Modelling and evaluation of carbon based foam thermoacoustic effect for effective sound generation in fluids. Analyse théorique et expérimentale de l'efficacité de mousse de carbone pour génération acoustique dans des milieux visqueux

Archive ouverte : Thèse

Guiraud, Pierre, Henri

Edité par HAL CCSD

Electroacoustic transducers along with piezoelectric devices are the most widely used methods for acoustic sound generation in gas and liquids. A mechanical movement of a membrane induces fluid vibration thus creating an acoustic wave. The thermoacoustic process on the other hand uses fast paces temperature variations in a sample to excite the fluid (generally air). The rapidly changing temperature generate a compression expansion of the air and thus creates an acoustical wave. Such materials are called thermophones.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 hypothesis for plane wave generation is also solved to represent more accurately the generation of thick porous thermophones. An extensive analysis of those models allowed for a detailed understanding of the thermoacoustic sound generation: its strengths, weaknesses and differences with traditional speakers. Lastly, experimental investigations of porous carbon foams 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. . Les transducteurs électroacoustiques ainsi que les dispositifs piézoélectriques sont les principales méthodes de génération acoustique dans un gaz ou un liquide. Un mouvement mécanique d’une membrane crée une vibration du fluide générant une onde acoustique. La thermoacoustique en revanche utilise des variations rapides de température d’un matériel pour exciter un fluide. Ces changements thermiques rapides créent une compression dilatation de l’air qui va générer une onde acoustique. De tels matériaux sont appelés thermophones. 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 transducteurs traditionnels. 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.

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