Ce travail détaille une approche de calcul pour la résolution de problèmes dynamiques qui combinent des discrétisations en temps et dans le domaine de Laplace reposant sur une technique de sous-structuration. En particulier, la méthode développée cherche à remplir le besoin industriel de réaliser des calculs dynamiques tridimensionnels pour le risque sismique en prenant en compte des effets non-linéaires d'interaction sol-structure (ISS). Deux sous-domaines sont considérés dans ce problème. D'une part, le domaine de sol linéaire et non-borné qui est modélisé par une impédance de bord discrétisée dans le domaine de Laplace au moyen d'une méthode d'éléments de frontière ; et, de l'autre part, la superstructure qui fait référence pas seulement à la structure et sa fondation mais aussi, éventuellement, à une partie du sol présentant un comportement non-linéaire. Ce dernier sous-domaine est formulé dans le domaine temporel et discrétisé avec la méthode des éléments finis (FE). Dans ce cadre, les forces liées à l'ISS s'écrivent sous la forme d'une intégrale de convolution en temps dont le noyau est la transformée de Laplace inverse de la matrice d'impédance de sol. Pour pouvoir évaluer cette convolution dans le domaine temporel à partir d'une impédance de sol définie dans le domaine de Laplace, une approche basée sur des Quadratures de Convolution (QC) est présentée : la méthode hybride Laplace-Temps (L-T). La stabilité numérique de son couplage avec un schéma d'intégration de type Newmark est ensuite étudiée sur plusieurs modèles d'ISS en dynamique linéaire et non-linéaire. Finalement, la méthode L-T est testée sur un modèle numérique plus complexe, proche d'une application sismique de caractère industriel, et des résultats satisfaisants sont obtenus par rapport aux solutions de référence. / The present work addresses a computational methodology to solve dynamic problems coupling time and Laplace domain discretizations within a domain decomposition approach. In particular, the proposed methodology aims at meeting the industrial need of performing more accurate seismic risk assessments by accounting for three-dimensional dynamic soil-structure interaction (DSSI) in nonlinear analysis. Two subdomains are considered in this problem. On the one hand, the linear and unbounded domain of soil which is modelled by an impedance operator computed in the Laplace domain using a Boundary Element (BE) method; and, on the other hand, the superstructure which refers not only to the structure and its foundations but also to a region of soil that possibly exhibits nonlinear behaviour. The latter subdomain is formulated in the time domain and discretized using a Finite Element (FE) method. In this framework, the DSSI forces are expressed as a time convolution integral whose kernel is the inverse Laplace transform of the soil impedance matrix. In order to evaluate this convolution in the time domain by means of the soil impedance matrix (available in the Laplace domain), a Convolution Quadrature-based approach called the Hybrid Laplace-Time domain Approach (HLTA), is thus introduced. Its numerical stability when coupled to Newmark time integration schemes is subsequently investigated through several numerical examples of DSSI applications in linear and nonlinear analyses. The HLTA is finally tested on a more complex numerical model, closer to that of an industrial seismic application, and good results are obtained when compared to the reference solutions.

L'acoustique a un intérêt certain pour des applications de sécurité et de défense puisqu'elle permet une surveillance passive, omnidirectionnelle et sans ligne de vue directe. Dans le contexte militaire, des antennes de microphones sont par exemple utilisées pour détecter, localiser et classifier des explosions, des tirs d'artillerie ou des tirs d'armes de poing. Les signatures temporelles enregistrées à quelques centaines de mètres de la source peuvent cependant présenter une grande sensibilité aux conditions environnementales, et notamment, en milieu ouvert, au sol et à la micrométéorologie. Des effets de propagation importants liés à la stratification moyenne de l'atmosphère, la turbulence, la topographie ou l'impédance du sol sont en effet attendus. L'influence combinée de ces effets reste peu documentée, et peut se traduire par une dégradation des performances des systèmes militaires. La simulation numérique est une alternative intéressante et complémentaire à l'approche expérimentale pour mieux comprendre ces interactions, puisqu'elle permet le contrôle des paramètres d'entrée. L'acoustique du champ de bataille fait cependant intervenir des sons à caractère impulsionnel et de grande amplitude, qui se propagent sur de relativement longues distances et présentent de petites échelles spatiales ; la prise en compte des effets de turbulence ou de topologie imposent de plus une modélisation volumique tridimensionnelle. Ces aspects sont très contraignants en terme de coûts de calcul, même avec les capacités de calcul modernes. Un premier objectif de cette thèse consiste à développer une nouvelle version du modèle de différences finies dans le domaine temporel (FDTD) initialement disponible pour permettre de répondre à ces spécifications. Les simulations temporelles en trois dimensions étant relativement peu répandues, un certain nombre d'avancées scientifiques ont été requises par rapport aux travaux antérieurs, concernant la prise en compte des sources, la modélisation des sols ou l'efficacité des conditions denon-réflexion (PML).La confrontation avec l'expérience s'avère toutefois indispensable pour s'assurer de la qualité des prédictions numériques en conditions réalistes. Des mesures acoustiques originales ont ainsi été réalisées en Allemagne pendant plusieurs jours et pour différentes conditions atmosphériques afin de documenter la variabilité des sons impulsionnels, pour des distances de propagation de plusieurs centaines de mètres. Un excellent accord est obtenu avec des simulations numériques déterministes pour toutes les configurations considérées. Ces résultats ouvrent la voie vers l'étude des pertes de cohérences spatiales et temporelles et leur influence sur les performances des antennes microphoniques. / Acoustics is of interest for applications pertaining to defence and security since it can provide a passive, omnidirectional and non-line-of-sight survey. In a military context, microphone arrays are for instance used to detect, localize and classify explosions, artillery fire or gunshots. However, time signatures recorded a few hundred meters from the source may be very sensitive to the environmental conditions since significant propagation effects related to the mean stratification of the atmosphere, turbulence, topography or ground impedance are expected. The combined impact of these effects is as yet little documented, and this lack of knowledge can degrade the performance of military systems.Numerical simulations are an interesting and complementary alternative to experiments to better understand these interactions since the input parameters can be controlled. Battlefield acoustics, however, typically involves very loud, impulse sounds, which propagate with short wavelengths over relatively long distances. Combined with the three-dimensional volume modeling required for turbulence or topology effects, such numerical predictions are very challenging in terms of computational cost even with currently available computing capabilities. One of the purposes of this work is to develop a new version of the in-house finite-difference time-domain solver (FDTD) in order to match these specifications. Time-domain 3D simulations being relatively new, a number of scientific advances were achieved regarding ground and source modeling in the time domain or the effectiveness of non-reflecting boundary conditions (PML).Still, comparison with measurements is necessary to ensure the accuracy of numerical predictions in realistic conditions. Acoustic measurements were thus carried out in Germany for several days in various meteorological conditions. The formed database provides original insights into the propagation effects on impulse sounds over up to several hundreds of meters. An excellent agreement is obtained with deterministic simulations for all considered configurations. These results pave the way for further assessment of spatial and temporal coherence losses, and their influence on the performance of microphone arrays.

La réduction du bruit des transports est devenue un enjeu majeur dans nos sociétés. En raison de la réduction du bruit de moteur, le bruit de contact pneumatique / chaussée est aujourd'hui la principale source du bruit de trafic en conditions normales de conduite. Dans ce contexte, le but du présent travail est de comprendre et de contrôler les mécanismes de rayonnement du pneumatique, ceci en concevant des outils de prédiction efficients pour la propagation du bruit pneumatique / chaussée au dessus de surfaces d'impédances arbitraires. <br />Le rayonnement du pneumatique est modélisé à l'aide de la méthode des Sources Equivalentes. Malgré des limitations en basses fréquences dues au caractère bi–dimensionel du modèle, calculs et mesures indiquent que cet outil convient bien au rayonnement au–dessus de surface totalement réfléchissantes. Les effets de sol induits par des surfaces absorbantes n'est réalisée que de manière approchée. Un modèle d'effets de sol dus à un plan d'impédance donnée est donc dévelopé pour des sources de directivité arbitraire. Cette technique est essentiellement une alternative aux méthodes dites des équations intégrales. Par ailleurs, la solution exacte du problème est présentée. <br />Basé sur les deux outils de prédiction précédents, un modèle iteratif est dévelopé pour le rayonnement d'un pneumatique au–dessus de surfaces dont l'impédance est arbitraire. Des comparaisons avec des mesures d'amplification sonore due à l'effet dièdre montrent que ce modèle est efficient pour des surfaces absorbantes homogènes et inhomogènes. A l'aide de ce nouvel outil, une étude paramétrique examine les tendances du rayonnement du pneumatique au–dessus de chaussées absorbantes. <br />Le présent travail apporte de nouveaux éléments en matière de rayonnement de pneumatique / chaussée; il contribue en outre à l'étude des possibilités de réduction du bruit de trafic, notamment en utilisant des chaussées dites “silencieuses”.