Characterization and modelling of porous automotive engine encapsulation materials for external acoustics
Caractérisation et modélisation des matériaux poreux d'encapsulage de moteur automobile pour le rayonnement acoustique externe
Abstract
The encapsulation of car engines by porous screens is a technology that reduces the noise they radiate into their environment. Currently, their use relies mostly on their ability to absorb sound when placed inside the engine compartment, at a distance from the engine, but a new configuration that positions them directly in contact with the engine offers several advantages. Notably, this allows a reduction in mass and raw materials needed, but significantly alters their acoustic behaviour. In particular, the engine temperature, applied preload, and the amount of contact between the engine and the screen influence the acoustic behaviour of the system. This thesis aims to characterize the porous encapsulation materials and study their acoustic behaviour in their new configuration, in contact with a radiating surface representing the engine. This work is part of an industrial project called SEMPAE (Simulation of engine encapsulation for external acoustics, from 2020 to 2024), which is a collaboration between Trèves Group, an automotive equipment supplier, Renault Group, anautomotive manufacturer, ESI Group, a software publisher, and the Roberval research laboratory at UTC. First, various encapsulation materials, including polymer foams and fibrous materials, are characterized to obtain their properties that serve as input for poroelastic models. Various characterization methods are compared and applied. Special attention is given to the characterization of mechanical properties, for which there are still many uncertainties. Next, the stiffness of melamine foam compressed against a rigid surface is studied. Its relaxation over time is observed and modelled, highlighting the complex rheology of porous materials. Its nonlinearity as a function of strain is accounted for, revealing the interaction between the intrinsic nonlinearity of the material and the shape nonlinearity of a sample with a pyramidal geometry. Since the compression stiffness of an asperity made from a porous material can be modelled, the contact stiffness of a porous material with a rough surface can be predicted. Finally, the reduction of the acoustic power radiated by a plate covered with a screen consisting of a porous layer and a heavy sheet is studied. The mass-spring behaviour of the screen significantly reduces the radiated power beyond the resonance of the system. Experimental results reveal that by reducing the contact ratio between the screen and the plate, the resonance is shifted towards lower frequencies, which improves the acoustic insulation of the covering. Partial contact is created experimentally by cutting grooves into the screens, and is modelled using the parallel transfer matrix method.
L’encapsulage de moteurs automobiles par des écrans poreux est une solution technologique qui sert à réduire le bruit qu’ils rayonnent dans l’environnement. L’utilisation actuelle de ces écrans repose principalement sur leur capacité à absorber le son lorsqu’ils sont placés à distance du moteur dans son compartiment, mais une nouvelle configuration qui les place directement au contact du moteur apporte plusieurs avantages. Ceci permet notamment un gain de masse et de matière première, mais modifie significativement leur comportement acoustique. En particulier, la température du moteur, la précontrainte appliquée, et la proportion de contact entre le moteur et l’écran pilotent le comportement acoustique du système. Cette thèse a pour objectif de caractériser les matériaux poreux d’encapsulage et d’étudier leur comportement acoustique dans leur nouvelle configuration au contact d’une surface rayonnante représentant le moteur. Ce travail s’inscrit dans un projet industriel appeléSEMPAE (Simulation de l’Encapsulage Moteur Pour l’Acoustique Externe, de 2020 à 2024), mené en collaboration entre le groupe Trèves, équipementier automobile, le groupe Renault, constructeur automobile, le groupe ESI, éditeur de logiciel, et le laboratoire de recherche Roberval de l’UTC. Dans un premier temps, plusieurs matériaux d’encapsulage, dont des mousses polymères et des matériaux fibreux, sont caractérisés pour obtenir leurs propriétés et alimenter une modélisation poroélastique. Les diverses méthodes de caractérisation sont comparées entre elles et appliquées. Une attention particulière est portée à la caractérisation des propriétés mécaniques, pour lesquelles il reste à ce jour beaucoup d’incertitudes. Ensuite, la raideur d’une mousse en mélamine comprimée par une surface rigide est étudiée. Sa relaxation au cours du temps est observée et modélisée, mettant en lumière la rhéologie complexe des matériaux poreux. Sa non-linéarité en fonction de la déformation est prise en compte, permettant de comprendre l’interaction entre la non-linéarité intrinsèque du matériau et la non-linéarité due à la forme d’un échantillon à géométrie pyramidale. Puisque la raideur de compression d’une aspérité composée d’un matériau poreux peut être modélisée, la raideur de contact d’un matériau poreux à surface rugueuse peut être prédite.La dernière partie porte sur la réduction de la puissance acoustique rayonnée par une plaque recouverte d’un écran constitué d’une couche poreuse et d’une masse lourde. Le comportement masse-ressort de l’écran permet une réduction significative de la puissance rayonnée au-delà de la résonance du système. L’expérience montre qu’en réduisant la surface de contact entre l’écran et la plaque, la résonance se déplace vers les basses fréquences, améliorant donc l’isolation acoustique de l’écran. Le contact partiel est créé expérimentalement en rainurant les écrans et peut être modélisé par la méthode des matrices de transfert en parallèle.
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