Academic literature on the topic 'Caractérisation acoustique des matériaux'

Le graphène en particulier, et les matériaux 2D en général, sont une nouvelle filière de matériaux aux propriétés physiques très intéressantes. Leurs propriétés électroniques, thermiques et mécaniques en font des matériaux de choix pour de nombreuses applications, dans les domaines aussi que les technologies de l’information et de la communication, la santé, l’énergie, le transport. Compte tenu des potentialités de ces matériaux, de nombreux grands programmes de recherche se sont développés au niveau international, pour étudier ces matériaux, et bénéficier des innovations qui en découleraient pour le développement de nouveaux emplois et de nouvelles richesses. Sur le plan de la formation, avec le soutien du GIP CNFM et de l’IDEFI FINMINA obtenu par le réseau du CNFM, le pôle CNFM de Lille s’est doté de nouveaux équipements qui permettent d’explorer, d’analyser, et de fabriquer des composants et systèmes avec ces matériaux 2D. Il s’agit notamment d’un four de croissance de graphène, d’un spectromètre Raman permettant de caractériser les matériaux 2D, du développement d’un système de transfert du graphène sur un matériau hôte. Cette communication va présenter la méthodologies mise en place, pour sensibiliser les étudiants du master 2 sur la manipulation de ces nouveaux matériaux.

Ce travail de thèse a pour objectif la modélisation et la caractérisation des matériaux poreux, et en particulier des matériaux fibreux utilisés dans un contexte aéronautique. La première partie est consacrée à la modélisation des matériaux poreux. Le modèle de Biot-Allard ainsi qu'un modèle simplifié dit de "fluide équivalent" sont présentés. Le modèle simplifié, encore appelé modèle "limp", est basé sur l'hypothèse que la rigidité du matériau est négligeable par rapport à celle de l'air. Il est donc principalement dédié aux matériaux souples du type laine de verre ou coton. Un critère d'utilisation de ce modèle est présenté dans cette partie. On montre alors que, dans la majorité des cas, le modèle limp peut être utilisé en dehors des fréquences de résonance du squelette et ce, même pour des matériaux rigides. La seconde partie de ce travail propose trois nouvelles méthodes de caractérisation mécanique basses et moyennes fréquences dédiées aux matériaux fibreux. Le module d'Young et le facteur d'amortissement du squelette sont estimés indirectement par l'étude du comportement mécanique du matériau soumis à diverses sollicitations. Les deux premières méthodes placent le matériaux poreux dans un contexte proche de son utilisation réelle : étude de la transmission et du rayonnement acoustique de parois revêtues du matériau poreux. Dans les deux cas, le modèle utilisé pour l'inversion tient compte de l'effet de l'air saturant le matériau et de son couplage avec le milieu extérieur. La troisième méthode est basée sur la mesure de l'impédance mécanique d'un échantillon de taille réduite soumis à une sollicitation en tractioncompression. L'échantillon est placé dans une cavité fermée afin de limiter l'effet de l'air ambiant. Un transducteur électrodynamique est utilisé comme source et comme capteur. Ce banc de mesure a fait l'objet d'un dépôt de brevet en 2007. Les premiers résultats obtenus à l'aide d'un prototype ont permis de valider la méthode.

Un procede de caracterisation acoustique de materiaux isotropes a ete developpe. A partir de la mesure de l'admittance ou de l'impedance du transducteur charge par l'echantillon, nous determinons la vitesse et l'attenuation des ondes acoustiques de compression. Le transducteur est l'element fondamental du procede de mesure. Il a ete etudie a partir du modele unidimensionnel de berlincourt au voisinage de la resonance. Un modele tridimensionnel n'apporte guere d'avantage sauf celui d'expliquer la possibilite d'amortissement par cerclage. Des transducteurs de natures differentes ont ete mesures afin de determiner les caracteristiques du transducteur ideal. L'un de nos transducteurs avoisine cet ideal. Tout echantillon solide doit etre lie au transducteur par un couplant, ce qui fournit deux lignes acoustiques en cascade. Un ensemble de formules necessaires a ete developpe pour etudier l'influence du couplant et des conditions pour le negliger. Trois methodes sont etudiees par des simulations realistes. Dans la premiere, adaptee aux liquides, les mesures sont effectuees a frequence fixe et a hauteur variable. La seconde, convenable a toute nature de l'echantillon d'epaisseur donnee, necessite des mesures a trois frequences. Ces deux methodes sont bien adaptees aux echantillons de faibles epaisseurs et necessitent l'hypothese de la constance des caracteristiques du transducteur en fonction de la frequence et de la charge. La troisieme methode qualifiee de resonance convient aux echantillons longs. Elle n'impose pas les hypotheses precedentes mais la branche motionnelle du transducteur doit etre equivalente un circuit resonant serie. Elle permet d'obtenir la vitesse et l'attenuation (leur variation avec la frequence) ainsi que de caracteriser le transducteur ce qui permet de verifier le degre de validite des hypotheses relatives aux deux premieres methodes. Differentes especes d'echantillons ont ete mesurees: huile silicone, p. V. C. , plexiglas et polysulfone.

Les travaux présentés dans ce document concernent les mousses à cellules fermées. Deux axes sont développés. Le premier axe de recherche est focalisé sur l'amélioration des performances d'absorption sonore des mousses métalliques à cellules fermées et plus particulièrement des mousses d'aluminium. Les deux principales méthodes post-fabrication sont étudiées par une approche microstructurale. Une approche microstructurale consiste à étudier la géométrie locale afin de prédire les propriétés macroscopiques des matériaux. La première approche consiste à compresser les mousses afin de fracturer les parois des pores. La seconde approche consiste à perforer les mousses. La conclusion est que la méthode des fissurations est plus performante que la méthode des perforations. Cette méthode permet d'obtenir une absorption sonore large bande alors que la méthode des perforations augmente l'absorption de manière sélective. Du fait que l'approche microstructurale a été étendue aux mousses à cellules ouvertes afin de comprendre l'influence des paramètres microstructuraux, l'influence de la taille des étranglements, de la taille des pores et de la forme des sections de ligaments est analysée. Les résultats permettent maintenant de conseiller les manufacturiers de mousses afin de prendre en compte la composante acoustique des mousses dès leur fabrication. C'est une approche préfabrication. Le second axe de recherche concerne les mousses à cellules fermées et à structure souple. L'absence d'effets visqueux permet de modéliser ce type de mousse par un solide élastique équivalent. Il est alors possible d'établir une caractérisation des propriétés élastiques par une méthode inverse acoustique. La méthode permet de déterminer les propriétés élastiques du matériau à partir de simples mesures d'absorption en tube d'impédance. La méthode est développée pour deux conditions de montage. La condition glissante est délicate à assurer mais elle permet de développer une méthode simple. La méthode est ensuite étendue à des échantillons encastrés." Les travaux concernant la caractérisation ont donné lieu à un article et deux actes de conférence (Chevillotte et coll., Chapitre 3, 2007)4,5,6. Le modèle numérique et l'étude des microstructures ont également contribué à des publications et des actes de conférences (Perrot et coll., Annexes E, F et G, 2007--2008) 60,62,63,64.

Dernièrement, des modèles de simulation du comportement dynamique et acoustique des matériaux poro-élastiques ont été développés. Ces modèles sont basés sur l'approche macroscopique de Biot et nécessitent la définition de plusieurs propriétés physiques. Lorsque la matrice du matériau poreux est rigide et non accolée à une structure vibrante (situation où le squelette n'est pas excité directement) ou lorsqu'elle est très souple, on peut considérer le milieu poreux comme un fluide équivalent homogène. A ce titre, il possède une masse volumique dynamique complexe et un module de compression dynamique complexe, eux-mêmes associés aux mécanismes de dissipation dus aux effets visqueux et thermiques. Le modèle de Johnson-Champoux-Allard (JCA) est, parmi les modèles d'analyse des fluides équivalents, l'un des plus utilisés et qui s'accorde le mieux aux mesures expérimentales faites sur une grande gamme de matériaux poreux. Ce modèle est basé sur cinq paramètres non ajustables caractérisant la géométrie interne du poreux: la porosité [straight phi], la résistance au passage de l'air [sigma], la tortuosité [alpha] [infinity] et les longueurs caractéristiques visqueuse [Lambda] et thermique [Lambda]'. Plusieurs méthodes directes ou indirectes de mesure de ces paramètres ont été développées. Si la mesure de [sigma] et de [straight phi] est relativement simple à appliquer et donne de bons résultats, les techniques servant à caractériser les trois autres paramètres sont coûteuses, difficiles à utiliser et limitées à certains matériaux et à certaines géométries d'échantillons. Pour toutes ces raisons, elles sont inaccessibles aux petites compagnies ou aux petits laboratoires. Par conséquent, faute de pouvoir compter sur la mesure des propriétés physiques, l'utilisation des modèles avancés de simulation est restreinte. Compte tenu du développement que connaissent les méthodes de mesure directe de ces propriétés, un bon moyen de pallier certaines des limites des méthodes de caractérisation directes pourrait consister à définir et à résoudre le problème inverse basé à la fois sur des mesures expérimentales et sur des algorithmes d'optimisation. Nous proposons à cet égard une technique inverse de caractérisation des cinq paramètres géométriques du modèle JCA au moyen d'un tube d'impédance. Son principe consiste à relever des mesures d'un indicateur acoustique de surface (le coefficient d'absorption par exemple) d'un matériau poreux plaqué sur un fond rigide dans un tube d'impédance et à les intégrer dans un algorithme d'optimisation couplé au modèle numérique de prédiction. L'algorithme d'inversion ainsi obtenu se charge, à travers un processus d'optimisation régularisé, de remonter aux paramètres géométriques du modèle de prédiction. Le modèle d'inversion à trois paramètres s'appliquera lorsque la porosité [straight phi] et la résistance au passage de l'air [sigma] sont connues. Par contre, si aucun des paramètres géométriques du modèle n'est connu, c'est au modèle général d'inversion à cinq paramètres auquel nous aurons recours. Pour traiter ce problème d'optimisation globale, l'algorithme retenu repose sur une stratégie d'évolution. Le développement et la validation de cette technique inverse ainsi que l'étude des différents éléments qui permettent de l'optimiser constituent le sujet de cette thèse. Les nombreux cas de caractérisation exécutés avec succès sur différents matériaux poreux ainsi que la validation sur des indicateurs différents de l'absorption en incidence normale tels que l'absorption en champ diffus ou la perte par transmission montrent la validité et la robustesse de cette technique inverse de caractérisation qui se révèle dès lors une bonne alternative aux méthodes de caractérisation existantes.

Ce travail a consisté à développer une technique non destructive de caractérisation locale des matériaux, par ultrasons. Les ondes de surface ont été choisies pour leur sensibilité à différents paramètres (texture, taille de grain, etc. ). La méthode mise en place, basée sur le principe de la microscopie acoustique, utilise un traducteur focalisé de très forte ouverture angulaire excité par une impulsion large bande (5-25 MHz). Ce type de dispositif permet de générer des ondes de surface rayonnantes et en particulier l'onde de Rayleigh. De plus, l'excitation large bande favorise la séparation temporelle des différents échos. Afin de comprendre les mécanismes de propagation et d'interaction du faisceau incident avec la surface du solide, la modélisation de la réponse du matériau a été développée. La prise en compte du rayonnement acoustique du traducteur et des effets de diffraction a permis de décrire fidèlement les signaux expérimentaux. Dans le but d'établir des moyens d'analyse précis, plusieurs techniques de mesures de vitesses ont été mises en œuvre. L'évaluation des temps d'arrivée des différents échos ou bien l'exploitation des spectres, permettent d'accéder à la vitesse de propagation dans le cas de milieux dispersifs ou non. Enfin, une autre approche consiste à comparer un signal simulé à un signal expérimental par une technique d'optimisation. Les précisions sont comparables à celles obtenues avec les techniques précédentes et sont de l'ordre de 0,2%. A l'aide de ces outils, plusieurs expériences de caractérisation ont été menées et ont montré la sensibilité de la vitesse et de l'atténuation de l'onde de Rayleigh à la rugosité, la texture, la taille de grain et l'endommagement
In this study, a nondestructive technique has been developed in order to locally characterize materials. The ultrasonic surface waves have been chosen for their sensibility_ to effects such as texture, grain size. . . The analysis of the surface wave propagation and particularly the velocity and the attenuation measurements enable to characterize the material properties. Our method, based on the acoustic microscopy technique, uses a focused transducer with a large aperture angle, excited by a broadband pulse. This type of analysis shows leaky surface waves and especially leaky Rayleigh wave. The pulse excitation allows to separate the different echoes. A theoretical computation of the material response has been developed to understand the propagation mechanism and the interaction of the incident beam with the solid surface. By taking into account the acoustic field of the transducer and the diffraction effects, this model has demonstrated its efficiency to describe the experimental signals. In order to establish accurate means of analysis, several velocity measurement techniques have been developed, in the time domain for low dispersive media, or by a spectrum analysis for dispersive materials. Another approach is based on the comparison of a simulated signal to an experimental one, by using an optimization process. The accuracy obtained is very similar to that of the other techniques (0, 2%). Using these tools, several experiments were performed and they demonstrate that the velocity and the attenuation of the Rayleigh waves are sensitive to various parameters such as roughness, texture, grain size and damage phenomena

Cette thèse d'habilitation synthétise les dix ans de recherche qui suivirent ma thèse de doctorat dans les domaines des paramètres physiques et de l'acoustique des milieux poreux et des interactions fluide/squelette. Ce mémoire est divisé en trois parties principales A, B et C correspondant aux trois principales périodes de ma carrière scientifique: la période entre 1994 et 1997 passée au Laboratorium voor Akoestiek en Thermische Fysica de la K. U. Leuven en Belgique en collaboration avec le Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine au Mans, la période entre 1997 et 2003 passée à Bradford (UK) en tant que chercheur (1997-2000) et les trois années passées à Hull (UK) en tant que maître de conférences (2000-2003), et enfin la période 2003 jusqu'à la date présente passée à nouveau au Laboratorium voor Akoestiek en Thermische Fysica.

La première partie de ce mémoire est consacrée aux paramètres physiques des milieux poreux et à leur caractérisation. Suite aux travaux théoriques importants de Biot qui fut un pionnier dans le domaine, la propagation acoustique dans les milieux poreux saturés de fluide est maintenant relativement bien connue grâce aux nombreuses contributions depuis les années 1970-80 d'une communauté scientifique assez large. Cependant, l'une des difficultés majeures rencontrées dans la pratique était l'absence d'information sur certains paramètres définis dans le domaine des hautes fréquences de Biot, dans les modèles les plus élaborés. Les hautes fréquences de Biot sont telles que l'épaisseur de peau visqueuse des ondes est petite devant les dimensions caractéristiques des pores mais ces fréquences demeurent inférieures aux basses fréquences des modèles de diffusion de sorte que les longueurs d'ondes restent très grandes devant les dimensions des hétérogénéités (diffuseurs). Dans ce contexte, notre principale contribution fut la proposition de méthodes originales basées sur la propagation d'ultrasons aériens ou dans un gaz saturant le matériau poreux pour la mesure de la tortuosité et des longueurs caractéristiques visqueuse et thermique. Ces recherches ont donné lieu à plusieurs thèses de doctorat conduites à Leuven et au Mans, en particulier, la thèse de Luc Kelders soutenue à la K. U. Leuven en 1998. Les autres faits et résultats marquants de ces recherches sont :
- la caractérisation complète pour la première fois grâce à ces expériences, de certains matériaux jusqu'alors inconnus.
- la réalisation d'un banc de mesure ultrasonore pour la mesure des paramètres haute fréquence. Le dispositif est maintenant couramment utilisé à la demande d'industriels et a été installé dans plusieurs laboratoires, notamment au Japon.
- la réponse à une question sur l'origine de l'excès d'atténuation observé à haute fréquence et non prédit par les modèles basés sur la théorie de Biot. Dans la plupart des matériaux utilisés en acoustique, cet excès d'atténuation est dû à la diffusion, lorsque les longueurs d'ondes ne peuvent plus être considérées comme grandes devant les dimensions des hétérogénéités. Dans ce cas, les modèles basés sur des phases effectives ne sont plus valables et doivent faire place aux modèles de diffusion.

Les recherches sur la caractérisation des paramètres physiques des milieux poreux et sur les relations entre ces paramètres continuent. Récemment, des recherches ont été entreprises par Z. E. A. Fellah, C. Depollier au Laboratorium voor Akoestiek en Thermische Fysica à Leuven et au Laboratoire d'acoustique de l'Université du Maine et une nouvelle méthode basée sur la réflexion des ondes ultrasonores a été développée dans le but d'augmenter le domaine d'applicabilité des méthodes ultrasonores.

Une approche temporelle des signaux ultrasonores transitoires transmis et réfléchis dans les couches poreuses a été proposée par ces auteurs et de nouvelles méthodes sont en cours d'étude pour la caractérisation de matériaux inhomogènes. Un certain nombre de ces méthodes sont basées sur des résultats établis en électromagnétisme. La partie B de ce mémoire étudie l'influence des paramètres physiques des milieux poreux sur les vibrations de plaques poreuses et les interactions fluide/squelette. Un modèle analytique de la vibration en flexion de plaques poreuses basé sur l'application de la théorie classique des plaques minces et la poroélasticité de Biot a été proposée. Ce problème n'a que très peu été étudié analytiquement. La raison principale en est sans doute la grande puissance et la flexibilité du traitement numérique de ce type de problème. Quel peut être l'intérêt de ce genre d'étude analytique, confinée à des géométries simples éloignées des situations réelles lorsque des problèmes plus complexes peuvent être résolus numériquement? Le but principal de cette étude a été de mieux comprendre l'influence des paramètres physiques définis dans la partie A sur les caractéristiques de la vibration. Ici, un intérêt particulier est porté sur la physique des interactions entre la phase solide et la phase fluide au cours de la vibration. La thèse de doctorat de M. J. Swift soutenue à l'Université de Bradford en 2000 à été consacrée à la fabrication et à l'étude des propriétés physiques et acoustiques de matériaux recyclés. Durant ces recherches, un procédé de fabrication de plaques poreuses minces, absorbantes et relativement rigides a été développé. Les matériaux produits ont été caractérisés et étudiés expérimentalement en vibration. Le procédé a fait l'objet d'un brevet et a permis la création d'une entreprise satellite (spin off) à l'université de Bradford. Les avancées qui ont résulté de ces recherches furent :
- la proposition d'un modèle analytique de la vibration en flexion d'une plaque poreuse mince relativement rigide saturée par un fluide. Le modèle est valable pour des matériaux relativement rigides lorsque les longueurs d'onde acoustiques sont plus grandes que l'épaisseur de la plaque, ce qui est souvent le cas.
- la proposition d'une formule analytique approchée donnant les fréquences de résonances de la plaque en fonction des paramètres physiques du matériau et des conditions de bord.
- l'étude détaillée de l'influence de la porosité, de la tortuosité et de la perméabilité sur les fréquences de résonance et sur l'amortissement. On trouve que les fréquences de résonance augmentent avec la porosité et la perméabilité, et diminuent lorsque la tortuosité augmente alors que l'amortissement augmente avec la porosité, diminue lorsque la tortuosité augmente et atteint un maximum en fonction de la perméabilité à une fréquence caractéristique du milieu poreux
- la découverte d'une fréquence d'amortissement maximal de la plaque vibrante liée aux propriétés du matériau (porosité, tortuosité et perméabilité). Cette fréquence est donnée par la fréquence caractéristique de Biot divisée par la tortuosité.

Le modèle rend compte de la réponse élastique instantanée de la plaque et du mouvement relatif entre le solide et le fluide. Il inclut l'amortissement structural (lié aux parties imaginaires du module d'Young et du coefficient de Poisson) et aussi les pertes par friction visqueuse, entre le solide et le fluide. Des renseignements qualitatifs ont été obtenus lors de l'étude de l'influence de la tortuosité et de la perméabilité. Ainsi, les résonances de plaques poreuses sont fortement liées à l'existence de forces d'inertie et de forces de friction. Ces forces sont associées aux échanges de quantité de mouvement et aux mouvements relatifs entre le solide et le fluide. Il apparaît que des variations des forces d'inertie sont accompagnées par des variations inverses des forces de friction. Nous pensons que ces renseignements sont importants et qu'une bonne compréhension des phénomènes physiques accompagnant les vibrations peut certainement contribuer à une bonne formulation numérique des vibrations de structures complexes incluant des matériaux poreux. La dernière partie de ce mémoire traite de la propagation d'ondes guidées dans des couches poreuses et dans des matériaux mous pour la caractérisation de leurs propriétés élastiques et viscoélastiques.

Cette étude apporte une contribution à la détermination des propriétés mécaniques du squelette solide et complète l'étude des paramètres physiques des milieux poreux. L'un des avantages de la propagation guidée pour l'étude de matériaux fortement atténuants est qu'elle permet de concentrer l'énergie dans l'épaisseur d'une couche. Quant aux ondes stationnaires, elles permettent non seulement de concentrer l'énergie à une fréquence donnée mais aussi de travailler avec des plaques dont les dimensions sont finies (par rapport aux longueurs d'onde). Ces travaux, aussi bien expérimentaux que théoriques, font suite à des travaux d'Allard sur la propagation d'ondes de Rayleigh dans des matériaux poreux pour la détermination du module de cisaillement à haute fréquence. L'idée est de faire la jonction entre les méthodes vibratoires classiques de mesure à basse fréquence des modules élastiques et la méthode basée sur l'onde de Rayleigh dans le but de caractériser des matériaux mous dans un large domaine de fréquences. Une partie importante de la thèse de doctorat de L. Boeckx soutenue en février 2005 est consacrée à ce sujet. La principale difficulté rencontrée fut la génération et la détection d'ondes guidées dans ce type de matériau très atténuant et dans le même temps très dispersif à certaines fréquences. Des résultats dignes d'intérêt dans cette étude sont certainement :
- la proposition d'une méthode d'excitation et de détection d'ondes guidées dans des matériaux très atténuants basée sur l'établissement d'ondes stationnaires dans le matériau, l'idée étant d'exciter le matériau mou avec une sinusoïde continue dans le but de maximiser l'énergie appliquée à une fréquence donnée.
- l'observation pour la première fois de plusieurs modes guidés dans de la matière très molle tels que les modes A0, S0 et A1 dans une couche de mousse polyuréthane hautement poreuse montée dans les conditions de Lamb. la détermination des courbes de dispersion expérimentales à partir du tracé du profil d'ondes stationnaires et de la transformée de Fourier spatiale de ce profil fournissant les périodicités spatiales des différents modes susceptibles de se propager à une fréquence donnée.
- la caractérisation des propriétés élastiques et viscoélastiques de mousses polyuréthane dans un domaine de fréquences compris entre 50 Hz et 4 kHz, typiquement.
- la description théorique faisant intervenir la théorie des modes guidés et les équations de la poroélasticité dans des couches de matériau placées dans différentes configurations.
- la prédiction de l'existence de deux familles de modes guidés dans les couches poreuses et la confirmation de l'existence de modes symétriques et antisymétriques lorsqu'une couche poreuse est placée dans les conditions de Lamb où les fluides environnant les deux faces de la couche sont les mêmes.

Suite à ces travaux et en application de cette technique de détection d'ondes guidées, des recherches sur les propriétés mécaniques de matériaux mous tel que des gels, du caoutchouc ou des films de liquide très visqueux appliqués sur un substrat rigide ont débuté au Laboratorium voor Akoestiek en Thermische Fysica. Une collaboration avec l'ECIME de l'université de Cergy Pontoise vise à caractériser la transition liquide-solide de milieux gélifs tels que du yaourt. Des gels synthétiques ou biologiques affichent des propriétés acoustiques étonnantes qui demandent à être étudiées plus précisément. Une autre étude est en actuellement en cours en collaboration avec l'Université du Maine sur la propagation d'ondes de surface et d'ondes guidées dans des milieux granulaires et des sables. D'autres perspectives de recherche font intervenir le banc ultrasonore développé à Leuven et au Mans. Il existe par exemple un intérêt particulier pour le vieillissement de la mie de pain, un milieu poreux bien connu et apprécié.

Les matériaux complexes sont aujourd'hui au cœur des enjeux sociétaux majeurs dans la plupart des grands domaines tels que l'énergie, le transport, l'environnement, la conservation/restauration du patrimoine, la santé ou la sécurité. En effet, de par les opportunités d'innovation offertes en matière de fonctionnalités, ces matériaux suscitent de nouvelles problématiques d'analyse et de compréhension multi-physiques et multi-échelles. Il en va de même pour l'instrumentation nécessaire à leur caractérisation.Répandues dans le domaine de la caractérisation non destructive des milieux complexes, les méthodes acoustiques utilisent les propriétés de propagation des ondes mécaniques dans ces matériaux pouvant être hétérogènes et anisotropes.Dans une approche multi-échelle, l'intérêt des méthodes ultrasonores est d'être particulièrement sensibles à leurs propriétés mécaniques, telles que l'élasticité, la rigidité et la viscosité. La nature hétérogène et multiphasique d'un milieu complexe conduit ainsi à la notion de milieu viscoélastique, caractérisé par les coefficients de Lamé généralisés complexes (��∗, ��∗) et leur variation en fonction de la fréquence.L'objectif de cette thèse est de développer une méthode de caractérisation de ces matériaux complexes viscoélastiques qui permette de mesurer simultanément la variation des deux coefficients de Lamé généralisés complexes (��∗, ��∗) en fonction de la fréquence. L'approche proposée est de suivre, dans l'espace et dans le temps, la propagation de l'onde de Rayleigh et d'extraire ses paramètres ellipsométriques (ellipticité χ et orientation θ) en complément des paramètres propagatifs (k' et k'') classiquement déterminés. Basée sur la détection de l'onde par vibrométrie laser 3D à la surface du matériau complexe, et au moyen de l'analyse de Gabor 2D dans l'espace des Quaternions, l'estimation de l'ensemble des paramètres - propagatifs et ellipsométriques - donne accès à la caractérisation complète du milieu avec cette seule onde de Rayleigh.Les développements théoriques proposés dans ce travail, ainsi que les résultats expérimentaux et issus de simulation, confirment l'intérêt de l'ellipsométrie acoustique pour la caractérisation de ces matériaux complexes
Complex materials are at the heart of major societal challenges in most major fields such as energy, transport, environment, heritage conservation/restoration, health and safety. Because of the opportunities for innovation offered in terms of features, these materials are giving rise to new problems of multi-physical and multi-scale analysis and understanding. The same applies to the instrumentation needed to characterize them.Acoustic methods, which are widely used in the non-destructive characterization of complex media, make use of the propagation properties of mechanical waves in these materials, which can be heterogeneous and anisotropic.In a multi-scale approach, the advantage of ultrasonic methods is that they are particularly sensitive to mechanical properties such as elasticity, rigidity and viscosity. The heterogeneous and multiphase nature of a complex medium thus leads to the notion of a viscoelastic medium, characterized by generalized complex Lamé coefficients (��∗, ��∗) and their variation as a function of frequency.The objective of this thesis is to develop a method for characterizing these complex viscoelastic materials that simultaneously measures the variation of the two generalized complex Lamé coefficients (��∗, ��∗) versus the frequency. The proposed approach is to follow, in space and in time, the propagation of the Rayleigh wave and to extract its ellipsometric parameters (ellipticity χ and orientation θ) in addition to the propagation parameters (k' and k'') conventionally determined. Based on the wave detection by 3D laser vibrometry at the surface of the complex material, and by means of 2D Gabor analysis in Quaternion space, the estimation of propagation and ellipsometric parameters gives access to the complete characterization of the complex material only by studying the interaction of a Rayleigh wave with the medium.The theoretical developments proposed in this work, together with experimental and simulation results, confirm the value of acoustic ellipsometry for characterizing these complex materials

Les travaux de recherche effectués dans le cadre de cette thèse concernent la caractérisation par les approches mécanique et acoustique de la filtration dans un milieu poreux saturé soumis à un écoulement d’une suspension de particules solides. Des injections en continu d’une suspension de particules de limon, à différentes concentrations, ont été réalisées au laboratoire, dans une cellule contenant le milieu poreux (billes de verre ou sable). La rétention des particules dans le milieu est déterminée à partir des courbes de restitution et les paramètres hydrodispersifs sont déduits en utilisant la solution analytique de l’équation de transport. Afin de caractériser le processus de filtration en profondeur du milieu poreux, une méthode acoustique est appliquée en utilisant des mesures ultrasonores (en transmission et en réflexion) à travers le milieu poreux avant et après l’injection. Une simulation numérique fondée sur la théorie de Biot-Stoll a été mise en œuvre dans le but d’ajuster les résultats expérimentaux. L’évolution des paramètres mécaniques et acoustiques du milieu en fonction de la fréquence utilisée et de la profondeur du milieu poreux est alors déterminée par inversion
The research performed in this thesis aims to study the characterization of the filtration of suspended particles through a saturated porous media using both acoustic and mechanical methods. The step input injections of suspended particles (silt) with different concentrations were carried out in the laboratory column filled with the porous media (glass beads or sand). The retention of the particles is derived from the breakthrough curves and the hydro-dispersive parameters are then deduced by the analytical solution of the advection-dispersion equation. In order to describe the phenomenon of deep filtration, an acoustic method is carried out by using the measurements of ultrasound transmission and reflection. A numerical simulation based on the Biot-Stoll theory is developed and the results are adjusted with the experimental data. The evolution of the mechanical and the acoustical parameters of the porous media with the frequency and the depth of the porous media are determined by an inverse method

Le principe de l’imagerie photoacoustique consiste à générer des ondes acoustiques par effet thermoélastique dans un échantillon à l’aide d’un faisceau laser modulé en intensité. Les ondes ainsi générées sont détectées par un capteur piézoélectrique. Le traitement du signal issu du capteur et le balayage de la surface de l’échantillon permet la réalisation d’images issues d’une profondeur sélectionnée. La première partie du travail traite de la localisation de défauts en profondeur. Un modèle théorique 1D du signal photoacoustique permet, à partir d’images de subsurface réalisées pour différentes phases de détection, de localiser des défauts. Cette technique a été utilisée pour mesurer l’épaisseur d’une résistance diffusée dans un circuit intégré, puis de visualiser en 3D, les contours de la résistance. La deuxième partie est consacrée à la quantification tant théorique qu’expérimentale du pouvoir de résolution du microscope photoacoustique qui est de l’ordre de 2µm à 100 kHz
DThe underlying principle in the photoacoustic imagery consists in generating acoustic waves by thermoelastic effect in a sample with the help of an intensity modulated laser beam. The resulting acoustic waves are detected by a piezo-electric sensor. The processing of the sensor-signal and the scanning of the surface sample permit the reconstitution of images issued from a selected depth. The first part of the work deals with the localization of in-depth defects. A one-dimensional theoretical model of the photoacoustic signal permits defect localization from subsurface images realized at different detection phases. This technique has been used of to measure locally the thickness of a diffused resistance in an integrated circuit and thereafter visualize the resistance profile in three dimensions. The second part is devoted to the theoretical and experimental quantification of the resolving power of the photoacoustic microscope which is about 2µm with 100 kHz

Ce travail présente deux méthodes expérimentales de caractérisation des propriétés élastiques et d'amortissement de matériaux poreux acoustiques en régime dynamique.
Les modules d'Young ou de cisaillement ainsi que les coefficients
d'amortissement de mousses polymères ou matériaux fibreux sont estimés dans leurs conditions usuelles d'utilisation, i.e. en flexion ou cisaillement et dans des gammes de température et de fréquence habituellement rencontrées dans les industries du bâtiment ou des transports. La théorie de Biot-Johnson-Champoux-Allard est utilisée pour décrire le comportement de ces matériaux poro-visco-élastiques modélisés comme des systèmes diphasiques constitués d'une phase solide et d'une phase fluide, l'air, couplées dans le temps et l'espace.

La première méthode est dérivée de celle de la poutre d'Oberst : un
déplacement transverse est imposé au centre d'une poutre en conditions limites libre-libre. Un calcul par éléments finis hiérarchiques et un algorithme non-linéaire d'inversion sont utilisés afin d'estimer les paramètres inconnus des matériaux et de déterminer leurs évolutions en fonction de la fréquence et de la température.

La seconde méthode est basée sur l'étude des vibrations d'une plaque multicouche en flexion. Un code numérique hiérarchique
simplifié est utilisé conjointement au précédent algorithme d'inversion dans le même but de caractérisation des matériaux poro-visco-élastiques.

Des applications à quelques matériaux, visco-élastiques légers ou
mousses aux propriétés très différentes, ont permis de vérifier la pertinence de ces méthodes face à celles déjà existantes et d'en fixer les limitations.

Les spectroscopies vibrationnelles sont des techniques de caractérisation optique très répandues et utilisées dans de nombreux domaines scientifiques et industriels. Elles bénéficient depuis plusieurs années d’un grand essor, de par les nombreuses innovations technologiques qui les rendent de plus en plus performantes et utilisables sur des nombreux matériaux (cristaux et céramiques, polymères, verres…), molécules (organiques et inorganiques), sous diverses formes (liquide, gaz ou solide), sur des milieux biologiques, naturels, et sur des objets du patrimoine culturel. Les temps de mesures sont désormais compatibles avec des process industriels et les échelles spatiales de mesures tendent vers la résolution nanométrique. Ce livre est un ouvrage collectif et collaboratif entre chercheurs universitaires, CNRS et industriels, utilisateurs de ces techniques et au service de ces spectroscopies. Il s'adresse à un public large et se propose de faire le point à la fois sur la théorie de la spectroscopie vibrationnelle, mais aussi sur la définition, les caractéristiques et la mise en oeuvre de ces diverses techniques à travers des exemples variés d'utilisation.

Ce chapitre présente les techniques de caractérisation les plus couramment utilisées pour étudier la microstructure des matériaux nucléaires endommagés par irradiation. Ces techniques, incluant la spectroscopie Raman, la diffraction des rayons X, la spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford, et la microscopie électronique en transmission, permettent entre autres d’étudier les défauts ponctuels, le désordre global, la déformation élastique, ainsi que les défauts étendus induits par l’irradiation.

Les polymères nano-renforcés sont considérés comme des matériaux hétérogènes, pour lesquelles l’hétérogénéité est de taille nanométrique. Dans ce cas leur caractérisation morphologique requière l’utilisation d’outils expérimentaux capables d’accéder à ces échelles. La Microscopie Electronique en Transmission (MET) et la Diffraction des rayons X (DRX) aux petits et grands angles sont les deux techniques les plus adaptées. Le MET permet une observation directe de la microstructure à l’échelle du renfort, tandis que la DRX permet une observation dite indirecte et à des échelles inférieures à celles du MET. La combinaison des deux techniques permet de couvrir une fenêtre d’observation allant de l’architecture moléculaire à la dispersion des nanoparticules, ce qui est nécessaire dans le cas de ces matériaux.

Résumé L’année 2023 a été marquante pour l’industrie forestière québécoise alors que plus de 1 000 000 d’hectares de forêt ont été ravagés par les feux. La transformation du bois brûlé soulève de nombreuses questions sur la santé et la sécurité des travailleurs, notamment sur la manière de mesurer l’exposition aux poussières de bois brûlé dans les scieries. Sachant qu’il n’existe pas de méthode permettant d’évaluer spécifiquement l’exposition professionnelle aux poussières de bois brûlé, l’objectif principal de ce rapport consiste à effectuer une revue de la littérature pour déterminer leur composition. Selon cette composition, des méthodes de prélèvement et d’analyse pourraient être suggérées, puis des effets potentiels sur la santé des travailleurs pourraient être identifiés. Pour la revue de la littérature, aucun article traitant spécifiquement des poussières de bois brûlé (issu de feux de forêt) n’a été repéré. Toutefois, 13 articles sur la composition du bois torréfié et des biochars ont été retenus pour analyse, car ces matériaux se rapprochent du bois brûlé manipulé par les travailleurs. Le principal constat de ces articles est que la composition du bois torréfié et des biochars dépend des conditions de combustion (température, durée, présence d’oxygène, etc.) et du substrat de bois (espèce d’arbre et conditions de croissance). L’hétérogénéité de ces conditions lors des feux de forêt fait que la composition du bois brûlé manipulé par les travailleurs est très variable. Il s’agit d’une limite importante pour tirer des conclusions bien définies. Plusieurs groupes de composés ont été identifiés et mesurés dans le bois torréfié et les biochars, notamment la composition chimique élémentaire, les oxydes, les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), le pourcentage de matière organique et les métaux. Dans les biochars de bois, qui sont du charbon de bois, les résultats ont révélé qu’ils sont principalement composés de carbone issu de la dégradation de la cellulose, de l’hémicellulose et de la lignine. Les oxydes et les métaux sont présents dans le bois brûlé, mais dominent dans les cendres. Les HAP sont présents en faible quantité ou sous les limites de détection des méthodes utilisées. D’après ces résultats, il est suggéré de poursuivre la surveillance habituelle de la qualité de l’air dans les scieries. De plus, en présence de bois brûlé, les mesures suivantes sont recommandées : Fraction inhalable des particules (mesure gravimétrique non spécifique); HAP; Métaux. Aucun seuil d’exposition acceptable ne peut être proposé pour les poussières de bois brûlé en raison du manque de données sur les effets sur la santé. De plus, aucun indicateur spécifique ne peut être recommandé pour le suivi de l’exposition aux poussières de bois brûlé étant donné la variabilité de la composition de la poussière. La revue de la littérature n’a pas apporté d’information précise ni robuste concernant les effets potentiels supplémentaires des poussières de bois brûlé sur la santé comparativement aux poussières de bois sain. Selon les sources consultées, les poussières de bois brûlé sont peu documentées et non réglementées (incluant le Règlement sur la santé et la sécurité du travail). La documentation et la caractérisation plus détaillées des expositions à ces poussières par des évaluations environnementales en hygiène du travail permettraient d’identifier des contaminants dont les effets sur la santé mériteraient des actions préventives spécifiques afin de prévenir des atteintes néfastes sur la santé chez les travailleurs exposés aux poussières de bois brûlé.