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Minimum-phase reflection for passive acoustic absorbers with target absorption spectrum and minimum volume
No full textMatériaux poreux et métamatériaux acoustiques; GAPSUS - Acoustique Physique, Sous-Marine et Ultra-Sonore: GVB - Vibro acoustique et Contrôle du Bruit: GABE - Acoustique du Bâtiment et de l'EnvironnementNational audienceThis talk focuses on strategies based on the properties of the minimum phase reflection coefficient to design a passive absorber with minimal volume. We demonstrate that, of all the designs for achieving the same target absorption spectrum in the one-dimensional reflection problem, the design with minimum phase reflection requires the smallest total volume. This property is particularly useful for guiding the optimization of acoustic absorbers. We define a cost function involving the complex-valued minimum phase reflection coefficient, which is uniquely determined from the prescribed absorption spectrum, and introduce a volume optimality factor to validate whether a given design achieves minimum phase reflection. This factor is the volume ratio of a designed system to the corresponding system in minimum phase, thus measuring the volume efficiency of the design. Applying these strategies to absorbers composed of Helmholtz resonators, we show theoretically and numerically that the use of N resonances yields up to 2^N distinct designs with identical absorption spectra. The minimum-phase design is consistently more compact than the non-minimum-phase designs. These results validate our design strategies and indicate their importance, given that traditional optimization methods for a target absorption spectrum can easily lead to non-minimum volume designs
Matériaux architecturés pour le contrôle de vibrations de plaques : application aux tables d’harmonie de guitare acoustique
No full textMatériaux dans les instruments de musique, matériaux synthétiques et architecturés; GSAM - Acoustique Musicale: GVB - Vibro acoustique et Contrôle du BruitNational audienceLa table d’harmonie d’une guitare joue un rôle essentiel dans son fonctionnement vibro-acoustique. En plus d’assurer le rayonnement acoustique, sa contribution est prépondérante dans le son de l’instrument. Cette structure résulte de l’assemblage d’une fine plaque et de raidisseurs, dont l’agencement spatial influe fortement sur le comportement dynamique de la structure et par conséquent sur les caractéristiques sonores de la guitare. Le travail présenté ici, dans le cadre du projet ANR MAESTRAFONE, vise à proposer une stratégie alternative de fabrication de la table d’harmonie. Celle-ci consiste à remplacer la structure plaque/raidisseurs classique par une structure multicouche architecturée, dont les propriétés homogénéisées équivalentes peuvent varier spatialement. Ce nouveau paradigme de fabrication permet l’utilisation d’essences de bois ou de matériaux qui ne répondent pas aux critères classiques de sélection en lutherie et ouvre de nouvelles possibilités d’optimisation en fonction du rendu sonore souhaité. Le comportement vibro-acoustique de ces structures alternatives est simulé en utilisant des modélisations par éléments finis ondulatoires (WFEM, Wave Finite Elements Method), qui exploitent les conditions de périodicité d’une structure infinie pour décrire les caractéristiques de propagation des ondes. Dans un premier temps, les propriétés homogénéisées locales équivalentes d’une table d’harmonie classique (avec raidisseurs) sont recherchées afin de définir un comportement cible à atteindre. Un matériau multicouche architecturé est ensuite proposé pour remplacer l’assemblage plaque/raidisseurs. Les propriétés homogénéisées de ce matériau sont contrôlées en modifiant la géométrie des différentes couches. L’objectif est de concevoir une structure qui imite le comportement dynamique en basses fréquences de la structure raidie, grâce à une architecturation spatiale adéquate du matériau multicouche
Analyse acoustique du bruit émis par le développement de la cavitation sur une pale d’hélice
No full textAcoustique sous-marine et navale, bioacoustique en milieu marin; GAPSUS - Acoustique Physique, Sous-Marine et Ultra-Sonore: GVB - Vibro acoustique et Contrôle du Bruit: GBIO - BioacoustiqueNational audienceLe bruit d’origine hydrodynamique émis par les navires représente une des principales sources de bruit rayonné sous l’eau - plus communément appelé URN pour Underwater Radiated Noise. La source la plus importante de ce rayonnement acoustique est le phénomène de cavitation apparaissant sur les hélices de navires. La cavitation, formation de vapeur due à une diminution locale de pression, se développe sur chacune des pales de l’hélice. Elle prend d’abord la forme d’un tourbillon marginal cavitant auquel peut venir s’ajouter une poche de cavitation en tête de pale. Le sillage de la carène en amont de l’hélice modifie l’angle d’attaque de chaque section de pale au cours de la rotation de l’hélice ce qui rend cette poche de cavitation fluctuante. Cette fluctuation peut être responsable d’une émission plus forte de bruit large bande. Pour étudier ce phénomène, une étude expérimentale a été menée dans le tunnel hydrodynamique de l’Institut de Recherche de l’École Navale. Un hydrofoil positionné à différents angles d’incidence dans la veine d’essais du tunnel est soumis à un écoulement turbulent faisant apparaitre progressivement différents états de cavitation, un tourbillon cavitant isolé et stable ou perturbé par la présence d’une poche fluctuante de cavitation en extrémité. Des mesures acoustiques à l’intérieur et à l’extérieur du tunnel ainsi que des mesures vibratoires montrent que le bruit rayonné par la cavitation atteint un niveau maximal à l’apparition et à la disparition de la poche de cavitation avant de diminuer lorsqu’elle est complétement développée et stable
Experimental and numerical investigation of laser intensity distribution influence on laser pressure loading
No full textInternational audienceLaser shock applications are numerous and various. They all require to know how pressure loading-due to laser irradiation-is influenced by laser parameters. This study aims at analyzing the influence of laser intensity distribution on pressure loading. This work presents the results from laser shots proceeded at LULI2000 on aluminum with LiF window targets. First, laser parameters are introduced and the radial distribution of laser intensity is estimated, thanks to a fourfold Gaussian distribution. Then, the experimental results and post-mortem samples are analyzed. Afterward, two methodologies to estimate the laser pressure loading-considering the laser intensity distribution-are described, applied, and compared. The first one with the monodimensional multi-physics simulation code ESTHER and the second one coupling the use of both ESTHER and the bidimensional (2D) hydrodynamics simulation code HESIONE [Aubert et al., J. Laser Appl. 31, 042014 (2019)]. The discussion presents the accuracy of these two methodologies regarding the experimental results. Comparison with a perfect top-hat laser intensity distribution highlights the edge effects. Finally, future possible works are suggested such as testing the methodology on other laser facilities or using a 2D/3D multi-physics simulation code
Prédiction améliorée de l'écoulement proche paroi en combinant la méthode de frontières immergées avec l'assimilation de données
No full textImmersed Boundary Methods (IBMs) encompass all those methods in which we simulate viscous flows with embedded boundaries on grids that do not conform to those boundaries. One of the main advantages of IBMs is that the mesh elements near the immersed boundaries do not need to be deformed, which could compromise the accuracy and computational efficiency of the numerical algorithms in the near-wall regions. Furthermore, when simulating moving objects, the grid does not need to be updated at each time step, which can otherwise be prohibitively expensive. However, accurately capturing near-wall turbulence remains a challenge, especially when compared with traditional body-conformal or body-fitted approaches. This work addresses this challenge by combining data-informed and data-driven tools to improve near-wall flow predictions. Specifically, we integrate a stochastic Data Assimilation (DA) method based on the Ensemble Kalman Filter (EnKF) with an ensemble machine learning (ML) approach using Random Forest Regression (RFR) to enhance low-fidelity IBM models. The DA method follows a two-step procedure—state estimation and parameter optimisation—that is executed "on the fly" thanks to the application developed by our research group, called CONES. This allows corrections to be made within the simulation without stopping and restarting it. The DA algorithm uses sparse, high-fidelity measurements from experiments or higher-fidelity simulations to improve the whole system's prediction. These high-fidelity fields obtained via DA can be used to train some ML models, which learn the corrections applied by the DA algorithm and perform effectively under similar conditions without incurring the additional computational costs associated with ensemble approaches. Notably, the computational costs remain close to those of the low-fidelity model.Through a selection of various test cases, results show significant improvements in flow field predictions achieved by this synergistic approach of state estimation combined with parameter optimisation, comparable to results from high-fidelity approaches. This development paves the way for real-time optimisation of IBMs using streaming data, which could be critical for applications such as digital twins, control systems, and models designed to mitigate extreme conditions.Les méthodes de frontières immergées (IBMs) regroupent l’ensemble des approches permettant de simuler des écoulements visqueux autour de géométries immergées, en utilisant des maillages qui ne sont pas conformes à ces frontières. L’un des principaux avantages de ces méthodes est que les mailles proches des frontières immergées n’ont pas besoin d’être déformées, ce qui permet de préserver la précision et l’efficacité numérique dans les régions proches des parois. De plus, dans le cas de la simulation d’objets en mouvement, le maillage n’a pas à être mis à jour à chaque pas de temps, ce qui représenterait sinon un coût computationnel très élevé. Toutefois, capturer avec précision la turbulence proche de la paroi reste un défi majeur, notamment par rapport aux approches traditionnelles à maillage conforme. Ce travail s’attaque à ce problème en combinant des outils fondés sur les données («data-informed») et des approches d’apprentissage automatique («data-driven») afin d’améliorer la prédiction des écoulements proche de paroi. Plus précisément, nous intégrons une méthode d’assimilation de données (DA) stochastique, basée sur le filtre de Kalman d’ensemble (EnKF), avec une approche d’apprentissage automatique (ML) de régression par forêt d'arbres décissionnels (RFR), pour corriger un modèle de frontières immergées de basse fidélité. La méthode d’assimilation de données suit une procédure en deux étapes—estimation de l’état et optimisation de paramètres—exécutées «online», grâce à l’application développée par notre groupe de recherche, appelée CONES. Cela permet d’introduire des corrections directement au cours de la simulation, sans avoir à l’interrompre. Des mesures de haute fidélité, issues d’expériences ou de simulations plus précises, sont utilisées pour améliorer la prédiction globale du système. Ces champs corrigés peuvent ensuite servir à l'entraînement de modèles d’apprentissage automatique, capables de reproduire les corrections effectuées par l’algorithme d’assimilation dans des conditions similaires, tout en évitant les coûts computationnels supplémentaires associés aux approches d'ensemble. Les coûts de calcul restent ainsi comparables à ceux du modèle initial de basse fidélité. À travers une série de cas de tests, les résultats montrent une nette amélioration des prédictions des champs d’écoulement, grâce à cette combinaison synergique entre l'estimation d’état et l'optimisation de paramètres, atteignant une précision proche de celle des approches de haute fidélité. Ce développement ouvre la voie à une optimisation en temps réel des méthodes de frontières immergées à l’aide de données en flux continu, ce qui est essentiel pour des applications telles que les jumeaux numériques, les systèmes de contrôle, ou les modèles destinés à anticiper des conditions extrêmes
Constitutive behavior study of copper alloy under cold and hot compression conditions towards LN2 assisted cutting
No full textInternational audienceNew standards are being introduced to eliminate toxic elements in materials. For instance, copper alloys should no longer contain lead, although this makes them more challenging to machine. Additionally, for environmental reasons, it is crucial to eliminate cutting oils. To address these two challenges, cryogenic cooling during machining can be considered. However, it is first essential to understand the precise mechanical response of the material at low temperatures. This study conducts compression tests on copper across a wide temperature range, from cryogenic temperatures (liquid nitrogen, LN2) to 700°C, and at strain rates from 0.01/s to 10/s. The microstructure of deformed test samples is also characterized by electron back-scattered diffraction (EBSD) to compare the different plastic deformation characteristics under low and hightemperature. The stress-strain curves are fitted with Johnson-Cook (JC) model, which is then implemented into the finite element simulation of the compression process. The results indicate that the JC model with the fitted parameters is not precise enough in terms of modelling very low temperature dynamic response of copper alloy, thus is not proper for the simulation of cryogenic cooling assisted cutting. This is because different characteristics of strain hardening behavior is discovered under LN2 atmosphere temperature and ordinary cutting temperature, which is further induced by a transition of plastic deformation mechanism with increased temperature. Therefore, a new constitutive law is proposed considering deformation mechanism at both traditional cutting temperature and cryogenic conditions. The results indicate that the new model has a better fitting of experimental curves than JC model. This study is helpful for the understanding of low temperature copper deformation behavior and new constitutive model exploitation oriented to cryogenic cooling assisted cutting
Modulation of foot placement during landings from different jump lengths
No full textInternational audienc
Développement et caractérisation d'assemblages sans colle PEKK/Magnésium élaborés par frittage flash
No full textThe lightweighting of structures is a strategic priority for the defense sector, particularly to enhance the range and performance of armored vehicles. Polymer-metal hybrids (PMHs) offer a unique synergy, combining the low weight and ductility of polymers with the stiffness and strength of metals. However, their assembly remains challenging due to the limitations of conventional methods such as mechanical fasteners, which increase weight and introduce potential failure points, or adhesives, which suffer from restricted thermal and chemical stability. This thesis investigates an innovative approach to assembling PMHs using Spark Plasma Sintering (SPS), a powder metallurgy technique that enables direct bonding without adhesives. Two grades of PEKK powders, a polymer renowned for its exceptional thermomechanical properties, were studied, differing in their chemical compositions (Tere/Iso ratios). SPS was employed to sinter these powders directly onto a magnesium Mg AZ31 substrate, opening new avenues for the creation of high-performance, biocompatible assemblies. A comprehensive experimental design was implemented to evaluate the performance of the two PEKK grades. Advanced characterization techniques, including DSC, WAXS, and SAXS, were used to analyse the material properties at the microscale. Combined with mechanical testing, this approach allowed the optimization of processing parameters to maximize the structural performance of PEKK while shedding light on the mechanisms of powder sintering. The process produced dense samples with compressive strengths up to 30% higher than those manufactured through conventional methods, underscoring the effectiveness of this strategy. PMHs were then assembled in a single step using SPS, with a strong focus on optimizing the polymer-metal interface through targeted surface treatments. Notably, the grafting of adhesion promoters such as APTES and Polydopamine, a bio-inspired compound, significantly enhanced bonding performance. Mechanical tests, including tensile and shear measurements, demonstrated failure strengths 50% higher than those achieved with structural adhesives. These results highlight the immense potential of SPS-fabricated PMHs for lightweight structural applications.L'allègement des structures représente un enjeu stratégique pour le secteur de la défense, en particulier pour améliorer l'autonomie et les performances des véhicules blindés. Les matériaux hybrides polymère-métal (PMH) se distinguent par leur capacité à combiner la légèreté et la ductilité des polymères avec la rigidité et la résistance des métaux. Toutefois, leur assemblage est souvent contraint par des méthodes conventionnelles, telles que les fixations mécaniques, sources de fragilité et de masse additionnelle, ou les adhésifs, dont les stabilités thermique et chimique sont limitées. Cette thèse explore une méthode d'assemblage innovante basée sur le frittage flash (Spark Plasma Sintering ou SPS), une technique issue de la métallurgie des poudres, permettant l'assemblage direct de PMH sans l'usage d'adhésifs. Deux grades de poudres de PEKK, un polymère aux propriétés thermomécaniques remarquables, sont considérés, se démarquant par leur formulation chimique distincte (rapports Tere/Iso). Le frittage SPS de ces poudres, directement réalisé sur un substrat de magnésium Mg AZ31, ouvre la voie au développement d'assemblages performants au caractère biocompatible. Dans un premier temps, un plan d'expérience a été mis en place afin d'évaluer les performances des deux grades de PEKK. Une analyse des propriétés à petite échelle a été réalisée, mettant en œuvre des techniques telles que la DSC, le WAXS et le SAXS. Cette approche, combinée à une caractérisation des propriétés mécaniques, a permis d'optimiser les paramètres de mise en forme du PEKK afin de maximiser ses performances structurelles tout en apportant une meilleure compréhension des phénomènes liés au frittage des poudres. Des échantillons denses présentant une résistance à la compression jusqu'à 30% supérieure à celle d'échantillons élaborés par voie conventionnelle ont été fabriqués, démontrant l'efficacité de cette approche. Les PMH ont ensuite été assemblés en une seule étape grâce au SPS. Une attention particulière a été portée à l'optimisation de l'interface polymère-métal via des traitements de surface ciblés. Parmi eux, le greffage de promoteurs d'adhésion tels que l'APTES et la PolyDopamine, un composé bio-inspiré, a significativement amélioré les performances de l'assemblage. Des essais mécaniques, en traction et cisaillement, ont révélé des valeurs de rupture 50% plus élevées par rapport à celles d'assemblages utilisant un adhésif structural, démontrant ainsi le potentiel de ces PMH élaborés par frittage flash pour des applications d'allègement des structures
Couplage fort partitionné et méthode de pénalisation : application à l'étude de l'érosion de cavitation
No full textInternational audienceA novel fluid-structure coupling strategy is developed, based on a strong partitioned coupling and on the Brinkman penalization method to model the deformable fluid-solid interface. This numerical model is applied to the study of cavitation-induced damage at the microscopic scale, focusing on the collapse of a bubble near an elastoplastic material. The size of the microscopic crater (i.e., cavitation pit) increases rapidly as the bubble-wall distance and the material yield strength decrease. While a closer bubble generates a deep, circular pit, a more distant bubble can produce a shallower, annular pit. Wall deformation leads to a damping of the wall pressure, resulting in significant differences between weakly and strongly coupled simulations. The damping of wall pressure is initially governed by the ratio of the acoustic impedances of the fluid and solid media. It is then further amplified locally by plasticity. A slight damping of the wall pressure results in a much more significant reduction in pit size.Une nouvelle stratégie de couplage fluide-structure est développée, basée sur un couplage fort de type partitionné et sur la méthode de pénalisation de Brinkman pour modéliser l’interface fluide-solide déformable. Ce modèle numérique est appliqué à l’étude des dommages induits par la cavitation à l’échelle microscopique, en se concentrant sur le collapse d’une bulle au voisinage d’un matériau élastoplastique. La taille du cratère microscopique (i.e., pit de cavitation) augmente rapidement lorsque la distance bulle-paroi et la limite d’élasticité du matériau diminuent. Tandis qu’une bulle rapprochée génère un pit circulaire et profond, une bulle éloignée peut produire un pit annulaire et moins profond. La déformation de la paroi entraîne un amortissement de la pression pariétale, conduisant à des différences importantes entre des simulations faiblement et fortement couplées. L’amortissement de la pression pariétale est d’abord gouverné par le rapport des impédances acoustiques des milieux fluide et solide. Il est ensuite amplifié localement par la plasticité. Un faible amortissement de la pression pariétale conduit à une atténuation bien plus importante de la taille du pi