Teses / dissertações sobre o tema "Caractérisation acoustique des 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.

L'émission acoustique est une technique de caractérisation non destructive habituellement mise en œuvre afin de suivre l'endommagement de matériaux soumis à des sollicitations mécaniques. Ce travail de thèse présente l'application de cette technique à des systèmes évolutifs dans le temps, en l'absence de toute contrainte mécanique externe. Le mémoire est d'abord dédié à la présentation de cette technique et que des applications recensées dans la littérature. Les premiers résultats présentés concernent le suivi de la prise du ciment alumineux pendant les premières heures (jeune âge). Les phénomènes de croissance et de frottement entre les hydrates alumino-calciques conduisent à une activité acoustique non négligeable. Dans un second temps, nous nous intéressons à la prise du plâtre seul ou avec un adjuvant retardateur de prise capable de s'adsorber à la surface du plâtre. Nous mettons en évidence la sensibilité de la technique aux phénomènes d'adsorption surfacique. Enfin, le mémoire se termine par le suivi des phénomènes d'adsorption d'eau ou de vidage de pores dans une céramique poreuse auxquels l'émission acoustique est également sensible
The acoustic emission is a non-destructive characterization technique usually applied for to monitoring the damage of materials submitted to mechanical stress. This thesis work presents the application of this technique to the study of evolving systems, in the absence of any external mechanic tension. The report begins with the presentation of this technique as well as its applications listed in the literature. The first results concern the monitoring of the calcium aluminate cement hydration phenomenon during the first hours (early age). The phenomena of growth and friction between the aluminium and calcium hydrates lead to a considerable acoustic activity. In the second time, we present the hydration of gypsum alone or in the presence of a retarding additive, which can be adsorbed at the surface of gypsum. We show that this technique is very sensitive to the surface adsorption phenomenon. Lastly, the report ends with the presentation of the studies on water adsorption or drying phenomena in a porous ceramic to which the acoustic emission is also sensitive

Les ondes acoustiques et électromagnétiques offrent des méthodes de caractérisation des matériaux très peu invasives. Souvent utilisées à l'aide de capteurs indépendants, l'approche développée ici est de proposer un résonateur multimodal acoustique et électromagnétique. Afin de répondre à une grande variété d'applications, le choix de l'élément actif piézo-électrique s'est porté sur un disque de quartz de coupe AT. L'étude s'articule autour des étapes aboutissant in fine à un capteur magnéto acoustique on-chip à excitation sans contact.L'étude théorique d'un capteur magnéto-acoustique à excitation inductive est tout d'abord réalisée pour un capteur chargé par un fluide visqueux. Ce capteur est constitué de trois éléments : une sonde radiofréquence (RF), un résonateur RF à fort facteur de qualité et le quartz sur lequel ont été déposées deux électrodes en anneau. Cette étude montre comment déduire la viscosité complexe du matériau étudié à partir de l'impédance électrique du système complet. Les mesures effectuées sur des mélanges étalons montrent une très bonne correspondance avec les résultats théoriques.L'intégration du résonateur RF sur l'élément piézo-électrique s'effectuant via des électrodes circulaires, une étude préliminaire est menée sur les ondes acoustiques pouvant être générées sur le quartz et leur interaction avec les électrodes. Les mesures de vibration par vibrométrie laser montrent que des ondes de Lamb sont générées dans une large gamme de fréquence (de 100 kHz à 20 MHz). L'analyse de la réponse impulsionnelle spatiale par transformée de Gabor 3D localise la source de ces ondes sur le bord des électrodes. Par ailleurs, l'étude du disque au fondamental montre une grande non-linéarité mécanique du quartz.Le modèle de résonateur RF plan multi-tour puis son intégration sur le disque de quartz du capteur magnéto-acoustique on-chip sont ensuite étudiés. Les résultats expérimentaux par mesure d'impédance et vibrométrie laser valident le modèle. La gamme de fréquence sélectionnée (entre 5 et 20 MHz) permet d'envisager des mesures micro-rhéologiques
Acoustic and electromagnetic waves are key probing candidates for characterizing their propagation media with minimum perturbation. Often used with independent sensors based on specialized transducing materials, the approach developed here provides an on-ship multimodal sensor using the same sensing material for probing the acoustic and electromagnetic properties of the material. To meet a wide range of applications, the choice of the active piezoelectric element is carried out on an AT cut quartz. The study focuses on the steps leading in fine to an on-chip magneto-acoustic sensor with a contactless excitation.The theoretical study of a magneto-acoustic sensor inductively excited and loaded by a viscous fluid is first carried out. This sensor consists of three elements: a radio frequency (RF) sensor, a high quality factor RF resonator and a quartz on which two ring electrodes have been deposited. The complex viscosity of the studied material is derived from the electrical impedance of the complete system. The measurements carried on etalon viscoelastic materials show a good agreement with the theoretical results.The integration of the RF resonator on the piezoelectric element being via circular electrodes, a preliminary study is performed for determining the acoustic waves that can be generated in the quartz and their interaction with the electrodes. The laser vibrometry measurements indicate that Lamb waves are generated in a wide frequency range, from 100 kHz to 20 MHz. The analysis of the spatial pulse response of the sensor surface by 3D Gabor transform locates the source of these waves on the edge of the electrodes. Furthermore, the study of the disk at it fundamental frequency points out the high nonlinear mechanical behavior of the quartz.The plane RF multi-turn resonator and its integration on the quartz disk of the magneto-acoustic on-chip sensor are then studied. The experimental results of impedance and laser vibrometry measurements validate the proposed theoretical model. The selected frequency range (between 5 and 20 MHz) allows one to consider micro rheological measurements

Les matériaux de traitement acoustique tels que les mousses, tissus ou moquettes sont utilisés dans de multiples domaines afin d'absorber le son. Cela peut être à des fins de protection (travailleurs) ou pour apporter du confort (bâtiments, voitures, avions, etc ). Afin de dimensionner et choisir quel matériau utiliser en fonction de chaque situation, on utilise des calculs prévisionnels basés sur les caractéristiques des matériaux et permettant d'obtenir leur coefficient absorption où encore l'impédance de surface.Les caractérisations sont classiquement réalisées en laboratoire à partir de mesures normalisées via le tube d'impédance ou la méthode de la chambre réverbérante. Néanmoins, celles-ci possèdent de nombreuses limitations.La problématique de ce projet de doctorat est de trouver des solutions à partir de mesures réalisées à l'aide d'une antenne de microphones pour calculer les caractéristiques de matériaux acoustiques de manière fiable et robuste tout en dépassant les limitations des méthodes usuelles. Ce document est une synthèse des travaux menés dans cette direction. Le problème est traité au travers de deux grandes approches, les approches de type holographique où l'on reconstitue la pression acoustique et la vitesse normale particulaire pour estimer l'impédance de surface et les approches de correspondance de modèle (optimisation) où l'on identifie l'impédance de surface qui minimise l'erreur entre les mesures et le modèle. Les méthodes développées sont présentés pour différentes géométries d'antenne de microphones : sphérique, hémisphérique et planaire. Elles sont séparées entre les méthodes qui dépendent d'une géométrie et celles qui peuvent être appliquées à plusieurs géométries. Des simulations et des expériences sont réalisées afin de valider les modèles développés, enfin les avantages et inconvénients des méthodes proposées sont discutés
Sound absorbing materials such as foams, textiles or carpets are used in many areas to absorb sound. This can be for protection (workers) or comfort (buildings, cars, airplanes, etc.).In order to dimension and choose which material to use according to each situation, predictive calculations are used based on characterizations giving the absorption coefficients and/or surface impedance of the said materials.The characterizations are typically carried out in the laboratory using standardized measurements techniques such as the impedance tube or the reverberation chamber method. However, these have many limitations. The problematic of this PhD project is to find solutions by using a microphone antenna system to determine the properties of acoustic materials in a reliable and robust way while overcoming the limitations of conventional methods. This document is a synthesis of the work carried out in this direction. The problem is addressed through two main approaches, the holographic type approaches where one reconstructs the sound pressure and the normal particle velocity to estimate the surface impedance and the model matching (optimization) approaches where one identifies the surface impedance that minimizes the error between the measurements and the model.These models are presented for different microphone antenna geometries: spherical, hemispherical and planar. They are separated between methods that depend on one geometry and those that can be applied to several geometries.Simulations and experiments are shown to validate the developed models

Dans ce travail, nous avons etudie l'influence du liquide de couplage situe entre le capteur du microscope acoustique et l'echantillon, sur les phenomenes observes. De meme, la maniere dont ce couplant affecte la precision des parametres elastiques determines a partir des signatures acoustiques relevees, a ete analysee. Dans un premier temps nous avons du mettre au point le processus permettant la determination de ces parametres pour tous les types d'echantillons (massifs, couches minces isolees ou couches minces deposees sur un substrat massif). Nous avons utilise une methode d'ajustement numerique des parametres inconnus basee sur l'algorithme simplex. Dans un second temps, nous avons examine l'effet du couplant sur les resultats fournis par le processus mis au point. Nous avons etudie les trois principales modifications qu'entraine un changement de couplant sur l'ensemble des phenomenes mis en jeu lors de l'acquisition des v(z). La premiere est liee aux caracteristiques du capteur : la fenetre des vitesses des ondes de surface accessibles varie avec la vitesse du couplant. Les deux autres sont liees au comportement des ondes de surface excitees, en presence d'un liquide chargeant la surface : la vitesse de ces ondes ainsi que leur emission d'energie vers le capteur, augmentent avec la masse volumique et la vitesse du couplant. La prise en compte de l'ensemble de ces effets nous a permis d'optimiser le choix du couplant a employer selon le mode auquel on souhaite acceder. L'utilisation successive de plusieurs couplants de proprietes differentes permet ainsi d'ameliorer la precision globale de la methode de micro-caracterisation de materiaux par signature acoustique en facilitant la detection des modes les plus sensibles aux parametres a determiner.

Cette étude propose une nouvelle méthode de caractérisation acoustique des matériaux poreux absorbants. La méthode est basée sur un modèle théorique exact et sur des mesures acoustiques de part et d'autre d'un matériau de faible ément acoustique d'un tube ouvert baffle au travers d'un materiau poreux absorbant d'epaisseur finie. Deux modèles basés sur des approches théoriques différentes, sont établis pour exprimer le champ acoustique dans le matériau et dans le milieu semi-infini au-dessus du matériau. Le premier modèle utilise la théorie de la méthode intégrale et la collocation, alors que le second modèle repose sur la décomposition de l'onde sphérique élémentaire en ondes cylindriques. Des simulations numériques sont effectuées pour comparer les prédictions des deux modèles entre eux, et avec des résultats de la littérature. Ces simulations numériques sont utilisées aussi pour étudier les avantages et limites de chaque modèle, ainsi que leur sensibilité en fonction de la résistance au passage de l'air des matériaux poreux absorbants. Les modèles théoriques sont ensuite validés au moyen de comparaisons avec des mesures expérimentales effectuées sur trois échantillons de matériaux. La seconde partie exploite le cadre théorique développé dans la première partie pour construire une méthode de caractérisation acoustique des matériaux poreux absorbants. À partir des mesures de la pression acoustique en deux points distincts d'un tube ouvert bafflé qui débite dans un matériau, et de la mesure de la pression acoustique en un point au-dessus du matériau, la méthode fournit des prédictions de la constante de propagation acoustique et de l'impédance acoustique caractéristique du matériau. La fiabilité de la méthode est évaluée au moyen de simulations numériques, et au moyen de comparaisons avec une méthode expérimentale classique. Les analyses préliminaires permettent de croire que la méthode est potentiellement implantable sur une ligne de production des matériaux poreux absorbants. Il est envisageable qu'elle pourra alors servir à un contrôle continu et en temps réel des paramètres physiques des matériaux produits, à partir de mesures acoustiques. Un tel contrôle minimiserait les coûts de production des matériaux.

Ce travail a consiste a mettre au point une methode de mesure visant a determiner la celerite complexe d'ondes planes longitudinales se propageant dans un materiau solide. Le but de cette caracterisation etant de fournir les parametres necessaires pour predire le rayonnement d'une coque recouverte par le materiau teste. Apres une etude bibliographique sur la propagation dans les materiaux et sur certaines techniques de caracterisation, la methode retenue est presentee. Son principe est le suivant: le materiau est dispose sur un piston rigide assurant la transmission de l'excitation. Il est surmonte par une colonne d'eau, l'ensemble est contenu dans un tube cylindrique dont la paroi est supposee rigide. L'emploi de fonctions de transfert entre la force d'excitation mesuree a la base du piston et la pression acoustique existant dans la colonne d'eau permet de determiner la celerite dans le materiau. Pour cela, un modele decrivant la propagation dans le banc d'essais a ete etabli. A partir de ce modele, un systeme de deux equations non lineaires a deux inconnues peut etre pose. Sa resolution en employant l'algorithme de raphson-newton est presentee. Parallelement a cette methode, l'emploi d'une fonction cout minimisee par la technique des gradients est realise. Des mesures de validation du banc d'essais sont presentees et commentees. Les algorithes numeriques permettant d'evaluer la celerite ont ete etudies, aussi bien sur des mesures simulees que reelles. Ce travail devrait etre poursuivi, diverses suggestions sont donnees en fin de rapport

Si actuellement les methodes quantitatives d'analyse en microscopie acoustique sont largement developpees sur des echantillons ayant une structure quasi-homogene, et dont les proprietes acoustiques ne varient pratiquement pas au voisinage de la surface, il n'en est pas de meme pour les materiaux ayant un gradient dans leurs proprietes mecaniques. C'est pour cela que nous avons developpe une importante etude aussi bien theorique que experimentale pour modeliser et caracteriser ces materiaux par des methodes microacoustiques. Sur le plan theorique, nous avons propose une methode originale de modelisation: elle est basee sur la subdivision du materiau a gradient en un nombre de couches suffisamment important pour que les parametres acoustiques varient de facon quasi-continue en fonction de la profondeur z suivant le profil du gradient considere. Ensuite, une etude fondamentale detaillee sur les courbes de dispersion pour differents couples de materiaux est presentee. L'analyse de ces courbes nous a permis de mettre en evidence deux points importants qui sont, suivant le couple de materiaux etudie: le point d'inflexion et le maximum de la courbure. Afin de completer cette etude, nous nous sommes interesses au probleme inverse qui nous permet, grace a ces points, de retrouver les caracteristiques physiques des materiaux a gradient. Les resultats experimentaux obtenus sur des echantillons d'acier, de verre et de materiaux metal/semi-conducteurs (in/gasb) ont confirme les previsions theoriques

L'efficacité croissante dans le domaine des basses fréquences des moyens de détection des cibles sous-marines implique une amélioration des matériaux d'isolement ou de découplage. Cette amélioration passe par la connaissance précise des caractéristiques acoustiques des matériaux employés. Dans ce contexte, l'objet de ce mémoire est la mise au point d'une méthode de caractérisation de ces matériaux utilisable à la pression atmosphérique mais susceptible d'être transposée à quelques dizaines de bars. Pour cela, un tube d'acier rempli d'eau et fermé à chacune de ses extrémités par un transducteur est utilisé. Le transducteur dit récepteur est commandé en tension afin d'établir un système d'ondes progressives. Selon les caractéristiques recherchées, l'échantillon est soit placé au milieu du tube, soit collé sur le pavillon d'un des deux transducteurs. Les paramètres obtenus, dans une gamme de fréquence s'étendant de 500 hz a 3000 hz, sont respectivement les coefficients de réflexion et de transmission ou les coefficients de masquage et d'anechoicite. Le principal matériau étudié dans ce mémoire est le microvon. C'est un matériau viscoélastique utilisé principalement comme matériau de masquage ou comme réflecteur mou. Les mesures du coefficient de masquage de ce matériau sont tout d'abord présentées. Ces mesures sont comparées aux mesures réalisées à la dcn/toulon. Un bon accord est trouvé. Les mesures du coefficient d'anechoicite sont présentées à la suite. Puis l'échantillon est déplacé au milieu du tube pour les mesures des coefficients de réflexion et de transmission. Dans cette position, la mesure de la fonction de transfert de l'échantillon permet de calculer l'ensemble des coefficients décrits dans ce mémoire. En conclusion, plusieurs extensions de la méthode sont envisagées.

Ce travail porte sur le développement de techniques de caractérisation mécanique aux basses fréquences des matériaux poreux, tels que les mousse polymères et les matériaux fibreux, couramment utilisés pour réduire les nuisances sonores. Dans une permière partie un banc de caractérisation quasistatique en traction compression permettant de mesurer le module d'Young et le coefficient de Poisson de ces matériaux sur la plage de fréquence 1-100 Hz est présenté. Une attention particulière est portée à la recherche du domaine linéaire de mesure, à la dépendence en fréquence, à l'anisotropie et aux effets dynamiques et de couplage. La deuxième partie est consacrée à la validation d'une technique pour étendre la bande de fréquence de mesure mieux adaptée à l'utilisation industrielle de ces matériaux aux hautes fréquences. Cette technique, basée sur le principe de superposition fréquence-température, est validée pour les mousses polyuréthane. De plus, on montre que la caractérisation d'un seul module d'élasticité sur une large plage de fréquence est suffisante pour décrire la dépendance en fréquence de tous les modules d'élasticité du matériau. La demière partie présente un nouveau système expérimental pour la mesure dynamique du module de rigidité en flexion des plaques poroélastiques (cette configuration est souvent utilisée). L'inversion repose sur une analyse modale basée sur la méthode de Prony et sur un modèle de plaque basé sur la théorie de Biot, incluant les interactions fluide-structure dans la plaque. Les résultats obtenus sur un matériau fibreux sont satisfaisants alors que les résultats obtenus sur une mousse polyuréthane montrent les limites du modèle développé
This work deals with new caracterisation techniques of the mechanical properties of porous materials, such as polymeric foams and fibrous materials, currently used in sound absorbing applications. First, a quasistatic traction-compression experimental technic used to measure Young's modulus and Poisson's ratio of such materials on the frequency range 1-100 Hz is described. A special attention is paid on linear domain, frequency dependence, anisotropy and dynamical and coupling effects. Next a most adapted to industrial context technic allowing a large frequency range carcterisation is presented. This technic, based on the frequency-temperature superposition principle, is validated on polyurethan foams. Moreover, it is shown that the knowledge of the frequency dependence of one modulus is enougth to predict the frequency dependance of all moduli. These materials being usually plate like, the final part presents a new experimental device to measure the bending modulus of poroelastic plates. The inversion is based on modal analysis with the Prony method and on a analytical model of bending behaviour of poroelastic plates. This model is based on the Biot model in order to take into account the fluid-strucure coupling effects. Results obtained on a fibroux material are satisfying while results obtained on a polymeric foam show clearly the limits of this new model

Dans ce manuscrit, nous présentons l'étude théorique et expérimental qui a été menée pour concevoir un dispositif de contrôle par ondes acoustiques de surface, permettant de caractériser localement (sur une profondeur comparable a la longueur d'onde) des matériaux isotropes ou anisotropes. Le dispositif utilise un capteur multi-éléments de forme conique qui a été spécialement conçu à cet effet. Il fonctionne en régime impulsionnel, dans la gamme de fréquences de 1 à 5 mhz. Il est possible, pour remonter aux propriétés mécaniques des matériaux, de mesurer les caractéristiques (vitesse, atténuation, ) de l'onde de surface. Pour en mesurer la vitesse de propagation, différentes méthodes ont été développées en utilisant les possibilités offertes par la technologie multi-éléments. L'originalité de ces méthodes réside dans le fait que les mesures sont effectuées sans mouvoir le traducteur, ce qui permet de limiter l'encombrement du dispositif, du fait de l'absence de système mécanique. Par ailleurs, cette spécificité permet, par rapport aux méthodes existantes (en particulier, la technique v(z)), d'accélérer la procédure de caractérisations. Dans la partie théorique de cette étude, un modèle versatile permettant de simuler en régime harmonique et en régime impulsionnel, le champ incident, le champ réfléchi sur un matériau isotrope ou anisotrope de surface plane et la tension électrique de sortie pour des traducteurs de forme arbitraire, a été développé. Le modèle a été appliqué au cas du traducteur multi-éléments conique et également au cas des traducteurs monolithiques plans de forme rectangulaire ainsi qu'aux traducteurs focalisants de forme sphérique et cylindrique. Il permet non seulement de prédire les contributions géométriques (spéculaires) du champ acoustique réfléchi et le signal correspondant, mais également les contributions rayonnées (non spéculaires) relatives a l'excitation des ondes de surface.

L'objectif de cette étude est de déterminer une méthode d'analyse du signal V(z) obtenu expérimentalement sur des échantillons plans (plaque ou substrat). Le dit signal correspond à la sommation sur la surface d'un transducteur focalisé du champ réfléchi par l'échantillon. Ce signal dépend de la distance (z) algébrique entre la focale et le plan de l'échantillon. (. . . ) Ces coefficients contiennent des singularités associées à la présence de modes guidés dans l'échantillon pouvant être reliés aux constantes élastiques. Cela conduit à la définition d'une fonction de minimisation qui est une sommation de termes quadratiques correspondant au carré de la différence entre le coefficient de réflexion mesuré et celui paramétré par les constantes élastiques. La fonction de minimisation définie dans l'espace des constantes présente un minimum à fort gradient autour de la solution. Dans le cas istrope une fonction de minimisation unique suffit pour évaluer les constantes. Dans les cas cubique et hexagonal il faut définir deux fonctions de minimisation associées à deux directions de propagation différentes, chacune de ces direction permettant de définir une partie des constantes. L'algorythme d'optimisation utilisé (simplexe) est une méthode de recherche locale. C'est pourquoi il faut avoir un ordre de grandeur des constantes recherchées afin de pouvoir initialiser le programme. Une méthode graphique est proposée et permet de quantifier ces différentes constantes. Dans le cas des plaques, la méthode est validée pour un échantillion de verre (isotrope), de silicium (symétrie cubique) et de composite unidirectionnel (symétrie hexagonale). Sont également discutées les limites de la méthodes dans le cas des substrats
The purpose of the following study is to determine a processing method of the experimental V(z) signal obtained on flat samples (plates and substrates). The so-called V(z) signal corresponds to the sum over the surface of the focalised transducer of the reflected field. This signal depends on the z-defocus which is the distance between the interface of the sample and the focus. The inversion process operated on the V(z) signal gives the reflectance coefficient R(0,f) in the range of the frequency bandwidth and for all angles included in the half-aperture of the transducer. These R-coefficients have singularities closely linked to the generation of surface wave in the sampleand and are dependant on the elastic constants C. This lead to the definition of a minimization function which is a sum of quadric terms corresponding to the difference between the measured R-coefficient and the simulated one versus the elastic constants. This function defined in the C space gets a sharp trace in the vicinity of the solution. In the isotropic case a single minimization function gives the evaluation of the elastic constants, whereas for both the cubic and hexagonal case two minimization functions are required, each giving the evaluation of a bunch of constants. The optimization algorithm (simplex method) is a local searching method. Thus, we need to have an approximate range value of the searched elastic constants in order to initialize the algorithm. A graphical method is proposed for this purpose. The validation is carried out for plates of different symmetries: glass (isotropic), silicon (cubic) and fibers-composition (hexagonal). The limitations of this method are also discussed in the case of substrates

Dans le bâtiment, de nouvelles réglementations thermiques sont mises en place afin de répondre à des problématiques d'économie d'énergie, et font apparaître de nouveaux types de matériaux. Cela ne doit pas se faire au détriment des propriétés acoustiques. Les matériaux à base de particules et fibres végétales, tels que le béton de chanvre et les laines chanvre/lin, sont caractérisés par des propriétés multifonctionnelles de haut niveau et constituent des solutions parfaitement adaptées à ce contexte. L'objectif de ce travail de thèse est d'explorer les propriétés acoustiques de ces matériaux, et plus particulièrement de mettre en évidence la contribution de leurs différentes échelles de porosité à la dissipation acoustique. A cette fin, les propriétés physiques et acoustiques de laines végétales, de chènevottes et de bétons de chanvre ont été caractérisées, et analysées en s'appuyant sur la théorie des matériaux poreux à simple et multiple échelle, développée dans la littérature. La campagne expérimentale a permis de souligner les performances acoustiques élevées de ces matériaux, pouvant être contrôlées par des leviers d'action relatifs au choix de leurs constituants et de leur mise en oeuvre. Il est de plus montré qu'étant donné le gradient de perméabilité existant entre les micropores (pores intrafibres, intraparticules et intraliants) et les mésopores (pores interfibres et interparticules), seuls les mésopores participent à la dissipation acoustique. Dans ce cadre, des modèles semi-phénoménologiques sont utilisés afin de prédire les propriétés acoustiques à partir des paramètres de base des constituants. Cette modélisation est finalement exploitée à travers une optimisation des propriétés acoustiques des matériaux à partir de leur formulation, leur structure multicouche et leur géométrie de surface. Des méthodes de caractérisation des matériaux par mesures acoustiques sont également proposées afin de réaliser un contrôle de qualité des granulats de chanvre.

AUne étude théorique et expérimentale de la propagation acoustique dans les milieux à double porosité soumis à l’écoulement de liquides turbides est présentée. Deux matériaux à double porosité supposés obéir à l'extension faite par Berryman et Wang (1995) de la théorie de Biot en régime basse fréquence sont examinés : (i) le ROBU® dont les grains poreux individuels, formés de minuscules billes verre de borosilicate 3.3, sont quasi-sphériques et (ii) la Tobermorite 11 Å dont les grains poreux individuels à base de ciment sont de formes très irrégulières. Nous proposons, d’une part une modélisation numérique de la propagation acoustique à travers une maquette de forme parallélépipédique remplie d’un milieu à double porosité, et d’autre part une validation expérimentale en laboratoire. Les caractérisations du milieu à double porosité par la voie mécanique sont également présentées. Les essais de traçage en vue de la caractérisation du transport et du dépôt de particules en suspension dans le liquide turbide, sont effectués. Les interprétations des résultats sont basées entre autres sur le temps de transfert, le taux de restitution, la capacité de rétention, le profil spatial de la rétention et le tri granulométrique des particules transportées. L’objectif de nos travaux de recherche est de développer une méthode d’investigation non destructive permettant une évaluation du degré de colmatage résultant du dépôt des particules fines dans les pores, par exemple
A theoretical and experimental study of wave propagation in double porosity media submitted to the flowing of turbid liquids is led. Two samples of double porosity materials assumed to obey Berryman and Wang’s extension (1995) of Biot’s theory in the low frequency regime are considered : (i) ROBU® (pure binder-free borosilicate glass 3.3 manufactured to form the individual grains) and (ii) Tobermorite 11 Å ( the individual porous cement grains show irregular shapes). We propose on the one hand a numerical study of wave propagation through a rectangular box filled with a double porosity medium and, on the other an experimental validation in laboratory. The characterizations of the double porosity medium by using mechanical tools are also presented. The tracing tests for characterizing the transport and the deposition of suspended particles contained in saturating liquids, are realized. The interpretations of the results are based on the transfer time, the restitution ratio, the retention capacity, the spatial profile of the retention and the size sorting of transported particles. The aim of our research is to develop a method for non-destructive testing that allows an assessment of the degree of clogging resulting from the deposition of fine particles in the pores, for example

Ce mémoire présente les applications associées au microscope acoustique à pointe vibrante. Ces applications concernent d'une part la caractérisation de la rigidité locale des alliages à mémoire de forme, et d'autre part la mesure de la différence de potentiel de contact des matériaux. Le microscope acoustique à pointe vibrante qui est une technique de microscopie à champ proche, utilise un microlevier résonnant associé à une pointe et un transducteur piézoélectrique. La source acoustique sub-longueur d'onde constituée par la pointe interagit avec le milieu matériel à caractériser. La variation de la fréquence de résonance du micro-levier est détectée à travers l'impédance électrique du transducteur piézoélectrique, et permet de quantifier les propriétés élastiques locales du milieu microdéformé avec une excellente précision. Nous ayons ajouté au microscope un système de mesure de déflexion optique qui permet de quantifier les forces normales et tangentielles appliquées à l'échantillon, et une source thermique régulée permettant d'étudier la réponse du matériau en fonction de la température. Nous montrons que le microscope acoustique à pointe vibrante permet de détecter les transitions de phase des alliages à mémoire de forme par la mesure de la rigidité locale en fonction de la température. Nous montrons également qu'avec ce microscope opérant cette fois en mode non-contact, qu'il est possible de mesurer et quantifier les forces électriques dynamiques entre la pointe et l'échantillon. Une méthode originale de la mesure de la différence de potentiel de contact a été mise au point. Elle permet de quantifier cette propriété électrique des matériaux avec une bonne précision. Cette étude a aussi permis de quantifier les forces électriques non linéaires entre la pointe et l'échantillon.

Les variations dans les courbe dite V(z), obtenues en microscopie acoustique, donnent des renseignements sur la vitesse des modes guidés par la surface. Le but de ce travail est alors de contribuer à caractériser les matériaux en cherchant à déterminer leurs constantes élastiques à partir de la vitesse des modes guidés. Le calcul du coefficient de réflexion pour différentes structures telles que solide anisotrope semi-infini, plaque, multicouche, multicouche sur substrat, est présenté tout d'abord. Des résultats de simulation de courbes V(z,f) pour des matériaux isotropes, où f est la fréquence, et V(z,) pour des matériaux anisotropes, où est l'angle azimutal, sont ensuite présentes pour les différentes structures précédemment décrites. A partir des profils de vitesse obtenus en fonction de l'angle azimutal par la méthode de Kushibiki, des simulations de recherche de constantes élastiques sont présentées pour un substrat de MgO, ainsi que pour une couche de TiN sur ce même substrat. La méthode repose sur une procédure utilisant l'algorithme du simplexe afin de minimiser l'écart entre les vitesses calculées, pour un jeu de constantes donne, et celles mesurées. Dans le cas de matériaux isotropes se comportant comme des guides d'ondes, tels qu'une plaque mince ou un dépôt sur un substrat, une variante originale de cette méthode est proposée. Elle repose sur l'obtention d'un profil fréquentiel d'une grandeur homogène à une vitesse associée à une résonance globale de la structure. Les deux méthodes d'obtention des constantes élastiques sont ensuite validées expérimentalement, respectivement sur un substrat de silicium (symétrie cubique) et sur des plaques de verre et d'aluminium (isotrope). Dans tous ces cas, les valeurs des constantes ont pu être déterminées avec une très bonne précision, et il a pu être vérifié également les prévisions des simulations concernant l'écart initial maximal tolérable sur les constantes
The principle of the acoustic microscopy is based on the use of spherical or cylindrical lens allowing to focus the acoustic waves propagating in a fluid. The variations in the so-called V(z) curve give informations on the speed of the surfacically guided waves. The purpose of this work is to contribute to the characterization of materials by trying to determine their elastic parameters out of the speed of the guided waves by the use of an optimization algotrithm based on the simplex. Since the reflection coefficient is necessary for the modeling of the answer of the microscope, it’s calculation for various structures such as semi-infinite anisotropic solid, plate, multilayer, multilayer on substrate, is presented at first. The problems of numerical stability are also discussed in trying to bring a partial solution by including a symbolic calculation code. The numerical prediction of V(z) curves is then discussed. Results of simulation of V(z, f) curves for isotropic materials, where f is the frequency, and of V (z, Φ) for anisotropic materials where Φ is the azimutal angle are presented for the set of structures firstly described. From the profiles of speed obtained versus the azimutal angle by using the Kushibiki’s method, simulated calculations of the elastic parameters are presented for a substrate of MgO, as well as for a TiN layer on this particular substrate. The method is based on a procedure using the algorithm of the simplex in order to minimize the gap between the speedscalculated for a given set of constants and the measured ones. In the case of isotropic materials behaving as wave-guides, such as a thin plate or a coated substrate, an original variant of this method is proposed. This one is based on the use of a profile versus the frequency of a parameter; which is homogeneous to a speed associated to a global resonance of the structure. The determination of the elastic constants is then made by minimizing the gap between the profiles of the measured and calculated speeds versus frequency. Using these methods, several experiments have been led and showed the importance of a precise knowledge of the geometrical characteristics of the used probe (curvature, opening angle). Both methods for the determination of the elastic parameters were then experimentally validated, respectively on a silicon substrate (cubic symmetry ) and on glass and aluminium plates (isotropic). In all cases, the values of the elastic parameters were determined with a very good precision. The prediction regarding the maximal initial gap constants were verified as well

Ce travail porte sur l'étude de structures multicouches à gradient de propriétés (FGM : Functionnally Graded Materials). Ces matériaux sont apparus afin d'obtenir des dépôts aux caractéristiques nouvelles et innovantes. Les FGM sont désormais présents dans divers applications de haute technologie.Un système multicouche à gradient de composition entre le cuivre et le nickel, a fait l'objet d'une étude expérimentale par l'application de la technique des ultrasons laser (LU) couplée à une étude numérique basée sur le formalisme de Stroh et la méthode de la matrice de raideur. Le travail de thèse est organisé autour de quatre chapitres. Le premier chapitre est dédié à l'aspect théorique de la propagation des ondes de surface dans une structure multicouche et à gradient de propriétés. Ainsi, un développement des méthodes numériques pour les matériaux dotés de la piézoélectricité est fourni. Le second chapitre se consacre à l'élaboration des échantillons utilisés dans notre étude et obtenus par pulvérisation cathodique. Le troisième chapitre présente la méthode opto-acoustique utilisée pour caractériser les échantillons réalisés. le dernier chapitre présente les résultats expérimentaux, confrontés aux résultats théoriques, décrivant le comportement dispersif des multicouches submicrométriques
This thesis focuses on the study of multilayered and FGM systems (FGM : Functionnally Graded Materials). The main purpose of this type of materials is to obtain deposits with new and innovative features and to increase the fracture toughness. From now on, FGM have been used in various high technology applications.A multilayer system with a composition gradient of copper and nickel was studied experimentally by the application of the laser ultrasonics (LU) technique which was coupled to a theoretical study based on the ordinary differential equations (ODE) and the Stiffness Matrix Method (SMM). This PhD thesis is organized around four chapters. The first chapter is dedicated to a theoretical study of the propagation behavior of surface acoustic wave (SAW) in a multilayer system with à gradient of properties. Thus, the numerical methods developped for the piezoelectric materials (FGPM) are presented. The second chapter is devoted to describe the setup for making the samples used in this study which were obtained by sputtering technique. The third chapter presents the experimental study dedicated to the measurement of surface wave velocities in many crystal orientations. The last chapter of the manuscript presents experimental results, compared to the theoretical results, describing the dispersive behavior of submicrometer multilayers

La structure externe des satellites en orbite, composée de matériaux polymères, est exposée continument à des particules chargées induisant des potentiels à l'origine des Décharges Electrostatiques - ESD. Plusieurs techniques sont actuellement utilisées pour sonder la charge d'espace dans les matériaux diélectriques, une de ces techniques est la méthode électro-acoustique pulsée - PEA (Pulsed Electro-Acoustic). Cette méthode consiste en la détection des ondes acoustiques générées par la charge d'espace sous l'effet coulombien d'une impulsion de champ électrique appliqué. Après un traitement numérique adéquat, la distribution de la charge d'espace en fonction de la profondeur de l'échantillon est établie. L'un des inconvénients de cette technique pour la caractérisation des matériaux spatiaux est sa résolution spatiale, environ 10 µm. En effet, les matériaux diélectriques utilisés dans les structures satellites ont une épaisseur comprise entre 50 et 75µm. L'objectif de cette thèse consiste donc à concevoir une cellule de mesure de la charge d'espace avec une résolution spatiale suffisante pour analyser le comportement des charges dans des matériaux spatiaux, environ 1 µm. Ce projet finalisé permettra de disposer d'un outil de mesure parfaitement maitrisé en terme de limite en résolution et comprendre ainsi l'origine des artefacts présents généralement dans la mesure et ainsi éviter toute interprétation de phénomènes considérés comme physique mais qui sont, en réalité, uniquement la manifestation d'un défaut de la chaine de mesure
Dielectric materials are frequently used in satellite structures as a thermal blanket. Subjected to an electron irradiation - space environment - they can cause in-orbit satellite anomalies. One of these aspects is the charge accumulation due to the flux of space charged particles, and particularly to electrons. This accumulation increases the local electric field in the material bulk and can lead to an Electrostatic Surface Discharge - ESD. This phenomenon could cause serious damage to the satellite structure or performance. In order to have a better control on the discharge it is necessary to clarify; the nature, position and quantity of stored charges with time and to understand the dynamics of the charge transport in solid dielectrics. The Pulsed-Electro Acoustic - PEA method allows us to obtain these features, like the spatial distribution of space charges. One of the weaknesses of this current technique is spatial resolution, about 10 µm. Dielectric materials used in satellite structures have a thickness of 50 and 75 µm. This work aims at improving the spatial resolution for the PEA method. Whatever measurement principle considered, the best spatial resolution achievable is 10µm. This is a drawback when considering rather thin insulating layers (order of tens of microns), as the case in some capacitors or films on outer parts of satellites. Also, a better resolution (1µm) is expected to provide a better description of charge generation in insulation at metal dielectric interfaces or under low energy electron beams

L'objectif global visé par les travaux de cette thèse est d'améliorer la caractérisation des propriétés macroscopiques des matériaux poreux à structure rigide ou souple par des approches inverses et indirectes basées sur des mesures acoustiques faites en tube d'impédance. La précision des approches inverses et indirectes utilisées aujourd'hui est principalement limitée par la qualité des mesures acoustiques obtenues en tube d'impédance. En conséquence, cette thèse se penche sur quatre problèmes qui aideront à l'atteinte de l'objectif global précité. Le premier problème porte sur une caractérisation précise de la porosité ouverte des matériaux poreux. Cette propriété en est une de passage permettant de lier la mesure des propriétés dynamiques acoustiques d'un matériau poreux aux propriétés effectives de sa phase fluide décrite par les modèles semi-phénoménologiques. Le deuxième problème traite de l'hypothèse de symétrie des matériaux poreux selon leur épaisseur où un index et un critère sont proposés pour quantifier l'asymétrie d'un matériau. Cette hypothèse est souvent source d'imprécision des méthodes de caractérisation inverses et indirectes en tube d'impédance. Le critère d'asymétrie proposé permet ainsi de s'assurer de l'applicabilité et de la précision de ces méthodes pour un matériau donné. Le troisième problème vise à mieux comprendre le problème de transmission sonore en tube d'impédance en présentant pour la première fois un développement exact du problème par décomposition d'ondes. Ce développement permet d'établir clairement les limites des nombreuses méthodes existantes basées sur des tubes de transmission à 2, 3 ou 4 microphones. La meilleure compréhension de ce problème de transmission est importante puisque c'est par ce type de mesures que des méthodes permettent d'extraire successivement la matrice de transfert d'un matériau poreux et ses propriétés dynamiques intrinsèques comme son impédance caractéristique et son nombre d'onde complexe. Enfin, le quatrième problème porte sur le développement d'une nouvelle méthode de transmission exacte à 3 microphones applicable à des matériaux ou systèmes symétriques ou non. Dans le cas symétrique, on montre que cette approche permet une nette amélioration de la caractérisation des propriétés dynamiques intrinsèques d'un matériau.

La valorisation des déchets végétaux très abondants au Maroc offre un grand potentiel pour le développement d'une nouvelle filière des matériaux composites. Néanmoins, ce potentiel est encore peu exploité. Dans ce contexte, ce travail a été mené afin d'étudier les caractéristiques thermiques et acoustiques des plaques composites locales à base de fibres végétales. L'objectif est double: d'une part, proposer une solution alternative à la gestion des déchets au Maroc, et d'autre part améliorer les performances thermiques et acoustiques des parois.Plusieurs échantillons de matériaux composites à base de fibres végétales (copeaux de bois, sciure de bois, chènevotte broyée et fibrée) ont été élaborés, dans le but d'évaluer leurs caractéristiques thermiques et acoustiques.Du point de vue thermique, les résultats expérimentaux ont montré que la majorité des composites étudiés présentent des valeurs faibles de la conductivité et de la diffusivité thermiques. De plus, la variation de la masse volumique apparente a un effet considérable sur les propriétés thermiques des composites. En outre, les paramètres d'inertie thermique du mur extérieur sont influencés par les propriétés thermophysiques, l'épaisseur et l'emplacement de l'isolant dans le mur, ainsi que le coefficient d'échange global interne.Du point de vue acoustique, les échantillons présentent une capacité d'absorption acoustique significative, en particulier dans les hautes fréquences. Ils peuvent absorber plus de 50% de l'énergie sonore incidente dans une large gamme de fréquences. La masse volumique apparente et la taille des particules des composites influencent également l'absorption acoustique.En conclusion, les résultats obtenus fournissent une évaluation fiable et prometteuse des performances thermiques et acoustiques des matériaux d'isolation d'origine végétale. Le développement de cette filière contribuera au programme de développement de l'efficacité énergétique au Maroc et enrichira la base de données des matériaux d'isolation disponibles dans le pays
The valorization of plant waste, so abundant in Morocco, offers great potential for the development of a new sector of composite materials. Nevertheless, this potential remains under-exploited. In this context, this study was carried out to investigate the thermal and acoustical characteristics of local composite panels based on plant fibers. The aim is twofold: on the one hand, to offer an alternative solution to waste management in Morocco, and on the other hand, to improve the thermal and acoustic performance of walls.Several samples of composite materials based on plant fibers (wood chips, sawdust, crushed hemp shiv, and fibred hemp shiv) were developed to assess their thermal and acoustical characteristics.From a thermal point of view, the experimental results have shown that the majority of composites studied exhibit low values of the thermal conductivity and diffusivity. In addition, the variation in bulk density has a considerable effect on the thermal properties of the composites. In addition, the thermal inertia parameters of the exterior wall are influenced by the thermophysical properties, thickness, and position of the insulation in the wall, as well as the internal global heat exchange coefficient.From an acoustic point of view, the samples have a significant acoustic absorption capacity, particularly at high frequencies. They can absorb more than 50% of incident sound energy over a wide range of frequencies. Composite bulk density and particle size also influence acoustic absorption.In conclusion, the results obtained provide a reliable and promising assessment of the thermal and acoustic performance of plant-based insulation materials. The development of this sector will contribute to Morocco's energy efficiency development program and enrich the database of insulation materials available in the country

L'utilisation de matériaux en acoustique sous-marine nécessite la connaissance de leurs caractéristiques acoustiques. Pour ce faire, on peut mesurer les coefficients de réflexion et de transmission complexes de panneaux. En pratique, les mesures sont perturbées par les phénomènes de diffraction dus à la taille finie du panneau. On étudie dans ce mémoire des méthodes de mesure qui conduisent aux caractéristiques intrinsèques du matériau, comme si le panneau était de largeur infinie. En incidence normale, on propose l'emploi d'un capteur surfacique. Différentes techniques (mesure de pression, intensimétrie, impédance), ainsi que l'effet de la taille et de la position du récepteur, sont étudiés numériquement à l'aide d'un modèle théorique fondé sur l'équation intégrale de Helmholtz. On établit une limite basse en fréquence des mesures avec un panneau de dimensions latérales données : la taille du panneau doit être plus grande qu'une longueur d'onde dans l'eau du signal d'excitation pour considérer les mesures comme significatives. Les résultats expérimentaux obtenus avec un capteur surfacique en PVDF confirment les prévisions du modèle numérique. Cette méthode est maintenant appliquée couramment au GERDSM jusqu'à 16 kHz, fréquence limite imposée par la non-transparence du capteur. Pour les fréquences supérieures à 16 kHz, on étudie la faisabilité d'une méthode de mesure utilisant un signal de courte durée et un capteur ponctuel que l'on déplace pour qu'il décrive une surface S parallèle au panneau. Pour réduire le nombre de points de mesure, on les choisit de manière pseudo-aléatoire. En incidence oblique les coefficients de réflexion et de transmission sont évalués à partir d'un champ incident arbitraire excitant le panneau. Les champs incidents, réfléchis et transmis sont modélisés comme la somme d'ondes planes élémentaires et harmoniques. On détermine l'amplitude de chaque composante en échantillonnant spatialement les champs de pression et en appliquant des transformées de Fourier. A l'aide du modèle fondé sur l'équation intégrale de Helmholtz, on étudie différents types d'excitation à bande large dans l'espace des nombres d'onde et on met en évidence les conditions nécessaires que doivent posséder les excitations pour ce type de mesure. On montre, en particulier, que l'emploi d'une source ponctuelle produit une erreur systématique due à la taille finie des antennes de mesure. On présente des résultats expérimentaux obtenus sur des panneaux homogènes et non-homogènes qui établissent la faisabilité de la méthode de mesure.

Cette thèse étudie le potentiel des techniques issues de l’acoustique non linéaire appliquées à la caractérisation non destructive du béton. Les méthodes non linéaires ont été envisagées car les indicateurs de non linéarité montrent des dynamiques d’évolutions importantes face à l’endommagement dans les milieux homogènes. Souvent, leur dynamique d’évolution est de dix fois supérieure à celle des paramètres linéaires. Un des enjeux majeurs pour l’évaluation non destructive dans le domaine du génie civil, est la recherche d’indicateurs capables de fournir des informations pertinentes in situ. Le béton, matériau de structure, voit ses caractéristiques évoluer au cours du temps en fonction des paramètres structuraux (composition, endommagement…) et environnementaux (teneur en eau, température, précontrainte…). Milieu fortement hétérogène et microfissuré par nature, il exhibe un comportement fortement non linéaire caractéristique des matériaux appelés « non classiques », mis en évidence dans les années 1990 pour les roches ou plus récemment les milieux granulaires. Dans un premier temps, nous nous attachons à caractériser la non linéarité classique du béton, traduisant la dépendance de la vitesse des ondes ultrasonores avec la contrainte appliquée. Pour ce faire, nous transposons au cas du béton une méthode issue de la géophysique fondée sur l’analyse de la coda des signaux transmis, au fort potentiel d’application in situ. Nous nous intéressons dans un second temps à la sensibilité des indicateurs non linéaire non classiques à un endommagement thermique progressif. Nous employons pour ce faire la méthode de résonance non linéaire et montrons la sensibilité de ces indicateurs à ce type d’endommagement. Nous montrons de plus la faisabilité de l’analyse des modes de résonance transverses pour la méthode ainsi que la similitude de leur réponse avec celle des modes longitudinaux. Nous traitons enfin des limites de transposition sur site de cette méthode. Nous avons développé une autre approche au fort potentiel de transposition in situ, en étudiant la non linéarité par l’interaction d’un impact mécanique avec une onde monochromatique. Nous examinons enfin l’apport d’un modèle proposé récemment, permettant de traduire l’influence de certains paramètres tels que la porosité et la teneur en eau sur la réponse non linéaire du béton. Nous transposons ce modèle au cas du béton, puis nous appuyant sur une série d’expériences, nous proposons une fonction permettant d’optimiser les paramètres influents du modèle. Nous avons démontré le potentiel des méthodes non linéaires pour l’auscultation in situ du béton. Les travaux se poursuivront sur la possibilité d’augmenter la sensibilité de détection des non linéarités en mettant en œuvre le retournement temporel et la dynamique lente
This thesis study the potential of nonlinear acoustics based techniques applied to non-destructive evaluation of concrete. Nonlinear based methods have been considered as regard of nonlinear indicators sensitivity face homogeneous medium’s damage. Their dynamic evolution is often two order magnitude greater than linear ones. One of the greater stacks for non destructive evaluation in civil engineering is research of indicators capable of providing relevant information in situ. Concrete, structural material, find itself properties altering in time as function of its structural (composition, damage…) and environmental (water saturation, temperature, pre-stress…) parameters. Naturally highly heterogeneous and micro-cracked medium, it exhibits a strong nonlinear response, signature of so called since 1990’s “non classical” materials such as rocks or more recently as granular mediums. We illustrate first the classical nonlinearity of concrete, reflecting ultrasound wave speed dependence with quasi-static stress. Thus, we apply in case of concrete a method from geophysics studying the coda of transmitted waves, with a high potential for on site applications. Secondly, we study sensitivity of nonlinear non classical parameters face of a progressive thermal damage. So we employ the Nonlinear Resonant Ultrasound Spectroscopy (NRUS) method and show sensitivity of these indicators to this kind of damage. We then show feasibility and sensitivity of applying shear modes for the method as well as similarity of their response with compressional ones. At last, we deal with its on site transposition limits. Another approach is implemented studying non classical nonlinearity by interaction of a mechanical impact with a monochromatic wave, with a high potential for on site applications. We finally describe and transpose in case of concrete, a recent modelling which allow describing the influence of some parameters as water saturation and porosity on the nonlinear response of concrete. We then exploit a battery of experiments in order to optimising some influent parameters in the model. We have demonstrated the potential of nonlinear methods for on site non destructive evaluation of concrete. This work is to be continued by studying possibilities of increasing sensitivity of nonlinearities detection by using time reversal mirror or slow dynamics

Durant ces dernières années, les matériaux composites bio sourcés sont utilisés dans différents secteurs industriels suite à leurs intérêts environnementaux. L’utilisation d’une matrice biologique renforcée par des fibres végétales permet d’améliorer non seulement la protection environnementale mais aussi les performances mécaniques. D’autre part, les structures auxétiques ont émergées pour leurs hautes propriétés spécifiques performantes et surtout leurs grandes capacités d’absorption énergétique. Dans ce cadre, cette étude propose l’élaboration d’un matériau composite sandwich à âme auxétique en nid d’abeilles ré-entrantes et à constituant purement naturel. Cette structure a été élaborée par la méthode de fabrication additive. D’abord, le comportement statique en traction des peaux est analysé. Les caractéristiques élastiques des éprouvettes imprimées suivant différentes directions sont déterminées. Par la suite, les propriétés mécaniques des âmes auxétiques en traction, en compression ainsi que celles des sandwichs en flexion et indentation ont été étudiées. Une analyse des mécanismes d’endommagement au cours des essais d’indentation est effectuée en utilisant la technique de l’émission acoustique. Ensuite, des essais expérimentaux et des modèles analytiques (et éléments finis) ont été menés pour déterminer le comportement en fatigue des sandwichs. Enfin, une étude du comportement vibratoire de la peau, d’âmes et des sandwichs est réalisée suite à une étude expérimentale et numérique par éléments finis. L’effet de chaque composant dans l’amortissement global est discuté
In recent years, bio-based composite materials have been used in different industrial sectors due to their environmental interests. The use of a biological matrix reinforced with vegetable fibers makes it possible to improve not only environmental protection but also mechanical performance. On the other hand, auxetic structures have emerged as a result of their high specific properties and especially their great energy absorption capacities. In this context, this study proposes to develop a composite sandwich material with a re-entrant honeycomb core and a purely natural constituent. In order to build this structure, the additive manufacturing method was used. First, the static tensile behavior of the skins is analyzed. The elastic characteristics of the printed specimens in different directions are determined. Subsequently, the mechanical properties of auxetic cores in tension and in compression as well as those of sandwiches in bending and indentation were developed. An analysis of damage mechanisms during indentation tests is performed using the acoustic emission technique. Then, experimental tests and analytical models were carried out to determine the fatigue behavior of the sandwiches. Finally, a study of the vibration behavior of the skin, cores and sandwiches is carried out using an experimental and numerical study by finite element. The contribution of each component in the global damping properties is discussed

Les recherches que nous présentons dans ce mémoire de thèse portent sur la détermination des propriétés élastiques de structures nano et méso-poreuses par ultrasons laser. Des matériaux diélectriques à faible constante de permittivité sont étudiés grâce à un montage pompe sonde. Les résultats sont comparés aux valeurs obtenues par d´autres techniques. Des phénomènes d´inhomogénéités élastique en profondeur sont discutés. Nous avons par la suite étudié des structures d´alumine avec des porosités cylindriques verticales. Des phénomènes de résonances et des signaux interférométriques ont fourni plusieurs paramètres élastiques de cette structure. La dernière partie est consacrée aux opales synthétiques. Les ultrasons laser sont utilisés pour sonder d´éventuel modes vibratoires. Certaines corrélations entre les bandes interdites (PBG) et les longueurs d´ondes de l´excitation/détection du système ont pu être dégagées afin de donner une description qualitative du comportement photonique
In this communication, we present some results of laser ultrasonic experiments on nano and meso porous films and photonic crystals. In the beginning, low-k materials were studied with the pump probe technique. We start by presenting their mechanical and optical properties extracted through analysis of our transient reflectivity results. Our results were compared to data collected by other optical techniques. Some inhomogeneities in the mechanical properties were observed. Secondly, we focused on nano-porous alumina structure. Some resonance phenomena and interferometric measurements helped to determine its elastic properties and dimensions. The last part of this work was allocated to the study of synthetic opals. The pump-probe technique was used to probe the eigenmodes of the submicron spheres. We could also draw some correlations between the photonic band gap (PBG) structure and the excitation/detection wavelength. A qualitative description of their photonic behaviour was formulated

Le phénomène d'abrasion-corrosion est un processus complexe de dégradation des métaux, peu maîtrisé et d'une grande importance économique. L'objet de ce travail est d'étudier et caractériser en laboratoire ce type de dégradation en utilisant la technique d'émission acoustique puis, de confirmer sur site industriel, l'intérêt de cet outil pour assurer le suivi d'un éventuel endommagement. L'étude est réalisée à l'aide d'un dispositif expérimental comportant un équipement d'acquisition et de traitement de données d'émission acoustique et un appareillage classique de mesures électrochimiques. L'ensemble est couplé à une boucle d'essai permettant de faire varier le débit du fluide, le type, la concentration et la nature des particules en suspension ainsi que l'angle des impacts. Dans la première partie de ce travail, les salves d'émission acoustique résultant de mono-impacts de particules sont caractérisées comparativement avec d'autres phénomènes émissifs. Puis, pour se rapprocher des conditions industrielles, l'étude est conduite en mode pluri-impacts. L'émission acoustique est alors caractérisée d'un point de vue énergétique et d'un point de vue spectral. L'étude énergétique permet d'étudier et comparer les endommagements d'un acier inoxydable austénitique et d'un acier faiblement allié en conditions d'abrasion pure et d'abrasion-corrosion. Les influences respectives de la vitesse d'écoulement, de la concentration en particules et de l'angle d'impact sont précisées. Des paramètres acoustiques significatifs de l'intensité du régime d'impact ont été sélectionnés et cela a permis de définir un •protocole expérimental menant en évidence un effet de synergie dû à l'augmentation de la corrosion par l'abrasion et à l'augmentation de l'abrasion par la corrosion. L'étude spectrale confirme l'intérêt de la technique d'émission acoustique pour caractériser la transition entre les régimes d'impacts abrasifs et les régimes d'impacts non abrasifs. Des essais réalisés sur site industriel corroborent les résultats obtenus en laboratoire et en particulier la pertinence des paramètres choisis pour caractériser l'endommagement
The abrasion-corrosion phenomenon is a complex metal damaging process. Its control is difficult despite great economical interest. The aim of this work is to study and characterize, this type of degradation in the laboratory, by using the acoustic emission technique, and to confirm on site the interest of employing this tool for monitoring eventual damages. The study is realized with the help of an experimental device consisting of a system for the acquisition and processing of acoustic emission data and classical electrochemical equipment. Both techniques are coupled together with a test loop allowing tests with different liquid flow velocities, as well as changing the nature, the concentration and the angle of impingement of the abrasive particles. In the first part of this work, the acoustic emission bursts resulting from mono-impact particles are compared with other emissive phenomena. Then, in order to simulate an industrial environment, the study is conducted in pluri-impacts conditions. In the latter case, the acoustic emission is energetically and spectraly characterized. The energetic determination allows the comparison of the damages of two steels (an austenic stainless steel and a low alloy steel) in pure abrasion and in abrasion-corrosion conditions. The respective influences of the flow velocity, the particle concentration and the angle of impingement are investigated. Significant acoustic parameters of the abrasion rate are selected, and that permits the definition of an experimental protocol evidencing the synergistic effect due to the increase of corrosion by abrasion as well as the increase of abrasion by corrosion. The spectral investigation confirms that the acoustic emission is a rewarding technique for characterizing the transition between abrasive and non abrasive liquid-solid particle flows. Industrial tests corroborate the laboratory results, and especially the significance of the acoustic parameters chosen for damaging evaluation

L@'essor considérable des transports depuis quelques décennies a contribué à l'émergence d'une nouvelle forme de pollution par le bruit. En particulier dans le domaine aéronautique, la diminution des nuisances sonores des turboréacteurs est assurée par l'application de traitements acoustiques sur les parois de la nacelle. Notre étude concerne le développement d'une cellule absorbante hybride combinant les propriétés passives d'un milieu poreux et un module de contrôle actif induisant une annulation de la pression à l'arrière du matériau. Un tel système est conçu pour étendre le domaine fréquentiel d'atténuation sonore. L'optimisation du traitement hybride est réalisé dans le cas spécifique d'une veine de laboratoire spécialement développée à cet effet. La caractérisation et l'optimisation de la composante passive de l'absorbant hybride sont d'abord effecutées au niveau théorique. Le concept d'absorption hybride est ensuite validé au niveau expérimental en présence d'écoulement
The@recent development of automotive and aircraft transport contributed to the emergence of a new kind of nuisances called the noise pollution. In particular concerning the aeronautic domain turbo-engine noise damping is achieved by applying acoustic treatments on the nacelle walls. The topic of our study concerns the design of a hybrid absorbent cell combining the passive properties of a porous material and active control techniques ensuring a pressure release at the porous sheet rear face. Such an acoustic system is actually studied to enlarge the frequency range of noise reduction. The hybrid liner optimization is realized in case of a laboratory flow duct specifically developed for our application. The hybrid absorption concept is then experimentally validated under grazing flow

La thèse est une contribution aux domaines du contrôle du bruit et de la caractérisation dematériaux poreux. Nous avons travaillé sur la modélisation des matériaux poreux, lacaractérisation des paramètres physiques (mécaniques et de couplages) et l’étude de moussescomposites et auxétiques.Une stratégie peu utilisée actuellement sur la caractérisation de matériaux poreux estprésentée. Elle facilite la détermination des paramètres du modèle, épargne la mise en œuvred’essais expérimentaux compliqués, implémentés généralement pour chaque paramètre, cecipermettant d’économiser du temps de calcul.Nous avons également étudié des matériaux non-classiques comme une plaque microstructuréeet une mousse auxétique. Mieux comprendre ces matériaux est de grandeimportance, puisqu’ils peuvent être utilisés pour remplacer certains matériaux classiquesd’une manière plus performante.Le travail se place dans le cadre de la vibro-acoustique générale. Nous nous intéressons àla modélisation correcte des effets des matériaux poreux sans recourir à une description tropprécise des effets de chaque paramètre du modèle utilisé. L’objectif étant d’alimenter cemodèle de poreux placé dans un système complexe
This PhD thesis is a contribution for the noise control field and parameters identification forporous materials models. We worded on a porous materials model. The identification ofmechanical and coupling modelling parameters, a composites foams study and a auxeticfoams study was conducted.A little currently strategy conduced in order to improve the identification of mechanical andcoupling modelling parameters is presented. This quite simple method of characterizationavoids placing complex experimental measures for each parameter.We also studied non-classical materials like a micro-structured plate and an auxetic foam.Better understand those materials is important, they can be used to replace classical materialsshowing better performances.The work forms part of a general vibro-acoustic study

Nous nous intéressons, dans cette étude, à la caractérisation d'un défaut en développe une méthode ultrasonore basée sur la diffusion multiple des ondes. Pour cela, nous avons utilisé un béton base polymère endommagé par un essai de flexion en trois points. La technique d’'Interférométrie par Onde de Coda (CWI) prend en compte les ondes issues de la diffusion multiple et qui parcourent de ce fait une distance très grande devant celle séparant la source et du récepteur. Cette technique montre la sensibilité de la coda quand le matériau est soumis en résonance non linéaire où l’ influence des conditions de l’ environnement est considéré comme limité par l’ utilisation d’ un signal différent de référence. Les résultats expérimentaux ont montré que l’ efficacité de la méthode dépend du plan de vibrations considérées. Dans le but d'étudier l’ anisotropie d’ un défaut créé dans un béton base polymère nous avons utilisé les données de l’'Emission Acoustique (EA) récoltées au cours d’ essais acoustiques en Résonance Non Linéaire pour les deux plans. L’ existence d'une différence entre les signaux enregistrés au cours de mesures de l’ EA montrent que nous produisons différents micro-mécanismes dont la présence et / ou l'absence ont un impact important important sur l'interaction entre l'onde ultrasonore et le défaut
Nonlinear Resonance (NR) and Coda Wave Interferometry (CWI) have proved to be efficient to detect and follow the evolution of micro-cracks within a strongly scattering media (concrete, rocks, etc.). Nevertheless, the localization of the cracks using the same techniques is not straight forward. In order to avoid the conditioning and its subsequent relaxation effect related to NR, CWI is simultaneously applied when concrete samples are vibrating in the linear regime. Based on a comparative study of the coda signals contents (non ballistic part) in the absence and under the weak linear vibration, the localization of the mechanically induced scatterers was possible depending on the scatterers' main direction with respect to the vibration plane. The latter point raises the issue of the generated types of vibration at the scatterers. Therefore, investigations were performed using the Acoustic Emission (AE) technique, which has served to verify that the acoustic activity during the linear vibrations does change depending on the considered experimental configuration. The latter, has also a direct effect on the frequency content of the recorded AE hits showing the potential link existing between the quantitative analysis of AE hits and the generated vibration mechanisms of the existing micro-cracks

Nous nous intéressons, dans cette étude, à la caractérisation d'un défaut en développe une méthode ultrasonore basée sur la diffusion multiple des ondes. Pour cela, nous avons utilisé un béton base polymère endommagé par un essai de flexion en trois points. La technique d’'Interférométrie par Onde de Coda (CWI) prend en compte les ondes issues de la diffusion multiple et qui parcourent de ce fait une distance très grande devant celle séparant la source et du récepteur. Cette technique montre la sensibilité de la coda quand le matériau est soumis en résonance non linéaire où l’ influence des conditions de l’ environnement est considéré comme limité par l’ utilisation d’ un signal différent de référence. Les résultats expérimentaux ont montré que l’ efficacité de la méthode dépend du plan de vibrations considérées. Dans le but d'étudier l’ anisotropie d’ un défaut créé dans un béton base polymère nous avons utilisé les données de l’'Emission Acoustique (EA) récoltées au cours d’ essais acoustiques en Résonance Non Linéaire pour les deux plans. L’ existence d'une différence entre les signaux enregistrés au cours de mesures de l’ EA montrent que nous produisons différents micro-mécanismes dont la présence et / ou l'absence ont un impact important important sur l'interaction entre l'onde ultrasonore et le défaut
Nonlinear Resonance (NR) and Coda Wave Interferometry (CWI) have proved to be efficient to detect and follow the evolution of micro-cracks within a strongly scattering media (concrete, rocks, etc.). Nevertheless, the localization of the cracks using the same techniques is not straight forward. In order to avoid the conditioning and its subsequent relaxation effect related to NR, CWI is simultaneously applied when concrete samples are vibrating in the linear regime. Based on a comparative study of the coda signals contents (non ballistic part) in the absence and under the weak linear vibration, the localization of the mechanically induced scatterers was possible depending on the scatterers' main direction with respect to the vibration plane. The latter point raises the issue of the generated types of vibration at the scatterers. Therefore, investigations were performed using the Acoustic Emission (AE) technique, which has served to verify that the acoustic activity during the linear vibrations does change depending on the considered experimental configuration. The latter, has also a direct effect on the frequency content of the recorded AE hits showing the potential link existing between the quantitative analysis of AE hits and the generated vibration mechanisms of the existing micro-cracks

La porosité d'une plaque composite carbone / époxy de type RTM est connue par tomographie X. Une méthode de détermination de cette porosité par mesure de l'atténuation des ondes longitudinales à travers l'épaisseur de cette plaque est proposée. Ces mesures sont effectuées sur des surfaces de dimensions variables (quelques cm2 à quelques mm2) et permettent l’obtention de cartographies. Une correspondance porosité (tomo X) – atténuation (onde US) est déduite et analysée en fonction de la structure du matériau composite. Dans chaque cas, on estime la qualité des relations obtenues et on en déduit les limites de validité de la correspondance porosité-atténuation. Des premiers résultats de tomographie acoustiques sont obtenus
The porosity of a composite plate in carbon / epoxy of type RTM is known by used of tomography X. A method of determination of this porosity by measure of the mitigation of the longitudinal waves through the thickness of this kind of plate is proposed. These measures are made on surfaces of different sizes (from some cm2 to some mm2) and allow the obtaining of cartographies. A correspondence porosity (tomo X) - Mitigation (US wave) is deducted and analyzed according to the structure of the composite material. In every case, we estimate the quality of the obtained relations and we deduct the limits of validity of the correspondence between porosity and mitigation. First results of acoustic tomography are obtained

L'utilisation de fibres naturelles comme renfort permet d'améliorer les performances environnementales des matériaux composites ainsi que leurs propriétés d’amortissement. Néanmoins, ces composites à fibres naturelles présentent des performances mécaniques moins intéressantes que celles des composites à fibres synthétiques. Dans ce contexte, cette étude propose d'élaborer des structures composites à renfort hybrides constituées des fibres de lin et de carbone. L’objectif de cette hybridation est de trouver un compromis entre les propriétés mécaniques et dissipatives. Tout d'abord, le comportement en statique des composites à fibres de lin, fibres de carbone et fibres hybrides lin/carbone a été analysé. Les caractéristiques élastiques principales d’ un pli UD en contraintes planes sont ainsi déterminées .Par ailleurs, un suivi et une analyse des mécanismes d'endommagement ont été effectués au moyen de la technique d'émission acoustique associée à des observations microscopiques. Dans un souci de mieux répondre aux besoins industriels, le comportement des composites soumis aux essais de fatigue cyclique doit être étudié. Pour ce faire, le comportement en fatigue de ces matériaux à renforts non-hybrides et hybrides a été analysé sous sollicitations de traction et de flexion trois points. L’ influence de l’ hybridation sur la durée de vie en fatigue de ces composites a été établie. Enfin, une étude expérimentale et une modélisation par élément finis du comportement vibratoire des composites non-hybrides et hybrides ont été réalisées. Ainsi, le rôle des différentes fibres, de l’orientations des fibres, de séquences d’empilement dans l'amortissement en vibrations a été discuté
The use of natural fibers as reinforcement makes it possible to improve the environmental performance of the composite materials as well as their damping properties. Nevertheless, these natural fiber composites have lower mechanical performance than synthetic fiber composites. In this context, this study proposes to develop composite structures with hybrid reinforcement made of flax and carbon fibers. The objective of this hybridization is to find a compromise between the mechanical and dissipative properties. First, the static behavior of flax fiber, carbon fiber and flax/carbon hybrid composites was analyzed. The principal elastic characteristics of a UD ply in plane stresses are thus determined. Moreover, a monitoring and an analysis of the mechanisms of damage were carried out by means of the technique of acoustic emission associated with microscopic observations. In order to better meet industrial needs, the behavior of composites subjected to cyclic fatigue tests must be studied. In fact, the fatigue behavior of these materials with non-hybrid and hybrid reinforcements was analyzed under tensile stress and three-point bending. The influence of hybridization on the fatigue life of these composites has been established. Finally, an experimental study and a finite element modeling of the vibratory behavior of non-hybrid and hybrid composites were carried out. Thus, the role of different fibers, fiber orientations, stacking sequences in vibration damping has been discussed

Il existe aujourd’hui un parc important d’ouvrages d’art vieillissants dont les possibilités de surveillance n’ont pas été prévues dès leur construction ce qui rend leur évaluation difficile. Concernant les ouvrages en béton précontraint, l’une de leurs principales causes de dégradation est la corrosion des câbles de précontrainte en général et leur fragilisation par l’hydrogène en particulier. Dans ce but, l’émission acoustique (EA) peut être une alternative pour l’inspection et le contrôle de ces ouvrages. L’objectif de ce travail est non seulement d’étudier le potentiel de l’EA à détecter l’endommagement des armatures de précontrainte provoqué par fragilisation par l’hydrogène, mais aussi d’examiner l’adaptation de cette technique d’auscultation aux exigences structurelles des ouvrages. En couplant le suivi acoustique à des mesures électrochimiques, la validation de cette technique est réalisée sur des structures de laboratoire à partir d’essais normalisés et accélérés dans un milieu de thiocyanate d’ammonium. Les résultats obtenus montrent que l’EA est performante pour l’étude mécanistique et le contrôle de ce mode de corrosion. Ensuite des essais pilotes sur des structures complexes permettent de se rapprocher d’une auscultation sur ouvrage et également de caractériser les limites de l’EA pour son application in situ
Today, there is an important amount of ageing structures whose monitoring possibilities have not been planed from their construction. Their evaluation is then difficult. Concerning prestressed concrete bridges, one of their main degradation forms is the corrosion of prestressing strands, which are crucial elements of these structures. The inspection of these bridges need the development of new non destructive testing, like acoustic emission (AE). The objective of this work is dual. Firstly, the potential of AE to detect strands corrosion has to be verify. Then, the accomodation of the monitoring technique to the geometry of bridges is examined. The validation of the technique is realised on laboratory frames, from accelerated corrosion tests with ammonium thiocyanate. Results show that AE is efficient to detect some corrosion mechanisms on laboratory tests. Results are validated by coupling the acoustic monitoring to electrochemical measurements. Then, the transition to more complex structures enables to be close to a bridge monitoring but also to characterize AE limits

Ce travail de thèse décrit l'application de méthodes d'analyse innovantes à la caractérisation des propriétésmécaniques et électriques de matériaux composites.Le Chapitre premier dresse un état de l'art des fondamentaux théoriques et pré requis nécessaires à lacompréhension du manuscrit. Un regard critique permet de dégager une stratégie pour l'analyse, basée d'une partsur des méthodes holographiques numériques et d'autre part sur des techniques de mesure diélectrique.Le Chapitre second est dédié au choix de la méthode d'holographie numérique. En particulier, la configurationimage montre quelques particularités qui sont analysées en détail : le rôle du diaphragme d'ouverture du systèmed'imagerie. Nous concluons que la méthode d'holographie de Fresnel présente des avantages d'achromatismepour les applications avec plusieurs longueurs d'onde.Le 3ème Chapitre présente deux applications de l'holographie numérique au contrôle de structures compositesincorporées avec des pastilles piézoélectriques dédiées à l'émission acoustique. Nous avons démontré en premiertemps, la possibilité d'analyser par holographie numérique de Fresnel en temps moyenné le comportementvibratoire des poutres composites excitées harmoniquement. Dans un second temps, on a montré que les pastillesutilisées influencent le comportement mécanique des matériaux en régime statique.Le Chapitre 4 présente l'analyse expérimentale et numérique des structures composites soumises à un essai decisaillement en flexion trois points rapprochés. Nous présentons les résultats obtenus pour des applications à deséchantillons lin/époxy et lin/carbone/époxy.Le 5ème Chapitre aborde l'analyse des propriétés diélectriques des composites renforcés par fibres de lin. Deuxtechniques expérimentales sont mises en oeuvre : la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et l'impédancemètre de type Novocontrol. Nous concluons que les fibres de lin seules dans le composite sont moinshydrophiles que celles incorporées avec des fibres de carbone, ce qui explique la meilleure adhérencefibres/matrice dans le premier cas.

Etude et realisation de l'appareil. Il permet une mesure rapide et non destructive d'epaisseur ou l'examen de l'evolution des proprietes mecaniques de ces couches en fonction des parametres thermiques du procede de fabrication. Validation du systeme, interpretation des resultats experimentaux par un modele empirique tenant compte de l'anisotropie du substrat et de la symetrie de la lentille acoustique. Conception d'une machine de type industriel a partir de ce systeme

Cette étude a pour objet de comparer les propriétés acoustiques, mécaniques et hygrothermiques de différents biocomposites destinée à l’isolation des bâtiments à base de granulats issus de co-produits végétaux et d’un liant à base d’argile. Nous avons d’abord analysé les matières premières afin d’obtenir d’une part la masse volumique et les propriétés thermiques et hydriques des granulats végétaux et les caractéristiques minéralogiques et gravimétriques de la terre crue sélectionnée d’autre part. L’évolution de la conductivité thermique des mélanges terre:granulats végétaux a été étudiée à différents taux d’humidité et différentes masses volumiques. D’un point de vue hydrique, les capacités de sorption/désorption de ces matériaux ont été mesurées en régime statique de même que la capacité de tampon hydrique simulant un régime dynamique. L’un des principaux intérêts de cette étude est de confirmer qu’une large gamme de co-produits végétaux produits à l’échelle locale pourrait être utilisée en tant que granulats pour l’élaboration de bétons végétaux
The purpose of this study was to compare hygrothermal acoustical and mechanical properties ot different materials based on vegetal aggregates and clay in order to characterize the performances of different biocomposites to provide building insulation solutions with a view to valorizing agricultural waste. We first analyzed the raw materials in order to get the density, thermal and hydric properties of the vegetal aggregates in one hand and the mineralogy and gravimetric data of the selected crude earth in the other hand. Thermal behavior of earth:vegetal aggregates mixes have been investigated at different humidity rates and different density ranges. Additionally, hydric properties have been measured to produce sorption and desorption curves and moisture buffer values (MBV) in one hand and capillarity of both aggregates and biocomposites on the other hand. One of the main interests of this study is to confirm that a wide range of locally produced vegetal byproducts could be used as - bioaggregates for concretes. Local biomaterials industries could therefore emerge depending on the locally available resources at country scale

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet industriel de STMicroelectronics de réaliser des filtres radiofréquence (RF) à onde acoustique de volume (BAW : Bulk Acoustic Wave) à l'aide de films minces de nitrure d'aluminium (AIN) pour la téléphonie mobile. Dans ce travail, nous présentons une méthode pour la modélisation des résonateurs BAW et analysons les voies d'optimisation de cette structure élémentaire pour l'application de filtrage RF. Les performances électriques du résonateur sont intimement liées aux caractéristiques mécaniques des couches utilisées. Une méthode de caractérisation originale, l'acoustique picoseconde, nous a permis d'avoir accès à ces grandeurs et sera ensuite présentée. Enfin, des validations expérimentales de résonateurs et filtres seront exposées. Une démarche originale a été adoptée et nous a permis d'identifier une solution technologique innovante et présentant de très bonnes performances pour la réalisation de filtres RF en téléphonie mobile.

Utilisés dans de nombreux domaines d'applications, les ultrasons se révèlent être sensibles aux propriétés visco-élastiques des milieux traversés. L'investigation spatiale et temporelle des propriétés visco-élastiques des matériaux par méthodes ultrasonores permet notamment le contrôle de l'intégrité de structures ainsi que le suivi de processus. Un dispositif auto-calibrée en émission-réception, basé sur l'application du principe de réciprocité, a été développé pour la mesure du paramètre non linéaire B/A. Cette mesure repose sur une étude harmonique des signaux ultrasonores se propageant dans le milieu. L'instrumentation ultrasonore mise en oeuvre a été choisie pour assurer une mesure rapide en émission-réception du paramètre B/A imposant un choix technologique spécifique. L'évolution au cours du temps des paramètres acoustiques dans les matériaux de type sol-gel fait apparaître un temps caractéristique lié à la structuration du matériau (gélification). Les temps de gélification extraits des mesures permettent de retrouver la loi d'Arrhenius cohérente avec celle obtenue par des méthodes rhéologiques conventionnelles. Une image du paramètre non linéaire a été réalisée sur un fantôme contenant deux fluides non miscibles (eau et huile de silicone). A travers ces deux applications, nous montrons l'efficacité du système de mesure du paramètre non linéaire dans le cadre du suivi d'un matériau en évolution ainsi qu'en imagerie.

Le travail présenté dans cette thèse porte essentiellement sur la caractérisation des constantes élastiques de la matrice poreuse d’un milieu poreux à porosité ouverte par ondes ultrasonores. Une étude bibliographique présente une synthèse des travaux réalisés dans ce domaine, plus particulièrement les différents modèles de propagation d’ondes élastiques. Nous introduisons un nouveau formalisme de calcul des coefficients de réflexion et de transmission des ondes élastiques pour les plaques poreuses, ces coefficients étant les seules grandeurs pouvant être mesurés directement. Les modules élastiques complexes de la matrice poreuse peuvent être ensuite obtenus par inversion numérique. Nous avons mis au point une simulation par élément fini d’une expérience de flexion sur ces plaques poreuses afin d’en tirer des constantes élastiques qui sont ensuite utilisées comme valeurs initiales dans l’algorithme d’inversion numérique. Afin de valider la démarche par une approche expérimentale, nous avons réalisé des plaques poreuses d’alumine à porosité ouverte contrôlée. Les résultats obtenus montrent qu’il est possible d’accéder à des caractéristiques élastiques de plaques poreuses au travers d’une mesure ultrasonore
The essential work of this thesis is the characterization of the elastic coefficients of a porous medium using ultrasonic waves. A bibliographic study is presented at the beginning of the thesis summarizing previous works in this domain, particularly about propagation models of elastics waves. Taking into consideration all internal reflected and transmitted waves in the porous medium, we introduce a new formalism of calculus of reflection and transmission coefficients of elastics waves in porous medium being the only coefficient that can be measured directly from experiments. The elastic coefficients are then found by applying a numeric inverse problem method. We used a numerical finite element simulation applied to a porous beam in order to calculate the static values of the elastic constants that will be introduced as initial values in the algorithm in numerical inverse problem. In order to validate our numerical process, we realized different alumina porous media with a controlled porosity. All obtained results show that elastic properties of porous medium can be found using ultrasonic measurement