Cette thèse porte sur le raffinement d’un modèle du bruit utilisé pour des mesures spectroscopiques réalisées avec des peignes de fréquences optiques. La majorité des travaux antérieurs utilisaient des peignes de fréquences où le glissement (chirp) est minimisé, en supposant que tout glissement différentiel entre les peignes allait réduire le rapport signal sur bruit. L’hypothèse sous-jacente était que l’impact du bruit multiplicatif serait augmenté, le glissement lui permettant d’agir plus longtemps sur le signal d’interférence. Cependant, d’autres recherches indiquaient plutôt contraire : le chirp pourrait améliorer la mesure. Cette thèse cherche à augmenter la compréhension du comportement du bruit lorsque les peignes ont des glissements différentiels. De plus, celle-ci apporte de nouvelles évidences sur l’utilité du chirp dans ce type de mesure. À cet effet, nous avons fait une révision bibliographique des modèles du bruit dans les peignes de fréquences optiques. Ensuite, du point de vue théorique, nous avons analysé les effets du chirp sur les bruits additifs et multiplicatifs. Pour le bruit d’intensité, nous avons proposé un modèle phénoménologique décrivant le comportement de l’émission spontanée amplifiée (ASE) dans un laser à verrouillage de mode par rotation non linéaire de polarisation. Les spectres des peignes et leurs battements ont été caractérisés en portant une attention particulière à leur relation avec l’ASE. La thèse permet de conclure que le chirp différentiel n’affecte pas les niveaux des densités spectrales de bruit. Grâce au glissement différentiel de fréquence, il est possible d’envoyer plus puissance à l’échantillon et ainsi améliorer le rapport signal sur bruit des instruments à peignes de fréquence. D’un autre côté, la caractérisation de l’ASE a établi sa nature non-stationnaire. Elle a aussi expliqué des attributs spectraux qui sont observés régulièrement dans les signaux de battement des peignes. Finalement, en supposant que l’ASE circule largement dans une cavité opérée sous le seuil, sa caractérisation fournit une méthode pour estimer le déphasage non linéaire que subit le train d’impulsions femtosecondes. / This thesis proposes a noise model refinement for spectroscopic measurements using dual optical frequency combs. Until now most studies centered their efforts on noise characterization using chirp free combs based on an unproved hypothesis: measurements would get worse with chirped combs since multiplicative noises would be present over a longer duration on the interference pattern thus leading to a greater impact. However, at least one experimental result hinted to the contrary: differential chirp would actually improve the signal to noise ratio. This thesis therefore aims at increasing the understanding of noise when a differential chirp is present in a dual comb measurement. The specific goal is to provide new insights about the usefulness of chirp in this kind of measurement. With this in mind, we conducted a literature review of noise models in optical frequency combs. We subsequently analyzed the chirp’s effect in the presence of both additive and multiplicative noise. The thesis also proposes a phenomenological model to describe the amplified spontaneous emission - ASE in short pulse lasers mode locked using non linear polarization rotation. Finally the comb spectra and their beat notes are characterized putting special attention to their relation with the ASE components. As conclusions, we can report that noise power spectral density levels do not change with a differential chirp. Chirping allows sending a greater optical power through the sample, such that the measurement signal to noise ratio can be improved. On the other hand, the ASE characterization established its non-stationary nature and explained very well characteristic features routinely observed in dual comb beat notes that were not fully understood. Finally, assuming the ASE experiences a sub threshold linear cavity allows using theses features to estimate the non linear phase shift experienced by the modelocked pulse train in the laser cavity.

L’objectif de la thèse est le développement d'une stratégie pour quantifier expérimentalement le bruit indirect et le séparer du bruit direct, puisque le bruit direct et indirect co-existent dans la plupart des applications. La configuration retenue pour l'étude est un banc expérimental avec une tuyère et la stratégie proposée a pour l’objectif de mesurer les fonctions de transfert de la tuyère. Le premier chapitre définit les fonctions de transfert de la tuyère utilisée dans l'étude comme référence pour la validation de la stratégie. Le deuxième chapitre présente une configuration originale qui génère simultanément le bruit direct et indirect sans introduire la combustion. Le troisième chapitre détaille les méthodes pour évaluer les ondes acoustiques et d'entropie à partir des mesures de température et de pression. Le quatrième chapitre termine la première partie de la thèse en décrivant la stratégie avant de la tester avec les signaux expérimentaux et numériques de haute fidélité. La deuxième partie se concentre sur l'utilisation de la stratégie dans les simulations à grandes échelles d'un brûleur à combustion turbulente. Les simulations sont validées par des données expérimentales tandis que les signaux sont traités à quantifier le bruit direct et indirect de combustion dans la chambre. / The objective of the thesis is the development of a practical strategy to quantify experimentally indirect noise and to discriminate it from direct noise as they co-exist in most practical conditions. The configuration retained for the study is a test bench with a nozzle and the proposed the strategy relies on nozzle transfer functions. The first chapter defines the nozzle transfer functions used in the study as references for the validation of the strategy. The second chapter introduces an original setup that generates simultaneously direct and indirect noise without handling combustion. The third chapter details the methods to evaluate the acoustic and entropy waves from raw temperature and pressure signals. The fourth chapter closes the first part of the study by describing the strategy then testing it on high-fidelity simulation and experimental signals. The second part focuses on the use of the strategy in Large Eddy Simulations of a turbulent combustion test bench. Simulations are validated by experimental data then raw signals are processed to quantify the direct and indirect noise sources as well as the direct and indirect noise contributions.

Le bruit de combustion est devenu un contributeur de plus en plus important dans le bruit total de moteur d'avion. Ce bruit global a deux composantes: Le bruit direct et le bruit indirect. Le premier est issu des fluctuations de dégagement de chaleur dans la flamme elle-même. Le deuxième a pour origine les inhomogénéités de température dans les gaz brûlés. L'objectif de ce travail est la conception d'un banc de combustion sous pression avec une flamme pauvre, prémélangée swirlée dont les paramètres d'injection permettront d'obtenir des grandes quantités de bruit indirect.Il est nécessaire de caractériser ce banc et d'établir quelle est la part du bruit direct et de l'indirect afin d'identifier les sources de ces contributions. Pour cette caractérisation il est nécessaire d'utiliser différents diagnostics, de prendre en compte la résolution temporelle. Ces diagnostics à haute cadence permettent de caractériser les champs de vitesse et les dynamiques de flamme, les instabilités de combustion dans le système et ainsi évaluer les contributions du bruit direct et indirect. / Combustion noise has become an increasing contributor of overall aircraft engine noise. It consists of two major parts, direct and indirect combustion noise. The former is generated by the heat release fluctuations of the flame itself. The latter is generated by the temperature inhomogeneities in the burnt gases, which are accelerated in the turbine stages or nozzle following the combustion chamber.The aim of this work is to design and build a pressurized lean swirling combustor test bench, in order to quantify the two contributions.The combustor is thus supposed to generate high quantities of indirect combustion noise. The second aim is then to determine the contributions of direct and indirect combustion noise quantitatively and to gain insight about the sources of the two contributions. These analyses are conducted by different high-speed diagnostics, which were worked on during this work. These diagnostics allow to characterize the flow fields and flame dynamics, to put forward the combustion instability in the system and finally to quantify the direct and indirect combustion noise contributions.

Nous étudions en détail le bruit quantique dans les microlasers semi-conducteurs à cavité verticale : les VCSELs, dont l'acronyme anglais signifie Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers. Ces lasers ont la particularité d'émettre des faisceaux avec plusieurs modes transverses de polarisations variées au-dessus du seuil. Lorsqu'un seul mode transverse, polarisé linéairement oscille, nous démontrons théoriquement aussi bien qu'expérimentalement l'importance de l'émission dans la direction de polarisation orthogonale pour la caractérisation du bruit d'intensité. En régime multimode transverse, les anticorrélations très importantes entre les modes permet d'obtenir, pour les meilleurs échantillons, des faisceaux au bruit d'intensité comprimé (jusqu'à 15 % sous la limite quantique standard). Pour les échantillons qui présentent de l'excès de bruit en régime libre, la technique de l'injection optique permet d'obtenir, dans certains cas, de la compression du bruit d'intensité. Enfin, nous présentons nos résultats sur la structure spatiale du bruit d'intensité dans le plan transverse. Nous rapportons aussi dans ce manuscrit l'étude du bruit d'intensité des minilasers Nd :YVO4. Par rapport au modèle standard des lasers à deux niveaux, ces lasers présentent un excès de bruit à basse fréquence. Nous montrons que cet excès de bruit provient d'effets non linéaires dus à l'importance du pic de bruit à la fréquence d'oscillation de relaxation. Expérimentalement, nous mettons en oeuvre deux techniques distinctes pour réduire ces effets : une boucle de rétroaction électrooptique et l'injection optique.

Nous étudions en détail le bruit quantique dans les microlasers semi-conducteurs à cavité verticale : les VCSELs, dont l'acronyme anglais est Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers. Ces lasers ont la particularité d'émettre des faisceaux avec plusieurs modes transverses au-dessus du seuil. Lorsqu'un seul mode transverse, polarisé linéairement oscille, nous démontrons théoriquement aussi bien qu'expérimentalement l'importance du bruit de l'émission dans la direction de polarisation orthogonale pour la caractérisation du bruit d'intensité. Lorsque deux modes transverses polarisés linéairement et orthogonalement oscillent, nous étudions la structure spatiale transverse du bruit d'intensité. Nous développons un modèle quantique qui donne correctement l'allure du bruit d'intensité.<br /><br />Nous rapportons également dans cette thèse l'étude du bruit quantique dans les diodes laser. Par rapport au modèle standard des lasers à deux niveaux, ces lasers présentent un excès de bruit à fort courants. Nous démontrons expérimentalement et théoriquement que cet excès de bruit provient des fluctuations du courant à l'intérieur de la diode laser.

Le bruit émis par les nouvelles architectures de moteurs aéronautiques a été considérablement réduit dans les dernières années. Les différentes sources de bruit ont été identifiées et pour la plupart réduites. Cependant, la contribution relative du bruit de combustion au bruit global a augmenté progressivement avec la décroissance des autres sources. Deux mécanismes de génération de bruit de combustion ont été identifiés : le bruit direct qui est produit par des fluctuations du dégagement de chaleur dû à la combustion, et le bruit indirect qui est généré par l’accélération des spots d’entropie. Dans ce travail, les mécanismes de génération et propagation du bruit entropique sont étudiés par des simulations numériques aux grandes échelles (en anglais LES) et par des modèles analytiques. Dans un premier temps, une configuration simplifiée du phénomène est étudiée : des spots d’entropie sont créés par des résistances chauffantes et ensuite accélérés par une tuyère pour générer du bruit indirect. Cette configuration a été simulée et ses résultats validés par des campagnes expérimentales. Ensuite, la simulation numérique est utilisée pour mieux comprendre les mécanismes de génération du bruit indirect et ses interactions avec des effets visqueux et non visqueux. Dans une seconde partie, une configuration de turbine haute pression à un seul étage est utilisée pour étudier le bruit indirect d’une façon plus réaliste. Dans les deux parties de cette thèse, les résultats numériques sont comparés à des théories analytiques pour mieux comprendre les avantages et inconvénients d’une méthode par rapport à l’autre. / Combustion noise is increasing its relative contribution to aircraft noise, while other sources are being reduced and new low-NOx emission combustion chambers being built. Two mechanisms are responsible for this noise source: direct noise in which acoustic waves are generated by the flame and propagate to the outlet of the aero-engine, and indirect noise, where entropy waves generate noise as they are accelerated and decelerated in the turbine stages. In this work, the analytical models used for the propagation of waves through non-homogeneous flows, including the generation of indirect noise, are revised and extended. In the first part, the quasi-1D case is studied, extending the analytical method to non-zero frequencies and validating the results with numerical methods and experimental data. In the second part, the 2D method for the case of compact turbine blades is studied and validated using numerical simulations of a rotating blade and of a complete turbine stage. Finally, in the third part of this thesis, these models are combined with reactive and compressible Large Eddy Simulations (LES) of combustion chambers to build a hybrid approach, named CHORUS, able to predict combustion noise.

La technique des corrélations de bruit ambiant est aujourd'hui largement utilisée en sismologie. Elle présente l'avantage essentiel de fournir des données qui ne dépendent pas de l'occurrence des séismes. Cette technique a été utilisée pour imager avec une bonne résolution la croûte dans plusieurs régions du monde. Depuis plus récemment, les corrélations de bruit sont également utilisées pour détecter des variations des propriétés élastiques de la croûte terrestre, et suivre l'évolution temporelle de structures géologiques potentiellement dangereuses. Dans ce contexte, mon travail de thèse a consisté en deux parties principales : 1/ Une étude méthodologique pour améliorer la qualité des mesures sur les corrélations de bruit. La distribution des sources de bruit empêche généralement la reconstruction parfaite de la fonction de Green dans les corrélations de bruit, pouvant introduire des biais dans les mesures basées sur le bruit sismique ambiant. Nous présentons dans ce manuscrit deux approches différentes pour essayer d'éliminer l'influence des sources de bruit dans nos mesures. 2/ Une étude de suivi temporel dans la province du Sichuan (Chine), autour du séisme du Wenchuan (12 mai 2008, Mw = 7.9). Cette application offre des conditions exceptionnelles à une application de suivi temporel, avec l'étude d'un très puissant séisme continental et un très grand nombre de données. Nous nous sommes en particulier intéressés au comportement de la croûte à différentes profondeurs, en réponse au séisme. Nous présentons également une méthode d'inversion pour localiser les variations dans le milieu. / The ambient noise correlation technique is now widely used in seismology. It is especially useful since data provided do not depend on the occurrence of earthquakes. This technique has been used to construct high-resolution tomographic images of the crust in various regions of the world. More recently, ambient noise correlations have been used to detect changes in elastic properties of the Earth's crust, and monitor the temporal evolution of potentially dangerous geological structures. In this scientific context, my research work has consisted of two main parts : 1/A methodological study to improve the quality of noise-based measurements. Usually, the distribution of noise sources prevents the exact reconstruction of the Green's function in noise correlations, that may introduce bias in noise-based measurements. We propose here two different approaches that can help in suppressing noise source influence in measurements. 2/A monitoring case study in Sichuan (China), associated with the Wenchuan earthquake (12 May 2008, Mw = 7.9). This case study provides many opportunities, with the study of a great continental earthquake and a large amount of data available. We especially investigated the behavior of the crust at different depths, in response to the Wenchuan earthquake.We also present an inversion method in order to locate variations in the medium.

Cette thèse propose de prédire le bruit émis par des ventilateurs à basse vitesse et sa diffraction par des obstacles liés aux contraintes d’installation dans les applications industrielles. Les composantes tonale et à large bande du bruit sont étudiées. Les méthodes existant dans la littérature considèrent des hypothèses et des simplifications afin de traiter le problème du bruit des ventilateurs de façon analytique, comme par exemple l’approximation de champ lointain. Tout d’abord, l’hypothèse de champ lointain dans la formulation du bruit tonal est relaxée. En utilisant des sources artificielles, une comparaison entre deux expressions analytiques et une simulation numérique est effectuée pour la validation en champ libre. Ensuite, la diffraction du bruit tonal est étudiée par des techniques numériques et analytiques. Le champ acoustique d’un rotor fonctionnant dans un conduit fini est d’abord pris comme exemple en combinant les formulations analytiques avec la méthode d’éléments de frontière (BEM). Etant donné que cette dernière serait trop coûteuse en temps de calcul pour des applications haute fréquence, des techniques analytiques pour le problème de diffraction sont également présentées. La réflexion et la diffraction des ondes sonores par une plaque infinie sont d’abord considérées en remplaçant la plaque par une source image. Ensuite, une solution analytique exacte pour la diffraction du bruit tonal par un coin rigide est formulée. Un autre point abordé dans cette thèse est la prévision du bruit à large bande produit par un ventilateur axial à basse vitesse évoluant dans un écoulement turbulent. La théorie d’Amiet pour le bruit d’interaction de turbulence sur un profil fixe est considérée. Nous en proposons dans cette thèse une extension permettant de prédire le bruit du profil dans son champ proche géométrique l’aide d’outils semi-analytiques. La nouvelle formulation est comparée à solution classique d’Amiet et à une solution de référence obtenue par intégration numérique sans hypothèse de champ lointain géométrique. Des expériences sont également menées dans une soufflerie anéchoide où la turbulence est générée en amont du profil par une grille. Une autre hypothèse du modèle d’Amiet concerne l’écoulement uniforme arrivant sur le profil. Cette hypothèse n’est pas vérifiée dans la plupart des applications industrielles. Différentes méthodes existent dans la littérature pour traiter ce problème. Nous proposons une nouvelle approche pour prendre en compte des conditions d’écoulement variables en envergure. En intégrant toutes ces améliorations, la réponse acoustique large bande d’un profil fixe placé dans un jet turbulent et d’un ventilateur axial à basse vitesse placé dans un écoulement turbulent est étudiée et validée par comparaison avec l’expérience. Dans une dernière partie, la diffraction des ondes acoustiques générées par le profil et le ventilateur par des obstacles est déterminée numériquement et analytiquement. Puisque la méthode BEM n’est pas prévue pour résoudre directement le champ d’une source aléatoire, une approche innovante obtenue par la reformulation de la méthode déterministe de BEM est utilisée. Le modèle final est comparé aux solutions numériques, analytiques et expérimentales pour la validation. / This thesis proposes to predict the sound emitted from low-speed fans and its scattered-field by installation effects related to industrial applications. Both tonal and broadband components of fan noise are investigated. Methods existing in the literature contain assumptions and simplifications in order to deal with fan noise problems in analytical manner, such as consideration of an observer located in the far-field of the source. Firstly, the effect of far-field assumption in the tonal fan noise formulation is addressed. Using artificial blade sources, a comparison between two closed-form analytical solutions and a numerical technique is performed for validation in free-field. Secondly, the scattered field of the tonal fan noise is investigated using numerical and analytical techniques. The acoustic field of a rotor operating in a finite duct is first investigated combining the closed-form analytical formulations with the Boundary Element Method (BEM). Since BEM would be computationally demanding for high frequency applications, analytical scattering techniques are also introduced. Reflection and scattering of sound waves by a large plane are first addressed replacing the plane with an image source. Secondly, an exact analytical solution considering scattering of the tonal fan noise by a rigid corner is derived. Another point addressed in this thesis is the prediction of the broadband noise generated by a low-speed axial fan operating in turbulent stream. Amiet’s theory of turbulence-interaction noise for a stationary air foil is considered. One of the key points proposed in this thesis is an extension of Amiet’s method, allowing prediction of the acoustic field of the airfoil in its geometrical near-field in a semi-analytical perspective. The extended formulation is compared with Amiet’s classical solution and a reference solution obtained with numerical integration involving no geometrical far-field assumption. Experiments are also performed in anechoic chamber using an isolated airfoil located in grid generated turbulence. Another assumption made in Amiet’s theory is the consideration of uniform flow impinging onto the airfoil. However this assumption is not valid for most industrial applications. Different methods exist in literature to deal with this problem. A new approach is proposed in order to take the span wise varying flow conditions into account. Including all the improvements, the broadband acoustic responses of a stationary airfoil located in the developing region of a jet and of a low-speed axial fan operating in a turbulent stream are investigated and validated against measurements. Finally, scattering of the sound generated by the considered airfoil and fan by benchmark obstacles is addressed numerically and analytically. Since BEM is not capable to handle statistical source fields directly, an innovative approach obtained by re-formulating the deterministic BEM method is employed. The final model is compared to the numerical, analytical and experimental solutions for validation purposes.

La métrologie de haute précision est une application des peignes de fréquences optiques. Typiquement, la sensibilité de mesure est limitée par le bruit classique des propriétés des peignes. Leur bruit d'amplitude et de phase a été largement étudié et jusqu'à présent. Pourtant, uniquement des bandes latérales de bruit proche de la porteuse ont été caractérisées pour des fréquences individuelles et le champs moyen.Cette thèse développe des méthodes de caractérisation de bruit d'amplitude et phase à la limite quantique. A cette fin, une cavité passive et large bande est développée. Elle filtre et inter-convertit les bruits d'amplitude et phase. L'analyse de son signal à l'aide d'une détection homodyne permet la mesure du bruit de phase avec une sensibilité à la limite quantique. L'application d'un façonnage des impulsions ultra brèves rend possible la mesure des corrélations spectrales du bruit. Tout en étant représentés par des matrices de covariance, l'ensemble des corrélations du bruit sur le spectre optique d'un oscillateur Ti:Sapph est caractérisé.Les corrélations mesurées montrent des structures spectrales, dites " modes ", qui sont en accord avec la prédiction théorique. Ce concept apparait comme analogue au formalisme décrivant des systèmes multi-partites en optique quantique. Il est par conséquent aussi un moyen de description de bruit classique. La connaissance des modes intrinsèques du bruit est susceptible de mener à une amélioration de la précision de mesures avec des peignes de fréquences optiques. / Precision metrology is one application of optical frequency combs. Classical noise in their properties typically limits achievable measurement sensitivity. Amplitude and phase noise in optical frequency combs have already been studied extensively. So far, noise sidebands close to the carrier of either individual optical frequencies or of the mean field were considered. This thesis develops methods to precisely characterize amplitude and phase noise down to the quantum limit. To this aim a transmissive, broadband passive cavity is developed. It filters and inter-converts amplitude and phase noise. The analysis of its signal by the use of homodyne detection provides a quantum limited measurement of phase noise. The application of ultrafast pulse shaping enables the measurement of the spectral correlations of amplitude and phase noise. Being represented by the use of covariance matrices, the entire noise correlations over the optical spectrum are characterized on the example of a Ti:Sapph oscillator. The measured noise correlations exhibit spectral structures, so-called “modes”. Their shape matches with the theoretical prediction. This concept known from multi-partite optical quantum systems is consequently applicable to classical noise in frequency combs. The knowledge of the intrinsic noise modes is likely provide an improvement of precision metrology experiments with combs.

Ce mémoire traite la modélisation et la validation expérimentale du bruit d’un silencieux de motoneige. La première phase du projet consiste à modéliser numériquement le système d’échappement avec les méthodes numériques suivantes : éléments finis et éléments finis de frontière, afin d’évaluer ses performances acoustiques : perte par transmission, bruit de bouche et bruit de paroi. Une deuxième phase du projet consiste à valider expérimentalement les performances acoustiques calculées numériquement. La dernière phase du projet se consacrera à une étude paramétrique expérimentale d’un silencieux sur banc moteur. En conclusion, les résultats des modèles numériques mis en œuvre concordent bien avec les résultats expérimentaux. Cependant, les aspects non linéaires rencontrés à la dernière phase du projet n’ont pas été étudiés davantage.