Summary:

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 oeuvre et validées. Elles sont ensuite utilisées pour la caractérisation expérimentale de panneaux fabriqués dans le cadre de la thèse.

Abstract:

Designing hull coatings for acoustic stealth of submerged vehicles remains an evolving challenge as sonar performance improves. Low frequency performance is particularly important for military applications, due to the long range propagation properties of low frequency signals in water. Acoustic metamaterials are now widely recognized as promising candidates for such coatings. The objective of this research is to study metamaterials for underwater applications, from theoretical analysis to experimental characterization. This thesis presents analytical and semi-analytical models based on a transfer matrix formalism to homogenize periodic structures. These methods are then used in a computationally inexpensive optimization approach to obtain metamaterial designs that meet objectives in terms of anechoic coefficient, masking, or both. The whole approach is first performed for multilayer structures and then extended to macro-inclusion metamaterials to which a degree of complexity is added. Finally, measurement methods for acoustic basins are implemented and validated. They are then used for the experimental characterization of panels manufactured in the framework of the thesis.