Le procédé de Retournement Temporel permet de focaliser les ondes acoustiques en n'importe quel point d'un domaine 3D, au moyen d'un unique transducteur collé sur la surface d'une cavité solide rayonnante. La résolution du système dépend alors de la dimension de la cavité. Une théorie basée sur l'analyse modale des signaux relie le contraste du système aux caractéristiques physiques de la cavité et du transducteur. Puis nous avons étudié l'amélioration de la focalisation que peuvent apporter l'utilisation du procédé de Filtre Inverse et l'ajout de transducteurs. La première application d'imagerie a été la localisation d'une source ultrasonore à l'aide d'un seul transducteur. Puis nous avons montré comment le crâne humain joue le rôle d'une cavité réverbérante et pourrait participer au processus de localisation de son par l'Homme. Enfin nous avons développé un système de localisation d'impacts, dans le but transformer tout objet de la vie quotidienne en interface tactile.

Le développement de techniques de focalisation et d'imagerie à haute résolution pour les sources acoustiques et vibratoires à basse fréquence est l'un des enjeux de la recherche actuelle en acoustique, notamment pour exciter localement et analyser des structures vibroacoustiques complexes tout en conservant des propriétés de haute résolution. Ces propriétés sont nécessaires lorsque la taille des objets étudiés est plus petite que la longueur d'onde mise en jeu. Nous désirons une méthode flexible, rapide, précise, non invasive, et unifiée d'excitation et d'analyse. Celle-ci doit être applicable tant dans le domaine des vibrations dans les structures que dans le domaine des ondes acoustiques tridimensionnelles. Pour cela, nous nous basons sur la technique du puits à retournement temporel, qui n'a, à ce jour, été mise en oeuvre que pour la focalisation d'ondes de Lamb dans une cavité ergodique ou avec des ondes électromagnétiques. Aucune technique d'imagerie n'a, avant cette thèse, été dérivée du puits à retournement temporel. La méthode du puits à retournement temporel est adaptée pour la focalisation à basse fréquence. Elle permet d'exciter localement une structure avec une grande intensité, et possède des capacités de super-résolution. Malgré tout, nous démontrons que cette méthode est difficilement applicable en situation pratique, puisqu'elle fait perdre le caractère non invasif nécessaire à la plupart des applications. En revanche, nous présentons dans ce manuscrit une technique nouvelle d'imagerie de sources vibratoires et acoustiques, basée sur le puits à retournement temporel. Cette technique non invasive d'imagerie, utilisant des dispositifs de mesure similaires aux techniques de formations de voies ou d'holographie en champ proche, permet d'obtenir une image des sources vibratoires ou acoustiques à très haute résolution de manière rapide. L'approche de cette nouvelle méthode d'imagerie est décrite. Des applications à l'imagerie de sources d'impact sur une plaque encastrée, ainsi qu'à l'imagerie de sources acoustiques en champ libre et en milieu sous-marin profond sont proposées. Une application à l'imagerie de sources acoustiques à basse fréquence sur une guitare est développée. Ces résultats représentent les premières applications de l'imagerie par puits à retournement temporel numérique. Les limites, la théorie, et la mise en oeuvre de cette technique d'imagerie à haute résolution sont étudiées et détaillées. Il est démontré que cet outil possède des performances et des limites similaires à l'holographie en champ proche, tout en dépassant les capacités à basse fréquence des techniques classiques de localisation limitées en résolution couramment utilisées, comme le beamforming ou le retournement temporel.

En transports guidés, la localisation précise des trains s'avère vitale pour une exploitation nominale du système de transport. Dans un environnement de propagation tel que celui d'une emprise ferroviaire, un capteur de localisation efficace est complexe à concevoir et à valider lorsqu'il doit opérer en présence de nombreux obstacles fixes et mobiles constitués par l'infrastructure et les trains. Afin de concevoir un tel capteur, nous proposons dans ce travail de thèse l'emploi de techniques innovantes dites de diversité spectrale que l'on retrouve également sous la dénomination de radio Ultra Large Bande (ULB). Dans ce travail, cette dernière est également associée à la technique de Retournement Temporel (RT) afin de tirer partie de cet environnement de propagation complexe. L'objectif visé est d'obtenir une localisation fiable et robuste des véhicules ferroviaires par focalisation de signaux ULB en direction des antennes sol ou trains. Des études théoriques alliées à des simulations ont été effectuées portant sur les propriétés de focalisation d'énergie de la technique de retournement temporel en tenant compte de plusieurs paramètres liés aux configurations antennaires, aux canaux de propagation rencontrés et à l'électronique utilisée. L'apport du retournement temporel sur la précision du système de localisation Ultra Large Bande a été quantifié en comparant le système de localisation ULB conventionnel, sans retournement temporel puis, en associant le RT. Les résultats théoriques et de simulations de la solution proposée ont été validés par des expérimentations menées en chambre anéchoïque ainsi qu'en environnement indoor.

Cette thèse porte sur l'analyse mathématique et la simulation numérique de problèmes liés à la diffraction multiple. Elle est constituée de deux parties. La première partie est consacrée à l'étude de quelques problèmes inverses de détection et de localisation d'obstacles ou de sources à l'aide d'un miroir à retournement temporel (MRT). Ces appareils sont capables de rétro-propager des ondes dans leur milieu d'origine afin de les focaliser sur la source qui les a initialement émises. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la méthode DORT, qui est une technique expérimentale permettant de focaliser sélectivement des ondes sur des petits obstacles a priori inconnus. Dans le cadre de l'acoustique, nous proposons une étude numérique des résultats mathématiques obtenus par C. Hazard et K. Ramdani. Ensuite, nous étendons mathématiquement ces résultats au cas de l'électromagnétisme. Pour clôturer cette première partie, nous présentons une étude numérique d'une expérience de reconstruction d'une source acoustique ponctuelle à l'aide d'un MRT. On s'intéresse ici plus particulièrement au phénomène de super-résolution, c'est-à-dire l'amélioration, en moyenne, de la qualité de la focalisation en milieu hétérogène plutôt qu'en milieu homogène. En se plaçant dans un contexte déterministe, nous résolvons numériquement l'équation de Helmholtz et donnons des exemples de simulations numériques illustrant ce phénomène. La deuxième partie a pour objet la résolution numérique par équations intégrales du problème de diffraction multiple en acoustique. La notion de diffraction multiple signifie ici que le milieu comporte plusieurs obstacles par opposition à la diffraction simple où seul un diffuseur est présent. Lorsque les obstacles sont des disques, nous calculons explicitement les coefficients des quatre opérateurs intégraux usuels dans les bases de Fourier. Ceci nous permet de proposer une méthode de résolution numérique robuste et efficace lorsque les obstacles sont des disques. Cette stratégie de résolution utilise une méthode de stockage compressée de la matrice du système linéaire ainsi qu'un préconditionneur qui prend en compte les effets de la diffraction simple. En outre, ce préconditionnement présente la propriété intéressante de rendre toutes les équations intégrales identiques, à un changement de base près. Nous démontrons ce résultat tout d'abord pour des obstacles circulaires avant de l'étendre à des géométries régulières quelconques. D'autre part, l'obtention des coefficients de l'opérateur intégral de simple couche nous permet d'étudier numériquement le spectre de cet opérateur en régime basse fréquence. Après une étude de la diffraction simple, nous nous sommes intéressés à deux régimes particuliers de diffraction multiple : un milieu dilué où les obstacles sont éloignés et un milieu dense où les obstacles sont très proches les uns des autres.

La technologie ULB apporte de nouveaux défis en terme de caractérisation d'antennes. Les méthodes de mesure de rendement d'antenne associées doivent être rapide et performantes. Un état de l'art des méthodes conventionnelles de détermination du rendement ainsi que des nouvelles techniques est proposé afin de dresser les innovations possibles. Une première méthode ("ULB Wheeler Cap") est tout d'abord décrite et analysée grâce à différentes études et expérimentations afin d'approfondir sa connaissance. Enfin, l'élaboration d'une nouvelle méthode de mesure dédiée à l'ULB est présentée. Grâce à l'utilisation combinée de la Chambre Réverbérante à Brassage de Modes et du Retournement Temporel en mode impulsionnel, la méthode TREM (Time Reversal Efficiency Measurement), réalisée dans le domaine temporel, offre une mesure rapide du rendement d'antenne donnant une information large bande immédiate. Parallèlement, il est nécessaire de disposer de structures filtrantes intégrées aux antennes ULB afin de s'adapter aux technologies existantes. Une structure de filtre planaire, passif et de taille réduite, utilisant des éléments résonants localisés, est développée, intégrée et mesurée pour servir la conception d'antenne multibande et filtrante.

Contrairement à la capture tactile multi digitale déjà largement répandue, il n'existe pas de solution superposable à un écran permettant l'affichage localisé d'informations perceptibles au toucher. On propose dans ce travail de thèse une approche basée sur la focalisation d'ondes de flexion dans une plaque mince. Cette focalisation, obtenue suivant le procédé de retournement temporel, permet de produire une stimulation tactile localisée en un ou plusieurs points d'une plaque transparente à partir d'un ensemble d'actionneurs situés sur son contour. Le dimensionnement de l'interface s'appuie en premier lieu sur l'étude du contraste de focalisation et sa sensibilité à la température. D'autres critères de dimensionnement sont étudiés tels que les résolutions spatiale et temporelle, la fréquence de répétition de la focalisation, le bilan énergétique ou le bruit audible généré. Le retournement temporel synthétique, permettant la focalisation en tout point de la surface à partir d'un apprentissage en un ensemble fini de points du contour est adapté au cas des plaques minces. Un démonstrateur est assemblé et caractérisé. On obtient sur une plaque d'épaisseur 0.5 mm un déplacement au point de focalisation jusqu'à 7 µm, pour une tache de focalisation d'un diamètre de 5 mm. La focalisation simultanée en plusieurs points est également obtenue expérimentalement. On propose finalement un modèle pour la prise en compte de la perturbation de la focalisation par le contact avec un ou plusieurs doigts. Une étude de perception montrant la possibilité de détecter et de discriminer le stimulus tactile produit conclue ce travail.

L’utilisation de câbles électriques et leurs longueurs dans certains systèmes électriques ont fortement augmenté au cours des dernières années. Or, la fiabilité de ces systèmes repose en partie sur la fiabilité des réseaux électriques. On constate en pratique qu’une part non négligeable des pannes et des dysfonctionnements de ces systèmes proviennent des défauts dans les liaisons filaires et non des équipements électriques. La connaissance de ces réseaux filaires et en particulier la détection de leurs défauts est donc importante. De nombreuses méthodes ont été développées pour tester l’état des câbles. Parmi ces méthodes on peut distinguer les méthodes de réflectométrie largement utilisées et facilement embarquables. Généralement ces méthodes sont très bien adaptées pour détecter et localiser les défauts francs mais les défauts non francs sont pratiquement transparents à ces méthodes car ils ont des conséquences électriques très faibles. Pour s’affranchir de ces limitations des améliorations en termes de mesure et traitement sont nécessaires. Dans cette thèse, trois nouvelles méthodes de diagnostic filaire ont été développées pour améliorer et faciliter la détection et la localisation de tous types de défauts filaires. Chacune des ces méthodes répond à un obstacle que nous avons rencontré pendant les trois années de recherche. Un premier obstacle concerne le phénomène de dispersion du signal dans les câbles qui rend la détection des défauts et du vieillissement des câbles très difficile. Un autre obstacle lié à la détection des défauts non-francs présente un enjeu actuel majeur du diagnostic filaire car leurs signatures sont très faibles et parfois noyées dans le bruit ou masquées par la proximité d’une autre impulsion d’amplitude plus importante. Les trois méthodes sont les suivantes : – La première méthode proposée, baptisée « corrélation adaptative » fournit un nouvel algorithme pour compenser la dispersion du signal. Elle permet de mieux localiser et mieux détecter les singularités sur des câbles de n’importe quelle longueur. – La deuxième méthode proposée, baptisée TRR (en anglais Time reversal Reflectometry) est basée sur le principe de la réflectométrie et du retournement temporel. Elle permet de caractériser le vieillissement des câbles électriques. – La troisième méthode proposée, baptisée RART (Réflectométrie associée à un processus de retournement temporel) est basée sur les principes de la réflectométrie et du retournement temporel et permet d’améliorer la détection des défauts électriques liés à une dégradation de l’isolant. Ces travaux de thèse ont montré les performances et la facilité de ces méthodes visant à assurer la sureté de fonctionnement des systèmes électriques que ce soit dans des moyens de transport, un bâtiment ou même des réseaux de communication. / The use of electric cables in electrical systems has been significantly increasing over the last decades. However, the reliability of these systems is partially based on the reliability of electrical networks. Current practices show that a significant number of failures and malfunctions of these systems come from faults in wired links and not from electrical devices. Therefore, the knowledge of the state of wire networks and particularly the detection of their faults is important. Several methods have been developed to test the status of cables. Among them, reflectometry methods are widely used and easily embeddable. Generally, these methods are appropriate to detect and locate hard faults but soft faults are virtually transparent to them because this kind of fault has very low electrical consequences. Improvements in measurement and treatment are necessary to overcome the limitations of these methods. In this respect, three new methods for wire diagnosis have been studied and developed to improve and ease the detection and location of soft wire faults. Each of these methods circumvents one or more of the barriers encountered during this research’s duration. First barrier, the phenomenon of signal dispersion in cables makes the detection of faults and of cable aging difficult or imprecise. Another barrier, the detection of soft faults, represents currently a major issue of wire diagnosis because the amplitude of soft faults signatures is very small and sometimes noisy or masked by the proximity of higher pulses. The three methods can briefly described as follows : – The first method, called "adaptive correlation", provides a new algorithm to compensate signal’s dispersion. It improves fulat’s location and the detection of singularities on cables regardless their lengths. – The second method, called TRR (Time Reversal Reflectometry), is based on the principle of reflectometry and time reversal. It allows the characterization of aging of electrical cables. – The third method, called RART (Reflectrometry combined with a time reversal process), is also based on the principle of reflectometry and time reversal. It improves the detection of electrical faults related to degradation of insulation. This research illustrates the efficiency and applicability of the proposed methods. It also demonstrates the potential of the proposed methods to improve safety in operation of electrical systems whether in transport, construction, or even communication networks.

Ce travail de thèse se décompose en deux parties. Tout d'abord, nous présentons une nouvelle technique de focalisation d'ondes avec un seul émetteur en cavité réverbérante (FIM) en profitant d'un algorithme inspiré du filtre inverse. Via l'étude expérimentale de cavités réverbérantes dans le domaine des ultrasons, nous démontrons la capacité du FIM à optimiser la focalisation quelle que soit le type de cavité (de type ergodique ou non). Dans une deuxième partie, la propagation d'ondes élastiques dans un système formé par un ensemble de tiges d'aluminium collées sur une plaque mince de même nature, est étudiée. Ces tiges (résonateurs quasi-ponctuels) sont arrangées de façon périodique ou aléatoire sur une échelle sub-longueur d'onde. Le métamatériau ainsi constitué révèle la présence de larges bandes de fréquences interdites. De plus, la coexistence de résonances de flexion et de compression dans les résonateurs, ajoutée à la présence d'une conversion d'une partie de l'énergie du mode A0 vers le mode S0 dans la plaque, crée une grande complexité du champ d'onde. C'est ce qui fait de ce type de métamatériau, des objets tout à fait singuliers à l'échelle mésoscopique. / This thesis is divided into two parts. First, we present a new technique for focusing waves with one emitter in reverberant cavity (OCIF) inspired by inverse filter algorithm. Through the experimental study of reverberant cavities in the field of ultrasound, we demonstrate the ability of the OCIF to optimize the focusing no matter what type of cavity (ergodic type or not). In a second part, we investigate the propagation of elastic waves in a system formed by a set of aluminum rods glued to a thin plate of the same material. These rods form a set of quasi-punctual resonators in the propagation plane of waves. It is possible to arrange them periodically or randomly on a subwavelength scale. The metamaterial thus formed shows a complex wave field within it, including the presence of wide prohibited frequency ranges (bandgaps). The experimental and numerical approaches described in this manuscript show the existence of both flexural and compressional resonances in the resonators. Added to the presence of a conversion of a portion of the energy from the $A0$ Lamb mode to the $S0$ one in the plate, such a complexity makes this type of metamaterials, quite unusual objects at the mesoscopic scale.

L’objectif de ces travaux est le développement d’une méthode d’imagerie de sources optoacoustiques en milieu solide. Afin d’analyser l’influence de la géométrie de la source sur les ondes acoustiques qu’elle génère et ainsi prévoir qualitativement si l’image de la source peut être obtenue avec une précision suffisante, la directivité d’une source acoustique est d’abord considérée. Pour quantifier plus précisément cette influence, la résolution complète de la propagation des ondes générées par cette source est ensuite menée. L’analyse de l’influence de l’incidence oblique d’un faisceau laser lors de la génération photoacoustique est proposée en illustration. La seconde partie de ce manuscrit est consacrée à la résolution du problème inverse qui permet d’obtenir l’image de la source initiale. Un algorithme de rétropropagation est alors mis en place. Il est basé sur les principes du retournement temporel et de Huygens, et simule la propagation, en milieu solide, des ondes mesurées vers la position initiale de la source acoustique. / The purpose of this work is to develop a method to image optoacoustic sources in solid media. To analyze the influence of the source geometry on laser-generated acoustic waves and thus qualitatively predict if the image of the source can be obtained with sufficient accuracy, the directivity of an acoustic source is considered first. In order to quantify more precisely this influence, the complete resolution of the propagation of acoustic waves generated by this source is then achieved. The analysis of the effect of oblique incidence of a laser beam in the photoacoustic generation process is proposed as an illustration. The second part of this thesis is devoted to the inverse problem resolution, which provides the image of the initial acoustic source. A backpropagation algorithm is then implemented. It is based on the time-reversal principle and the Huygens’ principle, and simulates, in a solid medium, the propagation of the measured acoustic waves back to the initial position of the acoustic source.

Cette thèse a pour objectif la quantification de l’impact d’incertitudes affectant le processus de Retournement Temporel (RT). Ces aléas, de natures diverses, peuvent avoir une forte influence s’ils se produisent entre les deux étapes du RT. Dans cette optique la méthode de Collocation Stochastique (CS) est utilisée. Les très bons résultats en termes d’efficacité et de précision observés lors de précédentes études en Compatibilité ÉlectroMagnétique (CEM) se confirment ici, pour des problématiques de RT. Cependant, lorsque la dimension du problème à traiter augmente (nombre de variables aléatoires important), la méthode de CS atteint ses limites en termes d’efficacité. Une étude a donc été menée sur les méthodes d’Analyse de Sensibilité (AS) qui permettent de déterminer les parts d’influence respectives des entrées d’un modèle. Parmi les différentes techniques quantitatives et qualitatives, la méthode de Morris et un calcul des indices de Sobol totaux ont été retenus. Ces derniers apportent des résultats qualitatifs à moindre frais, car seule une séparation des variables prépondérantes est recherchée. C’est pourquoi une méthodologie combinant des techniques d’AS avec la méthode de CS a été développée. En réduisant le modèle aux seules variables prédominantes grâce à une première étude faisant intervenir les méthodes d’AS, la CS peut ensuite retrouver toute son efficacité avec une grande précision. Ce processus global a été validé face à la méthode de Monte Carlo sur différentes problématiques mettant en jeu le RT soumis à des aléas de natures variées. / The aim of this thesis is to measure and quantify the impacts of uncertainties in the Time Reversal (TR) process. These random variations, coming from diverse sources, can have a huge influence if they happen between the TR steps. On this perspective, the Stochastique Collocation (SC) method is used. Very good results in terms of effectiveness and accuracy had been noticed in previous studies in ElectroMagnetic Compatibility (EMC). The conclusions are still excellent here on TR problems. Although, when the problem dimension rises (high number of Random Variables (RV)), the SC method reaches its limits and the efficiency decreases. Therefore a study on Sensitivity Analysis (SA) techniques has been carried out. Indeed, these methods emphasize the respective influences of the random variables of a model. Among the various quantitative or qualitative SA techniques the Morris method and the Sobol total sensivity indices have been adopted. Since only a split of the inputs (point out of the predominant RV) is expected, they bring results at a lesser cost. That is why a novel method is built, combining SA techniques and the SC method. In a first step, the model is reduced with SA techniques. Then, the shortened model in which only the prevailing inputs remain, allows the SC method to show once again its efficiency with a high accuracy. This global process has been validated facing Monte Carlo results on several analytical and numerical TR cases subjet to random variations.