La première partie concerne les interactions acoustique-vorticité dans les écoulements cisaillés linéaires incompressibles, qui peuvent être décomposés en la somme d'une partie hyperbolique et d'une partie rotation solide. L'écoulement de Couette en est un exemple. En utilisant la démarche non-modale , les équations d'évolution de perturbations compressibles se réduisent à une EDO de dimension trois en temps, qui dépend d'un paramètre adimensionné ε représentant le rapport entre le taux de cisaillement de l'écoulement et la fréquence des perturbations. Pour ε faible, la méthode WKB permet d'exhiber naturellement trois modes (deux modes acoustiques et un mode de vorticité) et permet de mettre en évidence des couplages entre ces modes. Ces couplages sont exponentiellement faible en 1/ε, et ne peuvent être pris en compte par une méthode asymptotique. Ils semblent être liés à la partie hyperbolique de l'écoulement. La seconde partie traite de la réflexion d'une onde par une surface de géométrie complexe. Une transformation conforme permet de transformer une frontière complexe en une frontière plane, mais fait apparaître des coefficients non constants dans les équations en volume. Celles-ci sont résolues au moyen de la méthode de la matrice d'impédance multimodale qui ramène le problème à une équation de Riccati pour la matrice d'impédance. Une méthode pour trouver des géométries admettant des modes piégés est proposée. Puis la méthode de résolution est appliquée à la modélisation de la couche limite visqueuse d'un fluide oscillant au contact d'une surface complexe périodique. Une solution perturbative est proposée. La présence de zones de recirculation est étudiée.

La première partie concerne les interactions acoustique-vorticité dans les écoulements cisaillés linéaires incompressibles, qui peuvent être décomposés en la somme d’une partie hyperbolique et d’une partie rotation solide. L’écoulement de Couette en est un exemple. En utilisant la démarche non-modale , les équations d’évolution de perturbations compressibles se réduisent à une EDO de dimension trois en temps, qui dépend d’un paramètre adimensionné ε représentant le rapport entre le taux de cisaillement de l’écoulement et la fréquence des perturbations. Pour ε faible, la méthode WKB permet d’exhiber naturellement trois modes (deux modes acoustiques et un mode de vorticité) et permet de mettre en évidence des couplages entre ces modes. Ces couplages sont exponentiellement faible en 1/ε, et ne peuvent être pris en compte par une méthode asymptotique. Ils semblent être liés à la partie hyperbolique de l’écoulement. La seconde partie traite de la réflexion d'une onde par une surface de géométrie complexe. Une transformation conforme permet de transformer une frontière complexe en une frontière plane, mais fait apparaître des coefficients non constants dans les équations en volume. Celles-ci sont résolues au moyen de la méthode de la matrice d’impédance multimodale qui ramène le problème à une équation de Riccati pour la matrice d’impédance. Une méthode pour trouver des géométries admettant des modes piégés est proposée. Puis la méthode de résolution est appliquée à la modélisation de la couche limite visqueuse d’un fluide oscillant au contact d’une surface complexe périodique. Une solution perturbative est proposée. La présence de zones de recirculation est étudiée. / The first part is a study of the interactions between acoustic and vorticity perturbations in linear incompressible shear flows, which can decomposed as a sum of a hyperbolic part and of a rigid rotation part. The plane Couette flow is an example of such flows. By using the non-modal approach, the equations governing the evolution of compressible perturbations reduce to an ODE of dimension three in time, which depends on a dimensionless parameter ε representing the ratio between the shear rate of the flow and the frequency of the perturbations. For small ε values, the WKB method allows us to exhibit naturally three modes (two acoustic modes and one vorticity mode) and to highlight couplings between these modes. These couplings are exponentially small in 1/ε, and cannot be taken into account by an asymptotic method. They seem to be linked to the hyperbolic part of the flow.The second part deals with the reflection of a wave by a geometrically complex surface. A conformal mapping allows us to transform a complex boundary into a plane boundary, but makes appear varying coefficients in the bulk equations. These equations are then solved with the multimodal impedance matrix method, which reduce the problem to a Riccati equation for the impedance matrix. A method to find geometries allowing for the existence of trapped modes is proposed. Then the solving method is applied to the modeling of the viscous boundary layer of a fluid oscillating near a periodical rough surface. A perturbative solution is proposed. The presence of recirculation areas is studied.

Afin de réduire le bruit dans les villes, il est nécessaire d’avoir une bonne compréhension de la propagation acoustique en milieu urbain. Il existe aujourd’hui des logiciels commerciaux qui permettent de modéliser des champs acoustiques urbains à des coûts de calcul raisonnables. Toutefois, ces outils sont basés principalement sur des approches énergétiques qui ne contiennent pas d’informations sur la phase. Pour cette raison, elles ne permettent pas la prise en compte d’effets d’interférence (par exemple, des résonances), nous offrant ainsi une description physique limitée du champacoustique. Inversement, des méthodes ondulatoires classiques (FEM, BEM, FDTD) permettent de prendre en compte ces effets. Or, en raison de la discrétisation et de la grande extension du domaine de propagation, leur utilisation est généralement limitée aux très basses fréquences.L’objectif principal de cette thèse est de développer des méthodes ondulatoires performants, dans le domaine fréquentiel et temporel, nous permettant de modéliser la propagation acoustique dans des zones urbaines étendues. L’approche proposée est basée sur une formulation mixte modale–éléments finis. L’idée clé de cette méthode estde considérer la rue comme un guide d’ondes ouvert, dont la base modale est composée de modes de fuite (modes qui rayonnent une partie de leur énergie en se propageant). Cette approche combine une description multimodale du champ acoustique dans la direction longitudinale et un calcul par éléments finis des modes propres transverses.L’approche a été mise en oeuvre précédemment à l’échelle d’une seule rue. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’extension de la méthode à l’échelle du quartier, afin de modéliser la propagation dans des milieux contenant un grand nombre de rues interconnectées. Une version simplifiée dans le domaine temporel, contenant uniquement lemode de propagatif le moins fuyant, est également développée.En nous basant sur ces approches, nous étudions des phénomènes ondulatoires qui peuvent apparaître dans des configurations urbaines particulières. Plus précisément, nous nous intéressons à l’interaction des modes de la rue avec des résonances dans une cour intérieure adjacente, ainsi qu’à la formation de bandes de fréquences interditesdans des réseaux périodiques de rues interconnectées. Le résultat principal de cette étude est que, malgré la forte présence de pertes par radiation dans le milieu, des effets de résonance importants peuvent encore se produire. Les résultats présentés dans ce manuscrit mettent en évidence l’importance d’une approche ondulatoire pour décrirecorrectement des champs acoustiques aux basses fréquences, et ils suggèrent l’usage potentiel de ces phénomènes afin de contrôler la propagation acoustique dans le milieu.Enfin, nous présentons une étude sur l’utilisation de métasurfaces (surfaces contenant un réseau de résonateurs) pour améliorer la performance des murs antibruit. Nous démontrons que, grâce à l’excitation des résonances locales sur la métasurface, il est possible d’obtenir des propriétés non conventionnelles, comme par exemple des angles de réflexion négatifs ou de l’absorption acoustique aux basses fréquences. / The improvement of the urban sound environment requires a good understanding of the acoustic propagation in urban areas. Available commercial softwares give the possibility to simulate urban acoustic fields at relatively low computational costs. However, these tools are mainly based on energy methods that do not contain information on the phase. Therefore, these tools are unable to capture interference effects (e.g., resonances), providing a limited physical description of the acoustic field. Conversely, classical wave methods such as FEM, BEM or FDTD give the possibility to model interference effects, but their use is often restricted to very low frequencies due to discretisation and the huge extension of the propagation domain.The main goal of this thesis is to develop efficient wave methods for the acoustic propagation modelling in extended urban areas, both in the frequency and time domain. The proposed approach is based on a coupled modal–finite elements formulation. The key idea is to consider the urban canyon as an open waveguide with a modal basis composedof leaky modes, i.e., modes that radiate part of their energy into the atmosphere as they propagate. The approach combines a multimodal description of the acoustic field in the longitudinal direction and a finite elements computation of the transverseeigenmodes. This coupled approach, which has been successfully implemented at the scale of a single street, is extended in the present manuscript at a larger scale (the neighbourhood scale), in order to model problems arising in propagation domains containing many interconnected streets. A time domain version of the method, containing only the least damped mode, is also proposed.Using these methods, we investigate wave phenomena arising in specific urban configurations, as forbidden frequency bands in periodic networks of interconnected streets, and resonances in inner yards. It is found that, despite the presence of significant radiative losses in the propagation medium, strong interference effects are still observed. Not only this result highlights the relevance of a wave approach to describe accurately urban acoustic fields at low frequencies, but it suggest the potential use of these phenomena to control the acoustic propagation in urban environments.The last part of this dissertation presents a preliminary study on the use of metasurfaces (surfaces decorated with an array of resonators) to improve the performance of noise barriers. It is shown that, exciting resonances in these structures, it is possible to achieve some unconventional behaviours, including negative angles of reflection and low frequency sound absorption.

L'acoustique du conduit vocal est souvent décrite avec de simples modèles ondes planes à une dimension. Cependant, cela n'est pas satisfaisant quand à haute fréquence (à partir d'environ 5 kHz) des variations tridimensionnelles du champ acoustique sont présentes. La théorie acoustique multimodale a été implémentée pour prendre en compte les aspects tridimensionnels de l'acoustique du conduit vocal.Un système expérimental a été conçu pour mesurer avec précision des fonctions de transfert, des champs de pression et des diagrammes de directivité sur des maquettes de conduits vocaux. Les données expérimentales obtenues ont été comparées avec les simulations réalisées avec la théorie implémentée et avec la méthode des éléments finis. Le champ acoustique tridimensionnel et les diagrammes de directivité ont été prédit avec succès par les deux méthodes de simulation. Il a été observé que la propagation de mode acoustique d'ordre supérieur induit des variations tridimensionnelles du champ acoustique, génère des antirésonances et des résonances additionnelles et affecte la directivité du son rayonné de façon significative. L'excentricité de la forme du conduit vocal apparaît comme critique pour l'excitation et la propagation des modes d'ordre supérieur.Il est conclu qu'à haute fréquence (au-delà de 5 kHz), la fonction de transfert du conduit vocal peut avoir des variations significatives dans des intervalles de fréquences petit (de l'ordre de 100 Hz) et dans des régions angulaires restreintes (de l'ordre de 30°) qui nécessitent d'être prise en compte dans les études de la parole qui se focalisent sur les hautes fréquences. / The vocal tract acoustics is often described witha simple one dimensional plane wave approach.However, this is not satisfying when at high frequency(from about 5 kHz) three dimensional variations ofthe acoustic fieldare present. The multimodal acoustic theory has beenimplemented in order to account for the threedimensional aspects ofthe vocal tract acoustics.An experimental setup has been designed to measure accuratelytransfer functions, pressure field maps and directivitypatterns of vocal tract replicas.The experimental data obtained have been compared withsimulations performed with the implemented theory andwith a finite element method.The three dimensional acoustic fields and the directivitypatterns were successfully predicted by both simulationmethods.It has been observed that the propagation of higher orderacoustical modes, induces three dimensional variations ofthe acoustic field, generates anti-resonances andadditional resonances, and significantly affects the directivityof the radiated sound.The eccentricity of thevocal tract shape appears as critical for the excitation and thepropagation of the higher order acoustical modes.It is concluded thatat high frequency (above 5 kHz), the transfer functionof the vocal tract can have significant variationswithin short frequency intervals (of the order of 100Hz) and within small angular regions (of the order of30°) which need to be taken into account inthe studies of speech which focus on high frequencies.

L'environnement urbain est le siège de fortes nuisances sonores notamment générées par les moyens de transport. Afin de lutter contre ces nuisances, la réglementation européenne impose la réalisation de cartographies de bruit. Dans ce contexte, des travaux fondamentaux sont menés autour de la propagation d'ondes acoustiques basses fréquences en milieu urbain. Différents travaux de recherche récents portent sur la mise en œuvre de méthodes ondulatoires pour la propagation d'ondes acoustiques dans de tels milieux. Le coût numérique de ces méthodes limite cependant leur utilisation dans un contexte d'ingénierie. L'objectif de ces travaux de thèse porte sur l'approximation unidirectionnelle de la propagation des ondes, appliquée à l'acoustique urbaine. Cette approximation permet d'apporter des simplifications à l'équation d'onde afin de limiter le temps de calcul lors de sa résolution. La particularité de ce travail de thèse réside dans la prise en compte des variations, continues ou discontinues, de la largeur des rues. Deux formalismes sont utilisés : l'équation parabolique et une approche multimodale. L'approche multimodale sert de support à une étude théorique sur les mécanismes de couplages de modes dans des guides d'ondes irréguliers bidimensionnels. Pour cela, le champ de pression est décomposé en fonction du sens de propagation des ondes à la manière d'une série de Bremmer. La contribution particulière de l'approximation unidirectionnelle est étudiée en fonction des paramètres géométriques du guide d'ondes, ce qui permet de mieux cerner les limites de validité de cette approximation. L'utilisation de l'équation parabolique a pour but une application à l'acoustique urbaine. Une transformation de coordonnées est associée à l'équation parabolique grand angle afin de prendre en compte l'effet de la variation de la section du guide d'ondes. Une méthode de résolution est alors spécifiquement développée et permet une évaluation précise du champ de pression. D'autre part, une méthode de résolution de l'équation parabolique grand angle tridimensionnelle est adaptée à la modélisation de la propagation acoustique en milieu urbain. Cette méthode permet de tenir compte des variations brusques ou continues de la largeur de la rue. Une comparaison avec des mesures sur maquette de rue à échelle réduite permet de mettre en avant les possibilités de la méthode.