Soutenance de thèse de Pierre Guiraud

Analyse Théorique et Expérimentale de l’Efficacité de Mousse de Carbone
pour Génération Acoustique dans des Milieux Visqueux

Vendredi 20 novembre 2020 à 10h – Amphithéâtre Eugène Constant
Laboratoire central – Avenue Henri Poincaré 59652 Villeneuve d’Ascq

Jury :

Mme Diana Baltean, Université Pierre et Marie Curie, LIMSI, Rapporteure
M. Pierrick Lotton, LAUM, Rapporteur
Mme Juliette Pierre, MPIA, Examinatrice
M. Franck Levassort, GREMAN, Examinateur, Président
M. Stefano Giordano, IEMN, Co-directeur de thèse
M. Olivier Bou-Matar, Centrale Lille, IEMN, Co-directeur de thèse
M. Philippe Pernod, Centrale Lille, IEMN, Co-encadrant
M. Raphael Lardat, Thales Underwater System, Co-encadrant
M. Philippe Coquet, Université de Lille Invité, Co-encadrant
M. Philippe Pouliguen, Responsable Acoustique, Ondes Radio-Électrique, DGA, Invité

Résumé :

Les transducteurs électroacoustiques ainsi que les dispositifs piézoélectriques font partie des principales méthodes de génération acoustique dans un gaz ou un liquide. Un mouvement mécanique d’une membrane crée une vibration de l’air générant une onde acoustique. La thermoacoustique en revanche utilise des variations rapides de température d’un matériel pour exciter l’air. Ces changements thermiques rapides créent une compression/dilatation de l’air qui va générer une onde acoustique. De tels matériaux sont appelés thermophones. Ces derniers ont été découvert à la même période que les  transducteurs électroacoustiques mais leur faible efficacité ainsi que les limitations scientifiques de l’époque ont empêché le domaine de se développer.
En 1999, un nouveau thermophone avec des capacités acoustiques bien supérieures à ses prédécesseurs a été présenté. La publication de cet article associée à une plus grande facilité d’accès à des machines permettant la fabrication de matériaux nanostructurés a permis un nouvel engouement pour la thermoacoustique audio.
Dans cette thèse, une vaste revue de littérature est présentée et un modèle innovant multicouche de génération thermoacoustique en est déduit. Ce modèle est résolu pour la génération d’ondes planes, cylindriques et sphériques. Un second modèle basé sur une hypothèse dite de deux températures est aussi créé pour représenter de façon plus fidèle la génération thermoacoustique dans un milieu poreux épais. Une analyse étendue des résultats découlant de ces modèles est ensuite faite permettant la compréhension des forces, faiblesses et particularités des thermophones par rapport aux méthodes  traditionnelles. Enfin, une analyse expérimentale de mousses carbonées en partenariat avec CINTRA Singapour est présentée. Cela permet la validation des modèles théoriques et procure une compréhension expérimentale sur la manipulation de ce type de matériaux flexibles et légers mais fragiles, ainsi que leurs potentielles applications scientifiques et commerciales.

Abstract :

Electroacoustic transducers along with piezoelectric devices are the most widely used method for acoustic sound generation in gas and in liquids. A mechanical movement of a membrane induces air vibration thus creating an acoustic wave. The thermoacoustic process on the other hand uses fast paces temperature variations in a sample to excite the air. The rapidly changing temperature generate a compression/expansion of the air and thus creates an acoustical wave. Such materials are called thermophones. They were discovered in the same time period as traditional electroacoustic transducer but their limited efficiency coupled with the technological limits of fabrication prevented scientific craze at the time. In 1999 a new thermophone was presented with a significant improvement compared to the samples used a century prior. This article coupled with the newly found ease of access to complex fabrication process of nanomaterials rekindle the interest in thermoacoustic for audio purposes. In this thesis a thorough literature review is presented and a novel multilayer model for thermoacoustic sound generation is derived. This model was solved for plane wave, cylindrical wave and spherical wave generation. Another model based on a two temperatures hypotheses for plane wave generation is also solved to represent more accurately the generation of thick porous thermophones.
An extensive analysis of those model allowed for a detailed understanding of the thermoacoustic
sound generation: its strengths, weaknesses and differences with traditional speakers. Lastly, experimental
investigations of porous carbon foam in partnership with CINTRA Singapore are presented. Validation of the
models and insights about the handling of such flexible and lightweighted but fragile samples are presented
as well at their potential applications for scientific or commercial purposes.