Dans le contexte de l’amélioration des modèles de prévision en acoustique extérieure, ces travaux de thèse se focalisent sur la modélisation des effets des irrégularités de la surface du sol sur la propagation acoustique. Pour ce faire, des méthodes numériques temporelles sont utilisées : d’une part, la méthode FDTD basée sur la résolution des équations de l’acoustique par des schémas aux différences finies, et d’autre part, la méthode des lignes de transmission (TLM). La modélisation des effets de la rugosité de surface est abordée en considérant le formalisme de l’impédance effective. Deux modèles d’impédance effective sont étudiés : le premier caractérise les effets d’une rugosité déterministe constituée de diffuseurs de géométrie constante, le second caractérise les effets moyens d’une rugosité aléatoire définie par un spectre de rugosité. Ce second modèle est validé expérimentalement par une campagne de mesures en salle semi-anéchoïque, audessus de surfaces rugueuses dont la rugosité a été définie très précisément. Les deux modèles d’impédance effective sont également validés par des simulations numériques FDTD et TLM. La possibilité d’implémenter ces conditions d’impédance effective dans les deux codes temporels est ainsi montrée, ce qui permet de modéliser les effets de la rugosité sans avoir à réaliser un maillage précis du profil des hauteurs de la surface du sol. Une campagne de mesures de l’impédance de différents terrains est réalisée afin d’étudier les effets de la variabilité spatiale et saisonnière de l’impédance sur la prévision des niveaux sonores. Les impédances mesurées lors de cette campagne sont également utilisées comme des données d’entrée réalistes pour le code TLM, afin de simuler et d’étudier les effets de la propagation acoustique au-dessus d’un sol hétérogène présentant une impédance spatialement variable. / In the context of prediction models improvement for outdoor sound propagation, this work focuses on the modelling of the effects of ground irregularities on sound propagation. Time-domain numerical methods are used: on one hand, the solving of the governing equations by finite difference schemes (FDTD method), and on the other hand, the transmission line matrix (TLM) method. Effective impedance is considered to model the effects of surface roughness. Two effective impedance models are studied: the first one takes into account the effects of a deterministic roughness formed by scatterers of constant geometry, the second one takes into account the mean effects of a random roughness defined by a roughness spectrum. This second model is validated experimentally by a measurements campaign carried out in a semi-anechoic chamber, above rough surfaces whose roughness profiles were precisely designed. The two effective impedance models are also validated by FDTD and TLM simulations. The possibility to use the effective impedances directly into the numerical methods is then shown, allowing the modelling of roughness effects without meshing the exact height profile of the ground surface. A measurements campaign of the impedance of different grounds is performed in order to assess the effects of space and seasonal variability of the impedance on the sound levels predictions. The results of this campaign are also used as realistic entry data for the TLM code, and the propagation above a heterogeneous ground showing spatially variable impedance is simulated.

La généralisation des communications numériques (téléphonie mobile, courrier électronique, commerce électronique...) rend nécessaire la mise au point de systèmes dont la confidentialité des informations est garantie de manière absolue. L'utilisation des lois de la mécanique quantique comme moyen de cryptage répond à ce critère. Bien que les physiciens théoriciens aient commencé à réfléchir sur ce type de cryptage depuis les années 1970, les dispositifs effectivement utilisables et industrialisables à grande échelle ne sont pas encore disponibles. Parmi les dispositifs qu’il convient de développer et maîtriser, les sources de lumières capables de générer des photons à l’unité tiennent une place centrale. Une des principales difficultés rencontrées dans leur mise au point réside dans la nécessité d’atteindre une efficacité de collection de la lumière émise proche de l’unité. La solution généralement proposée consiste à maitriser leur environnement électromagnétique à l'aide de résonateurs optiques miniaturisés à l’échelle de la longueur d’onde. On peut ainsi bénéficier d'effets d’électrodynamique quantique, tel que l'effet Purcell, pour améliorer, par exemple, la dynamique et/ou la directivité d'émission des photons. La réalisation pratique de sources de photons n'a été rendue possible que par les progrès des nanotechnologies. L'utilisation de la technologie des semi-conducteurs est la voie prometteuse choisie dans ce travail, dans l'objectif de développer des composants miniaturisés et facilement intégrables, à la base d’une nouvelle génération de résonateurs optiques de taille ultime. Dans ce travail de thèse, nous proposons de développer une source de photons uniques utilisant des boites quantiques InAs -comme émetteurs uniques- incluses dans une membrane GaAs dans laquelle on réalise un résonateur optique consistant en une cavité à cristal photonique membranaire. On exploite la technologie des cristaux photoniques afin d’utiliser un unique mode optique résonant, dit mode de Bloch lent non dégénéré, opérant au-dessus de la ligne de lumière. On exploite diverses méthodes numériques pour la conception et la simulation du comportement électromagnétique des dispositifs. Nous effectuons ainsi une ingénierie fine de modes optiques permettant : (1) d'optimiser le facteur de Purcell dans une hétérostructure photonique(puits photonique analogue des puits quantiques électroniques). Nous montrons que le report de cette cavité sur un miroir de Bragg entraîne le doublement du taux de collection des photons, ainsi que de la dynamique d’émission; (2) de contrôler la directivité d'émission du mode pour améliorer l’efficacité d'extraction /collection des photons. Une étude détaillée de l’ingénierie du diagramme de rayonnement est présentée permettant d’appréhender la physique et de prévoir les caractéristiques10de l’émission du mode. Nous montrons, notamment, que la présence du miroir de Bragg peut fortement modifier la directivité d’émission. Les développements technologiques effectués en vue d'obtenir des résonateurs photoniques de hautes qualités sont également exposés. A la longueur d’onde d’émission de 900nm, choisie pour une adaptation optimale aux caractéristiques des détecteurs, la période du cristal photonique nécessaire est de l’ordre de quelques centaines de nm. Les outils et les paramètres de technologie de fabrication (par exemple, calibration de l’épaisseur du masque dur et des paramètres d’exposition de la résine par lithographie électronique) sont exposés en détail. / The current demand of digital communications (mobile phones, email, e-commerce ...) requires the development of systems which can guarantee full confidentiality. The use of quantum mechanics laws as a way of encryption is considered as an efficient way to meet confidentiality requirements. While physicists have begun to think about this type of encryption since the 1970s, the practical devices with large scale manufacturability are not yet available. Among devices to be developed, light sources capable of generating photons per unit are the most promising. One of the main difficulties encountered in their development is the need to achieve a collection efficiency of the emitted light close to unity. The solution usually proposed is to control their electromagnetic environment using optical resonators miniaturized at the wavelength scale. Thus, we can benefit from quantum electrodynamics effects, as the Purcell effect, in order to improve for example the dynamics and/or the directivity of the emitted photons. The practical realization of photon sources has been made possible by advances in nanotechnology. The use of semiconductor technology is the promising way chosen in this work, in view of developing miniaturized and easily integrated components to lay foundations for a new generation of ultimate-size optical resonators. In this thesis, we propose to develop a single photon source using InAs/GaAs quantum dots -as single emitters - inserted in a GaAs membrane. The quantum dots are coupled to an optical resonator consisting in a photonic crystal cavity formed in the GaAs membrane. Use of the photonic crystal approach allows for the generation of a single-resonant-optical mode so called non degenerated slow Bloch mode, operating above the light line, hence providing efficient communication with free space. We employ various numerical methods for designing and simulating the electromagnetic behaviours of the devices. Thus, we perform a fine engineering of the optical modes in order to:(1) optimize the Purcell factor in a photonic heterostructure (where photonics wells are equivalent to electronic quantum wells). We show that the positioning of a Bragg mirror above the cavity results in a two-fold increase of the collection efficiency of photons, as well as of their emission dynamics;(2) control the directivity of the emission diagram, thus improving the efficiency of extraction/collection of photons. A detailed engineering study of the radiation pattern is presented in12order to predict the features of the emission diagram. We show in particular that the presence of the Bragg mirror may alter the directivity of the emission if its location is not properly optimized. Technological developments meant to result in high quality photonic resonators are described. A wavelength of 900nm of the emission is chosen for an optimal matching to the detector characteristics, which requires a period of the photonic crystal in the range of a few hundreds of nm. The tools and technological parameters of manufacturing (eg, calibration of the thickness of hard mask and exposure parameters of the resist by electron beam lithography) are detailed.

Les travaux présentés dans ce mémoire s’inscrivent dans la thématique de la transmission d’énergie sans fil, appliquée à l’alimentation à distance de capteurs, de réseaux de capteurs et d’actionneurs à faible consommation. Cette étude porte sur la conception,l’optimisation, la réalisation et la mesure de circuits Rectennas (Rectifying antennas)compacts, à faible coût et à haut rendement de conversion RF-DC.Un outil d’analyse globale, basé sur la méthode des Différences Finies dans le Domaine Temporel (FDTD), a été développé et utilisé pour prédire avec précision la sortie DC des rectennas étudiées. Les résultats numériques obtenus se sont avérés plus précis et plus complets que ceux de simulations à base d’outils commerciaux. La diode Schottky a été rigoureusement modélisée, en tenant compte de ses éléments parasites et de son boîtier SOT23, et introduite dans le calcul itératif FDTD.Trois rectennas innovantes, en technologie micro-ruban, ont été développées,optimisées et caractérisées expérimentalement. Elles fonctionnent à 2.45 GHz et elles ne contiennent ni filtre d’entrée HF ni vias de retour à la masse. Des rendements supérieurs à 80% ont pu être mesurés avec une densité surfacique de puissance de l’ordre de 0.21 mW/cm²(E = 28 V/m). Une tension DC de 3.1 V a été mesurée aux bornes d’une charge optimale de1.05 k_, lorsque le niveau du champ électrique est égal à 34 V/m (0.31 mW/cm²).Des réseaux de rectennas connectées en série et en parallèle ont été développés. Les tensions et les puissances DC ont été doublées et quadruplées à l’aide de deux et de quatre éléments, respectivement. / The work presented in this thesis is included within the theme of wireless power transmission, applied to wireless powering of sensors, sensor nodes and actuators with low consumption. This study deals with the design, optimization, fabrication and experimental characterization of compact, low cost and efficient Rectennas (Rectifying antennas).A global analysis tool, based on the Finite Difference Time Domain method (FDTD),has been developed and used to predict with a good precision the DC output of studied rectennas. The packaged Schottky diode has been rigorously modeled, taking into account the parasitic elements, and included in the iterative FDTD calculation.Three new rectennas, with microstrip technology, have been developed and measured.They operate at 2.45 GHz and they don’t need neither input HF filter nor via hole connections. Efficiencies more than 80 % have been measured when the power density is 0.21mW/cm² (E = 28 V/m). An output DC voltage of about 3.1 V has been measured with anoptimal load of 1.05 k_, when the power density is equal to 0.31mW/cm² (34 V/m).Rectenna arrays, with series and parallel interconnections, have been developed and measured. Output DC voltages and powers have been doubled and quadrupled using two andfour rectenna elements, respectively.

Lorsqu’un bâtiment d’un centre de production d’électricité est frappé par la foudre, il se produit une dangereuse circulation de courants dans tous les composants connectés au bâtiment: les murs, le réseau de terre, et les câbles sortant du bâtiment. L’intérêt du présent travail est d’étudier les tensions transitoires aux extrémités de ces câbles, en particulier des câbles contrôle mesure, dans la mesure où ces câbles sont connectés à des équipements électroniques susceptibles d’être endommagés par des perturbations électromagnétiques engendrées par la foudre. Une approche basée sur la résolution numérique des équations de Maxwell via une méthode FDTD est adoptée. Notamment le formalisme de Holland et Simpson est utilisé pour modéliser toutes les structures constituées d’un réseau de fils minces: l’armature métallique du bâtiment, la grille en cuivre du réseau de terre, la galerie de béton et le câble coaxial de contrôle mesure. Une validation des modèles électromagnétiques développés pour chaque composant du site industriel est présentée. Une analyse de sensibilité est conduite pour déterminer l’influence des paramètres du système. En outre, la technique des plans d’expérience est utilisée pour générer un méta-modèle qui prédit la tension maximale induite aux extrémités du câble en fonction des paramètres les plus influents. Cela représentent un outil de calcul précis et informatiquement efficace pour évaluer la performance foudre des câbles de contrôle et de mesure. / When lightning strikes a building in a Power Generation Center, dangerous currents propagates through all the components connected to the building structure: The walls, the grounding grid, and the cables leaving the building. It is the interest of this work to study the transient voltages at the terminations of these cables external to the building.Particularly, the Instrumentation and Measure (IM) cables, since they are connected to electronic equipment susceptible of damage or malfunctioning due to lightning ElectroMagnetic perturbations. A full wave approach based on the numerical solution of Maxwell’s equations through the FDTD algorithm is adopted. Notably, the formalism of Holland and Simpson is used to model all the structures composed of thin wires: the building steel structure, the grounding copper grid, the concrete cable ducts and the coaxial IM cables. A validation of the model developed for each component is presented. A sensitivity analysis is performed in order to the determine the main parameters that configure the problem. Also, the Design of Experiments (DoE) technique is used to generate a meta-model that predicts the peak induced voltages in the cable terminations, as a function of the main parameters that configure the industrial site. This represents an accurate, and computationally efficient tool to assess lightning performance of IM cables.

Cette thèse porte sur une nouvelle approche pour le contrôle d’écoulement aérodynamique. Cette nouvelleapproche est basée sur l’utilisation d’actionneurs plasma. La modélisation numérique peut être une outilpuissante entre les mains des scientifiques et des ingénieurs pour comprendre, optimiser et ainsi ouvrir lavoie à la commercialisation et l’application de cette technologie. Le couplage entre l’électromagnétisme, leplasma et l’écoulement, nécessite des modèles et des techniques numériques avancées. Le travail présentédans cette thèse, a pour principaux objectifs : le développement et la validation de méthodes numériques poursimuler efficacement le fonctionnement de certains des plus importants types d’actionneurs plasma. Nousnous sommes intéressés à trois types d’actionneurs plasma : les décharges micro-ondes, la décharge à barrièrediélectrique (DBD) et le jet synthétique plasma (JSP).En ce qui concerne les décharges microondes, les objectifs sont plus fondamentaux que pour les autrestypes d’actionneurs. Il s’est agit de mieux comprendre la création du plasma, son évolution et de calculerl’efficacité énergétique de dispositifs microondes par la simulation numérique. Un schéma couplé implicite(ADI) - FDTD avec un modèle de plasma fluide simplifié est présenté. Cette formulation conserve la simplicitéet la robustesse des systèmes de FDTD, tout en dépassant la barrière du critère de stabilité CFL. Elle conduità un temps de calcul réduit et la possibilité de réaliser des simulations tridimensionnelles de la formationdu plasma et de l’évolution d’un plasma dans un champ micro-ondes. Afin d’étudier l’énergie absorbée parle plasma et le transfert vers le gaz sous forme de chaleur ainsi que le changement consécutif de la densitédu gaz, un solveur Euler a été couplé avec le modèle EM-plasma en tenant compte des effets de gaz réel.Diverses validations et applications sont ensuite étudiés. Des simulations tridimensionnelles de formationdu plasma sont réalisée qui montrent la formation de structures dans une décharge micro-ondes librementlocalisée. Les effets de chauffage de gaz sur le développement d’un "streamer" et la durée d’un volumepré-ionisé avec des champs sous-critiques sont également calculés.En ce qui concerne les deux autres groupes d’actionneurs, les objectifs de cette thèse se concentrent sur lamodélisation de leur fonctionnement et sur la production d’écoulement qui en résulte. Le Jet Synthétique Plasma a été numériquement étudié par trois modèles couplés. Les résultats obtenus sont prometteurspour l’optimisation du JSP et une meilleure compréhension des mécanismes qui limitent ses performances.L’actionneur DBD a été modélisée en utilisant deux solveurs différents basés sur des modèles physiquessimilaires - celui développé à l’ONERA et l’autre à LAPLACE. Des études paramétriques ont montré queles modèles donnent une estimation assez précise de la force produite par le DBD par rapport à des mesuresexpérimentales. Des applications aérodynamiques de contrôle d’écoulement ont démontré les effets possiblesde ces actionneurs pour la transition laminaire - turbulente et l’amélioration de la portance. Ces travauxouvrent une perspective nouvelle dans la conception et l’optimisation de ces actionneurs. / As aerodynamic flow control still remains one of the top subjects of research in the aerospace scientific world, new ways to perform such a control are being constantly studied. Plasma actuators based on momentum or energy addition in the flow, have been proven capable of positively modifying the flow aerodynamic features. Nevertheless, the development and optimization of such actuators, require further understanding of the basic multi-scale physics involved. In this thesis, we are interested in the numerical modeling of plasma flow control actuators. Three types of plasma actuators are considered: Microwave Plasma Discharges (MPD), the Dielectric Barrier Discharge (DBD) and the Plasma Synthetic Jet (PSJ). Concerning MPDs, a novel implicit approach has been developed which with have enabled three-dimensional simulations in time domain in reduced CPU time. The microwave breakdown and evolution of the plasma due to the electromagnetic waves has been studied numerically, demonstrating the three-dimensional nature of such discharges. Coupling of the EM-plasma model with an Euler based solver accounting for real gas effects, have revealed the plasma modification due to the intense gas heating. For the PSJ actuator, the numerical solver consists of three coupled numerical models and the obtained results of its operation offer important information of its performance and its limits. The DBD actuator has been numerically studied using 2 different solvers (based on the same physical model). Both solvers were capable to give quite accurate estimations of the induced force due to the plasma and various parametric studies have been conducted. These studies offer new perspectives in the understanding and the optimization of plasma actuators for flow control purposes.

Ce travail porte sur l’étude de l’environnement électromagnétique dans une chambre réverbérante à brassage mécanique de modes. Les chambres réverbérantes constituent un outil fondamental pour réaliser des mesures de compatibilité électromagnétique. Leur étude se focalise généralement sur les propriétés statistiques de la puissance du champ stationnaire. Cependant, d’autres études de ce champ stationnaire ont été faites sous un autre angle qui consiste à utiliser la décomposition en spectre d’ondes planes pour décrire ce champ. Les méthodes d’estimation spectrale à haute résolution constituent un outil puissant pour identifier les directions d’arrivée d’ondes planes. Ces méthodes réputées puissantes sont paramétriques, elles requièrent la connaissance a priori du nombre d’ondes planes à séparer. Une méthode complète basée sur le critère MDL (Minimum Description Length) pour l’estimation d’ordre et de l’algorithme MUSIC (MUltiple SIgnal Classification) a été codée pour l’estimation du nombre, des directions d’arrivée, des amplitudes et des phases des ondes planes. L’adaptation de l’estimateur du spectre d’ondes planes à l’environnement de la chambre réverbérante, qui est un milieu à forte corrélation, nécessite l’utilisation de la technique de lissage spatial pour décorréler les fronts d’onde. La simulation du fonctionnement de la chambre réverbérante par la méthode numérique FDTD (Finite Difference Time Domain) a permis d’avoir les cartographies du champ électrique pour réaliser l’étude de la variation du spectre angulaire par rotation du brasseur mettant en évidence l’effet du mouvement du brasseur sur les directions d’arrivée des ondes et sur leurs puissances respectives. Ce travail se termine par une étude statistique des directions d’arrivée et des amplitudes des ondes planes de la décomposition / This work deals with the study of electromagnetic environment in a mechanical stirred reverberation chamber. The reverberation chamber is a fundamental tool to perform measurements of electromagnetic compatibility. Its study is generally focused on the statistical properties of the stationary field power. However, other studies based on field decomposition on plane waves have been made to describe this environment. High resolution spectral methods are powerful tools to estimate the directions of arrival of plane waves. These parametric methods require a priori the knowledge of the number of plane waves to separate. A complete method based on MDL (Minimum Description Length) criterion and MUSIC algorithm (MUltiple SIgnal Classification) is developed for plane waves number, directions of arrival (DOA), amplitudes and phases estimation. To adapt the plane waves estimator to the environment of the reverberation chamber, which is a highly correlated medium, spatial smoothing technique is used for wavefronts decorrelation. The reverberation chamber is simulated by the FDTD (Finite Difference Time Domain) numerical method to obtain the electric field cartographies. They are then used to study the stirrer rotation effect on plane wave directions of arrival and their respective powers. This work concludes with a statistical study on the plane wave DOA and amplitudes

This work deals with techniques of time-domain analysis of interconnects. After a studying crucial issue of time-domain analysis of interconnects methods of modeling and simulation simple interconnects in electrotechnics are described. For transient effect analysis two elementary methods can be used: the state variable method and the FDTD (Finite - Difference Time - Domain) method. The FDTD method can be used to solve partial differential equations in time domain, for instance equations of transmission lines. The method is very effective and delivers satisfactory results in case of linear and non-linear lines with a single “live” conductor. The method can be easily programmed in Matlab.

The main topic of this diploma thesis is the modeling of nonlinear effects in ultrasonic fields. The work deals with application of finite difference method (FDTD) on the Westervelt equation and the subsequent creation of the model of ultrasonic fields in MATLAB. This thesis also includes theoretical analysis of ultra-acoustic and technical aspects of diagnostic ultrasonography. In addition, this document includes verification of theoretical assumptions by using created model.

風力発電システムは、現在世界中で普及しているが、その地上高と立地条件からしばしば落雷の被害を受け、稼働率の低下が問題視されている。本論文は、垂直導体である風力発電タワーにおける雷サージ解析の高精度化、高速化を目的とした垂直導体回路解析モデルの提案、およびその有用性のについて述べるとともに、風力発電所や洋上風車への拡張性についてまとめたものである。 / 博士(工学) / Doctor of Philosophy in Engineering / 同志社大学 / Doshisha University

Ground-Penetrating Radar (GPR) is a non-destructive electromagnetic investigative tool used in many applications across the fields of engineering and geophysics. The propagation of electromagnetic waves in lossy materials is complex and over the past 20 years, the computational modelling of GPR has developed to improve our understanding of this phenomenon. This research focuses on the development of accurate numerical models of widely-used, high-frequency commercial GPR antennas. High-frequency, highresolution GPR antennas are mainly used in civil engineering for the evaluation of structural features in concrete i. e., the location of rebars, conduits, voids and cracking. These types of target are typically located close to the surface and their responses can be coupled with the direct wave of the antenna. Most numerical simulations of GPR only include a simple excitation model, such as an infinitesimal dipole, which does not represent the actual antenna. By omitting the real antenna from the model, simulations cannot accurately replicate the amplitudes and waveshapes of real GPR responses. Numerical models of a 1.5 GHz Geophysical Survey Systems, Inc. (GSSI) antenna and a 1.2 GHz MALÅ GeoScience (MALÅ) antenna have been developed. The geometry of antennas is often complex with many fine features that must be captured in the numerical models. To visualise this level of detail in 3d, software was developed to link Paraview—an open source visualisation application which uses the Visualisation Toolkit (VTK)—with GprMax3D—electromagnetic simulation software based on the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method. Certain component values from the real antennas that were required for the models could not be readily determined due to commercial sensitivity. Values for these unknown parameters were found by implementing an optimisation technique known as Taguchi’s method. The metric used to initially assess the accuracy of the antenna models was a cross-corellation of the crosstalk responses from the models with the crosstalk responses measured from the real antennas. A 98 % match between modelled and real crosstalk responses was achieved. Further validation of the antenna models was undertaken using a series of laboratory experiments where oil-in-water (O/W) emulsions were created to simulate the electrical properties of real materials. The emulsions provided homogeneous liquids with controllable permittivity and conductivity and enabled different types of targets, typically encountered with GPR, to be tested. The laboratory setup was replicated in simulations which included the antenna models and an excellent agreement was shown between the measured and modelled data. The models reproduced both the amplitude and waveshape of the real responses whilst B-scans showed that the models were also accurately capturing effects, such as masking, present in the real data. It was shown that to achieve this accuracy, the real permittivity and conductivity profiles of materials must be correctly modelled. The validated antenna models were then used to investigate the radiation dynamics of GPR antennas. It was found that the shape and directivity of theoretically predicted far-field radiation patterns differ significantly from real antenna patterns. Being able to understand and visualise in 3d the antenna patterns of real GPR antennas, over realistic materials containing typical targets, is extremely important for antenna design and also from a practical user perspective.