Acoustic metamaterials for underwater applications : homogenisation methods, design optimisation and experimental characterisation
Métamatériaux acoustiques pour applications sous-marines : méthodes d'homogénéisation, optimisation de designs et caractérisation expérimentale
Résumé
Designing efficient hull coatings for acoustic stealth of submerged vehicles remains a challenge that evolves along with improvements in sonar performance. Low frequency performance is particularly important for military applications, due to the long range propagation properties of low frequency signals in the sea. Acoustic metamaterials are now widely recognised as promising candidates for such underwater coatings. The aim of this research is to study metamaterials for underwater applications, from theoretical analysis to experimental characterisation.This thesis presents analytical or semi-analytical models based on a transfer matrix formalism to homogenise periodic structures. These methods are then used in a computationally efficient optimisation approach to obtain metamaterial designs that meet a goal in terms of their anechoism coefficient, hull decoupling coefficient, or both. The entirety of this approach is first carried out for multilayered structures then extended to metamaterials with macro-inclusions to which a degree of complexity is added. Finally, measurement methods in a water tank facility are implemented and validated. They are then used for the experimental characterisation of panels manufactured within the framework of the thesis.
Concevoir des revêtements de coque pour la furtivité acoustique des véhicules submergés demeure un défi évoluant constament avec l'amélioration des performances sonar. Les performances à basses fréquences sont particulièrement importantes pour les applications militaires, en raison des propriétés de propagation à longue distance dans l'eau des signaux à basses fréquences. Les métamatériaux acoustiques sont désormais largement reconnus comme des candidats prometteurs pour de tels revêtements. L'objectif de cette recherche est d'étudier les métamatériaux pour des applications sous-marines, de l'analyse théorique à la caractérisation expérimentale.Cette thèse présente des modèles analytiques et semi-analytiques basés sur un formalisme de matrices de transfert pour homogénéiser des structures périodiques. Ces méthodes sont ensuite utilisées dans une approche d'optimisation peu couteuse en temps de calculs pour obtenir des designs de métamatériaux qui répondent à des objectifs en termes de coefficient d'anéchoïsme, de masquage, ou les deux. L'ensemble de cette approche est d'abord réalisée pour des structures multicouches puis étendue aux métamatériaux à macro-inclusions auxquels s'ajoute un degré de complexité. Enfin, des méthodes de mesure pour bassin acoustique sont mises en œuvre et validées. Elles sont ensuite utilisées pour la caractérisation expérimentale de panneaux fabriqués dans le cadre de la thèse.
Origine : Version validée par le jury (STAR)