Rayonnement acoustique d’une coque de navire en environnement marin

Organisation du partenariat et encadrement

Pendant la durée du doctorat, l’étudiant sera au sein du Laboratoire Ondes et Milieux Complexes, où il pourra profiter des moyens d’essai (en bassins ou en cuves) ainsi que de moyens numériques (Ansys ou Comsol).

L’ENSM (Ecole Nationale Supérieure Maritime) apportera son expertise en termes de construction navale (choix du modèle) ainsi que sur les contraintes du milieu maritime.

Résumé du projet

L’étude du rayonnement acoustique d’une coque de navire, aussi bien en champ proche qu’en champ lointain, revêt un intérêt scientifique, technologique et environnemental considérable dans le contexte maritime actuel. Avec la montée en puissance des réglementations internationales sur la pollution sonore sous-marine – notamment celles promues par l’Organisation Maritime Internationale (OMI) – comprendre et maîtriser les émissions acoustiques générées par les navires devient une nécessité stratégique. Le bruit sous-marin peut en effet perturber les écosystèmes marins, en affectant la communication, la navigation et la reproduction de nombreuses espèces animales sensibles aux ondes acoustiques. Une thèse centrée sur cette problématique permettrait de mieux caractériser les modes de propagation dans l’eau en fonction de la géométrie de la coque, et des matériaux utilisés.

L’analyse du champ proche permet d’identifier et de localiser précisément les zones vibratoires de la coque, souvent à l’origine du rayonnement acoustique, tandis que le champ lointain permet de quantifier l’impact global du navire sur l’environnement sonore marin, à des distances pertinentes pour l’observation ou la détection passive. Cette distinction entre champs permettra aussi de développer des méthodes de réduction du bruit plus ciblées, comme l’optimisation du design de la coque, l’ajout de traitements passifs ou actifs, ou la modification des modes de fonctionnement.

Problématique et état de l’art

La diffusion acoustique des coques de navires constitue un enjeu crucial pour la réduction du bruit sous-marin généré par les navires dans un contexte environnemental de plus en plus réglementé. Lorsqu’un navire est exposé à des ondes acoustiques — qu’elles proviennent d’un sonar actif ou de sources internes (machines, hélices, cavitation) — sa coque agit comme une structure vibrante capable de réémettre ces ondes sous forme d’un rayonnement acoustique complexe. La compréhension fine de ce phénomène dépend de nombreux facteurs : géométrie de la coque, propriétés mécaniques des matériaux, présence de raidisseurs, revêtements anéchoïques, mais aussi de l'environnement fluide-structure dans lequel le navire évolue.

Or, malgré les avancées en modélisation numérique et en caractérisation expérimentale, il demeure difficile de prédire le type d’ondes pouvant se propager sur de telle structure.

Cette thématique, encore peu explorée, s’inscrit aujourd’hui comme un axe de recherche émergent au sein de l’équipe Acoustique Sous-Marine et Environnement. Elle vise à développer des outils de caractérisation acoustique adaptés à des structures de forme complexe, opérant dans des gammes de fréquences difficiles à modéliser. Pour ce faire, les travaux s’appuieront sur des études expérimentales antérieures concernant la diffusion acoustique sur des coques et tubes immergés, ainsi que sur des recherches récentes relatives à la signature acoustique en basses fréquences de structures immergées.

Objectifs de la thèse

Dans cette thèse, nous souhaitons comprendre le type d’ondes acoustiques susceptibles de se propager sur les coques de navire ainsi que leur couplage avec le fluide.

Une étude expérimentale en laboratoire sur maquette permettra de détecter les modes de vibration susceptibles de rayonner en champ proche ainsi qu’en champ lointain dans différentes gammes de fréquence. Pour cela, l’analyse des signaux par différents traitements (FFT, Temps-fréquences, Transformée en Ondelettes) sera nécessaire afin de détecter et de caractériser certaines ondes.

Afin d’identifier ces ondes, une étude numérique basée sur les calculs par éléments finis sera nécessaire. Elle permettra de mettre en lumière les phénomènes propagatifs qui peuvent avoir lieu au sein de la coque d’un navire ainsi que les effets de couplage ou de conversion liés à la présence du fluide.

Une étude analytique reposant sur la théorie des plaques minces ainsi que la théorie de l’élasticité sera envisagée afin compléter notre étude numérique.

Méthodologie et plan de travail

Un diagramme de Gantt sera exigé du doctorant dès le début de sa thèse, afin de l’aider à planifier efficacement son travail, à gérer son temps de manière optimale, et à assurer l’atteinte progressive des objectifs scientifiques et techniques fixés dans le cadre du projet doctoral.

Du 1^er mois au 3^ème mois inclus : Etat de l’art

Durant les trois premiers mois, le doctorant devra réaliser un état de l’art approfondi portant sur la diffusion et le rayonnement acoustique des structures navales, en particulier les coques de navires. Il s'agira d’identifier les travaux existants dans la littérature scientifique nationale et internationale en lien avec la thématique de la thèse, de distinguer les approches numériques, analytiques et expérimentales pertinentes, et d’en extraire les éléments théoriques et méthodologiques clés. Cette phase constitue la base fondatrice de la thèse, sur laquelle s'appuieront les choix scientifiques ultérieurs, notamment pour la modélisation et la validation expérimentale.

Du 4^ème mois au 15^ème mois inclus : Choix du modèle d’étude et début de la campagne de mesures

Au cours de cette phase, le doctorant devra procéder à la définition et à la mise en place du modèle d’étude qui servira de support aux analyses numériques et expérimentales. Ce modèle pourra être basé sur une coque de navire simplifiée ou sur une structure représentative (telle qu’un panneau raidisseur, un cylindre immergé ou un segment de coque), selon les objectifs scientifiques et les contraintes techniques du projet.

Les tâches principales à réaliser durant cette période sont les suivantes :

• Choix du modèle géométrique : sélection d’une géométrie représentative de la coque (forme, dimensions, matériaux), en lien avec les phénomènes acoustiques visés (diffusion, rayonnement, couplage fluide-structure, etc.).
• Définition des conditions aux limites : modélisation des appuis, interactions mécaniques et acoustiques, effets d’immersion.
• Préparation de la campagne de mesures expérimentales :
  • Conception ou sélection d’un prototype ou d’une maquette.
  • Élaboration du protocole de test en bassin
  • Choix et calibration des instruments de mesure
• Premiers essais préliminaires : réalisation de mesures exploratoires afin de valider le montage expérimental, d’identifier les fréquences d’intérêt et d’évaluer la qualité des signaux recueillis.
• Début de l’acquisition de données : enregistrement des premiers résultats en vue d’une future confrontation avec les modèles numériques.

Du 16^ème mois au 24^ème mois inclus : Modélisation numérique et validation

Durant cette phase le doctorant aura réalisé la modélisation numérique par élément finis de la coque de navire étudiée. L’objectif est de traduire le modèle physique (défini précédemment) dans un environnement de simulation numérique, d’en analyser le comportement vibratoire et acoustique, puis de confronter les résultats numériques aux données expérimentales obtenues en début de campagne de mesures.

Les tâches principales à réaliser durant cette période sont les suivantes :

Construction du modèle numérique :

• Création de la géométrie 3D fidèle au modèle d’étude (maquette ou structure réelle).
• Discrétisation via la méthode des éléments finis (FEM).
• Intégration des propriétés du matériau, conditions aux limites, et du couplage fluide-structure.

Analyse modale et acoustique :

• Détermination des m0des propres de vibrati0n de la coque (analyse modale).
• Calcul du rayonnement acoustique associé aux différentes fréquences de sollicitation.
• Calcul à partir des modes propres à partir de la théorie des plaques minces

Comparaison avec les résultats expérimentaux :

• Confrontation des spectres vibratoires et acoustiques issus de la simulation avec ceux mesurés en bassin.
• Identification des écarts, analyse des causes (modélisation, incertitudes, conditions expérimentales) et ajustement du modèle numérique si nécessaire.

Validation partielle du modèle :

• Une fois les écarts maîtrisés, validation du modèle dans le domaine fréquentiel d’intérêt.
• Production d’un premier ensemble de résultats exploitables scientifiquement.
• Premiers éléments d’analyse
• Rédaction d’un article de conférence

Du 25^ème mois au 36^ème mois inclus : Modélisation numérique et validation

La dernière année de la thèse est dédiée à la consolidation, à l’exploitation approfondie des résultats, ainsi qu’à la rédaction du manuscrit et à la préparation de la soutenance. À ce stade, les données expérimentales validées et le modèle numérique est considéré comme fiable dans le périmètre défini.

Contribution aux objectifs du Campus et des équipes communes de recherche

Cette thèse, menée conjointement par le LOMC (ULHN) et l’ENSM du Havre, s’inscrit pleinement dans les thématiques stratégiques du Campus Polytechnique des Territoires Maritimes et Portuaires. Son objet — le rayonnement acoustique d’une coque de navire — mobilise à la fois des compétences en acoustique sous-marine mais aussi le domaine de l’ingénierie navale ce qui en fait un projet résolument interdisciplinaire ayant pour but de réduire l’impact du transport maritime sur l’environnement.

Références bibliographiques

[1] R. F. Javier et al., “Analysis of the Underwater Radiated Noise Generated by Hull Vibrations of Ships,” Sensors, vol. 23, no. 2, p. 1035, Jan. 2023, doi: 10.3390/s23021035.

[2] Y. Zhang et al., “Specification of the hull vibration to control underwater radiated noise by estimation with modified experimental sound radiation efficiency,” Journal of Mechanical Science and Technology, vol. 28, pp. 3425–3432, Sep. 2014, doi: 10.1007/s12206-014-0803-1.

[3] A. Smolko, Structural Response of the Ship Hull Elements Subject to Excitation Generated by the Main Engine, Master’s Thesis, Feb. 2013.

[4] B. Oudompheng, Localisation et contribution de sources acoustiques de navire au passage par traitement d’antenne réduite, Thèse de doctorat, Université Grenoble-Alpes, 2015.

[5] F. Hugues and V. Meyer, “Rayonnement acoustique d’une structure raidie immergée excitée par une source aérienne,” in Proc. 16ème Congrès Français d’Acoustique, 2022.

Le Laboratoire Ondes et Milieux Complexes a pour objet l’étude de la propagation des ondes mécaniques (acoustique ultrasonore ou ondes non linéaires et instabilités dans les liquides), du comportement des milieux complexes (milieux poreux, matériaux composites, milieux ionisés) ainsi que des applications au génie portuaire et côtier, au géo-environnement ou au contrôle non destructif des structures. Le travail sera réalisé au sein de l'équipe Acoustique Sous Marine ASM.

Formation :

Master 2 (ou diplôme équivalent) dans le domaine de l’acoustique, avec une formation solide en mécanique vibratoire.

Compétences attendues :
- Solide expérience dans la conduite et l’exploitation des moyens d’essai
- Bonne maîtrise des outils de calcul numérique, notamment Matlab, ainsi que des logiciels de simulation par éléments finis (Ansys, Comsol).
- Excellentes capacités d’analyse, de synthèse et de rédaction
- Autonomie, rigueur scientifique et aptitude au travail en équipe
- Niveau B2 en anglais ou minimum 785 TOEIC

Une expérience préalable en mesures expérimentales sera un atout apprécié.