Intégration de structures absorbantes acoustiques innovantes au sein d'une turbosoufflante

Les bruits générés par les avions représentent aujourd'hui un défi acoustique important avec l'accroissement du trafic aérien mondial et des aéroports proches de zones urbanisées. Le son émis par les moteurs est prédominant et fait l'objet d'efforts importants d'optimisation pour limiter son impact sur les populations survolées. En particulier, la nouvelle génération de turbosoufflante à fort taux de dilution entraine des exigences plus fortes en termes de performance des traitements acoustiques. Ce projet de maîtrise étudie les nouvelles opportunités ouvertes par les procédés de fabrication additive dans la création de structures acoustiques innovantes destinées à traiter les zones moteur pour accroître la réduction du bruit d'un turboréacteur. Les requis fonctionnels d'un traitement acoustique pour une zone moteur spécifique ont tout d'abord été recueillis. Ils ont permis la sélection des procédés de fabrication additive les plus pertinents pour la création de plusieurs structures poreuses ordonnées tridimensionnelles. Ces microstructures possédant une forte capacité de dissipation de l'énergie acoustique ont été conçues et réalisées grâce à des procédés de micro-fabrication additive. Trois procédés distincts ont fait l'objet de travaux de développement; l'un d'entre eux parvient à fabriquer des échantillons acoustiques et mécaniques viables. Les modèles de prédiction du comportement acoustique ont été sélectionnés et adaptés pour prendre en compte les paramètres d'impression de la fabrication additive. Ils ont permis de mener une étude paramétrique quantifiant la performance d'atténuation acoustique réalisable par des réseaux filamentaires ordonnés (équivalents aux échantillons produits par fabrication additive). Enfin la capacité à prédire et optimiser des structures acoustique ordonnées issus de la fabrication additive a été vérifiée. Les outils de modélisation mis en place permettent également l'étude de revêtements acoustiques constitués de matériaux à réaction non localisée avec des propriétés différentes selon l'épaisseur. Les principaux résultats sont énoncés. Un procédé de fabrication de structures acoustiques ordonnées par fabrication additive a été mis au point et permet une impression rapide et robuste d'échantillons. L'optimisation d'un procédé d'écriture directe par polymère thermodurcissable avec la création d'un nouveau matériau imprimable a permis la fabrication d'échantillon de caractérisation acoustique et mécanique avec des capacités de réalisation de structures poreuses supérieures à celles des machines commerciales actuelles.

Abstract

Urban densification and worldwide increasing commercial air traffic lead to noise mitigation challenge for aircraft engines. Indeed, engines contribute to a great extent to the noise experienced by airports neighbouring communities, and are therefore subject to consistent efforts from engine manufacturers and researchers to reduce the perceived nuisance. This project aims at drawing new perspectives arising from the emergence of additive manufacturing technologies to create novel acoustics concepts to be integrated in modern turbo-engines. Design constraints for acoustic liners were collected. Based on these, screening of additive manufacturing process was performed to select the best production methods for porous and ordered microstructures. These high acoustic energy dissipation, three-dimensional structures were created using different additive manufacturing process. Three processes were thoroughly studied and one led to viable samples for acoustic and mechanical testing. Specific models to predict the acoustic behavior of the samples have been adapted to include printing parameters for additive manufacturing. A parametric study was conducted to map absorption efficiency in terms of geometric parameters for sonic crystals. Finally, accuracy, fidelity and stability between predicted and measured acoustic properties have been checked. Numerical models were implemented to design new acoustic liners involving different non-locally reacting materials and distinct microstructures. The research has resulted in a novel method to produce ordered acoustic structures using additive manufacturing. The development allows to produce robust samples using a faster procedure. Micro Direct Write Printing using thermoset polymers was optimized for a brand-new feeding material to produce acoustic and mechanical samples for proper characterization. Ordered porous structures created with this new method showed an enhanced capability versus commercially available machines products. The results show that the impedance and absorption from these microstructures can be predicted within 5% accuracy. Reproducibility for identical microstructures from the same printing or distinct printing is shown. Specific acoustic models allowed prediction of impedance and absorption from multilayer liners with different microstructures and thickness. Acoustic testing using normal incidence impedance tube showed high and predictable absorption level within 1 and 5% deviation between simulations and measured values.