Acoustic foams with pore size distributions and controlled interconnections: Structures-properties-fabrication relationships
Mousses acoustiques à distributions de tailles de pores et interconnexions contrôlées: Relations structures, propriétés, fabrication
Résumé
Foam materials are frequently used in engineering applications, due to their absorption and sound insulation properties. At the same time, the evolution of CO2 emission goals, together with new standards for acoustic, thermal, and fire resistance performance, calls for further developments that seek to reduce the impact of acoustic treatments---while maintaining, or even improving, global performance. Fine particles are usually introduced during the foaming process to improve fire resistance. By disrupting the nucleation sites, this procedure leads to disordered microstructures where cells of very different sizes coexist locally. This thesis work deals with the construction and experimental validation of a computational multi-scale-informed framework for modeling the acoustic behavior of polydisperse foams. The main objective is to model the relationships between the local foam geometry and the acoustic behavior exhibited at macroscale, with a view towards devising foam manufacturing conditions under acoustic performance targets. Here, we restrict our attention to the case of foams which present strong local heterogeneities in terms of pore sizes and therefore cannot be described by a deterministic unit cell. Advanced imaging techniques (namely, axial X-ray microtomography and scanning electron microscopy) are first deployed to identify relevant morphological characteristics on the studied microstructures. The geometrical properties thus obtained are then used in order to reconstruct spatial partitions consistent with the observations. The viscous permeability, which is a key parameter for the determination of acoustic properties, is estimated through "Pore-Network" simulations. The numerical predictions show that the permeability of a foam is strongly influenced, not only by the presence of membranes, but also by the variation of pore sizes. The effect of membrane thickness on viscous parameters (i.e., the viscous characteristic length and the tortuosity) describing the asymptotic behavior at high frequencies is also thoroughly studied. For the calculation of the viscous characteristic length, the results show that the effect of thin-membrane thickness can equivalently be modeled by virtual membranes without thickness. Finally, the acoustic properties of a real foam sample presenting a wide pore size distribution are modeled. Good agreement with experimental data obtained from an impedance tube is observed, which supports the relevance of the proposed approach.
Les mousses sont utilisées fréquemment notamment en raison de leurs propriétés d'absorption et d'isolation sonore. Les exigences accrues en matière de réductions d'émissions de CO2 combinées à des exigences de performances acoustiques, thermiques, et de tenue au feu impliquent un effort significatif tourné vers l'allègement des traitements acoustiques---à performances égales ou supérieures. L'introduction de particules fines lors du processus de moussage, réalisée afin d’améliorer la tenue au feu, perturbe les sites de nucléation, ce qui conduit à la production de microstructures désordonnées où coexistent localement des cellules de tailles très contrastées. Ce travail de thèse traite de la construction d'outils numériques pour la modélisation du comportement acoustique de mousses polydisperses à partir d’une démarche multi-échelle et multi-physique. L'objectif principal est de pouvoir développer des relations entre la géométrie locale et le macro-comportement acoustique, afin de pouvoir guider la fabrication de mousses dans le but d'optimiser leurs performances acoustiques. Nous nous intéressons plus particulièrement au cas de mousses qui, présentant une forte hétérogénéité locale de tailles de pores, ne peuvent être décrites par une cellule périodique idéalisée (modèle déterministe). Des techniques d'imagerie avancées (microtomographie axiale à rayons-X et microscopie électronique à balayage) sont utilisées, dans un premier temps, pour identifier les caractéristiques morphologiques des microstructures étudiées. Les caractéristiques géométriques obtenues sont ensuite modélisées afin de reconstruire des partitions spatiales proches de celles mesurées. La perméabilité visqueuse, paramètre clé au regard de la détermination des propriétés acoustiques, est estimée par une simulation de type "pore-network". Nous quantifions, au travers de telles simulations, que la perméabilité d'une mousse est fortement influencée, non seulement par la présence des membranes, mais aussi par la variation de la taille des pores. L'effet de l'épaisseur de membrane sur les paramètres visqueux (longueur caractéristique visqueuse et tortuosité) décrivant le comportement asymptotique haute fréquence est, de plus, finement étudié. Les résultats obtenus montrent, en particulier, qu'il est possible de modéliser l'effet de l'épaisseur de membranes minces par des membranes virtuelles sans épaisseur pour le calcul de la longueur caractéristique visqueuse. Enfin, les propriétés acoustiques d'un échantillon réel de mousse ayant une distribution étendue de tailles de pores sont modélisées. Une bonne concordance avec les données expérimentales obtenues à partir d'un tube d'impédance confirme la validité de la méthode proposée.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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