects that can significantly decrease their properties. In order to verify the internal structure of the composite materials, non destructive control is required. In this document, the X-ray computed tomography is used. Nevertheless, the distinction of the defects is difficult because of the chemical proximity between the carbon and the resin. In order to improve the detection of the defects, this document proposes to study the different physical phenomena happening during the tomography process such as the study of the acquisition parameters and the phenomena that decrease the image quality. In order to help to understand the different phenomena, the simulation tool is used. It allows to study the different phenomena independently to the others. After the presentation of the composite materials and the x-ray computed tomography in the first part, the features of the used acquisition system are presented in the second part. The features of the simulation of the acquisition system are also presented. The third part propose a study of the different phenomena contributing to the image. The comparison of the results between the simulation and the experimental allows to highlight a backscattering phenomenon happening inside the detector. A protocol allowing to determine these phenomena experimentally and to add it on the computed projections is presented. Furthermore, the simulation does not take the noise on the projection into account. Another protocol is presented, allowing to determine it experimentally. The fourth part displays the study of the optimization of the image quality using the simulation. The choice of the accelerating voltage is studied as well as the influence of the object scatter radiation. The fifth part proposes an experimental validation of the results. Especially, a correction of the backscattering is presented and applied to the composites objects., Les matériaux composites à renfort carbone dans une matrice époxy présentent des propriétés remarquables au regard de leur poids. Cependant, ces matériaux peuvent présenter des défauts qui peuvent significativement altérer leurs propriétés. Il est donc nécessaire de disposer d'un moyen de contrôle non destructif performant, afin de vérifier la structure interne de ces matériaux. Dans ce document, la tomographie X est utilisée. La distinction des défauts dans ces matériaux est cependant compliquée à cause de la proximité chimique entre le carbone et la résine. Dans le but d'améliorer la détection de ces défauts, ce document propose l'étude des différents phénomènes physiques entrant en jeu lors du procédé de tomographie X dont l'étude des paramètres d'acquisition et les phénomènes physiques dégradant la qualité de l'image. Afin d'aider à la compréhension des différents phénomènes physiques, l'outil de la simulation est utilisé, celle-ci permettant d'étudier de manière indépendante tous ces phénomènes. Après avoir présenté dans la première section les matériaux composites et la tomographie X, la deuxième section décrit les caractéristiques du système d'acquisition tomographique utilisé. Ensuite, les caractéristiques de la simulation du système d'acquisition sont également présentées. La troisième section propose une étude des différents phénomènes physiques contribuant à l'image. En effet, la comparaison des résultats entre la simulation et l'expérimental a permis de mettre en évidence qu'un phénomène de rétrodiffusion se produit à l'intérieur du détecteur. Un protocole est présenté afin de le déterminer expérimentalement et de l'ajouter aux projections simulées. De plus, la simulation ne prenant pas en compte le bruit sur les projections, un protocole est présenté afin de le déterminer expérimentalement. La quatrième section présente l'étude de l'optimisation de la qualité de l'image par simulation. Le choix de la tension accélératrice est étudié, ainsi que l'influence du rayonnement diffusé objet. La cinquième section propose une validation expérimentale des résultats, notamment en appliquant la correction du rayonnement rétrodiffusé aux pièces composites d'intérêt.

International audience; The vibroacoustic behavior of a structure excited by a partially space-correlated random pressure fields such as turbulent boundary layers or internal diffuse fields is of great interest for aeronautical or naval applications. Many works have been carried out for structures such as plates or simple cylinders whereas little attention has been paid on more complex cases. The aim of this paper is to study this problem for a ribbed cylindrical shell coupled to internal structures. The proposed modeling is based on the combination of two methods developed recently by the authors: the wavenumber-point (k, M) reciprocity technique and the Condensed Transfer Function (CTF) method. The first one estimates the sensitivity functions at point M of the system from its vibratory velocity field induced by a point excitation at M. This velocity field is estimated with the second method. The CTF method is a substructuring approach which consists in coupling a semi-analytical model of a submerged cylindrical shell with Finite Element models of axisymmetric (ribs, bulkheads) and non-axisymmetric (floor partitions, engine foundations) internal frames. A numerical example of a submerged stiffened cylindrical shell excited by random pressure fields will be given and the influence of the internal frames will be discussed.

International audience; Statistical modal Energy distribution Analysis (SmEdA) approach was developed to enlarge the application field of Statistical Energy Analysis (SEA) when equipartition of modal energies is not achieved. SmEdA gives more precise results than standard SEA when compared to exact energy response of a deterministic system in the case of low modal overlap, heterogeneous systems or point excitation. The present paper was initiated by this question: when considering a population of similar structures, each of them being described by SmEdA, do the ensemble averaged energies of subsystem and injected power tend to satisfy SEA equations? In other terms, despite the non-equipartition of energy observed on each element of the population of structures does the ensemble averaging leads to SEA equation where equipartition of energy is assumed? The response to that question that rises from this paper is yes, if the terms of the SEA equation are fuzzy numbers. It results that the energy response given by the model can be interpreted using fuzzy numbers theory.

National audience; L’étude du rayonnement acoustique des coques cylindriques raidies a fait l’objet de nombreux travaux car elles sont d’un grand intérêt pour les industriels des secteurs naval et aéronautique. Cependant peu d’attention a été portée aux effets liés à la présence de structures fixées rigidement à l’intérieur de la coque, telles que des planchers, des carlingages ou des supports de machines. Récemment, une méthode de sous-structuration par fonctions de transfert condensée a été développée afin de coupler un modèle de coque raidie avec des structures internes non-axisymétriques modélisées par la méthode des éléments finis. Ces travaux ont montré sur différents cas d’application numériques que la non-axisymétrie pouvait modifier significativement le comportement vibro-acoustique de la coque excitée par un effort mécanique et conduire à une augmentation de l’efficacité de rayonnement de la coque raidie. Le but de la présente étude est de vérifier ces tendances expérimentalement par des mesures en laboratoire sur une maquette. Le cylindre raidi est suspendu verticalement et est excité par un pot vibrant. La pression rayonnée est évaluée à partir de mesures en chambre anéchoïque, avec et sans structure interne. Des cartographies du champ vibratoire de la coque sont également établies à partir de mesures au vibromètre laser. L’analyse de celles-ci dans l’espace des nombres d’onde permet d’appréhender les mécanismes de rayonnement acoustique sous la fréquence critique de la coque cylindrique.

The thesis investigates possibilities of air-borne sound characterisation of arbitrary sound sources. To this end a particular approach is studied where the source characterisation is done via an interface surface which fully or partially envelopes the physical source. Two frequency dependent descriptors are defined across such a surface: the blocked sound pressure and the source impedance. The former represents the sound pressure created by the operating source which acts on the enveloping surface when this is made immobile. The latter represents the ratio of pressure response amplitudes and normal velocity excitation amplitudes across the surface. The enveloping surface defines an air volume containing the physical source, called the source space. The two source descriptors defined on the source space, the blocked pressure and the source impedance, are shown to be intrinsic to the source, i.e. independent of the surrounding acoustical space. Once defined, these descriptors allow one to find the sound pressure and normal particle velocity at the interface surface when the source space is coupled to an arbitrary receiver space, i.e. a room. This in turn allows for sound prediction in the receiver space. The coupling conditions require that the receiver space is characterised using the same enveloping surface as the source space. Bearing the measurement simplicity in mind, the enveloping surface has been conceived as consisting of one or several rectangular plane surfaces. The research challenge was then to obtain meaningful surface impedance across a (continuous) rectangular plane surface as well as the blocked pressure compatible with impedance formulation. This has led to a spatial decomposition of sound pressure and particle velocity into finite number of components, each defined by a complex amplitude and a particular spatial distribution. In this way the blocked pressure reduces to a vector of complex pressure amplitudes while the impedance becomes a matrix of pressure and velocity complex amplitude ratios. Two decomposition methods have been investigated in detail: the surface harmonic method and the patch method. The former approximates the surface pressure and normal velocity by combinations of 2D trigonometric surface functions while the latter splits the surface into small patches and treats each patch in a discrete way, using patch-averaged values., La thèse se base sur la recherche des possibilités de caractérisation du son aérien de sources sonores arbitraires. A cette fin, une approche particulière est étudiée à l’endroit où la caractérisation de la source est faite via une surface d’interface qui enveloppe totalement ou partiellement la source physique. Deux descripteurs qui dépendent de la fréquence sont definis au travers d’une telle surface: la pression sonore bloquée et l’impédance de la source. Le précédent représente la pression sonore créée par le système d’exploitation source qui agit sur la surface enveloppante quand elle est rendue immobile. Cette dernière représente le rapport des amplitudes de réponse de pression et les amplitudes de vitesse d’excitation normales au travers de la surface. La surface enveloppante définit un volume d’air qui contient la source physique appelée l’espace source. Les deux descripteurs définis sur l’espace source, la pression bloquée et l’impédance de la source sont montrés comme étant intrinsèques à la source, c’est-à-dire indépendants de l’espace acoustique environnant. Une fois définis, ces descripteurs permettent de trouver la pression sonore et la vitesse particulaire normale à la surface de l’interface quand l’espace source est couplé à un espace récepteur arbitraire, c’est-à-dire une pièce. Cela permet alors la prédiction du son dans l’espace récepteur. Les conditions de couplage nécessitent que l’espace récepteur soit caractérisé en utilisant la même surface enveloppante telle que l’espace source. En acceptant de garder à l’esprit la simplicité de la mesure, la surface enveloppante a été conçue vu qu’elle comporte une ou plusieurs surfaces rectangulaires planes. Le défi de la recherche était alors d’obtenir une impédance significative de la surface au travers de la surface plane rectangulaire (continue) ainsi que celle de la pression bloquée compatible avec la formulation de l’impédance. Cela a conduit à une décomposition dans l’espace de la pression sonore et de la vitesse des particules au sein du nombre fini des composants, chacun défini par une amplitude complexe et une distribution dans l’espace particulière. De cette façon, la pression bloquée se réduit à un vecteur d’amplitude de pression complexe, tandis que l’impédance devient une matrice de pression et des rapports d’amplitudes complexes de la vitesse de défauts de de décompositions ont été recherchés dans le détail: la méthode harmonique de surface et la méthode du patch. Le premier se rapproche de la pression de surface et de la vitesse normale par des combinaisons de fonctions de surface trigonométriques en 2D tandis que ce dernier partage la surface en petites parcelles et intervient sur chaque parcelle de façon discrète en utilisant les valeurs moyennes du patch.

Experimental characterization of acoustic sources is one of the essential steps for reducing noise produced by industrial machinery. The aim of the thesis is to develop a complete procedure to localize and quantify both stationary and non-stationary sound sources radiating on a surface mesh by the back-propagation of a pressure field measured by a microphone array. The inverse problem is difficult to solve because it is generally ill-conditioned and subject to many sources of error. In this context, it is crucial to rely on a realistic description of the direct sound propagation model. In the frequency domain, the equivalent source method has been adapted to the acoustic imaging problem in order to estimate the transfer functions between the source and the antenna, taking into account the wave scattering. In the time domain, the propagation is modeled as a convolution product between the source and an impulse response described in the time-wavenumber domain. It seemed appropriate to use a Bayesian approach to use all the available knowledge about sources to solve this problem. A priori information available about the acoustic sources have been equated and it has been shown that taking into account their spatial sparsity or their omnidirectional radiation could significantly improve the results. In the assumptions made, the inverse problem solution is written in the regularized Tikhonov form. The regularization parameter has been estimated by an empirical Bayesian approach. Its superiority over methods commonly used in the literature has been demonstrated through numerical and experimental studies. In the presence of high variability of the signal to noise ratio over time, it has been shown that it is necessary to update its value to obtain a satisfactory solution. Finally, the introduction of a missing variable to the problem reflecting the partial ignorance of the propagation model could improve, under certain conditions, the estimation of the complex amplitude of the sources in the presence of model errors. The proposed developments have been applied to the estimation of the sound power emitted by an automotive power train using the Bayesian focusing method in the framework of the Ecobex project. The cyclo-stationary acoustic field generated by a fan motor was finally analyzed by the real-time near-field acoustic holography method., La caractérisation expérimentale de sources acoustiques est l'une des étapes essentielles pour la réduction des nuisances sonores produites par les machines industrielles. L'objectif de la thèse est de mettre au point une procédure complète visant à localiser et à quantifier des sources acoustiques stationnaires ou non sur un maillage surfacique par la rétro-propagation d'un champ de pression mesuré par un réseau de microphones. Ce problème inverse est délicat à résoudre puisqu'il est généralement mal-conditionné et sujet à de nombreuses sources d'erreurs. Dans ce contexte, il est capital de s'appuyer sur une description réaliste du modèle de propagation acoustique direct. Dans le domaine fréquentiel, la méthode des sources équivalentes a été adaptée au problème de l'imagerie acoustique dans le but d'estimer les fonctions de transfert entre les sources et l'antenne, en prenant en compte le phénomène de diffraction des ondes autour de l'objet d'intérêt. Dans le domaine temporel, la propagation est modélisée comme un produit de convolution entre la source et une réponse impulsionnelle décrite dans le domaine temps-nombre d'onde. Le caractère sous-déterminé du problème acoustique inverse implique d'utiliser toutes les connaissances a priori disponibles sur le champ sources. Il a donc semblé pertinent d'employer une approche bayésienne pour résoudre ce problème. Des informations a priori disponibles sur les sources acoustiques ont été mises en équation et il a été montré que la prise en compte de leur parcimonie spatiale ou de leur rayonnement omnidirectionnel pouvait améliorer significativement les résultats. Dans les hypothèses formulées, la solution du problème inverse s'écrit sous la forme régularisée de Tikhonov. Le paramètre de régularisation a été estimé par une approche bayésienne empirique. Sa supériorité par rapport aux méthodes communément utilisées dans la littérature a été démontrée au travers d'études numériques et expérimentales. En présence de fortes variabilités du rapport signal à bruit au cours du temps, il a été montré qu'il est nécessaire de mettre à jour sa valeur afin d'obtenir une solution satisfaisante. Finalement, l'introduction d'une variable manquante au problème reflétant la méconnaissance partielle du modèle de propagation a permis, sous certaines conditions, d'améliorer l'estimation de l'amplitude complexe des sources en présence d'erreurs de modèle.Les développements proposés ont permis de caractériser, in situ, la puissance acoustique rayonnée par composant d'un groupe motopropulseur automobile par la méthode de la focalisation bayésienne dans le cadre du projet Ecobex. Le champ acoustique cyclo-stationnaire généré par un ventilateur automobile a finalement été analysé par la méthode d'holographie acoustique de champ proche temps réel.

International audience; The problem of localizing and quantifying acoustic sources from a set of acoustic measurements has been addressed, in the last decades, by a huge number of scientists, from different communities (signal processing, mechanics, physics) and in various application fields (underwater, aero, or vibro acoustics). This led to the production of a substantial amount of literature on the subject, together with the development of many methods, specifically adapted and optimized for each configuration and application field, the variety and sophistication of proposed algorithms being sustained by the constant increase in computational and measurement capabilities. The counterpart of this prolific research is that it is quite tricky to get a clear global scheme of the state of the art. The aim of the present work is to make an attempt in this direction, by proposing a unified formalism for different well known imaging techniques, from identification methods (acoustic holography, equivalent sources, Bayesian focusing, Generalized inverse beamforming...) to beamforming deconvolution approaches (DAMAS, CLEAN). The hypothesis, advantages and pitfalls of each approach will be clearly established from a theoretical point of view, with a particular effort in trying to separate differences in the problem definition (a priori information, main assumptions) and in the algorithms used to find the solution. Some parallels will be drawn with well-known algorithms developed in the field of applied mathematics, linked to compressive sensing, sparse representations or non-negativity constraints. Illustrations of the specificities, similarities and computational costs of each approach will be shown for different source configurations (coherent/incoherent/extended/sparse distributions).

The source field reconstruction aims at identifying the excitation field measuring the response of the system. In Near-field Acoustic Holography, the response of the system (the radiated acoustic pressure) is measured on a hologram using a microphones array and the source field (the acoustic velocity field) is reconstructed with a back-propagation technique performed in the wave number domain. The objective of the present works is to use such a technique to reconstruct displacement field on the whole surface of a plate by measuring vibrations on a one-dimensional holograms. This task is much more difficult in the vibratory domain because of the complexity of the equation of motion of the structure. The method presented here and called "Structural Holography" is particularly interesting when a direct measurement of the velocity field is not possible. Moreover, Structural Holography decreases the number of measurements required to reconstruct the displacement field of the entire plate. This method permits to separate the sources in the case of multi-sources excitations by considering them as direct or back waves. It’s possible to compute the structural intensity of one particular source without the contributions of others sources. The aim of this PHD is to present the principles of Structural Holography, its limits, its applications and illustrate them with examples of infinite plate, supported plate and on experimental results., La reconstruction de champ source a pour but d’identifier le champ d’excitation en mesurant la réponse du système. Pour l’Holographie acoustique de champ proche (Near-field Acoustic Holography), la réponse du système (pression acoustique rayonnée) est mesurée sur un hologramme bidimensionnel utilisant un réseau de microphones et le champ source (le champ de vitesse acoustique) est reconstruit par une technique de rétropropagation effectuée dans le domaine des nombres d’ondes. L’objectif des travaux présentés est d’utiliser le même type de techniques pour reconstruire le champ de déplacement sur toute la surface d’une plaque en mesurant les vibrations sur des hologrammes à une dimension (lignes de mesures). Dans le domaine vibratoire, l’équation du mouvement de plaque implique la présence de 4 types d’ondes différents, deux étant purement évanescents. Ces derniers peuvent introduire des instabilités dans l’application de la méthode, notamment lorsque les hologrammes sont placés dans le champ lointain des efforts appliqués à la structure. La méthode présentée ici, appelée ”Holographie Vibratoire”, est particulièrement intéressante quand une mesure directe du champ de vitesse est impossible. L’holographie vibratoire permet également de séparer les sources dans le cas d’excitations multiples en les considérant comme des ondes allers ou retours. Il est alors possible d’isoler l’influence de chaque source et de quantifier notamment les champs d’intensités structurales que chacune d’elles génère. L’objectif de cette thèse est de présenter les principes de l’holographie Vibratoire, ses limites, ses applications et de les illustrer par des exemples sur plaque infinie, plaque appuyée et sur des résultats expérimentaux.

International audience; This paper investigates the modelling of a vibrating structure excited by a turbulent boundary layer (TBL). Although the wall pressure field (WPF) of the TBL constitutes a random excitation, the element-based methods generally used for describing complex mechanical structures consider deterministic loads. The response of such structures to a random excitation like TBL is generally deduced from calculations of numerous Frequency Response Functions. Consequently, the process is computationally expansive. To tackle this issue, an efficient process is proposed for generating realizations of the WPF corresponding to the TBL. This process is based on a formulation of the problem in the wave-number space and the interpretation of the wall pressure field as uncorrelated wall plane waves. Once the WPF has been synthesized, the local vibroacoustic responses are calculated for the different realizations and averaged together in the last step. A numerical application of this process to a plate located beneath a TBL is used to verify its efficiency and ability to reproduce the partial space correlation of the excitation. To further illustrate the proposed method, a stiffened panel modelled using the finite element method is finally examined.

International audience

This thesis is concerned with the coupling between a fexural vibrating plate and a stratifed ground. A semi-analytical solution is introduced similar to the equivalent acoustical problem. The ground cross modal impedance is defined in a similar way as the equivalent acoustical impedance. From this definition, the ground added mass, stiffness and damping to the plate are presented. Similarities and discrepancies between the acoustical and the ground cross modal impedance are introduced. Influence of the ground stratification on the plate vibration shows new phenomena especially on the imaginary part of the ground cross modal impedance. A comparison between the model developed in this thesis and an experiment made on a tramway slab has been done as well as a comparison with a numerical model, MEFISSTO developed by P. jean at CSTB. One introduces an extension of the modeling developed and is concerned with modeling two flexural plates to the ground. It can be pointed out that problem formulation is still close to the problem formulation of one plate coupled to the ground. Three different fields of application of such modeling is presented. The first field of application is concerned with ground mitigation due to the passing tramway on. The first plate is the excited plate by the tramway and the second plate, called Horizontal Wave Barrier, is acting at the top surface as a ground attenuator. The second field of application is concerned with the modeling of building foundation. It is shown that the vibration received by the foundation of a building can be an input data for modeling an entire building vibration. The third field of application is concerned with different cases of tramway slab for reduction of ground vibration. Finally one presents an introduction of the use of this ground structure modeling in the case of inverse problem. It is shown that it is possible to identify injected force to the plate by the tramway. Furthermore the ground allows a regularization of the problem in the inversion which is not the case in the acoustical case., Ce travail de thèse présente la formalisation du problème de couplage d'une plaque en vibration de flexion avec le sol. La notion d'impédance intermodale de rayonnement vibratoire est définie de façon analogue à son équivalent acoustique. A partir de cette définition, la notion de masse, raideur et amortissement modal ajoutée sur la structure par le sol est introduite. L'effet sur le niveau vibratoire de la structure est présenté, notamment l'effet très amortissant du sol sur la structure. Une comparaison avec le modèle équivalent acoustique est présentée avec une attention particulière portée sur les différences entre les impédances intermodales. L'influence de la stratification sur le niveau vibratoire de la structure fait apparaitre des phénomènes nouveaux sur la partie imaginaire de l'impédance intermodale. Une comparaison théorie-expérience a été effectuée dans le cas d'une dalle de tramway couplée au sol. On présente également une comparaison avec un code numérique, MEFISSTO développé par P. Jean au sein du CSTB. On présente également une extension du modèle d'une plaque couplée au sol au cas de couplage de deux plaques avec le sol. On montre notamment que l'écriture du problème reste très similaire au problème d'une plaque couplée au sol. Les impédances intermodales peuvent encore être définies avec la prise en compte du couplage des modes d'une plaque sur les modes de l'autre plaque. On présentera trois applications de ce modèle. La première concerne l'utilisation d'une Barrière Vibratoire Horizontale à la surface du sol pour atténuer les vibrations issues d'une première plaque modélisant la dalle de tramway. Finalement une ouverture du problème de couplage d'une plaque avec le sol par l'utilisation de ce modèle dans des problématiques inverses est présentée. On montre qu'il est possible par un problème inverse de remonter aux efforts injectés sur une dalle de tramway au passage de celui-ci.

In the last decades, vibration-based condition monitoring of rotating machine has gained special interest providing an efficient aid for maintenance in the industry. Nowadays, many efficient techniques are well-established, rooted on powerful tools offered in particular by the theory of cyclostationary processes. However, all these techniques rely on the assump-tion of constant— or possibly fluctuating but stationary— operating regime (i.e. speed and/or load). Unfortunately, most monitored machines used in the industry operate under nonstationary regimes in order to fulfill the task for which they have been designed. In this case, these techniques fail in analyzing the produced vibration signals. This issue, therefore, has occupied the scientific committee in the last decade and some sophisticated signal processing techniques have been conceived to deal with regime variability. But these works remain limited, dispersed and generally not supported by theoretical frameworks. The principal goal of this thesis is to partially fill in this gap on the basis of a theoretical formalization of the subject and a systematic development of new dedicated signal processing tools. In this work, the nonstationarity of the regime is confined to that of the speed— i.e. variable speed and constant load, assumed to be known a priori. In order to reach this goal, the adopted methodology consists in extending the cyclostationary framework together with its dedicated tools. We have elaborated this strategy by distinguishing two types of signatures. The first type includes deterministic waveforms known as first-order cyclostationary. The proposed solution consists in generalizing the first-order cyclostationary class to the more general first-order cyclo-non-stationary class which enfolds speed-varying deterministic signals. The second type includes random periodically-correlated waveforms known as second-order cyclostationary. Three different but complementary visions have been proposed to deal with the changes induced by the nonstationarity of the operating speed. The first one adopts an angle\time cyclostationary approach, the second one adopts an envelope-based solution and the third one adopts a (second-order) cyclo-non-stationary approach. Many tools have been conceived whose performances have been successfully tested on simulated and real vibration signals., Dans les dernières décennies, la surveillance vibratoire des machines tournantes a acquis un intérêt particulier fournissant une aide efficace pour la maintenance dans l'industrie. Aujourd'hui, de nombreuses techniques efficaces sont bien établies, ancrées sur des outils puissants offerts notamment par la théorie des processus cyclostationnaires. Cependant, toutes ces techniques reposent sur l'hypothèse d’un régime de fonctionnement (c.à.d. vitesse et/ou charge) constant ou éventuellement fluctuant d’une façon stationnaire. Malheureusement, la plupart des machines surveillées dans l'industrie opèrent sous des régimes non stationnaires afin de remplir les tâches pour lesquelles elles ont été conçues. Dans ce cas, ces techniques ne parviennent pas à analyser les signaux vibratoires produits. Ce problème a occupé la communauté scientifique dans la dernière décennie et des techniques sophistiquées de traitement du signal ont été conçues pour faire face à la variabilité du régime. Mais ces tentatives restent limitées, dispersées et généralement peu soutenues par un cadre théorique. Le principal objectif de cette thèse est de combler partiellement cette lacune sur la base d'une formalisation théorique du sujet et d’un développement systématique de nouveaux outils de traitement du signal. Dans ce travail, la non-stationnarité du régime est limitée à celle de la vitesse— c.à.d. vitesse variable et charge constante— supposée connue a priori. Afin d'atteindre cet objectif, la méthodologie adoptée consiste à étendre le cadre cyclostationnaire avec ses outils dédiés. Nous avons élaboré cette stratégie en distinguant deux types de signatures. Le premier type comprend des signaux déterministes connus comme cyclostationnaires au premier ordre. La solution proposée consiste à généraliser la classe cyclostationnaire au premier ordre à la classe cyclo-non-stationnaire au premier ordre qui comprend des signaux déterministes en vitesse variable. Le second type comprend des signaux aléatoires périodiquement corrélés connus comme cyclostationnaires au deuxième ordre. Trois visions différentes mais complémentaires ont été proposées pour traiter les variations induites par la non-stationnarité de la vitesse de fonctionnement. La première adopte une approche cyclostationnaire angle\temps, la seconde une solution basée sur l'enveloppe et la troisième une approche cyclo-non-stationnaire (au second ordre). De nombreux outils ont été conçus dont les performances ont été testées avec succès sur des signaux vibratoires réels et simulés.

The characterisation of vibrating sound sources is a challenge in noise and vibration engineering. In this thesis, an experimental approach to the characterisation of air-borne sound from a complex machine is investigated. A proper characterisation has to account for both radiation and diffraction phenomena in order to describe the sound source when inserted into an arbitrary space which enables prediction of sound pressure. A particular technique — a dummy source — has been conceived to deal with this problem. The dummy is a closed cabinet of similar size but much simpler shape than the complex machine, and it serves as a model of sound diffraction. The dummy is equipped with a flush-mounted array of loudspeaker drivers. The superposition of sound fields created by the individual drivers models sound radiation of the complex machine. This thesis introduces the concept of a dummy source and discusses three problems that need to be addressed for its practical application: (1) estimation of the transfer impedance of the space (the Green’s function), (2) the specification of the cabinet and the driver array, and (3) the estimation of the equivalent source strengths in terms of volume velocity. The approach is investigated via experimental and numerical case studies., La caractérisation des sources sonores dues aux vibrations est un défi dans le domaine du bruit et des vibrations. Dans cette thèse, une approche expérimentale pour caractériser la propagation du son d’une machine complexe a été étudiée. Pour caractériser de manière appropriée la source sonore placée dans un environnement quelconque, il a été indispensable de prendre en compte les phénomènes de rayonnement et de diffraction. Cela permet de prédire une pression acoustique. Une technique particulière, appelée source mannequin, a été développée pour répondre à cette problématique. Le mannequin est une enceinte fermée de taille similaire mais qui a une forme simplifiée par rapport à la machine complexe, et sert de modèle de diffraction sonore. Le mannequin est équipé d’une série de haut-parleurs alignés dans le prolongement de la surface de l’enceinte. La superposition du champ acoustique créé par chaque haut-parleur modélise le rayonnement acoustique de la machine complexe. Cette thèse introduit donc le concept de source mannequin et traite de trois problèmes émanant de la mise en pratique de celui-ci : (1) l’estimation du transfert d’impédance dans l’espace (fonction de Green), (2) les spécifications de l’enceinte et de la série de haut-parleurs, et (3) l’estimation des sources équivalentes en termes de débit volumique. L’approche est étudiée au travers de cas d’études expérimentaux et numériques.

International audience; Numerical models of periodically stiffened axisymmetric submerged shells impinged by an acoustic plane wave have been developed in order to study the scattered pressure by this target. Along with experimental results, they show that Bragg, Bloch-Floquet and helical waves can be observed. Nevertheless, the influence of added non-axisymmetric internal frames on the propagation of these waves has not been intensively studied. One can wonder if the scattering from these waves can still clearly be seen in this case. However, adding non-axisymmetries in the system couples the circumferential orders of the Fourier series and considerably increases the computational costs. A sub-structuring approach called the Condensed Transfer Function (CTF) method has been recently developed to couple subsystems along linear junctions. The displacements and forces at the junctions are decomposed on a set of orthonormal functions called condensation functions. Condensed transfer functions are defined for each uncoupled subsystems, and the behaviour of the coupled system can be deduced thanks to the superposition principle for passive linear systems, the force equilibrium and displacement continuity. The main advantage of the method is that the uncoupled subsystems can be described by any method. Thus, in the case of a submerged stiffened shell with non-axisymmetric internal frames, the axisymmetric stiffened submerged shell is described on one hand by a method called Circumferential Admittance Approach (CAA) while on the other hand the non-axisymmetric internal substructures are modelled by the Finite Element Method (FEM). The CAA is a dedicated model which uses the axisymmetry to save computational costs while the FEM offers a great flexibility on the design of the internal structures. A periodically stiffened submerged cylindrical shell including non-axisymmetric structures will be given as an example and the scattered pressure will be compared to the axisymmetric case.

The project CLIC (City Lightweight Innovative Cab) aims to develop a lighter-weighted truck that maintains NVH performances of the initial design. This PhD research is then to establish a vibroacoustic prediction model of a complex structure-bounded fluid system (cabin structure coupled to cabin space) including dissipative treatments (damping or absorbing materials) for the mid-frequency domain. Since most commonly used element based and statistical methods are not suitable for this frequency domain, a proper prediction tool, which should be flexible in modeling capabilities and feasible in computational cost, must be implemented. The SmEdA (Statistical modal Energy distribution Analysis) method is considered in this thesis to comply with these requirements. The main objective of this research is to extend this method for taking account of the damping effect induced by dissipative materials. Development and validation of the methodology are carried out. 1. Dissipative materials are represented by simplified equivalent models: (1) the equivalent single layer model for describing the plate covered with a viscoelastic layer and (2) the equivalent fluid model for describing a porous material into the cavity. 2. Each subsystem including the equivalent models of the dissipative materials is modeled with FEM(Finite Element Model). The FE matrices including the energy dissipation are then computed. The MSE (Modal Strain Energy) and MSKE (Modal Strain Kinetic Energy) methods are used to estimate the modal damping loss factor of each subsystem mode. 3. The SmEdA calculation is performed on a whole system considering the modal damping loss factors estimated in the second step for each subsystem. The power is injected into the plate at a localized point by the stationary white noise force and subsequently, the SmEdA parameters are computed. To validate the proposed methodology, laboratory test cases of the structure-fluid problem composed of a rectangular plate coupled to a parallelepipedic cavity are considered. Such system can be used to study the vibroacoustic interaction between structure and fluid. Two damped test cases of the plate-cavity system are studied: (1) a system with a viscoelastic damping pad on the plate and (2) a system with a composite fibre in the cavity. The damped test cases are modeled following the three steps and are analyzed in the framework of SmEdA. The results are then compared to the original case with no damping treatment. The last part of the thesis presents an experimental validation of the numerical computation results on each test case. Measured quantities such as input mobility, injected power and subsystem energies are compared to the numerical predictions. The modal damping loss factors of the damped subsystems estimated with MSE and MSKE methods are compared to the experimental results estimated by a high-resolution modal analysis method (ESPRIT method)., Le projet CLIC (City Lightweight Innovative Cab) dans lequel s’inscrit cette thèse de doctorat vise à développer une cabine de camion allégée sans dégrader les performances vibratoires et acoustiques. Pour cela il est nécessaire d’établir dans un premier temps un modèle de prédiction vibroacoustique du système couplé structure/espace intérieur incluant l’influence des matériaux dissipatifs (amortissement ou absorption) dans le domaine des moyennes fréquences. Les méthodes basées sur les éléments finis et les approches statistiques les plus couramment utilisées étant peu adaptées pour ce domaine de fréquence (coût de calcul important, méthodes peu flexibles), nous utiliserons le formalisme de la méthode SmEdA (Statistical modal Energy distribution Analysis). L’objectif principal de cette thèse de doctorat est dès lors, d’étendre cette méthode à la prise en compte de l’effet d’amortissement induit par des matériaux dissipatifs. La méthodologie se divise en trois étapes: 1. Les modèles équivalents des matériaux dissipatifs sont établis: (1) un modèle de plaque équivalent pour décrire la plaque amortie par un ou plusieurs patch(s) viscoélastique(s) et (2) un modèle de fluide équivalent pour décrire un matériau poreux agissant dans la cavité. 2. Chaque sous-système amorti est modélisé par éléments finis. Les méthodes MSE (Modal Strain Energy) et MSKE (Modal Strain Kinetic Energy) sont ensuite utilisées pour estimer les facteurs de perte modaux de chaque sous-système. 3. Le calcul SmEdA est effectué sur le système couplé en prenant en compte les facteurs de pertes modaux de chaque sous-système estimés dans la deuxième étape. Le point d’excitation est appliquée à la plaque, en supposant la force stationnaire et large bande. Afin de valider la méthodologie proposée un cas semi-complexe composé d’une plaque rectangulaire couplée à une cavité parallélépipédique est considéré. Ce système peut être utilisé pour étudier l’interaction vibroacoustique entre la structure de la cabine et l’intérieur de l’habitacle. Deux cas d’amortissement sont étudiés pour le système semi-complexe plaque-cavité: (1) un cas où la plaque est amortie avec un (ou plusieurs) patch(s) viscoélastique(s) et (2) un cas où un matériau poreux est placé dans la cavité. Le problème vibroacoustique est pour chaque cas modélisé suivant les trois étapes proposées et analyses dans le formalisme de la méthode SmEdA. Les résultats sont ensuite comparés au cas de référence (sans matériau dissipatif). La dernière partie de la thèse porte sur la validation expérimentale pour chaque cas test de la méthodologie numérique proposée. a mobilité d’éntrée, la puissance injectée et les énergies des sous-systèmes sont comparées aux prédictions numériques. Enfin les facteurs de pertes modaux des sous-systèmes estimés par les méthodes MSE et MSKE sont comparés aux résultats expérimentaux obtenus par la méthode d’analyse modale à haute résolution (méthode ESPRIT).

Listening in a natural environment implies to consider complex sound fields (several sound sources, different spatial positions, reflections…) and a binaural listening configuration. As a consequence, differences in time, level and spectrum between the two at-ear signals are systematically induced by the direction-dependant physical filtering from the human head, torso and pinnae. Existing loudness models provide accurate predictions under simplified listening situations (ISO-532B (1975), DIN-45631 (1990), ANSI-S3.4 (2007)). These models have been designed to use monaural (only one ear) or diotic (same signal at the two ears) signals, equivalent to one sound source with a frontal incidence, in a free or diffuse field. However, the models fail to predict loudness when the interaural differences are large. The present document focuses on the loudness of stationary sound fields, made up of one or several, artificial or real sound sources, in a free field or in a real environment. New elements have been brought to light regarding how, in a dichotic listening situation, information is combined from the two ears to produce one unique binaural loudness percept (binaural gain, case of several sound sources, effect of interaural correlation,...). On the one hand, one hypothesis have been tested in order to try to explain the interindividual differences observed in binaural loudness summation ; the robustness and stability over time of these individual strategies have been highlighted. On the other hand, predictions from the three main psychophysical models of binaural loudness (ANSI-S3.4 (2007), Moore et Glasberg (2007), Sivonen et Ellermeier (2008)) have been compared with all of the subjective data (involving different levels of realism), which allowed us to define more accurately the domain of validity and performance of these models in highly dichotic listening situations., Dans un environnement naturel, le champ acoustique est complexe (plusieurs sources, différentes positions spatiales, acoustique du lieu,...) et l'écoute est binaurale. Le filtrage acoustique opéré par la tête, le buste et les pavillons de l'auditeur (dépendant de la direction) induit donc systématiquement des différences interaurales de temps, de niveau et de spectre. Des modèles de sonie existent et permettent de prédire la sonie des sons stationnaires dans des situations d'écoute simples (ISO-532B (1975), DIN-45631 (1990), ANSI-S3.4 (2007)). L'écoute doit être monaurale (une seule oreille) ou diotique (même son aux deux oreilles), correspondant à une source en incidence frontale en champ libre, ou en champ diffus. En revanche, ces modèles échouent pour prédire la sonie lorsque des différences interaurales importantes interviennent. La thèse s’est ainsi intéressée à la sonie des champs acoustiques stationnaires, impliquant une ou plusieurs sources, soit artificielles et spatialisées en champ libre, soit réelles dans une acoustique naturelle. De nouveaux éléments ont été apportés dans la compréhension dont l'information contenue dans les signaux reçus aux oreilles de l’auditeur est combinée pour former un unique percept de sonie binaurale dans les situations d’écoute dichotiques (gain de sommation binaural, cas de plusieurs sources, effet de la corrélation interaurale,…). D’une part, une hypothèse pour essayer d’expliquer les différences interindividuelles observées dans les stratégies de sommation binaurales a pu être testée ; la robustesse et la stabilité au cours du temps de ces stratégies individuelles a été mise en avant. D’autre part, trois principaux modèles psychophysiques de sonie binaurale (ANSI-S3.4 (2007), Moore et Glasberg (2007), Sivonen et Ellermeier (2008)) ont été testés sur l’ensemble des données expérimentales (impliquant différents niveaux de réalisme), permettant de préciser la performance et les domaines de validité respectifs de chacun de ces modèles dans des situations d’écoute fortement dichotiques.

In the sea, the acoustic detection of other battle engines is done by detecting mostly stationary signals. However, new types of detection systems are being developed, and are able to detect and to analyze transient signals. Therefore, the industrial conception process needs to be improved, so that the underwater vehicles transient noises can be taken in account. In order to do so, the mechanism of vibroacoustic transfer of transient sources of submerged structures has to be understood. The object of this thesis is then the study of the mechanism of vibration transfer and acoustic radiation of those structures when they are excited by transient sources. The shell radiation in the water, the wave diffraction by circumferential stiffeners and the resonant behavior of internal substructures are analyzed. The first chapter presents the bibliographical study of three themes: the study of transient phenomenon of submerged structures, the influence of heavy fluid coupling on vibroacoustic behavior of plates, and the different calculation methods in transient vibroacoustics. In the second chapter, we study the transient response of a submerged infinite plate excited by an impulsively point force. First, the calculations are done in the wavenumber-frequency domain. Then the spatio-temporal responses are obtained using inverse Fourier transforms. The discretization of wavenumber and frequency domains and the damping model are studied. The analysis of frequency and time responses of the plate vibration and the radiated pressure enable us to observe the influence of heavy fluid coupling. Besides the Mindlin-Timoshenko plate model is also used and the effect of rotation inertia and shear stress are studied. In the third chapter, these numerical results are confronted to experimental data, obtained experimentally. The studied structure is a rectangular plate lying on the surface of a water tank. Two different excitations are used: an impact hammer and the free fall of a steel ball. The study of the correlation between numerical and experimental results showed that some phenomena are observed in both cases. The influence of stiffeners on the acoustic radiation is the theme of the fourth chapter. An infinite plate which is periodically stiffened through one direction is considered. The effect of Bloch-Floquet waves on time response is studied. Numerical results are compared to measurements data obtained on an industrial submerged structure. In the fifth chapter, the effect of internal structures is analyzed by modelling an infinite plate coupled to a resonant system made of a beam and a rectangular finite plate. The inertance coupling method is used to obtain the coupling forces between the different substructures. Influence of inertance difference between the substructures is illustrated by the time signals., Dans le cadre de la lutte en mer, la détection acoustique des structures immergées s’effectue généralement sur des signaux stationnaires. Une nouvelle génération de sonars permet de détecter sur des signaux transitoires. Ceci implique de compléter le processus de conception des projets industriels qui ne tient compte d’exigences qu'en matière de bruits rayonnés en régime stationnaire. Il est donc nécessaire de comprendre les mécanismes de transfert des sources de bruit transitoires sur les structures immergées. Cette thèse s’inscrit dans ce cadre et consiste à étudier les mécanismes de transfert vibratoire et de rayonnement acoustique qui peuvent intervenir sur ces structures lorsque l’excitation est transitoire. L’analyse porte sur différents éléments de la chaine de transfert : le rayonnement dans l’eau du bordé, la diffraction des ondes par les raidisseurs, et le comportement résonnant des structures internes supportant les matériels. Le premier chapitre présente une analyse bibliographique autour de l’étude des phénomènes vibroacoustiques transitoires des structures immergées, de l’influence d’un fluide lourd sur le comportement vibroacoustique des plaques, et des méthodes de calcul vibroacoustiques en régime transitoire. Dans le second chapitre nous étudions la réponse transitoire d’une plaque infinie immergée soumise à une force impulsionnelle ponctuelle. La méthode de calcul s’appuie sur les calculs spectraux fréquences-nombre d’onde. Les réponses temporelles sont obtenues par transformées de Fourier inverses. L’analyse des spectres et des réponses temporelles de l’accélération vibratoire de la plaque et de la pression rayonnée, met en évidence l’influence de la présence du fluide. La prise en compte de l’inertie rotationnelle et du cisaillement à travers le modèle de plaque de Mindlin-Timoshenko est également étudiée. Ces résultats sont confrontés à une expérimentation présentée dans le troisième chapitre. La structure étudiée est une plaque rectangulaire posée horizontalement à la surface d’une cuve remplie d’eau. Deux types de sources transitoires sont utilisés : marteau de choc, lâché d’une bille. La comparaison des résultats numériques et expérimentaux montre que l’on retrouve certains phénomènes évoqués précédemment. L’effet des raidisseurs sur le rayonnement acoustique fait l’objet du quatrième chapitre. Une plaque raidie périodiquement dans une direction est considéré. L’influence des ondes de Bloch-Floquet sur la réponse temporelle est étudiée. Les résultats sont comparés à des mesures effectuées sur une barge d’essais. Dans le cinquième chapitre, l’effet des structures internes est étudié à partir d’un modèle de plaque couplé à un système résonnant constitué d’un assemblage poutre-plaque. La méthode des inertances est utilisée pour obtenir les forces de couplage entre les différents éléments. Les signaux temporels sont étudiés en fonction de l’importance de la rupture d’inertance entre la plaque et l’assemblage.

International audience; Statistical modal energy distribution analysis (SmEdA) extends classical statistical energy analysis (SEA) to the mid frequency range by establishing power balance equations between modes in different subsystems. This circumvents the SEA requirement of modal energy equipartition and enables applying SmEdA to the cases of low modal overlap, locally excited subsystems and to deal with complex heterogeneous subsystems as well. Yet, widening the range of application of SEA is done at a price with large models because the number of modes per subsystem can become considerable when the frequency increases. Therefore, it would be worthwhile to have at one's disposal tools for a quick identification and ranking of the resonant and non-resonant paths involved in modal energy transmission between subsystems. It will be shown that previously developed graph theory algorithms for transmission path analysis (TPA) in SEA can be adapted to SmEdA and prove useful for that purpose. The case of airborne transmission between two cavities separated apart by homogeneous and ribbed plates will be first addressed to illustrate the potential of the graph approach. A more complex case representing transmission between non-contiguous cavities in a shipbuilding structure will be also presented.

International audience; Numerical methods are nowadays widely used to predict the vibroacoustic behavior of mechanical systems. Nevertheless, when the system is complex as for instance in the aerospace or naval industry, it is practically impossible to solve for the problem at once, more particularly at medium or high frequencies. That is why substructuring approaches have been developed to tackle complex systems and save computation costs. Some of these methods consist in dividing the system in several subsystems that can be studied separately and to deduce the response of the whole system by calculating the coupling forces at the interfaces between the subsystems. It is based on admittance, impedance or mobility frequency transfer functions at the coupling interfaces. Such methods have already been used intensively to couple subsystems linked by point contacts. In the case of subsystems coupled along lines, a Condensed Transfer Function (CTF) method is developed in the present paper. The admittances on the coupling line are condensed in order to reduce the number of coupling forces evaluated. Three variants of the method are presented, where the transfer functions are condensed using 3 different ways: (1) averaged on segments, (2) projected on exponential functions along the line and (3) projected on Chebyshev polynomials. After describing the principle of the CTF method, the case of a plate will be given as a test case for validation.In comparison with a classical Craig-Bampton method, which is used to reduce the size of finite element models, the CTF method has the advantage to be useable with several subsystems which vibrational behavior has not necessarily been described by the finite element method (FEM). For instance, it may be used to couple a submerged non-periodically stiffened shell described using the circumferential admittance approach (CAA) \cite{maxit2010prediction}, with internal substructures described by FEM that offers greater flexibility on their design. Way ahead to take into account non-axisymmetric internal substructures in an underwater structure will be given.

Statistical energy analysis is a statistical approach of vibroacoustics which allows to describe complex systems in terms of vibrational or acoustical energies. ln the high frequency range, this method constitutes an alternative to bypass the problems which can occur when applying deterministic methods (computation cost due to the large number of modes, the large number of degrees of freedom and the unicity of the solution). But SEA has numerous assumptions which are sometimes forgotten or misunderstood ln this thesis, foundations of SEA have been examined in order to discuss each assumption. Diffuse field, modal energy equipartition, weak coupling, the influence of non-resonant modes and the rain on the roof excitation are the five look up hypotheses. Based on simple examples (coupled oscillators, coupled plates), the possible equivalences and their influence on the quality of the results have been discussed to contribute to the clarification of the useful SEA assumptions and to mark out it's the validity domain.; La méthode SEA (Statistical Energy Analysis) est une approche statistique de la vibroacoustique permettant de décrire les systèmes complexes en termes d'échanges d'énergies vibratoires et acoustiques. En moyennes et hautes fréquences, cette méthode se présente comme une alternative aux méthodes déterministes (coût des calculs dû au grand nombre de modes, de degrés de liberté, unicité de la solution) Néanmoins, son utilisation requiert la connaissance et le respect d'hypothèses fortes qui limitent son domaine d'application. Dans ce mémoire, les fondements de la SEA ont été examinés afin de discuter chaque hypothèse. Le champ diffus, l'équipartition de l’énergie modale, le couplage faible, l'influence des modes non résonants et l'excitation rain-on-the-roof sont les cinq hypothèses qui ont été abordées. Sur la base d'exemples simples (oscillateurs couplés, plaques couplées), les équivalences et leurs influences sur la qualité des résultats ont été étudiées pour contribuer à la clarification des hypothèses nécessaires à l'application de la SEA ct pour borner son domaine de validité SEA.

The acoustic detection of defects or leaks inside a cylindrical shell containing a fluid is of prime importance in the industry, particularly in the nuclear field. This paper examines the beamforming technique which is used to detect and locate the presence of an acoustic monopole inside a cylindrical elastic shell by measuring the external shell vibrations. In order to study the effect of fluid–structure interactions and the distance of the source from the array of sensors, a vibro-acoustic model of the fluid-loaded shell is first considered for numerical experiments. The beamforming technique is then applied to radial velocities of the shell calculated with the model. Different parameters such as the distance between sensors, the radial position of the source, the damping loss factor of the shell, or of the fluid, and modifications of fluid properties can be considered without difficulty. Analysis of these different results highlight how the behaviour of the fluid-loaded shell influences the detection. Finally, a test in a water-filled steel pipe is achieved for confirming experimentally the interest of the presented approach.

A fundamental limitation of the inverse acoustic problem is determined by the size of the array and the microphone density. A solution to achieve large array and/or high microphone density is to scan the object of interest by moving sequentially a small prototype array, which is referred to as sequential measurements. In comparison to a large array and/or high microphone density array that can acquire simultaneously all the information of the spectral matrix, in particular all cross-spectra, sequential measurements can only acquire a block diagonal spectral matrix, while the cross-spectra between the sequential measurements remain unknown due to the missing phase relationships between consecutive positions. Nevertheless, these unknown cross-spectra are necessary for acoustic reconstruction. The object of this thesis is to recover the missing elements of the spectral matrix in the case that the acoustical field is highly coherent so as to implement the sequential measurements. Sparse eigenvalue spectrum are assumed to solve this problem, which lead to a structured low rank model and a weakly sparse eigenvalue spectrum model., Une limitation fondamentale du problème inverse acoustique est déterminée par la taille et la densité de l'antenne de microphones. Une solution pour atteindre une grande antenne et / ou à forte densité de microphones est de scanner l'objet d'intérêt en déplaçant séquentiellement une antenne de petites dimensions (mesures dites séquentielles). La différence entre des mesures séquentielle et une mesure simultanée en tous points est que dans ce dernier cas, l'intégralité de la matrice interpectrale peut être estimée, contrairement au cas des mesures séquentielles qui ne permettent l'estimation que d'une partie réduite de cette matrice; les éléments croisés (interspectres) entre deux points de mesures n'appartenant pas à la même séquence ne sont pas estimés. Néanmoins, ces données restent nécessaires pour la reconstruction acoustique. Dans l'approche classique, une ou plusieurs références sont utilisées pour retrouver les données manquantes. L'objet de cette thèse est de récupérer les éléments manquants de la matrice interspectrale sans capteurs de référence, dans le cas où le champ acoustique est suffisamment cohérent pour mettre en œuvre les mesures séquentielles. Deux modèles de spectre de valeurs propres parcimonieux sont proposés pour résoudre ce problème, le premier impose une valeur faible de rang, tandis que le second repose sur la minimisation de la norme nucléaire (recherche d'une solution faiblement parcimonieuse).

For over a century, film-based radiography has been used as a nondestructive testing technique for industrial inspections. With the advent of digital techniques in the medical domain, the NDT community is also considering alternative digital techniques. Computed Radiography (CR) is a cost-efficient and easy-to-implement replacement technique because it uses equipment very similar to film radiography. This technology uses flexible and reusable imaging plates (IP) as a detector to generate a latent image during x-ray exposure. With an optical scanning system, the latent image can be readout and digitized resulting in a direct digital image. CR is widely used in the medical field since it provides good performance at low energies. For industrial inspection, CR application is limited by its poor response to high energy radiation and the presence of scattering phenomena. To completely replace film radiography by such a system, its performance still needs to be improved by either finding more appropriate IPs or by optimizing operating conditions. Guidelines have been addressed in international standards to ensure a good image quality supplied by CR system, where metallic screens are recommended for the case of using high energy sources. However, the type and thickness of such a screen are not clearly defined and a large panel of possible configurations does exist. Simulation is a very useful tool to predict experimental outcomes and determine the optimal operating conditions. The Monte Carlo (MC) methods are widely accepted as the most accurate method to simulate radiation transport problems. It can give insight about physical phenomena, but due to its random nature, a large amount of computational time is required, especially for simulations involving complex geometries. Deterministic methods, on the other hand, can handle easily complex geometry, and are quite efficient. However, the estimation of scattering effects is more difficult with deterministic methods. In this thesis work, we have started with a Monte Carlo simulation study in order to investigate the physical phenomena involved in IP and in metallic screens at high energies. In particular we have studied separately the behavior of X-ray photons and electrons. Some experimental comparisons have been carried out at the European Synchrotron Radiation Facility. Then, we have proposed a hybrid simulation approach, combining the use of deterministic and Monte Carlo code, for simulating the imaging of complex shapes objects. This approach takes into account degradation introduced by X-ray scattering and fluorescence inside IP, as well as optical photons scattering during readout process. Different simulation configurations have been compared., Depuis plus d’un siècle, la radiographie sur film est utilisée pour le contrôle non destructif (CND) de pièces industrielles. Avec l’introduction de méthodes numériques dans le domaine médical, la communauté du CND industriel a commencé à considérer également les techniques numériques alternatives au film. La radiographie numérique (en anglais Computed radiography -CR) utilisant les écrans photostimulables (en anglais imaging plate -IP) est une voie intéressante à la fois du point de vue coût et facilité d’implémentation. Le détecteur (IP) utilisé se rapproche du film car il est flexible et réutilisable. L’exposition de l’IP aux rayons X génère une image latente qui est ensuite lue et numérisée grâce à un système de balayage optique par laser. A basse énergie, les performances du système CR sont bonnes ce qui explique son utilisation importante dans le domaine médical. A haute énergie par contre, les performances du système CR se dégradent à la fois à cause de la mauvaise absorption de l’IP mais également de la présence de rayonnement diffusé par la pièce qui, étant d’énergie plus faible, est préférentiellement absorbée par l’IP. Les normes internationales préconisent l’utilisation d’écrans métalliques pour améliorer la réponse des systèmes CR à haute énergie. Néanmoins, la nature et l’épaisseur de ces écrans n’est pas clairement définie et la gamme des configurations possibles est large. La simulation est un outil utile pour prévoir les performances d’une expérience et déterminer les meilleures conditions opératoires. Les méthodes Monte Carlo sont communément admises comme étant les plus précises pour simuler les phénomènes de transport de rayonnement, et ainsi comprendre les phénomènes physiques en jeu. Cependant, le caractère probabiliste de ces méthodes implique des temps de calcul importants, voire prohibitifs pour des géométries complexes. Les méthodes déterministes au contraire, peuvent prendre en compte des géométries complexes avec des temps de calcul raisonnables, mais l’estimation du rayonnement diffusé est plus difficile. Dans ce travail de thèse, nous avons tout d’abord mené une étude de simulation Monte Carlo afin de comprendre le fonctionnement des IP avec écrans métalliques à haute énergie pour le contrôle de pièces de forte épaisseur. Nous avons notamment suivi le trajet des photons X mais également des électrons. Quelques comparaisons expérimentales ont pu être menées à l’ESRF (European Synchrotron Radiation Facility). Puis nous avons proposé une approche de simulation hybride, qui combine l'utilisation de codes déterministe et Monte Carlo pour simuler l'imagerie d'objets de forme complexe. Cette approche prend en compte la dégradation introduite par la diffusion des rayons X et la fluorescence dans l'IP ainsi que la diffusion des photons optiques dans l'IP. Les résultats de différentes configurations de simulation ont été comparés.

The aim of this thesis is to develop a numerical method to predict the acoustic radiation, either in a light or in a heavy fluid, from a structure excited by a Turbulent Boundary Layer (TBL), in the presence of a pressure gradient. The proposed methodology consists in three steps: the characterization of the mean flow from a steady-state RANS calculation, the modeling of the wall-pressure fluctuations from semi-empirical models, and the vibro-acoustic calculation in response to fluctuating pressure.In this study, a particular attention is given to the effects of a pressure gradient in the mean flow, which occurs in most of the industrial applications. To analyze those effects, we first propose a study of a flow case with negative and positive pressure gradient, which corresponds to previous measurements in a wind tunnel. This validation step highlights the significance of taking into account the pressure gradient in the global modeling.To estimate the vibro-acoustic response of the TBL-excited structure in the low and mid frequency band, a difficulty lies in the coupling between the deterministic vibro-acoustic model and the statistical wall-pressure model. Several approaches are studied to inject the hydrodynamic excitation in the vibro-acoustic model: a) by considering a spatially allocated excitation; b) by modeling the excitation with a plane wave field; c) by using a reciprocity principle; d) by using samples of uncorrelated plane waves. These approaches are tested on a heavy fluid test case which permits to study the influence of calculations parameters and to discuss the advantages and disadvantages of each method. The vibro-acoustic calculations are performed with the PTF approach (Patch Transfer Functions), which allows taking into account the heavy fluid-structure coupling without increasing time computation. Moreover in order to treat the high frequency range using SEA method (Statistical Energy Analysis), theoretical developments are proposed with simplifying assumptions to estimate the injected power to the structure from the expression of the wall-pressure fluctuations in the wavenumber domain.A last part is dedicated to the extension of these vibro-acoustic methods in order to take into account the spatial evolution of the TBL in the presence of a pressure gradient. The formalism relies on a decomposition of the structure into zones on which different wall-pressure cross-spectra are applied. This approach is applied on an industrial test case of a turbulent flow on a submarine sail profile. The influence of the hypothesis necessary to the decomposition is first studied with a homogeneous excitation. The interest to take into account the spatial evolution of the TBL in the radiated pressure can then be highlighted in this case., L’objectif de la thèse est de développer une méthode de calcul pour prédire le rayonnement acoustique, en fluide léger ou en fluide lourd, d’une structure excitée par une Couche Limite Turbulente (CLT) en présence d’un gradient de pression statique. La méthodologie proposée comporte trois étapes : la caractérisation de l’écoulement moyen par un calcul RANS stationnaire, la modélisation des fluctuations de pression pariétale à l’aide de modèles semi-empiriques et le calcul vibro-acoustique en réponse aux pressions fluctuantes.Nous portons dans ce travail une attention particulière aux effets d’un gradient de pression statique dans l’écoulement, présent dans la plupart des cas industriels. Pour mettre en lumière ces effets nous proposons l’analyse d’un cas d’écoulement avec gradient de pression négatif puis positif correspondant à des mesures réalisées en tunnel aérodynamique. Cette étape de validation souligne l’importance de la prise en compte du gradient de pression dans la modélisation globale.Une des difficultés pour estimer la réponse vibro-acoustique de la structure excitée par la CLT dans les basses et moyennes fréquences repose sur le couplage entre le modèle déterministe vibro-acoustique et les modèles statistiques de pression pariétale. Plusieurs approches sont étudiées pour introduire l’excitation hydrodynamique dans le modèle vibro-acoustique : a) en modélisant l’excitation par une distribution de forces ponctuelles ; b) en modélisant l’excitation par un champ d’ondes planes ; c) en utilisant un principe de réciprocité ; d) en utilisant des échantillons d’ondes planes auxquelles sont associées des phases aléatoires. L’application de ces différentes approches sur un cas test en fluide lourd permet d’étudier l’influence des paramètres de calcul et d’établir les avantages et inconvénients propres à chacune des méthodes. Les calculs vibro-acoustiques sont alors réalisés par l’approche PTF (Patch Transfer Functions) qui permet de traduire le couplage structure-fluide lourd sans trop augmenter le coût des calculs. Par ailleurs, pour traiter les hautes fréquences en utilisant la méthode SEA (Statistical Energy Analysis), des développements théoriques sont proposés avec les hypothèses simplificatrices associées qui permettent d’estimer la puissance injectée par la CLT à partir de fluctuations de pression exprimées dans le domaine des nombres d’onde.La dernière partie est consacrée à l’adaptation des méthodes pour prendre en compte l’évolution spatiale de la CLT en présence d’un gradient de pression. Le formalisme repose sur une décomposition de la structure en différentes zones auxquelles on associe des interspectres de fluctuations de pression différents. Cette approche est appliquée sur un cas industriel d’écoulement sur un massif de sous-marin. La décomposition suppose que l’on néglige l’effet des corrélations des pressions entre les zones. L’influence de cette hypothèse est tout d’abord étudiée avec un cas d’excitation homogène. Enfin l’intérêt de prendre en compte l’évolution spatiale de la CLT dans les calculs de la pression rayonnée est mis en évidence sur ce cas.

International audience; The City Lightweight and Innovative Cab (CLIC) project is a scientific collaboration gathering different public and private organizations. The aim is to propose an innovative truck cab responding to new European legislations in security and CO2 emission. A very high strength steel will be used to lighten the structure. This could affects directly the acoustic environment of the cab. In order to control the noise requirements at the design stage, it is then necessary to be able to simulate the vibroacoustic behavior of a truck cab in the mid frequency range. In this context, a methodology is developed at INSA Lyon based on Statistical modal Energy distribution Analysis (SmEdA). This method is considered as substructuring approach for vibroacoustic problems and post-process for finite element methods (FEM). It is based on the knowledge of the uncoupled subsystem modes that can be computed using the FEM. In this paper, one focuses on the fluid-structure coupling of the cab floor with the interior cavity when they are represented by non-coincident meshes.

International audience; City Lightweight Innovative Cab (project CLIC) aims at developing a new generation of lightweight trucks. Mass reduction of a structural body may necessitate extensive use of additive damping mechanisms. Statistical Modal Energy Distribution Analysis (SmEdA) can be used to analyze the energy transmission of a structure-cavity system in the mid-high frequency domain. In this paper, the methodology is extended to take into account the effect of dissipative materials applied to each subsystem. This includes a characterization of the damping material as an equivalent property of treated subsystems, which greatly reduces a size of a finite element system to be solved and leads to a more efficient numerical implementation.

The Digital Loudspeaker Array (DLA) is an electroacoustic transducer which receives as input a digital signal and performs the analog conversion directly into the air. It consists of a plurality of radiating elements arranged in a matrix. These elements will be designated by the term “speaklet” when they are reduced in size. The acoustic radiation of a DLA is indeed very sensitive to the size of the matrix due to differences in path length, which makes it especially suitable for MEMS technology. This thesis is on the study of a piezoelectric MEMS DLA. After an introduction that is increasingly focused on the subject, the thesis addresses the multiphysics modeling of the DLA, dimensioning of the speaklets and experimental tests. Analytical formulas, numerical simulations and finite element models are developed and used to predict the mechanical behavior of the presented speaklets, the pressure radiated by the DLA and the electrical power consumption. The speaklet are then dimensioned from the technological stack (set in advance) in order to maximize the pressure level. Experimental tests involving the use of an anechoic chamber, an optical interferometer, a vibrometer and an impedancemeter validate most of the models. Otherwise, these tests are usefull for improving some of them or for showing their limitations. The results have shown the importance of the residual stresses, which cause an initial deformation of the speaklets and modify their resonance frequencies, thus rendering ineffective the use of large radii. In accordance with the models, the static deflection of the speaklets is nonlinear but their dynamic behavior is linear. This enables characterizations using transfer functions. Theory and sound recordings show that a DLA made of such speaklets can produce in the best case the same pressure to that generated by the same matrix driven in an analog way. In our case, more distortions were obtained in digital reconstructions because of non-uniform responses of the speaklets, due to different access resistances. However, the presented DLA has other advantages, the most important being the very low power consumption it is theoretically possible to achieve using the adiabatic charge principle. The piezoelectric MEMS DLA thus appears as a promising technology. The optimization of our first prototype using the developed tools should indeed lead to a DLA able to generate an equivalent presure to that obtained with analog control, but with a far greater electroacoustic efficiency. Future work should then focus on the design of nonlinear speaklets and on the shaping of the pulse of pressure they generate, in order to increase the total pressure level., Le Haut-Parleur Digital Matriciel (HPDM) est un moyen de transduction électroacoustique qui reçoit comme entrée un signal numérique et qui effectue la conversion vers l'analogique directement dans l'air. Il est constitué de plusieurs éléments rayonnants disposés au sein d'une matrice. Ces éléments seront désignés par le terme «speaklet» lorsqu'ils sont de tailles réduites. Le rayonnement acoustique du HPDM est en effet très sensible à la taille de la matrice, ce qui le rend tout particulièrement adapté à la technologie MEMS. Cette thèse porte sur l'étude de HPDM MEMS piézoélectriques. Après une introduction qui débute par certaines généralités jusqu'à se focaliser sur le sujet, la thèse aborde les modélisations multiphysiques des HPDM étudiés, le dimensionnement des speaklets puis les tests expérimentaux. Des modèles analytiques ainsi que des simulations numériques et par éléments finis sont mis en place et permettent de prédire le comportement mécanique des speaklets présentés, les pressions rayonnées par les HPDM et les puissances électriques consommées. Les speaklets sont ensuite dimensionnés à partir de l'empilement technologique afin de maximiser le niveau de pression qu'ils génèrent. Des tests expérimentaux permettent alors de valider la majorité des modèles ou au contraire de revenir sur certains d'entre eux pour les optimiser ou montrer leurs limitations. Les résultats ont en effet montré l'importance de la prise en compte des contraintes résiduelles, qui provoquent une déformée initiale des speaklets et modifient leurs fréquences propres, rendant alors l'utilisation de grands rayons inefficaces. En accord avec les modèles, les speaklets possèdent un comportement dynamique linéaire, ce qui permet de les caractériser à l'aide de fonctions de transfert. La théorie et les enregistrements sonores montrent alors qu'un HPDM composé de tels speaklets permet dans le meilleur des cas de produire une pression identique à celle générée par la même matrice pilotée en analogique. Dans notre cas, des taux de distorsions supérieurs ont été obtenus lors des reconstructions digitales, à cause des réponses non uniformes des speaklets, dues à des résistances d'accès différentes. Le HPDM présenté possède cependant d'autres avantages, le plus important étant la très faible consommation électrique qu'il est théoriquement possible d'atteindre en utilisant les méthodes de charges et de décharges adiabatiques. Le HPDM piézoélectrique MEMS apparait donc comme étant une technologie prometteuse. L'optimisation de notre premier prototype à l'aide des outils développés doit en effet conduire à un HPDM capable de générer une pression équivalente à celle obtenue en mode analogique, mais avec un rendement électroacoustique beaucoup plus important. Les futurs travaux devront ensuite se concentrer sur la conception de speaklets non-linéaires et sur la forme du pulse de pression qu'ils génèrent, afin de gagner en niveau sonore.

Session VBS1 : Modèles et méthodes numériques en vibroacoustique, papier CFA2014/129,; International audience

Pour modéliser l’environnement acoustique de locaux à faible bruit cohabitant avec des sources vibratoires importantes, il est indispensable de considérer la propagation du bruit par les structures. C’est le cas de certaines installations industrielles où il est difficile de profiter de l’effet de la distance pour conserver des zones calmes. Dans cet article, on étudie la modélisation de la propagation solidienne par les structures à partir de la méthode SmEdA (Statistical modal Energy distribution Analysis). Cette méthode a été couplée par ACOEM à l’environnement ANSYS-APDL et le développement a été validé par le biais d’une approche sur maquette de structure industrielle mécano-soudée composée de 27 sous-structures. Une comparaison entre les résultats obtenus avec SmEdA et ceux issus d’une approche classique par Eléments Finis, dans un domaine ‘compatible’ de fréquences, est proposée dans cette publication, sur le plan de la précision des résultats d’une part, et celui de la rapidité de calcul d’autre part. Un exemple d’application industrielle traité récemment est également proposé.

National audience; Statistical modal Energy distribution Analysis (SmEdA) can be used to model a fluid-structure-problem based on modal information of the uncoupled-subsystems. Recently the method has been extended to include the effect of a dissipative treatment (i.e. damping or absorbing material). In this paper, SmEdA is tested on a steel plate with/without damping treatment coupled to an acoustic cavity: the numerical result of the energy ratio is compared to the experimental one The data are analyzed for a mid-to-high frequency domain (up to 10 kHz in 1/3 octave band). Both subsystems loss factors are experimentally obtained by a high-resolution modal analysis method based on the ESPRIT algorithm applied to impulse responses of the plate and the cavity. Predicting the energy level requires an accurate estimation of subsystem damping levels. The uncertainty on measured loss factors leads to an uncertainty in the energy ratio depending on min/max damping levels of individual modes in a given frequency band. Once min/max damping levels of subsystems are determined, SmEdA is used to compute the upper and lower limit of the subsystem energy ratio. Comparison with the experiment shows that the measurement data fits in between the SmEdA bounds. In this paper, two types of dissipative treatments are studied: i) a viscoelastic patch on the plate (modeled as an equivalent single layer plate) and ii) a porous material into the cavity (modeled as an equivalent fluid).

International audience; A numerical model is proposed for predicting the scattering pressure by a fluid-loaded cylindrical shell stiffened by axisymmetric internal frames and impacted by an acoustic plane wave. The proposed developments consist in an extension of the Circumferential Admittance Approach (CAA) [Maxit, et al., J. Acoust. Soc. Am., 128, 137-151 (2010)] to an obliquely incident plane wave excitations. CAA consists in assembling a numerical model of the fluid loaded shell with finite element models of the internal frames. The scattering pressure model deduced from CAA can then take into account: (a), internal frames having a cross section with a complex geometry and thickness variations (like T-shaped stiffeners, bulkheads, hemispherical end caps); (b), variations of the frame spacings; (c), the frame-shell coupling in the three translational directions and the tangential rotation. Comparison with numerical and experimental results of the literature for a periodic stiffened shell shows that the scattering from Bragg, Bloch-Floquet, and Helical waves are correctly predicted. The effects on the backscattering pressure of the axial and tangential coupling forces are highlighted. Finally, an example of non-periodically stiffened shell is presented to highlight the versatility of the proposed approach.

Ce procédé de localisation et de représentation à N dimensions d'au moins un défaut (D) dans un objet à N dimensions, à partir d'une pluralité de radiographies à N- dimension(s) acquises (28) de cet objet, comporte les étapes suivantes : génération (104, 106) d'une pluralité de représentations à N-1 dimension(s) du défaut (D) à partir des radiographies à N-1 dimension(s) acquises (28); génération (108) d'une représentation à N dimensions (26') du défaut (D) dans l'objet à partir de la pluralité de représentations à N-1 dimension(s) du défaut. A partir d'une pluralité de radiographies à N-1 dimension(s) sans défaut obtenues avec respectivement les mêmes géométries d'acquisition (30) que les radiographies à N-1 dimension(s) acquises (28), la génération (104, 106) de la pluralité de représentations à N-1 dimension(s) du défaut comporte la comparaison (104) de chaque radiographie à N-1 dimension(s) acquise avec chaque radiographie à N-1 dimension(s) sans défaut correspondante.

Blind source separation is a promising technique for the identification, localization, and ranking of sound sources. The aim of this dissertation is to offer methods for separating incoherent sound sources which may overlap in both the space and frequency domains by exploiting spatial information. This is found of interest in acoustical applications involving the identification and ranking of sound sources stemming from different physical origins. The fundamental principle of all proposed methods proceeds in two steps, the first one being reminiscent to source reconstruction (e.g. as in near-field acoustical holography) and the second one to blind source separation. Specifically, the source mixture is first expanded into a linear combination of spatial basis functions whose coefficients are set by backpropagating the pressures measured by an array of microphones to the source domain. This leads to a formulation similar, but no identical, to blind source separation. In the second step, these coefficients are blindly separated into uncorrelated latent variables, assigned to incoherent “virtual sources”. These are shown to be defined up to an arbitrary rotation. A unique set of sound sources is finally recovered by searching for that rotation (conjugate gradient descent in the Stiefel manifold of unitary matrices) which minimizes some spatial criteria, such as spatial variance, spatial entropy, or spatial orthogonality. This results in the proposal of three separation criteria coined “least spatial variance”, “least spatial entropy”, and “spatial decorrelation”, respectively. Meanwhile, the condition under which classical decorrelation (principal component analysis) can solve the problem is deduced in a rigorous way. The same concept of spatial entropy, which is central to the dissertation, is also exploited in defining a new criterion, the entropic L-curve, dedicated to determining the number of active sound sources on the source domain of interest. The idea consists in considering the number of sources that achieves the best compromise between a low spatial entropy (as expected from compact sources) and a low statistical entropy (as expected from a low residual error)., La séparation aveugle de sources est une technique prometteuse pour l'identification, la localisation, et la classification des sources sonores. L'objectif de cette thèse est de proposer des méthodes pour séparer des sources sonores incohérentes qui peuvent se chevaucher à la fois dans les domaines spatial et fréquentiel par l'exploitation de l'information spatiale. De telles méthodes sont d'intérêt dans les applications acoustiques nécessitant l'identification et la classification des sources sonores ayant des origines physiques différentes. Le principe fondamental de toutes les méthodes proposées se décrit en deux étapes, la première étant relative à la reconstruction du champ source (comme par exemple à l'aide de l'holographie acoustique de champ proche) et la seconde à la séparation aveugle de sources. Spécifiquement, l'ensemble complexe des sources est d'abord décomposé en une combinaison linéaire de fonctions de base spatiales dont les coefficients sont définis en rétropropageant les pressions mesurées par un réseau de microphones sur le domaine source. Cela conduit à une formulation similaire, mais pas identique, à la séparation aveugle de sources. Dans la seconde étape, ces coefficients sont séparés en variables latentes décorrélées, affectées à des “sources virtuelles” incohérentes. Il est montré que ces dernières sont définies par une rotation arbitraire. Un ensemble unique de sources sonores est finalement résolu par la recherche de la rotation (par gradient conjugué dans la variété Stiefel des matrices unitaires) qui minimise certains critères spatiaux, tels que la variance spatiale, l'entropie spatiale, ou l'orthogonalité spatiale. Il en résulte la proposition de trois critères de séparation à savoir la “moindre variance spatiale”, la “moindre entropie spatiale”, et la “décorrélation spatiale”, respectivement. De plus, la condition sous laquelle la décorrélation classique (analyse en composantes principales) peut résoudre le problème est établit de une manière rigoureuse. Le même concept d'entropie spatiale, qui est au cœur de cette thèse, est également exploité dans la définition d'un nouveau critère, la courbe en L entropique, qui permet de déterminer le nombre de sources sonores actives sur le domaine source d'intérêt. L'idée consiste à considérer le nombre de sources qui réalise le meilleur compromis entre une faible entropie spatiale (comme prévu à partir de sources compactes) et une faible entropie statistique (comme prévu à partir d'une faible erreur résiduelle).