En zone urbaine, les nuisances sonores sont devenues la principale forme de ''pollution'' reconnue par la population. Pour faire face à cet enjeu de société, de nombreuses recherches ont permis de décrire la propagation acoustique en milieu urbain. Toutefois, devant la très grande complexité géométrique et physique du milieu urbain, les modèles implémentés dans les logiciels usuels de prédiction, basés sur des approximations énergétiques et géométriques, limitent la description physique des champs acoustiques. Il apparaît donc que des travaux fondamentaux sur la propagation acoustique en milieu complexe doivent être poursuivis en amont des applications directement liées à l'acoustique urbaine. Dans ce contexte de recherche amont, l'idée essentielle de ces travaux est de considérer la rue comme un guide d'ondes ouvert. En effet, la forme typiquement allongée favorise le guidage des ondes dans l'axe de la rue. En revanche, l'ouverture de ce guide sur un domaine infini - le ciel - entraîne un rayonnement des ondes conduisant à des pertes d'énergie. L'étude de ces phénomènes compétitifs entre ondes guidées et ondes rayonnées est au coeur de ce travail. Pour résoudre l'équation d'ondes dans un tel guide ouvert tridimensionnel, la démarche scientifique retenue repose sur le principe de la décomposition modale. Dans cette approche, le champ d'ondes est une combinaison d'un ensemble de modes (appelé base modale) dont les contributions dépendent notamment des conditions aux extrémités du guide. L'extension de l'approche modale au cas des guides d'ondes ouverts nécessite d'introduire la notion de modes fuyants (leaky modes). Au travers d'une étude préliminaire portant sur des guides bidimensionnels fermés de section variable, les possibilités de l'approche modale sont appréhendées dans des cas simples en vue de l'étendre au cas plus complexe des guides tridimensionnels ouverts. Par la suite, un premier travail sur les modes fuyants est réalisé dans le cas académique d'un guide ouvert cylindrique de section rectangulaire. Ce travail permet d'étudier de manière détaillée le comportement et les propriétés des modes fuyants lorsqu'ils sont utilisés dans une approche modale. Il est notamment montré qu'un nombre restreint d'entre eux est nécessaire pour décrire précisemment le champ. Sur la base des conclusions de ces premières recherches, une méthode couplée Modal-Eléments Finis plus adaptée aux spécificités des ``guides d'ondes urbains'' est proposée. Ces travaux montrent comment, en utilisant des PML (Perfectly Matched Layers), un nouveau problème de propagation en guide fermé peut être substitué au problème original de propagation en guide ouvert. Dans cette approche, certaines caractéristiques de la complexité physique et géométrique du milieu urbain peuvent être prise en compte. Des illustrations basées sur l'implémentation numérique de la méthode mettent en évidence des phénomènes physiques liés par exemple aux irrégularités et à l'absorption des façades, ou à la prise en compte de phénomènes météorologiques, et ouvrent certaines perspectives de recherche académiques et appliquées à l'acoustique urbaine.

Dans le contexte des Sciences de l’Information et de la Technologie, un des challenges est de créer des systèmes de plus en plus petits embarquant de plus en plus d’intelligence au niveau matériel et logiciel avec des architectures communicantes de plus en plus complexes. Ceci nécessite des méthodologies robustes de conception afin de réduire le cycle de développement et la phase de prototypage. Ainsi, la conception et l’optimisation de la couche physique de communication est primordiale. La complexité de ces systèmes rend difficile leur optimisation notamment à cause de l’explosion du nombre des paramètres inconnus. Les méthodes et outils développés ces dernières années seront à terme inadéquats pour traiter les problèmes qui nous attendent. Par exemple, la propagation des ondes dans une cabine d’avion à partir des capteurs ou même d’une antenne, vers le poste de pilotage est grandement affectée par la présence de la structure métallique des sièges à l’intérieur de la cabine, voir les passagers. Il faut, donc, absolument prendre en compte cette perturbation pour prédire correctement le bilan de puissance entre l’antenne et un possible récepteur. Ces travaux de recherche portent sur les aspects théoriques et de mise en oeuvre pratique afin de proposer des outils informatiques pour le calcul rigoureux de la réflexion des champs électromagnétiques à l’intérieur de très grandes structures . Ce calcul implique la solution numérique de très grands systèmes inaccessibles par des ressources traditionnelles. La solution sera basée sur une grille de calcul et un supercalculateur. La modélisation électromagnétique des structures surdimensionnées par plusieurs méthodes numériques utilisant des nouvelles ressources informatiques, hardware et software, pour dérouler des calculs performants, représente le but de ce travail. La modélisation numérique est basée sur une approche hybride qui combine la méthode Transmission-Line Matrix (TLM) et l’approche modale. La TLM est appliquée aux volumes homogènes, tandis que l’approche modale est utilisée pour décrire les structures planaires complexes. Afin d’accélérer la simulation, une implémentation parallèle de l’algorithme TLM dans le contexte du paradigme de calcul distribué est proposé. Le sous-domaine de la structure qui est discrétisé avec la TLM est divisé en plusieurs parties appelées tâches, chacune étant calculée en parallèle par des processeurs différents. Pour accomplir le travail, les tâches communiquent entre elles au cours de la simulation par une librairie d’échange de messages. Une extension de l’approche modale avec plusieurs modes différents a été développée par l’augmentation de la complexité des structures planaires. Les résultats démontrent les avantages de la grille de calcul combinée avec l’approche hybride pour résoudre des grandes structures électriques, en faisant correspondre la taille du problème avec le nombre de ressources de calcul utilisées. L’étude met en évidence le rôle du schéma de parallélisation, cluster versus grille, par rapport à la taille du problème et à sa répartition. En outre, un modèle de prédiction a été développé pour déterminer les performances du calcul sur la grille, basé sur une approche hybride qui combine une prédiction issue d’un historique d’expériences avec une prédiction dérivée du profil de l’application. Les valeurs prédites sont en bon accord avec les valeurs mesurées. L’analyse des performances de simulation a permis d’extraire des règles pratiques pour l’estimation des ressources nécessaires pour un problème donné. En utilisant tous ces outils, la propagation du champ électromagnétique à l’intérieur d’une structure surdimensionnée complexe, telle qu’une cabine d’avion, a été effectuée sur la grille et également sur le supercalculateur. Les avantages et les inconvénients des deux environnements sont discutés. / In the context of Information Communications Technology (ICT), the major challenge is to create systems increasingly small, boarding more and more intelligence, hardware and software, including complex communicating architectures. This requires robust design methodologies to reduce the development cycle and prototyping phase. Thus, the design and optimization of physical layer communication is paramount. The complexity of these systems makes them difficult to optimize, because of the explosion in the number of unknown parameters. The methods and tools developed in past years will be eventually inadequate to address problems that lie ahead. Communicating objects will be very often integrated into cluttered environments with all kinds of metal structures and dielectric larger or smaller sizes compared to the wavelength. The designer must anticipate the presence of such barriers in the propagation channel to establish properly link budgets and an optimal design of the communicating object. For example, the wave propagation in an airplane cabin from sensors or even an antenna, towards the cockpit is greatly affected by the presence of the metal structure of the seats inside the cabin or even the passengers. So, we must absolutely take into account this perturbation to predict correctly the power balance between the antenna and a possible receiver. More generally, this topic will address the theoretical and computational electromagnetics in order to propose an implementation of informatics tools for the rigorous calculation of electromagnetic scattering inside very large structures or radiation antenna placed near oversized objects. This calculation involves the numerical solution of very large systems inaccessible by traditional resources. The solution will be based on grid computing and supercomputers. Electromagnetic modeling of oversized structures by means of different numerical methods, using new resources (hardware and software) to realize yet more performant calculations, is the aim of this work. The numerical modeling is based on a hybrid approach which combines Transmission-Line Matrix (TLM) and the mode matching methods. The former is applied to homogeneous volumes while the latter is used to describe complex planar structures. In order to accelerate the simulation, a parallel implementation of the TLM algorithm in the context of distributed computing paradigm is proposed. The subdomain of the structure which is discretized upon TLM is divided into several parts called tasks, each one being computed in parallel by different processors. To achieve this, the tasks communicate between them during the simulation by a message passing library. An extension of the modal approach to various modes has been developped by increasing the complexity of the planar structures. The results prove the benefits of the combined grid computing and hybrid approach to solve electrically large structures, by matching the size of the problem with the number of computing resources used. The study highlights the role of parallelization scheme, cluster versus grid, with respect to the size of the problem and its repartition. Moreover, a prediction model for the computing performances on grid, based on a hybrid approach that combines a historic-based prediction and an application profile-based prediction, has been developped. The predicted values are in good agreement with the measured values. The analysis of the simulation performances has allowed to extract practical rules for the estimation of the required resources for a given problem. Using all these tools, the propagation of the electromagnetic field inside a complex oversized structure such an airplane cabin, has been performed on grid and also on a supercomputer. The advantages and disadvantages of the two environments are discussed.

L’intégration de l’électronique dans des environnements sévères d’un point de vue électromagnétique a entraîné en contrepartie l’apparition de problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM) entre les différents systèmes. Afin d’atteindre un niveau de performance satisfaisant, des tests de sécurité et de certification sont nécessaires. Ces travaux de thèse, réalisés dans le cadre du projet SIMUCEDO (SIMUlation CEM basée sur la norme DO-160), contribuent à la modélisation du test de qualification "Bulk Current Injection" (BCI). Ce test, abordé dans la section 20 dans la norme DO-160 dédiée à l’aéronautique, est désormais obligatoire pour une très grande gamme d’équipements aéronautiques. Parmi les essais de qualification, le test BCI est l’un des plus contraignants et consommateurs du temps. Sa modélisation assure un gain de temps, et une meilleure maîtrise des paramètres qui influencent le passage des tests CEM. La modélisation du test a été décomposée en deux parties : l’équipement sous test (EST) d’une part, et la pince d’injection avec les câbles d’autre part. Dans cette thèse, seul l’EST est pris en compte. Une modélisation "boîte grise" a été proposée en associant un modèle "boîte noire" avec un modèle "extensif". Le modèle boîte noire s’appuie sur la mesure des impédances standards. Son identification se fait avec un modèle en pi. Le modèle extensif permet d’étudier plusieurs configurations de l’EST en ajustant les paramètres physiques. L’assemblage des deux modèles en un modèle boîte grise a été validé sur un convertisseur analogique-numérique (CAN). Une autre approche dénommée approche modale en fonction du mode commun (MC) et du mode différentiel (MD) a été proposée. Elle se base sur les impédances modales du système sous test. Des PCB spécifiques ont été conçus pour valider les équations développées. Une investigation est menée pour définir rigoureusement les impédances modales. Nous avons démontré qu’il y a une divergence entre deux définitions de l’impédance de MC dans la littérature. Ainsi, la conversion de mode (ou rapport Longitudinal Conversion Loss : LCL) a été quantifiée grâce à ces équations. Pour finir, le modèle a été étendu à N-entrées pour représenter un EST de complexité industrielle. Le modèle de l’EST est ensuite associé avec celui de la pince et des câbles travaux réalisés au G2ELAB. Des mesures expérimentales ont été faites pour valider le modèle complet. D’après ces mesures, le courant de MC est impacté par la mise en œuvre des câbles ainsi que celle de l’EST. Il a été montré que la connexion du blindage au plan de masse est le paramètre le plus impactant sur la distribution du courant de MC. / Electronic equipments intended to be integrated in aircrafts are subjected to normative requirements. EMC (Electromagnetic Compatibility) qualification tests became one of the mandatory requirements. This PhD thesis, carried out within the framework of the SIMUCEDO project (SIMulation CEM based on the DO-160 standard), contributes to the modeling of the Bulk Current Injection (BCI) qualification test. Concept, detailed in section 20 in the DO-160 standard, is to generate a noise current via cables using probe injection, then monitor EUT satisfactorily during test. Among the qualification tests, the BCI test is one of the most constraining and time consuming. Thus, its modeling ensures a saving of time, and a better control of the parameters which influence the success of the equipment under test. The modeling of the test was split in two parts : the equipment under test (EUT) on one hand, and the injection probe with the cables on the other hand. This thesis focuses on the EUT modeling. A "gray box" modeling was proposed by associating the "black box" model with the "extensive" model. The gray box is based on the measurement of standard impedances. Its identification is done with a "pi" model. The model, having the advantage of taking into account several configurations of the EUT, has been validated on an analog to digital converter (ADC). Another approach called modal, in function of common mode and differential mode, has been proposed. It takes into account the mode conversion when the EUT is asymmetrical. Specific PCBs were designed to validate the developed equations. An investigation was carried out to rigorously define the modal impedances, in particular the common mode (CM) impedance. We have shown that there is a discrepancy between two definitions of CM impedance in the literature. Furthermore, the mode conversion ratio (or the Longitudinal Conversion Loss : LCL) was quantified using analytical equations based on the modal approach. An N-input model has been extended to include industrial complexity. The EUT model is combined with the clamp and the cables model (made by the G2ELAB laboratory). Experimental measurements have been made to validate the combined model. According to these measurements, the CM current is influenced by the setup of the cables as well as the EUT. It has been shown that the connection of the shield to the ground plane is the most influent parameter on the CM current distribution.

Le travail présenté dans ce mémoire concerne une démarche de conception appliquée à une gestion modale pour les systèmes à événements discrets (SED). Un mode est une configuration particulière du système où celui-ci exploite un ensemble de composants et doit respecter un ensemble de spécifications. La problématique de la gestion de mode porte principalement sur la conception des modes et sur leurs commutations. Notre objectif est de proposer une démarche de conception complètement définie où les spécifications sont assurément respectées, et où seules les commutations désirées entre modes peuvent se produire. Il est également vérifié que toute commutation dans un mode mène de manière sûre dans un autre mode. Pour réaliser cet objectif, nous utilisons la théorie de contrôle par supervision qui permet de concevoir des modèles sûrs par construction tel que les spécifications utilisées pour la construction soient respectées. La démarche proposée possède plusieurs étapes séparant ainsi les différentes études de conception. La première concerne la formalisation du cahier des charges en modèles automate à états. L'étude suivante concerne le comportement interne où celui-ci doit respecter les spécifications propres aux modes, indépendamment des autres modes. Cette étape valide le comportement de chaque mode, avant d'étudier leurs commutations. La troisième étape étudie le comportement commutatif tel que les spécifications de commutations soient respectées. Cette étape spécifie les commutations désirées, et inversement celles non voulues. L'étape suivante est l'exécution d'une fonction de suivi de trajectoire qui vérifie que toutes les commutations mènent bien dans un autre mode. Dans le cas contraire, la fonction de suivi identifie et caractérise les commutations problématiques afin d'aider le concepteur dans la résolution de ces situations. Enfin, une étape de fusion d'états finalise la démarche afin de fournir un modèle par mode qui représente le comportement de celui-ci. Pour montrer l'applicabilité de la démarche proposée, et sa faculté à être utilisée en milieu industriel, nous l'utilisons sur un exemple de taille importante utilisée dans la littérature.

La dynamique d’une structure peut être vue aussi bien en termes de modes (ondes stationnaires) qu’en termes d’ondes élastiques libres. Les approches modales sont largement utilisées en mécanique et de nombreuses techniques de réduction de modèles (Model Order Reduction - MOR) ont été développées dans ce cadre. Quant à la dynamique des structures périodiques, les approches propagatives sont majoritairement utilisées, où la périodicité est exploitée en utilisant la théorie de Bloch. Pour les structures périodiques complexes, plusieurs techniques MOR sur la base d’onde ont été proposées dans la littérature. Dans ce travail, une approche couplée propagative et modale a été développée pour étudier la propagation des ondes dans les structures périodiques. Cette approche commence par la description modale d’une cellule unitaire (échelle mésoscopique) en utilisant la synthèse modale (Component Mode Synthesis - CMS). Par la suite, la méthode propagative - Wave Finite Element Method (WFEM) est appliquée sur la structure (échelle macroscopique). Cette méthode est nommée “CWFEM” pour CondensedWave Finite Element Method. Elle combine les avantages de la CMS et WFEM. La CMS permet d’analyser le comportement local d’en extraire une base réduite. La WFEM exploite la périodicité de la structure d’en extraire les paramètres de propagation. Ainsi, l’analyse de la propagation des ondes dans la structure à l’échelle macroscopique peut être réalisée en prenant en compte l’échelle mésoscopique. L’efficacité de la CWFEM est illustrée par de nombreuse applications aux structures périodiques monodimensionnelle (1D) et bidimensionnelle (2D). Le critère de réduction optimale assurant la convergence est discuté. Les caractéristiques de propagation dans les structures périodiques sont identifiées: bande passante, bande interdite, la directivité marquée (wave beaming effects), courbe de dispersion, band structure, surface des lenteurs... Ces propriétés peuvent répondre au besoin de conception des barrières vibroacoustiques, pièges à ondes. La CWFEM est ensuite appliquée pour étudier la propagation des ondes dans des plaques perforées et plaques raidies. Une méthode d’homogénéisation pour déterminer le modèle équivalent de la plaque perforée est proposée. Les comportements à haute fréquence tels que la directivité marquée sont également prédits par CWFEM. Trois modèles de plaques avec perforations différentes sont étudiées dans ce travail. Une validation expérimentale est effectuée sur deux plaques. Pour la plaque raidie, l’influence des modes internes sur la propagation globale est discutée. La densité modale est estimée, en moyenne et haute fréquences, pour une plaque raidie finie, où une bonne corrélation est obtenue en comparant les résultats à l’issue des analyses modales. / Structural dynamics can be described in terms of structural modes as well as elastic wave motions. The mode-based methods are widely applied in mechanical engineering and numerous model order reduction (MOR) techniques have been developed. When it comes to the study of periodic structures, wave description is mostly adopted where periodicity is fully exploited based on the Bloch theory. For complex periodic structures, several MOR techniques conducted on wave basis have been proposed in the literature. In this work, a wave and modal coupled approach is developed to study the wave propagation in periodic structures. The approach begins with the modal description of a unit cell (mesoscopic scale) using Component Mode Synthesis (CMS). Subsequently, the wave-based method -Wave Finite Element Method (WFEM) is applied to the structure (macroscopic scale). The method is referred as “CWFEM” for Condensed Wave Finite Element Method. It combines the advantages of CMS and WFEM. CMS enables to analyse the local behaviour of the unit cell using a reduced modal basis. On the other hand, WFEM exploits fully the periodic propriety of the structure and extracts directly the propagation parameters. Thus the analysis of the wave propagation in the macroscopic scale waveguides can be carried out considering the mesoscopic scale behaviour. The effectiveness of CWFEM is illustrated via several one-dimensional (1D) periodic structures and two-dimensional (2D) periodic structures. The criterion of the optimal reduction to ensure the convergence is discussed. Typical wave propagation characteristics in periodic structures are identified, such as pass bands, stop bands, wave beaming effects, dispersion relation, band structure and slowness surfaces...Their proprieties can be applied as vibroacoustics barriers, wave filters. CWFEM is subsequently applied to study wave propagation characteristics in perforated plates and stiffened plate. A homogenization method to find the equivalent model of perforated plate is proposed. The high frequency behaviours such as wave beaming effect are also predicted by CWFEM. Three plate models with different perforations are studied. Experimental validation is conducted on two plates. For the stiffened plate, the influence of internal modes on propagation is discussed. The modal density in the mid- and high- frequency range is estimated for a finite stiffened plate, where good correlation is obtained compared to the mode count from modal analysis.

Lors de l'analyse 3D du mouvement humain basée sur des marqueurs cutanés, la position des os ne peut être qu'indirectement estimée. Au cours d'une tâche, les déformations des tissus mous génèrent des déplacements des marqueurs par rapport à l'os : les artefacts de tissus mous (STA), entraînant des effets dévastateurs sur l'estimation de la position. La compensation des STA demeure une question ouverte. L'objectif de cette thèse est de contribuer à la solution de cette question cruciale. La modélisation des STA en utilisant des variables spécifiques mesurables est une condition préalable à son élimination. Un modèle corrigeant les trajectoires individuelles de marqueurs de la cuisse, calibré par des mesures directes des STA, est d'abord présenté. Les STA sont modélisés comme une combinaison linéaire des angles articulaires impliqués. Trois représentations des STA par une série de modes sont proposées : déplacements de marqueurs individuels, transformations géométriques de clusters de marqueurs (MCGT), et variations de forme de l'enveloppe de peau. Le MCGT permet de dissocier les composantes rigides et non rigides. Il a été démontré que seule la composante rigide affecte la cinématique articulaire. Un modèle de cette composante est alors défini pour les clusters cuisse et jambe. Un compromis acceptable entre la correction des STA et le nombre de paramètres a ainsi été obtenu. Les principales applications sont de générer une simulation réaliste des STA ; et surtout, en se concentrant sur la composante rigide, le modèle permet une reconstruction satisfaisante des STA avec moins de paramètres, ce qui facilite son incorporation dans un algorithme d'estimation de la position osseuse / In 3D human movement analysis performed using stereophotogrammetry and skin markers, bone pose can be only indirectly estimated. During a task, soft tissue deformations make the markers move with respect to the underlying bone generating soft tissue artefacts (STA), causing devastating effects on pose estimation and its compensation remains an open issue. The thesis’ aim was to contribute to the solution of this crucial issue. Modelling STA using measurable trial-specific variables is a prerequisite for its removal from marker trajectories. Two STA model architectures are proposed. A thigh marker-level model is first presented. STA was modeled as a linear combination of joint angles involved in the task. The model was calibrated with direct STA measures. The considerable number of model parameters led to defining STA approximations. Three definitions were proposed to represent STA as series of modes : individual marker displacements, marker-cluster geometrical transformations (MCGT), and skin envelope shape variations. Modes were selected using two criteria : modal energy and selecting them a priori. The MCGT allows to select either rigid or non-rigid components. It was also demonstrated that only the rigid component affects joint kinematics. A model of thigh and shank rigid component at cluster-level was then defined. An acceptable trade-off between STA compensation and number of parameters was obtained. These results lead to two main potential applications : generate realistic STAs for simulation