The undercutting of toneholes has been practised for centuries with the aim of improving the tuning and playability of woodwind instruments. The influence of undercutting on tuning can be understood in terms of linear acoustic theory. Its effect on other playing characteristics is thought to lie in its reduction of local non-linear flow phenomena (boundary layer separation and the formation of jets and vortices) at the tonehole. Particle Image Velocimetry (PIV) is used to examine the oscillating airflow around a model woodwind tonehole. Velocity and vorticity information is obtained and compared for a square-edged tonehole and an undercut tonehole at a variety of sound levels. The upstream, internal edge of the tonehole is found to be the location of the most significant local non-linear flow behaviour. Undercutting is found to reduce the strength of local non-linear flow phenomena at a given sound level. Microphone measurements carried out in a reverberation chamber show that undercutting the tonehole also reduces the harmonic distortion introduced to the radiated pressure signal by the non-linear flow. Proper Orthogonal Decomposition (POD) is then applied to PIV data of oscillating flow at the end of a tube. It is used to approximately separate the acoustic field from the induced local non-linear flow phenomena. The POD results are then used to approximate the percentage of kinetic energy present in the non-linear flow. POD analysis is applied to the case of flow around the two toneholes. It shows a smaller transfer of kinetic energy to non-linear flow effects around the undercut tonehole at a given sound level. The dependence of the local non-linear flow kinetic energy on Strouhal number is considered.

L'objectif de ce travail est la caractérisation de l’endommagement thermique et mécanique dans le mortier par les ondes acoustiques non linéaires. La corrélation entre les paramètres acoustiques linéaires et non-linéaires étudiée est basée sur les essais expérimentaux et la modélisation. Pour l’endommagement thermique, des éprouvettes cylindriques ont été préparées et caractérisées par l'étude de la porosité et la saturation. Ensuite, l'acoustique linéaire et l’acoustique non linéaire (génération d'harmoniques) ont été appliquées afin de quantifier l’endommagement. Les essais acoustiques linéaires ont prouvé que les vitesses transversales, longitudinales et le module d'Young du mortier diminue en fonction de la température. Les essais acoustiques non linéaires ont montré l'augmentation du bêta fonction de la température. Pour l’endommagement mécanique, le phénomène d'autocicatrisation est suivi par la perméabilité et les essais acoustiques. Les essais de perméabilité ont montré que le débit d'air et la taille de la fissure diminue rapidement au cours du premier mois, puis lentement durant le reste du processus d'autocicatrisation. D'autre part, les tests acoustiques non linéaires ont montré que « alpha » et « bêta » diminuent durant le processus de l’autocicatrisation qui signifie que les paramètres non linéaires sont un bon indicateur pour caractériser ce phénomène. A partir des résultats expérimentaux, une corrélation polynomiale de 2ème degré a été établie entre les paramètres non linéaires et l’index d’endommagement. Les résultats de ce travail représentent un bon départ pour étudier le phénomène de l'autocicatrisation par les ondes acoustiques non linéaires / The objective of this work is the characterization of heat and mechanical damage in the mortar by the nonlinear acoustic waves. The correlation between non-linear/linear acoustic parameters and damage in mortar is studied based on experiments and modelling. For the heat damage, cylindrical specimens were prepared and were characterized by studying the porosity and saturation. Indeed, the linear acoustic (UPV) and non-linear acoustic (Higher harmonic generation) were applied to characterize the damage. The linear acoustic tests have shown that velocities and modulus of Young of the mortar decreases in function of the temperature. The non-linear acoustic tests have shown that beta increases in function of the temperature.For the mechanical damage. The self-healing phenomenon was characterized by the permeability and the acoustic tests. Indeed, the permeability tests have shown that the airflow and the crack size decreases quickly in the first month then slowly for the rest of the self-healing process. On the other hand, the non-linear acoustic tests shown that the alpha and beta decreases according to the self healing process which means that the nonlinear parameters are a good indicators to characterize the self-healing. Moreover, the analysis of the experimental results indicates that the frequency resonant technique is more efficient to characterize the defects in the mortar than the higher harmonic generation. A polynomial correlations of a 2nd degree was established between the nonlinear parameters and the index damage. The findings of this work should be most appropriate as a foundation for the study of the self healing by the nonlinear acoustic waves

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Abstract : The objective of this work is the characterization of heat and mechanical damage in the mortar by the nonlinear acoustic waves. The correlation between non-linear/linear acoustic parameters and damage in mortar is studied based on experiments and modelling. Experimental measurements of non-linear acoustic parameters as a function of temperature and crack size were performed on mortar. The velocities showed a decrease when increasing the degradation and the non-linear parameters showed an increase when increasing the damage. For the heat damage, cylindrical specimens were prepared and were characterized by studying the porosity and saturation. Then, the temperature controls the degradation. Indeed, the linear acoustic (UPV) and non-linear acoustic (Higher harmonic generation) were applied to characterize the damage. The linear acoustic tests have shown that the longitudinal, transverse velocities and modulus of Young of the mortar decreases in function of the temperature. The non-linear acoustic tests have shown that beta increases in function of the temperature. For the mechanical damage and the self-healing, an annular specimens were prepared and cracked by controlling the size of each crack. Then the self-healing phenomenon was characterized by the permeability and the acoustic tests. Indeed, the permeability tests have shown that the airflow and the crack size decreases quickly in the first month then slowly for the rest of the self-healing process. On the other hand, the non-linear acoustic tests shown that the alpha and beta decreases according to the self-healing process which means that the nonlinear parameters are good indicators to characterize the self-healing. Moreover, the analysis of the experimental results indicates that the frequency resonant technique is more efficient to characterize the defects in the mortar than the higher harmonic generation. From the experimental tests and to get a general result independent for our case study, the nonlinear parameters were related to a damage index. A polynomial correlations of a 2nd degree was established between the nonlinear parameters and the index damage. A numerical model based on the finite element volume was proposed to establish a correlation between the crack size and the airflow. The numerical results were compared with the results of the permeability tests and shown a good agreement. The findings of this work should be most appropriate as a foundation for the study of the self-healing by the nonlinear acoustic waves. / Résumé : L'objectif de ce travail est la caractérisation de l’endommagement thermique et mécanique dans le mortier par les ondes acoustiques non linéaires. La corrélation entre les paramètres acoustiques linéaires et non linéaires est basée sur les essais expérimentaux et la modélisation. Des mesures expérimentales des paramètres acoustiques non linéaires en fonction de la taille de la fissure et la température ont été effectuées sur mortier. Les vitesses ont montré une diminution et les paramètres non linéaires ont montré une augmentation en augmentant le degré de fissuration. Pour l’endommagement thermique, des éprouvettes cylindriques ont été préparées et ont été caractérisées par l'étude de la porosité et de la saturation. L'acoustique linéaire (UPV) et l’acoustique non linéaire (génération d'harmoniques) ont été appliquées afin de quantifier l’endommagement. Les essais acoustiques linéaires ont montré que les vitesses transversales, longitudinales et le module d'Young du mortier diminuent en fonction de la température. Les essais acoustiques non linéaires ont montré l'augmentation du bêta est fonction de l’endommagement thermique. Pour l’endommagement mécanique et l'autocicatrisation, des anneaux de mortier ont été préparés et fissurés en contrôlant la taille de chaque fissure. Ensuite, le phénomène d'autocicatrisation est suivi par la perméabilité et des essais acoustiques. Les essais de perméabilité ont montré que le débit d'air et la taille de la fissure diminuent rapidement au cours du premier mois, puis lentement durant le reste du processus d'autocicatrisation. D'autre part, les tests acoustiques non linéaires ont montré que « alpha » et « bêta » diminuent durant le processus de l’autocicatrisation, ce qui signifie que les paramètres non linéaires sont des bons indicateurs pour caractériser ce phénomène. En outre, l'analyse des résultats expérimentaux indique que la technique de résonance de fréquence est plus efficace pour caractériser les défauts dans le mortier que la génération d'harmoniques plus élevés. À partir des essais expérimentaux et dans le but d'obtenir un résultat plus général indépendant de notre cas d’étude, les paramètres non linéaires ont été liés à un index d’endommagement. Une corrélation polynomiale de 2e degré a été établie entre les paramètres non linéaires et l’index d’endommagement. Un modèle numérique basé sur la méthode des volumes finis a été proposé afin d'établir une corrélation entre la taille de la fissure et le flux d'air. Les résultats numériques ont été comparés avec les résultats des tests de perméabilité et montré un bon accord. Les résultats de ce travail représentent un bon départ pour étudier le phénomène de l'autocicatrisation par les ondes acoustiques non linéaires.