Le travail présenté dans ce mémoire concerne le développement d'outils pour le diagnostic non-destructif et sans contact de l’état (dégradation) des matériaux de construction, principalement du béton. La thèse est focalisée sur deux techniques d’évaluation utilisant la propagation des ondes ultra-sonores : l'étude de la propagation des ondes de surface et l'analyse des coefficients de réflexion en fonction de l'angle d'incidence (réflectométrie). La partie théorique du travail présente les bases de la modélisation des phénomènes considérés, ainsi que la mise en oeuvre des modèles décrits dans la résolution des problèmes inverses. Un logiciel utilisant des algorithmes d'optimisation pour l'identification des paramètres du modèle sur la base des données de mesure est développé dans le cadre ce travail. La partie expérimentale présente le développement de deux systèmes de mesures ainsi que leur utilisation en laboratoire et sur le terrain. Le but de cette partie est non seulement de développer des outils expérimentaux mais aussi de les rendre opérationnels pour une utilisation courante. Les applications des outils développés pour le diagnostic sont discutées sur la base d'exemples de résultats obtenus en laboratoire et in situ. Ils permettent de spécifier les paramètres tels que la profondeur de la dégradation, la vitesse des ondes de surface et des ondes transversales en fonction de la profondeur pour le matériau testé ainsi que la perméabilité de surface, la porosité et la tortuosité du matériau testé. / The present work concerns the development of tools for non-destructive and non-contact diagnostic of state (degradation) of construction materials, mainly concrete. Attention is focused on two complementary techniques using the propagation of ultrasonic waves, i.e. the study of surface waves propagation and the analysis of reflection coefficients as a function of incidence angle (reflectometry). The theoretical part of the thesis shows the foundations of modelling the considered phenomena, as well as the implementation of the described models in solving the inverse problems. Software developed for this work uses optimization algorithms for identification of model parameters based on the measurement data. The chapters concerning the experimental work shows the construction of two measurement systems developed according to assumptions, including their possible use in both laboratory and field conditions. Applications of the developed diagnostic tools are discussed based on the examples of the results obtained in the laboratory and for the real objects. They allow to specify the parameters such as the depth of degradation, velocity of surface and S-waves as functions of the depth for the tested material and surface permeability, porosity and tortuosity of tested material.

Cold rolled carbon steel 1018C is widely used in pressurized fuel pipelines. For those structures, stress corrosion cracking (SCC) can pose a significant problem because cracks initiate late in the lifetime and often unexpectedly, but grow fast once they get started. To ensure a safe operation, it is crucial that any damage can be detected before the structural stability is reduced by large cracks. In the early stages of SCC, microstructural changes occur which increase the acoustic nonlinearity of the material. Therefore, an initially monochromatic Rayleigh wave is distorted and measurable higher harmonics are generated. Different levels of stress corrosion cracking is induced in five specimens. For each specimen, nonlinear ultrasonic measurements are performed before and after inducing the damage. For the measurements, oil coupled wedge transducers are used to generate and detect tone burst Rayleigh wave signals. The amplitudes of the received fundamental and second harmonic waves are measured at varying propagation distances to obtain a measure for the acoustic nonlinearity of the material. The results show a damage-dependent increase in nonlinearity for early stages of damage, indicating the suitability for this nonlinear ultrasonic method to detect stress corrosion cracking before structural failure.

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Velocity-coupled combustion instability is a major issue facing lean combustor design in modern gas turbine applications. In this study, we analyze the complex acoustic field excited by a transverse acoustic mode in an annular combustor. This work is motivated by the need to understand the various velocity disturbance mechanisms present in the flame region during a transverse instability event. Recent simulation and experimental studies have shown that much of the flame response during these transverse instabilities may be due to the longitudinal motion induced by the fluctuating pressure field above the nozzles. This transverse to longitudinal coupling has been discussed in previous work, but in this work it is given a robust acoustic treatment via computational methods in order to verify the mechanisms by which these two motions couple. We will provide an in-depth discussion of this coupling mechanism and propose a parameter, Rz, also referred to as the Impedance Ratio, in order to compare the pressure/velocity relationship at the nozzle outlet to quasi one-dimensional theoretical acoustic approximations. A three-dimensional inviscid simulation was developed to simulate transversely propagating acoustic pressure waves, based on an earlier experiment designed to measure these effects. Modifications to this geometry have been made to account for lack of viscosity in the pure acoustic simulation and are discussed. Results from this study show that transverse acoustic pressure excites significant axial motion in and around the nozzle over a large range of frequencies. Furthermore, the development of Rz offers a defined physical parameter through which to reference this important velocity-coupled instability mechanism. Therefore, this study offers an in-depth and quantifiable understanding of the instability mechanism caused by transversely propagating acoustic waves across a combustor inlet, which can be applied to greatly improve annular combustor design in future low-emissions gas turbine engines.

La variation spatiale du mouvement sismique a des effets significatifs sur la réponse dynamique des structures de génie civil de grandes dimensions. Dans la pratique courante, l'excitation du mouvement sismique le long de la fondation de la structure est considérée uniforme, approche cependant inadéquate pour les structures de large portance au sol localisées à proximité des failles ou sur des sites présentant une structure du sous-sol latéralement hétérogène. Cette thèse se propose donc de comprendre les facteurs clefs contrôlant localement la variabilité spatiale du mouvement sismique, avec en ligne de mire la mise en place de recommendations en vue d'incorporer ces effets dans l'estimation de l'aléa sismique et le dimensionnement des structures. La première partie de cette thèse s'intéresse à la composante intra-évènement de l'écart-type de la distribution du mouvement sismique en champ proche à l'aide de simulations numériques du mouvement sismique pour des sources étendues présentnat une cinématique de rupture réaliste. Les résultats suggèrent que la variabilité intra-évènement dépend significativement du type de rupture, cette variabilité augmentant avec la distance pour les ruptures bilatérales et diminuant pour les ruptures unilatérales. La seconde partie traite de la caractérisation de la composition du champ d'onde dans la vallée de Koutavos-Argostoli, qui est une vallée de petite dimension et d'épaisseur sédimentaire faible, située sur l'île – sismiquement active - de Céphalonie en Grèce. Les champs d'onde générés par 46 séismes, ayant des magnitudes variant entre 2 et 5 et des distances épicentrales jusqu'à 200 km, ont été analysés à partir de l'enregistrement par deux réseaux denses de capteurs sismologiques. L'algorithme de traitement d'antenne MUSIQUE est utilisé pour extraire la vitesse, l'azimut, le type et la polarisation des ondes dominantes se propageant à travers le réseau. Les résultats montrent clairement d'importantes diffractions d'ondes de surface aux bords de vallée au-delà de la fréquence de résonance de la vallée. Tandis que les ondes de Love dominent clairement le champ d'ondes proche de la fréquence de résonance, les ondes de Rayleigh dominent à plus haute fréquence dans des gammes de fréquences étroites. Par ailleurs, un excellent accord est observé entre les champs d'onde de surface diffractés localement et les caractéristiques d'amplification du site. La “cohérence décalée” de la partie la plus énergétique du signal a été quantifiée pour chaque paire de stations du réseau. En général, la cohérence calculée sur les composantes horizontales diminue avec la distance entre stations et la fréquence. La cohérence sur la composante verticale indique des valeurs relativement fortes à haute fréquence. Les valeurs de cohérence apparaissent très faiblement corrélées à la magnitude, l'azimut et la distance épicentrale du séisme, mais sont au contraire liées aux caractéristiques géométriques de la vallée. La coherence est systématiquement plus forte pour les couples de capteurs orientés selon la direction parallèle à l'axe de la vallée, et moins forte pour des couples de capteurs orientés dans la direction perpendiculaires. Cette observation est en accord avec les résultats du traitement d'antenne: la prédominance d'ondes de surface diffractées sur les bords de la vallée conduit à des mouvements en phase le long de la direction parrallèle à l'axe de la vallée. Les résultats de cette thèse apporte des elements de compréhension sur la variabilité spatiale du movement sismique et ouvrent de nombreuses perspectives d'application. / Spatial variation of earthquake ground motion over short distances significantly affects the dynamic response of engineered structures with large dimensions. In current practices, the ground motion excitation across the foundation of a structure is assumed to be spatially uniform, which becomes inadequate for spatially extended structures in the near-fault region or on sites with lateral inhomogeneity. This PhD thesis seeks to understand the key parameters that locally control the ground motion spatial variability with the intent of putting forth practical propositions for incorporating such effects in seismic design and hazard assessment. The first part of the thesis addresses the within-event component of the standard deviation of ground-motion distribution in near source region by means of numerical simulation of ground motions for extended sources with realistic rupture kinematics. The results suggest that the within-event variability significantly depends on the rupture type, depicting an increase with distance for bilateral ruptures and a decrease for unilateral ruptures. The second part deals with the characterization of seismic wave field at the Koutavos-Argostoli site, a small-size, shallow, alluvial valley located in the seismically active Cephalonia Island in Western Greece. The seismic wave field was investigated from the recordings of a dense seismological array for a set of 46 earthquakes, with magnitude 2 to 5 and epicentral distance up to 200 km. The MUSIQUE array analysis algorithm was used to extract the phase velocity, back-azimuth, type and polarization of the dominant waves crossing the array. The results clearly indicate dominant scattering of seismic surface waves, mainly from the valley-edge directions, beyond the fundamental frequency of the valley. While Love surface waves clearly dominate the wave field close to the resonance frequency, Rayleigh waves strongly dominate only in relatively narrow frequency bands at higher frequency. Besides, an excellent consistency is observed between the dominance of the identified surface wave type in the wave field and the site amplification. The "lagged coherency" of the most energetic part of the ground motion has been quantified for each station-pair within the array. In general, spatial coherency estimated from the horizontal components exhibit decays with frequency and interstation distance. Estimates from the vertical component exhibit rather larger values at some higher frequencies. Although coherency does not show any consistent trend indicating dependence on the magnitude, back-azimuth or site-to-source distance of the event, it seems to be primarily controlled by the site geometry. Larger coherency is systematically observed when the station pair is oriented parallel to the valley axis, while lower values are observed in the perpendicular direction. This observation proves to be consistent with the MUSIQUE analysis results: the predominance of scattered surface waves propagating across the valley implies an in-phase motion along valley-parallel direction and out-of-phase motion along valley-perpendicular direction. The findings of the present research are expected to contribute in enhancing our understanding of spatial variability of ground motion and improving the coherency models used in engineering. This work also opens up new insights and many questions in need of further investigation.

Advancing the field of nanotechnology to incorporate the unique properties observed at the nanoscale into functional devices has become a major scientific thrust of the 21st century. New fabrication tools and assembly techniques are required to design and manufacture devices based on one-dimensional nanostructures. Three techniques for manipulating nanomaterials post-synthesis have been developed. Two of them involve direct contact manipulation through the utilization of a physical probe. The third uses optically generated surface acoustic waves to reproducibly control and assemble one-dimensional nanostructures into desired locations. The nature of the third technique is non-contact and limits contamination and defects from being introduced into a device by manipulation. While the effective manipulation of individual nanostructures into device components is important for building functional nanosystems, commercialization is limited by this one-device-at-a-time process. A new approach to nanostructure synthesis was also developed to site-specifically nucleate and grow nanowires between two electrodes. Integrating synthesis directly with prefabricated device architectures leads to the possible mass production of NEMS, MEMS and CMOS systems based upon one-dimensional nanomaterials. The above processes have been pursued to utilize piezoelectric ZnO nanobelts for applications in high frequency electronic filtering as well as biological and chemical sensing. The high quality, single crystal, faceted nature of these materials make them ideal candidates for studying their properties through the designs of a bulk acoustic resonator. The first ever piezoelectric bulk acoustic resonator based on bottom-up synthesized belts will be demonstrated. Initial results are promising and new designs are implemented to scale the device to sub-micron dimensions. Multiple models will be developed to assist with design and testing. Some of models presented will help verify experimental results while others will demonstrate some of the problems plaguing further investigations.

La variation spatiale du mouvement sismique a des effets significatifs sur la réponse dynamique des structures de génie civil de grandes dimensions. Dans la pratique courante, l'excitation du mouvement sismique le long de la fondation de la structure est considérée uniforme, approche cependant inadéquate pour les structures de large portance au sol localisées à proximité des failles ou sur des sites présentant une structure du sous-sol latéralement hétérogène. Cette thèse se propose donc de comprendre les facteurs clefs contrôlant localement la variabilité spatiale du mouvement sismique, avec en ligne de mire la mise en place de recommendations en vue d'incorporer ces effets dans l'estimation de l'aléa sismique et le dimensionnement des structures. La première partie de cette thèse s'intéresse à la composante intra-évènement de l'écart-type de la distribution du mouvement sismique en champ proche à l'aide de simulations numériques du mouvement sismique pour des sources étendues présentnat une cinématique de rupture réaliste. Les résultats suggèrent que la variabilité intra-évènement dépend significativement du type de rupture, cette variabilité augmentant avec la distance pour les ruptures bilatérales et diminuant pour les ruptures unilatérales. La seconde partie traite de la caractérisation de la composition du champ d'onde dans la vallée de Koutavos-Argostoli, qui est une vallée de petite dimension et d'épaisseur sédimentaire faible, située sur l'île – sismiquement active - de Céphalonie en Grèce. Les champs d'onde générés par 46 séismes, ayant des magnitudes variant entre 2 et 5 et des distances épicentrales jusqu'à 200 km, ont été analysés à partir de l'enregistrement par deux réseaux denses de capteurs sismologiques. L'algorithme de traitement d'antenne MUSIQUE est utilisé pour extraire la vitesse, l'azimut, le type et la polarisation des ondes dominantes se propageant à travers le réseau. Les résultats montrent clairement d'importantes diffractions d'ondes de surface aux bords de vallée au-delà de la fréquence de résonance de la vallée. Tandis que les ondes de Love dominent clairement le champ d'ondes proche de la fréquence de résonance, les ondes de Rayleigh dominent à plus haute fréquence dans des gammes de fréquences étroites. Par ailleurs, un excellent accord est observé entre les champs d'onde de surface diffractés localement et les caractéristiques d'amplification du site. La “cohérence décalée” de la partie la plus énergétique du signal a été quantifiée pour chaque paire de stations du réseau. En général, la cohérence calculée sur les composantes horizontales diminue avec la distance entre stations et la fréquence. La cohérence sur la composante verticale indique des valeurs relativement fortes à haute fréquence. Les valeurs de cohérence apparaissent très faiblement corrélées à la magnitude, l'azimut et la distance épicentrale du séisme, mais sont au contraire liées aux caractéristiques géométriques de la vallée. La coherence est systématiquement plus forte pour les couples de capteurs orientés selon la direction parallèle à l'axe de la vallée, et moins forte pour des couples de capteurs orientés dans la direction perpendiculaires. Cette observation est en accord avec les résultats du traitement d'antenne: la prédominance d'ondes de surface diffractées sur les bords de la vallée conduit à des mouvements en phase le long de la direction parrallèle à l'axe de la vallée. Les résultats de cette thèse apporte des elements de compréhension sur la variabilité spatiale du movement sismique et ouvrent de nombreuses perspectives d'application. / Spatial variation of earthquake ground motion over short distances significantly affects the dynamic response of engineered structures with large dimensions. In current practices, the ground motion excitation across the foundation of a structure is assumed to be spatially uniform, which becomes inadequate for spatially extended structures in the near-fault region or on sites with lateral inhomogeneity. This PhD thesis seeks to understand the key parameters that locally control the ground motion spatial variability with the intent of putting forth practical propositions for incorporating such effects in seismic design and hazard assessment. The first part of the thesis addresses the within-event component of the standard deviation of ground-motion distribution in near source region by means of numerical simulation of ground motions for extended sources with realistic rupture kinematics. The results suggest that the within-event variability significantly depends on the rupture type, depicting an increase with distance for bilateral ruptures and a decrease for unilateral ruptures. The second part deals with the characterization of seismic wave field at the Koutavos-Argostoli site, a small-size, shallow, alluvial valley located in the seismically active Cephalonia Island in Western Greece. The seismic wave field was investigated from the recordings of a dense seismological array for a set of 46 earthquakes, with magnitude 2 to 5 and epicentral distance up to 200 km. The MUSIQUE array analysis algorithm was used to extract the phase velocity, back-azimuth, type and polarization of the dominant waves crossing the array. The results clearly indicate dominant scattering of seismic surface waves, mainly from the valley-edge directions, beyond the fundamental frequency of the valley. While Love surface waves clearly dominate the wave field close to the resonance frequency, Rayleigh waves strongly dominate only in relatively narrow frequency bands at higher frequency. Besides, an excellent consistency is observed between the dominance of the identified surface wave type in the wave field and the site amplification. The "lagged coherency" of the most energetic part of the ground motion has been quantified for each station-pair within the array. In general, spatial coherency estimated from the horizontal components exhibit decays with frequency and interstation distance. Estimates from the vertical component exhibit rather larger values at some higher frequencies. Although coherency does not show any consistent trend indicating dependence on the magnitude, back-azimuth or site-to-source distance of the event, it seems to be primarily controlled by the site geometry. Larger coherency is systematically observed when the station pair is oriented parallel to the valley axis, while lower values are observed in the perpendicular direction. This observation proves to be consistent with the MUSIQUE analysis results: the predominance of scattered surface waves propagating across the valley implies an in-phase motion along valley-parallel direction and out-of-phase motion along valley-perpendicular direction. The findings of the present research are expected to contribute in enhancing our understanding of spatial variability of ground motion and improving the coherency models used in engineering. This work also opens up new insights and many questions in need of further investigation.

Les projets géotechniques deviennent de plus en plus complexes et il s’avère alors nécessaire de caractériser de manière complète le comportement du sol dans les différentes plages de déformations sollicitées par le projet. Cependant les moyens mis en place lors de ces études sont souvent limités à quelques essais ponctuels lesquels ne donnent pour la plupart qu’une information liée à la résistance du terrain. Afin de caractériser de manière complète le comportement du sol avec la déformation, ce travail expose une étude détaillée de l’évolution du module de cisaillement avec la déformation en utilisant les méthodes d’ondes de surface, les essais géotechniques de laboratoire de mécanique des sols et les essais géotechniques in situ au pressiomètre. Des essais plus sophistiqués tels que l’essai à la colonne résonnante étau triaxial cyclique ont été aussi utilisés dans ce cadre. Le programme expérimental a permis de déterminer que le comportement du sol est non linéaire avec la déformation. Les observations réalisées ont permis de pouvoir proposer une démarche de caractérisation du comportement du sol en cas de disposition d’une information partielle. Ce mémoire de thèse présente une synthèse des données collectées par différents types d’essais in situ et en laboratoire qui ont permis de décrire l’évolution du module de cisaillement dans les différentes plages de déformations / The difficulty of dealing with complex geotechnical projects implies the necessity to determine adequately soil’s behaviour with strain’s increase. The information provided for these geotechnical studies mostly concerns soil’s in situ resistance and it is only punctual. In order to fully characterize soil’s behaviour with strains, this work exposes a detailed study of the shear modulus evolution with increasing strain by using surface waves methods, geotechnical laboratory tests such as soil mechanics tests and geotechnical in situ tests such as pressure meter test. More sophisticated tests such as resonant column test and cyclic triaxial test have been also used for this purpose. The experimental program described soil behaviour as being nonlinear. This observed behaviour permitted to propose an approach of characterizing the behaviour of soil incase if the needed information is only partial. This thesis manuscript presents a data synthesis of different types of in situ and laboratory tests which allowed describing soil shear modulus evolution for different ranges of deformation

Cette thèse est consacrée au développement de dispositifs accordables sur la base de cristaux photoniques unidimensionnels qui peuvent supporter des ondes de surface de Bloch (BSW). Tout d'abord, nous explorons les possibilités de contrôler la direction de propagation des BSW par le biais de la polarisation de la lumière incidente. Dans ce cas, nous gravons sur le dessus du cristal photonique 1D des structures passives de type réseau, qui permettent à la fois de coupler la lumière incidente aux BSWs et de se comporter comme une lame séparatrice ultracompacte contrôlée par la polarisation lumineuse. Nous avons testé ce type de coupleur sur des cristaux photoniques 1D fonctionnant dans l’air et dans l’eau. Ensuite, nous démontrons l'accordabilité des BSWs en ajoutant une fine couche active dans la structure photonique multicouche. Il s’agit d’un film mince de niobate de lithium monocristallin qui permet d’introduire des propriétés anisotropes dans le cristal photonique 1D. Différentes façons de fabriquer des cristaux photoniques 1D contenant du niobate de lithium monocristallin ont été développées dans le cadre de ce travail. Ces travaux nous ont permis d’explorer le concept de contrôle électro-optique des BSWs. / This thesis is devoted to develop tunable devices on the base of one-dimensional photonic crystals (1DPhC) which can sustain Bloch surface waves (BSWs).First, we explore the possibilities to control the BSW propagation direction with polarization of incident light. In this case we manufacture additional passive structures such as gratings on the top of the 1DPhC, which are working both as a BSW launcher and polarization–controlled “wave-splitters”. We test this type of launcher in air and in water as an external medium. Then, we demonstrate the tunability of the BSW by adding an active layers into the multilayer stack. Here a crystalline X-cut thin film lithium niobate (TFLN) is used to introduce anisotropic properties to the whole 1DPhC. Different ways to manufacture 1D PhCs with LiNbO3 on the top would be described. Finally, we explore the concept of the electro-optically tuned BSW.

L'objectif des travaux présentés dans cette thèse est le développement d'un système d'imagerie ultrasonore fonctionnant dans l'air pour la mesure sans contact des mouvements vibratoires en surface du corps humain. L'étude des vibrations en surface de la peau ouvre plusieurs champs d'application. L'observation de la vitesse d'une onde de surface sur la peau à partir du film de propagation permet de caractériser l'élasticité de la couche superficielle ainsi que ses hétérogénéités. A partir de cette analyse, il est possible de détecter des objets cachés sur ou sous la peau, dans un objectif de sécurité. Une seconde application est l'observation des vibrations de surface engendrées par le battement cardiaque, la respiration et l'onde de pouls. La réalisation d'un premier dispositif monovoie a permis la mesure locale de vibrations de l'ordre de la dizaine de microns. A partir de ces premiers travaux, nous avons construit un imageur ultrasonore 2D dans l'air à haute cadence d'imagerie. Il est constitué d'un réseau carré de 256 microphones et de 12 émetteurs. La principale nouveauté de notre approche repose sur l'imagerie d'une surface spéculaire. En effet, la rugosité de la peau est négligeable comparée aux longueurs d'onde de travail, de l'ordre du centimètre pour limiter l'atténuation dans l'air. Pour répondre à cette contrainte, l'imagerie est réalisée à partir de la formation de voies émission/réception par synthèse d'ouverture en utilisant une émission séquentielle d'ondes sphériques. Après caractérisation du système, nous avons imagé la propagation d'une onde de surface sur un fantôme mimant le corps humain et l'interférence de cette onde avec un objet étranger. Une seconde version de l'imageur 2D, constituée de 36 émetteurs, a permis la mesure de la déformation du thorax lors du battement cardiaque ainsi que la propagation de l'onde de pouls au niveau de la carotide. / The aim of the work presented in this dissertation is to develop an airborne ultrasonic system for the contactless measurement of vibrations on the human body surface. The vibration study of the skin surface opens several application fields. The visualization of the surface wave velocity on the skin from the propagation movie allows to characterize the superficial layer elasticity as well as its heterogeneities. From this analysis, objects hidden on or under the skin can be detected for a security purpose. A second application is the observation of the surface vibrations generated by the heartbeat, respiration and pulse wave.The implementation of a first single-channel device allowed the local measurement of vibrations about ten microns order. From this initial work, we developed a 2D airborne ultrasonic imager with high frame rate. It is composed by a 256 microphones square array and by 12 piezoelectric transducers. The main innovation of our approach is the specular surface imaging. Indeed, the skin roughness is negligible compared to the working wavelength, of the centimeter order to limit the air attenuation. To resolve this issue, the imaging process is carried out with an emission/reception beamforming using synthetic aperture and achieved by a sequential emission of spherical waves.After the system characterization, we imaged the surface wave propagation on a phantom mimicking the human body and the interference between this wave and a foreign object. A second version of the 2D imager, composed by 36 emitters, was applied to measure the deformation of the thorax during the heartbeat as well as the pulse wave propagation in the carotid artery.