La présente étude s'intéresse à un écoulement d'acoustic streaming, c'est-à-dire un écoulement généré par la propagation d'une onde acoustique dans un fluide. Le travail consiste à comparer deux approches : expérimentale et numérique. Les ultrasons sont émis à 2MHz par un transducteur piézo-électrique de 28.5mm de diamètre. Ce dernier est plongé dans une cuve d'eau équipée de deux parois absorbantes : l'une sert à séparer le champ proche du champ lointain et l'autre est placée à l'extrémité du domaine fluide afin d'éviter toute réflexion. On réalise ainsi une étude en champ proche et une étude en champ lointain. Les mesures sont de deux types : champ de pression acoustique (hydrophone) et champ de vitesse (PIV). En parallèle, on effectue des simulations numériques directes avec le logiciel StarCCM+TM. Il s'agit de résoudre les équations de Navier-Stokes en fluide incompressible complétées d'un terme source de force acoustique. L'expression de ce dernier est obtenue par séparation des échelles de temps, ce qui consiste à négliger à l'échelle de temps acoustique les variations temporelles lentes, de l'écoulement généré. La démarche est ensuite analogue à celle utilisée en turbulence pour le calcul des tenseurs de Reynolds. On obtient finalement un bon accord entre les résultats expérimentaux et ceux de la modélisation numérique.

Dans cette étude, nous avons développé des stratégies d'optimisation adaptées au problème de la discrétion acoustique des navires. Nous rappelons dans un premier temps les critères imposés par la discrétion acoustique et les principes d'atténuation qui permettent de garantir leur application dans la pratique. Ces critères s'expriment en termes de flexibilité et transmissibilité dynamiques et concernent une large gamme fréquentielle. Nous montrons comment améliorer le comportement dynamique des structures, relativement aux critères précités : nous avons conçu deux méthodes qui permettent de dimensionner des absorbeurs dynamiques, à partir des données expérimentales. Nous développons ensuite une méthode d'optimisation de structures. L'objectif est alors de minimiser la masse de la structure avec des contraintes en flexibilités ponctuelles et transmissibilités. L'originalité de la méthode repose sur deux points : l'approche modale, en utilisant la notion de paramètres effectifs et la construction d'un algorithme fondé sur la condition d'optimalité de KUhn-Tucker. Enfin, nous montrons comment étendre cette démarche à l'optimisation de structures composites (monocouches et sandwich), en prenant en compte l'amortissement par ajout de matériaux viscoélastiques dans une formulation en modes complexes. Tout au long de cette étude, de nombreux résultats numériques sont présentés pour illustrer les diverses stratégies d'optimisation.

Les systèmes d'assistance a la réverbération sont des dispositifs électroacoustiques installés dans les salles de spectacle pour moduler leur acoustique en fonction du type de représentation qui s'y déroule. Afin de pouvoir dimensionner ces systèmes en amont de leur installation, ce travail s'intéresse au développement, à la mise en œuvre et à la mise à l'épreuve de modèles prévisionnels de l'effet de ses systèmes sur les caractéristiques acoustiques d'une salle, en se concentrant sur les systèmes dits régénératifs diagonaux. Le premier modèle présenté est basé sur une approche systémique exacte et sur l'utilisation de simulations numériques. Il s'agit d'un modèle dont le principe est déjà décrit dans la littérature spécialisée, mais auquel est intégré ici un algorithme de détermination automatique des paramètres de réglage d'un système d'assistance à la réverbération reproduisant la méthode manuelle. Parce que l'utilisation de simulations numériques impose une modélisation détaillée de la salle et un important temps de calcul, ce modèle n'est pas compatible avec la réactivité demandée lors d'une phase d'avant-projet. Dans cette optique, deux autres modèles bases sur les hypothèses de champ diffus et, par là même, plus rapides d'exécution, sont développés. L'un repose aussi sur une approche systémique exacte, mais utilise la théorie stochastique de l'acoustique géométrique des salles plutôt que des simulations numériques. L'autre repose sur une approche énergétique simple. Les confrontations de ces deux modèles avec celui reposant sur des simulations numériques sont exposées pour cinq salles, en considérant la prévision d'évolution de six indices acoustiques courants due à l'introduction d'un système d'assistance à la réverbération. Il en ressort que ces deux modèles aboutissent à des erreurs prévisionnelles comparables et que celles-ci sont équivalentes à celles des formules de Sabine ou d'Eyring ou de la théorie révisée des champs diffus de Barron et Lee appliquées dans une salle sans système. Parallèlement, l'étude et la prévision de l'effet d'un système d'assistance à la réverbération régénératif en augmentation du couplage de deux espaces mal couples au sein d'une même salle sont présentées. Il est montré que ce type d'utilisation permet effectivement une augmentation du couplage et que celle-ci peut être correctement abordée à partir d'un modèle énergétique développé ici. Il est aussi montré à partir de simulations numériques, que cette utilisation permet d'homogénéiser les caractéristiques acoustiques entre les deux espaces couplés.

Les phénomènes d'érosion sont une cause majeure dans la rupture des ouvrages hydrauliques tels que les digues ou les barrages. Le territoire compte 10000 km de digues, d'où un enjeu important en terme de risque d'inondation. Une approche plus générale est essentielle à une compréhension fine des phénomènes. La modélisation des mécanismes de l'érosion doit permettre l'élaboration de solutions pour sécuriser les ouvrages et les rendre moins sensibles à ces phénomènes. Ce travail est consacré à la modélisation d'une interface entre un milieu de sol et un milieu d'écoulement. Le mouvement de cette interface est régi par l'érosion du sol sous l'effet de l'écoulement. L'écoulement est calculé par les équations de Stokes munies d'un terme de pénalisation permettant la représentation unifiée des comportements des deux milieux. Dans une première partie, nous aborderons la problématique de la représentation de l'érosion. La seconde partie traite plus précisément de la représentation unifiée des comportements des milieux, notamment grâce à l'utilisation des méthodes de pénalisation. La troisième partie constitue une revue des principales méthodes permettant le suivit d'une interface. Une description précise de la méthode Level Set est donnée. Dans la quatrième partie, nous abordons la résolution numérique des équations d'écoulement. La cinquième partie rassemble l'ensemble des tests de la méthode. Enfin, la dernière partie est consacrée à l'application du modèle sur trois cas : le " Hole Erosion Test ", le phénomène de suffusion et l'érosion d'un lit de rivière autour d'une pile de pont.

La séparation magnétique est utilisée dans le domaine de la purification de l'eau. Des nanoparticules magnétiques fonctionnalisées ou nues sont en charge de capter un polluant ciblé puis sont enlevées de l'eau par l'application d'un champ magnétique. Nous avons montré que l'utilisation d'un ferrofluide aqueux classique constitué de nanoparticules d'oxyde de fer recouvertes par une double couche de surfactant d'acide oléique permet une adsorption efficace des cations métalliques (ion nickel Ni2+) puis leur enlèvement en utilisant des microparticules magnétiques. Nous avons montré que des interactions magnétiques suffisamment fortes entre les nanoparticules induisent une transition de phase colloïdale. Il existe trois régimes de captage qui dépendent de deux paramètres, le premier paramètre est lié à l'intensité du champ magnétique et le second est la concentration en nanoparticules. En présence de l'écoulement de la suspension des nanoparticules, le captage des nanoparticules est toujours régi par la concentration en nanoparticules et également par le nombre de Mason. Nous avons mené une expérience de captage des nanoparticules par un milieu poreux. L'efficacité de filtration est liée à la compétition entre les forces hydrodynamiques et magnétiques ainsi que de la séparation de phase au sein de la suspension. Les théories développées lors de ce travail sont en accord raisonnable avec les résultats expérimentaux et montrent l'augmentation de l'efficacité de captage des nanoparticules avec l'augmentation de l'intensité du champ magnétique et de la concentration en nanoparticules ainsi que la diminution de l'efficacité de captage avec l'augmentation du nombre de Mason.

Les revêtements de chaussée poreux possèdent des propriétés intéressantes du point de vue de la sécurité routière autant que de celui du bruit dans l'environnement. Cependant, leurs propriétés peuvent évoluer fortement au cours du temps, jusqu'à devenir équivalentes à celles des revêtements classiques, sous l'e ffet des conditions climatiques et du colmatage. L'objectif de ce travail de thèse est de mettre en place les outils nécessaires à l'évaluation in situ des paramètres liés à la microstructure du revêtement poreux par une méthode acoustique non destructive. Ainsi, les méthodes de mesure in situ de l'impédance de surface et du coef ficient d'absorption sont étudiées. Trois de ces méthodes sont comparées successivement sur une mousse polymère, puis sur un Béton Bitumineux Drainant. Par ailleurs, les phénomènes de propagation et de dissipation dans ce type de milieu poreux sont décrits, menant aux modèles qui relient propriétés acoustiques (impédance de surface et coeffi cient d'absorption notamment) aux paramètres intrinsèques du matériau ; parmi ceux-ci, un modèle respectant la physique du problème et nécessitant peu de paramètres est choisi pour la suite des applications. Une analyse de la sensibilité de ce modèle aux paramètres conduit au développement d'une démarche d'inversion guidée du modèle. Elle permet, à partir des grandeurs mesurables in situ, d'estimer les paramètres un par un sur des gammes de fréquences adaptées à leur in fluence. Cette démarche est validée sur des carottes de revêtement poreux et présente des résultats satisfaisants sur les mesures réalisées in situ. En fin, les outils développés sont appliqués à la problématique du colmatage. Le protocole expérimental permet de mettre en lumière l'eff et du colmatage sur les grandeurs acoustiques et sur les paramètres liés à la microstructure du matériau.

Ces travaux de thèse expérimentaux portent sur la propagation linéaire et non linéaire d'ultrasons en milieux aléatoires fortement hétérogènes. En régime non linéaire, nous étudions la transmission cohérente d'une onde de choc à travers deux milieux aléatoires hétérogènes modèles : une forêt de tiges métalliques immergées dans l'eau, et un gel bulleux. L'expérience montre que les effets de la non linéarité et de la diffusion multiple y sont découplés. Nous exploitons alors l'étendue spectrale de l'onde de choc incidente, pour mesurer l'atténuation et la vitesse de groupe de l'onde cohérente, sur un large intervalle de fréquences. En comparant nos mesures à une théorie linéaire de la diffusion, incluant des corrélations de paires entre centres diffuseurs, nous étendons son domaine de validité, et nous montrons par la même qu'une onde de choc constitue un bon outil de spectroscopie des milieux fortement hétérogènes. À l'aide du même dispositif expérimental, nous observons pour la première fois une coda ultrasonore transmise par un milieu bulleux. Dans un régime de propagation linéaire, nous exploitons la coda engendrée par la diffusion multiple pour mesurer les paramètres de transport des forêts de tiges métalliques immergées. Nous présentons des mesures impulsionnelles et résolues en fréquence de la constante de diffusion des ultrasons dans ces milieux. Ces dernières montrent tout l'intérêt d'étudier la coda, qui fournit des mesures mieux résolues que l'onde cohérente. Enfin, nous présentons les premières mesures résolues en fréquence de la vitesse de transport pour ces milieux modèles. Avec ces mesures, nous disposons maintenant d'un milieu hétérogène synthétique parfaitement caractérisé en régime linéaire.

Nous nous intéressons aux dynamiques spéciales engendrées par des objets non mouillants. Sur un substrat recouvert de rainures asymétriques en dents de scie, un liquide ou un solide en caléfaction est propulsé horizontalement. Les motifs rectifient l'écoulement de vapeur dans une direction privilégiée et le mobile est entrainé par viscosité. Sur un substrat lisse, si le solide est lui-même asymétrique, la répartition non homogène de masse incline la surface inférieure et avec elle la force de pression de l'écoulement de vapeur : sa composante horizontale met aussi l'objet en mouvement. Une goutte caléfiée entre deux plans parallèles montre également un comportement surprenant : au-delà d'un rayon critique, elle se déstabilise en formant un anneau qui s'agrandit et éclate en petits fragments. La grande mobilité de ces objets pose la question de la friction qu'ils subissent. Très faible sur un substrat lisse, on observe une dissipation inertielle dans l'air environnant et dans une couche limite liquide pour les gouttes. En revanche, sur un substrat crénelé, elle est fortement amplifiée par l'impact du liquide sur les textures. Pour terminer, nous nous intéressons à divers objets non mouillants naturels : l'argyronète aquatique et plusieurs plantes aquatiques superhydrophobes. Le premier est une araignée qui passe sa vie sous l'eau. Elle s'abrite dans une grande bulle d'air qu'elle crée en capturant, par un mouvement dynamique de son abdomen superhydrophobe et de ses pattes, de petites bulles à la surface de l'eau. Quant aux seconds, ils utilisent leurs surfaces non mouillantes pour survivre lors d'une immersion.

Une modélisation numérique des ondes poroélastiques, décrites par le modèle de Biot, est proposée dans le domaine temporel. La dissipation visqueuse à l'intérieur des pores est décrite par le modèle de perméabilité dynamique, développé par Johnson-Koplik-Dashen (JKD). Certains coefficients du modèle de Biot-JKD sont proportionnels à la racine carrée de la fréquence : dans le domaine temporel, ces coefficients introduisent des dérivées fractionnaires décalées d'ordre 1/2, qui reviennent à un produit de convolution. Basé sur une représentation diffusive, le produit de convolution est remplacé par un nombre fini de variables de mémoire, dont la relaxation est gouvernée par une équation différentielle ordinaire locale en temps, ce qui mène au modèle de Biot-DA (approximation diffusive). Les propriétés du modèle de Biot-JKD et du modèle de Biot-DA sont analysées : hyperbolicité, décroissance de l'énergie, dispersion. Pour déterminer les coefficients de l'approximation diffusive, différentes méthodes de quadrature sont proposées : quadratures de Gauss, procédures d'optimisation linéaire ou non-linéaire sur la plage de fréquence d'intérêt. On montre que l'optimisation non-linéaire est la meilleure méthode de détermination. Le système est modélisé numériquement en utilisant une méthode de splitting : la partie propagative est discrétisée par un schéma aux différences finies ADER, d'ordre 4 en espace et en temps, et la partie diffusive est intégrée exactement. Une méthode d'interface immergée est implémentée pour discrétiser la géometrie sur une grille cartésienne et pour discrétiser les conditions de saut aux interfaces. Des simulations numériques sont présentées, pour des milieux isotropes et isotropes transverses. Des comparaisons avec des solutions analytiques montrent l'efficacité et la précision de cette approche. Des simulations numériques en milieux complexes sont réalisées : influence de la porosité d'os spongieux, diffusion multiple en milieu aléatoire.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du développement d'une méthode ultrasonore de prédiction du risque de fracture de la hanche. Nous pensons que l'estimation de l'épaisseur et des propriétés élastiques de la coque corticale améliorerait la prédiction de ce risque. L'exploitation des ondes guidées par la coque pourrait permettre d'obtenir ces estimées. Dans le cadre du contrôle non destructif, une méthode basée sur la décomposition de l'opérateur de retournement temporel (DORT) a permis de caractériser des tubes métalliques de section circulaire vides. L'objectif de la thèse est d'adapter cette méthode aux spécificités du col fémoral. Différents fantômes ont été construits afin de découpler les problèmes posés par les propriétés particulières de l'os. Un fantôme d'os vide de section circulaire a tout d'abord été utilisé pour optimiser les conditions expérimentales afin d'observer les ondes guidées circonférentielles en dépit des propriétés matérielles défavorables de l'os. Ensuite, l'étude en simulation de fantômes d'os de section circulaire remplis de fluide imitant la moelle osseuse a conduit à proposer une méthode de filtrage permettant de s'affranchir des réflexions parasites sur les parois de la cavité. Enfin, l'analyse du rayonnement des ondes guidées a permis de généraliser la méthode initiale à des coques de section quelconque, en particulier à une coque elliptique. A l'issue de cette thèse, on dispose d'outils permettant de caractériser des guides d'ondes de section quelconque, d'épaisseur constante dont la cavité peut être vide ou remplie d'un fluide. Cela représente un premier pas vers la caractérisation ultrasonore du col du fémur.