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Développement, optimisation et fabrication par dépôt de matière fondue de structures absorbantes de bruit

Josué Costa Baptista

Ph.D. thesis (2022)

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Abstract

Aircraft engines are becoming more and more efficient, lightweight and less polluting. However, the new engines emit broadband noise at low and medium frequencies. This type of noise being more difficult to attenuate, new acoustic treatments are necessary. In addition, as the new engine configurations are optimized, the treatments must perform well despite the limited space available. The objective of this thesis is the development of locally reacting lightweight materials presenting broadband and sub-wavelength acoustic absorption with interesting structural properties. Microchannels are part of a class of periodic porous materials meeting these criteria. The methodology used for the development of the materials is based on 3 pillars: 1) modeling, simulation and optimization of acoustic properties, 2) manufacturing and experimental validation and 3) mechanical properties characterization. The explicit correlation between the materials microstructure and their absorption is obtained through the development of parametric models. Geometries favoring high absorption for different frequency ranges are found applying an optimization procedure. The analytical model of Stinson and the semi-analytical of Johnson–Champoux–Allard–Lafarge are used to predict the materials acoustic properties. The sound absorption coefficient of multilayer configurations is simulated with the transfer matrix method (TMM). The Nelder-Mead optimization routine is used to find the geometric parameters as well as the number and thickness of the layers maximizing the absorption of the materials over the frequency ranges of interest. The impact of channel size and wall width on the acoustic properties of circular, square, hexagonal and triangular microchannels is investigated. The influence of the walls waviness, typical of materials obtained by fused filament deposition is investigated. The development of new manufacturing procedures based on additive manufacturing allowed the production of uniform and multilayered microchannel samples in homogeneous polymer material (PLA) or reinforced (PEEK). Cylindrical samples with 30 mm diameter and 30 mm thickness are produced. The sound absorption coefficient is measured at normal incidence in a 30 mm diameter impedance tube according to the ASTM E1050 and ISO 10534-2 standards. The acoustic characterization is completed by mechanical compression tests. The mechanical properties (compression modulus Ec and elastic limit σy) are calculated according to standard ASTM D695.

Résumé

Les motoristes d’avions construisent des turboréacteurs de plus en plus efficaces, légers et moins polluants. Cependant, les nouveaux réacteurs produisent des émissions sonores large bande aux basses et moyennes fréquences. Ce type de bruit étant plus difficile à atténuer, des nouveaux traitements acoustiques sont nécessaires. De plus, comme ces nouvelles configurations de moteurs sont de plus en plus optimisées, les traitements doivent être performants malgré l’espace disponible limité. L’objectif général de cette thèse est le développement de matériaux légers, à réaction localisée, présentant une absorption acoustique large bande et sous-longueur d’onde ainsi que des propriétés structurales intéressantes. Les micro-canaux font partie d’une classe de matériaux poreux à microstructure ordonnée et répondant à ces critères. La méthodologie de développement des matériaux est basée sur 3 piliers : 1) modélisation, simulation et optimisation des propriétés acoustiques, 2) fabrication et validation expérimentale et 3) caractérisation des propriétés mécaniques. Dans cette thèse, la corrélation explicite entre la microstructure des matériaux et leur absorption est faite grâce au développement de modèles paramétriques. Une procédure d’optimisation permet de retrouver des géométries favorisant une absorption élevée pour différentes gammes de fréquences. En particulier, les modèles analytiques de Stinson et semi-analytique de Johnson–Champoux–Allard–Lafarge (JCAL) sont utilisés pour prédire les propriétés acoustiques des matériaux. Le coefficient d’absorption acoustique de configurations multicouches est simulé avec la méthode de la matrice de transfert (TMM). La routine d’optimisation de Nelder-Mead est utilisée pour chercher les paramètres géométriques ainsi que le nombre et l’épaisseur des couches capables de maximiser l’absorption des matériaux sur des gammes de fréquences d’intérêt. Nous investiguons l’impact de la taille des canaux et de la largeur des parois sur les propriétés acoustiques de micro-canaux de section circulaire, carré, hexagonale et triangulaire. Nous étudions également l’influence de l’ondulation des parois, typiquement présente dans les pièces obtenues par dépôt de matière fondue. Le développement de nouvelles procédures de fabrication basées sur la fabrication additive rend possible la validation expérimentale. Ces techniques permettent de produire des échantillons de micro-canaux uniformes et multicouches en matière polymère homogène (PLA) ou renforcée de fibres de carbone (PEEK renforcé avec 30 % de fibres de carbone). Des échantillons cylindriques de 30 mm de diamètre et de 30 mm d’épaisseur sont produits. Le coefficient d’absorption acoustique est mesuré en incidence normale dans un tube d’impédance de 30 mm de diamètre selon les normes ASTM E1050 et ISO 10534-2. La caractérisation acoustique est complétée par des essais mécaniques en compression. Les propriétés mécaniques (module de compression E_c et limite d’élasticité σ_y) sont calculées selon la norme ASTM D695.

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie mécanique
Academic/Research Directors: Annie Ross and Daniel Therriault
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10727/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 10 Oct 2023 14:41
Last Modified: 07 Apr 2024 17:47
Cite in APA 7: Costa Baptista, J. (2022). Développement, optimisation et fabrication par dépôt de matière fondue de structures absorbantes de bruit [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10727/

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