Le bruit généré par les avions lors des phases de décollage et d'atterrissage est un sujet d'intérêt actuel dans l'industrie aéronautique. Il peut devenir critique avec l'urbanisation croissante des populations, celle-ci contribuant à l'augmentation du trafic aérien et le rapprochement des aéroports avec les zones habitées. Pour prévenir cette problématique, les centres de recherches et les industriels de l'aéronautique se regroupent pour développer des solutions technologiques communes. Dans le cadre général de ce projet sur la réduction du bruit global des avions civils, un système de réduction se base sur le principe du contrôle actif du bruit tonal d'interaction rotor/stator. Celui-ci est en effet, avec le bruit de jet, une des principales causes de nuisance sonore au décollage et à l'atterrissage. Pour cela, des sources d'anti-bruit sont placées à l'intérieur du conduit à proximité de l'interaction rotor/stator afin de l'annuler. L'objectif de ce projet de maîtrise est de modéliser une des sources d'anti-bruit utilisée dans le contrôle. Celle-ci est placée sur chaque aube composant la grille de stator. Elle est constituée d'une aube dans laquelle est inséré un actionneur piézoélectrique. Ce dernier est ensuite recouvert de plaques perforées permettant de garder une transparence acoustique et un profil aérodynamique, puis commandé électriquement. Le comportement vibratoire de l'aube instrumentée est simulé à l'aide du logiciel éléments finis COMSOL MULTIPHYSICS. Cela permet d'estimer le rayonnement acoustique de la source secondaire. Les paramètres du modèle sont ensuite ajustés par des mesures expérimentales puis les résultats obtenus validés expérimentalement. Cette caractérisation vibro-acoustique conduit au final à la modélisation de l'aube instrumentée par une source acoustique compacte, que l'on peut introduire dans un modèle analytique simplifié de turboréacteur afin de réaliser des simulations de contrôle.

Cette thèse apporte une nouvelle contribution à la caractérisation non destructive des matériaux en béton endommagés par la réaction alcalis-silice (RAS). À cette fin, des techniques et outils de caractérisation non linéaire ont été mises au point. Un banc de test de résonance non linéaire a été développé. Des améliorations ont été apportées au niveau de la chaine d'excitation et au niveau du traitement du signal afin d'optimiser la sensibilité du banc de test. Les essais non linéaires ont été effectues sur sept échantillons de béton endommagés par la RAS, trois échantillons de béton endommagés thermiquement, deux échantillons de béton endommagés mécaniquement et trois échantillons de béton sains. La non-linéarité comportementale des matériaux étant souvent attribuée au comportement hystérétique des micro-défauts contenus dans ces derniers, il a été montré dans un premier temps, que le béton endommagé par la RAS présente un comportement hystérétique. Cette étude a été faite à partir des essais de l'acousto-élastique. Le banc de test de résonance non linéaire a été ensuite utilisé pour la caractérisation des bétons sains et endommagés par la RAS. II a été montré que la technique non linéaire, en plus de permettre une caractérisation sans avoir l'historique de l'état du matériau, permet également de détecter de façon précoce l'endommagement du matériau réactif. L'influence de la teneur en eau sur les paramètres non linéaires a également été étudiée. II a été montré que les valeurs mesurées sur des échantillons de béton conservés dans des conditions de forte teneur en eau sont plus faibles. Dans l'objectif de trouver une particularité à l'endommagement causé par la RAS, la nature visqueuse du gel produit par la RAS a été utilisée. Une démarche, qui s'inspire des essais de fluage en statique réalisés sur des matériaux, a été utilisée pour répondre à cette question de signature de la RAS, tout en appliquant la technique de résonance non linéaire. Le modèle ressort-amortissement de Maxwell a été utilise pour l'interpretation des résultats. Ainsi, le temps de réponse au fluage a été analysé sur des échantillons endommagés par la RAS. II en ressort que le gel issu de la RAS rallonge le temps de réponse au fluage. Enfin, les limites de la technique de résonance non linéaire pour une application in situ ont été expliquées et une nouvelle technique non linéaire estimée applicable sur site a été initiée. Cette technique consiste à utiliser une source externe telle une masse pour provoquer la non-linéarité dans le matériau, pendant qu'une onde ultrasonore sonde le milieu.||The aim of this thesis is to contribute to the non-destructive characterization of concrete materials damaged by alkali-silica reaction (ASR). For this purpose, some nonlinear characterization techniques have been developed, as well as a nonlinear resonance test device. In order to optimize the sensitivity of the test device, the excitation module and signal processing have been improved. The nonlinear tests were conducted on seven samples of concrete damaged by ASR, three samples of concrete damaged by heat, three concrete samples damaged mechanically and three sound concrete samples. Since, nonlinear behaviour of the material is often attribute to its micro-defects hysteretic behaviour, it was shown at first that concrete damaged by ASR exhibits an hysteresis behaviour. To conduct this study, an acoustoelastic test was set, and then nonlinear resonance test device was used for characterizing sound concrete and concrete damaged by ASR. It was shown that the nonlinear technique can be used for characterizing the material without knowing its initial state, and also for detecting early damage in the reactive material. Studies were also carried out on the effect of moisture regarding the nonlinear parameters; they allowed understanding the low values of nonlinear parameters measured on concrete samples that were kept in high moisture conditions. In order to find a specific characteristic of damage caused by ASR, the viscosity of ASR gel was used. An approach, based on static creep analysis, performed on the material, while applying the nonlinear resonance technique. The spring-damping model of Maxwell was used for the interpretation of the results. Then, the creep time was analysed on samples damaged by ASR. It appears that the ASR gel increases the creep time. Finally, the limitations of the nonlinear resonance technique for in situ application have been explained and a new applicable nonlinear technique was initiated. This technique use an external source such as a mass for making non-linearity behaviour in the material, while an ultrasound wave is investigating the medium.

L’engouement pour le collage structural est important dans l’aéronautique. Actuellement, il n’existe pas de méthode de contrôle non destructive de l’adhésion dans un assemblage collé. Les méthodes de CND usuelles peuvent détecter au mieux des défauts majeurs de type décollement ou absence de colle. L’objectif de la thèse est donc de déterminer un indicateur ultrasonore en lien avec le niveau d’adhésion et la tenue structurale des assemblages collés.La première étape a consisté en l’élaboration d’éprouvettes étalons à adhésions variables de forme cisaillement simple. Trois traitements de surface différents ont été définis afin d’obtenir trois niveaux de force à rupture et donc trois niveaux d’adhésion distincts. Des cartographies détaillées du joint de colle sont obtenues par ultrasons. A l’issue des essais mécaniques les faciès de rupture sont analysés. Des contrôles supplémentaires par micro-tomographie X ont été réalisés. L’ensemble de ces essais ont permis de valider l’obtention d’éprouvettes homogènes et de niveaux d’adhésion maîtrisé. Un système expérimental spécifique a été réalisé pour développer des mesures d’acoustoélasticité qui permettent l’étude des variations locales de champ des contraintes. Pendant une sollicitation mécanique de type cisaillement simple, les variations de temps de vol dans l’aluminium en mode pulse-écho des éprouvettes sont analysées. Le dispositif est d’abord validé sur une éprouvette d’aluminium. Puis, il est démontré que sur une éprouvette de cisaillement simple, les bords d’un défaut, lieu de concentration de contraintes, sont visibles. Les simulations numériques réalisées donnent les mêmes tendances / The enthusiasm for structural bonding is important in aeronautic. Currently there is no method to test non-destructively the adhesion in a bonded assembly. The usual NDT methods can detect the most common defects like delamination or disbond. The aim of this thesis is to determine an ultrasonic indicator related to the level of adhesion and the structural strength of bonded assemblies.The first step was the development of calibrated samples. The specimens are single lap shear joints. Three different surface treatments have been developed to obtain three different levels of ultimate tensile strength and therefore three distinct levels of adhesion. Detailed cartographies of the adhesive joint are obtained by ultrasound. After mechanical testing the fracture surfaces are analyzed. Additional tests by microtomography were performed. They were used to validate the quality of samples. The objective of standards sample is achieved. A specific control system has been achieved to use acoustoelasticty to study the stress field in the bonded assembly. The variations of time of flight in the aluminum part in pulse-echo mode during mechanical test are analysed. First, the method is validated with an aluminum test piece. Then, it is shown, for a sample with defect, the edges of a defect are visible through the increase of stresses on its borders. Numerical simulations give the same trends.

La caractérisation du micro-endommagement et la compréhension de son rôle dans le métabolisme ou dans la fragilisation osseuse restent des challenges, tout particulièrement en raison de l'absence de techniques de mesures bien adaptées à son étude. Il apparaît donc nécessaire de développer de nouvelles techniques non-invasives pour détecter et suivre l'accumulation de micro-endommagement osseux, en particulier celui qui se manifeste par la présence de microfissures. L'objectif de la thèse est d'évaluer la sensibilité de la spectroscopie ultrasonore non-linéaire (NRUS) à l'accumulation du micro-endommagement osseux. La sensibilité et la reproductibilité de la technique NRUS ont tout d'abord été optimisées. Puis, deux groupes d'échantillons d'os cortical ont été prélevés sur des diaphyses fémorales humaines. Les spécimens du premier groupe ont été endommagés progressivement par fatigue en flexion 4-points. Le second groupe a subi un test de ténacité pour initier et propager de manière contrôlée une fissure unique. Nos résultats montrent que la non-linéarité mesurée des échantillons fatigués et fissurés augmente de manière significative après les étapes de fatigue ou le test de ténacité. De plus, nous observons une corrélation significative entre la variation relative du paramètre non-linéaire et l'augmentation de la densité de petites fissures (évaluée par microtomographie par rayonnement synchrotron). Enfin, le niveau de non-linéarité des spécimens fissurés est significativement corrélé à la longueur totale de la fissure. Ces résultats suggèrent que la technique NRUS optimisée est sensible à l'accumulation du micro-endommagement osseux.

Les non-linéarités associées à la propagation d'une onde acoustique fort niveau se traduisent par un phénomène d'auto-démodulation d'amplitude : lorsqu'une onde porteuse ultrasonore (onde primaire) est modulée en amplitude par un signal audio, le signal audio (ondes secondaires) se reconstruit le long du lobe d'émission des ultrasons. L'antenne paramétrique ainsi obtenue présente alors une directivité très étroite en comparaison des systèmes classiques de restitution du son de dimensions comparables.<br />Ce travail de thèse vise à améliorer les systèmes existants. Pour ce faire, un outil de dimensionnement et un prototype de démonstration sont réalisés.<br />Dans un premier temps, les principes fondamentaux de l'acoustique non linéaire permettant de comprendre le phénomène d'auto-démodulation sont rappelés. Ceci permet de conclure sur l'influence du champ d'ondes primaires sur le champ d'ondes secondaires et de déterminer les propriétés nécessaires au champ d'ondes primaires pour une utilisation comme haut-parleur directif. Les distorsions induites par l'auto-démodulation sont également mises en évidence. Les prétraitements usuels de réduction des distorsions sont ensuite détaillés et évalués à l'aide d'un algorithme de simulation afin de conclure sur leurs avantages et leurs conditions d'utilisation.<br />Afin d'obtenir une directivité très étroite et un fort niveau aux fréquences ultrasonores, un réseau de transducteurs est utilisé. Nous avons choisi de travailler avec des transducteurs à base de film PVDF. Dans un second temps, une modélisation décrivant le comportement des transducteurs réalisés à l'aide de film PVDF couplé à une cavité est proposée. Celle-ci permet d'estimer la pression acoustique rayonnée par une cellule élmentaire en fonction de différents paramètres tels que les dimensions de la cavité et les propriétés du film. Enfin, l'utilisation du modèle de rayonnement d'un réseau de sources permet de définir un réseau de cellules répondant aux exigences de cette application.<br />Finalement, un prototype de haut-parleur directif est réalisé. Il est caractérisé expérimentalement en régime linéaire (sans auto-démodulation) ainsi que pour une utilisation comme haut-parleur directif afin de réaliser une validation des différentes parties de l'étude.

Ce travail de thèse est l'étude expérimentale de la propagation des ondes acoustiques dans un milieu granulaire sec et confiné. Ces ondes permettent de sonder de manière non invasive les propriétés viscoélastiques et la structure hétérogène du milieu, mais peuvent aussi être utilisées comme perturbation contrôlée pour étudier le réarrangement des réseaux des forces. Dans une première partie, nous nous intéressons à la propagation des ondes cohérentes dans les empilements des billes de verre et aussi dans ceux des grains irréguliers (sable). En régime linéaire, un très bon accord est retrouvé entre les vitesses d'onde de compression mesurées et celles prédites par la théorie des milieux effectifs, ce qui permet d'accéder au nombre de coordinance Z. En régime non linéaire, nous observons à la fois un softening et un hardening de la vitesse d'onde de compression à cause du changement de Z induit pat la forte vibration. La deuxième partie étudie la propagation des ondes multiplement diffusées. Nous montrons que le transport de ces ondes dans un milieu granulaire peut être décrit par le modèle de diffusion. Le coefficient de diffusion et l'absorption inélastique sont déterminés en fonction de la contrainte de confinement et de la fréquence d'onde incidente. Le libre parcours moyen versus la longueur d'onde relèvent deux régimes distincts du transport des ondes diffusées à basse et à haute fréquence. De plus, une décroissance non exponentielle est observée sur le profile d'intensité des ondes diffusées à temps long lorsque la fréquence de l'onde incidente devient importante. Une étude paramétrique basée sur la renormalisation du coefficient de diffusion est effectuée pour comprendre l'origine de ce transport diffusif anomal. Enfin, nous développons un dispositif (MRT) pour effectuer l'opération du retournement temporel dans un milieu granulaire. En régime linéaire, la recompression temporelle et la refocalisation spatiale sont vérifiées. Cependant, en régime non linéaire, nous observons que le processus du retournement temporel est brisé par l'interaction irréversible onde-matière, dû au changement ou réarrangement des réseaux des forces

Cette thèse traite des effets de la turbulence atmosphérique sur la propagation d'ondes de choc acoustiques. Ces effets sont d'un grand intérêt pour des applications comme le bang sonique, le buzz saw noise ou le tonnerre. Une méthode numérique unidirectionnelle est développée pour modéliser et simuler la propagation tridimensionnelle d'ondes de choc acoustiques en milieu hétérogène en mouvement. Elle repose sur une approche à pas fractionnés qui permet de prendre en compte efficacement les différents mécanismes physiques présents. Pour s'attaquer à des problèmes 3D réalistes (de l'ordre du milliard de degré de liberté), l'implémentation de la méthode est réalisée en utilisant le paradigme de programmation parallèle " single program multiple data ". La validité de cette méthode est évaluée sur différents cas tests. La méthode est appliquée à l'étude des effets de la turbulence atmosphérique sur la propagation du bang sonique dans la couche limite planétaire. Ainsi, le bang sous trace et le bang dans la zone d'ombre sont calculés pour la configuration hypersonique développée dans le projet européen ATLLAS II. Enfin, la focalisation de chocs faibles sur une caustique cuspidée est simulée. Cela est, à notre connaissance, la première étude de la stabilité d'une caustique non linéaire à des perturbations dues à un écoulement. / This thesis deals with the effects of atmospheric turbulence on the propagation of acoustical shock waves. These effects are of major interest for applications such as sonic boom, buzz saw noise or thunder. A numerical one-way method is developed to model and to simulate three-dimensional nonlinear propagation of acoustical shock waves in a moving heterogeneous medium. It relies on a split-step approach that permits to take into account efficiently the different involved physical mechanisms. To tackle realistic 3D problems (of order of one billion of degree of freedom), the implementation of the method is done using the parallel single program multiple data paradigm. Validity of this method is assessed using multiple test cases. The method is applied to investigate the effects of atmospheric turbulence on sonic boom propagation through the Planetary Boundary Layer. Hence, both under-track boom and boom in the shadow zone are studied for a hypersonic configuration developed in the European project ATLLAS II. Finally, the focusing of weak shock waves on a cusped caustic is simulated. It is the first study of the stability of a nonlinear caustic to flow perturbations to our knowledge.

Un nouveau code de simulation numérique pour la propagation des ondes de choc acoustiques dans des géométries complexes a été développé. Le point de départ a été la méthode de Galerkin discontinu qui utilise des maillages non structurés (ici des éléments triangulaires), particulièrement adaptés aux géométries complexes. Cependant, cette discrétisation conduit à l'apparition d'oscillation de Gibbs. Pour pallier ce problème, nous avons choisi d'introduire de la viscosité artificielle au voisinage des chocs. Cela a nécessité le développement de trois outils originaux : (i) un nouveau détecteur de choc sensible aux ondes de chocs acoustiques sur des maillages non structurés, (ii) un nouveau terme de viscosité artificielle dans les équations de l'acoustique non linéaire défini élément par élément et (iii) un nouveau terme permettant de régler le niveau de viscosité locale à partir du raidissement des fronts d'onde. Le code de calcul a été utilisé pour étudier deux configurations différentes. La première concerne la réflexion d'ondes de choc acoustiques sur des surfaces rigides. Différents régimes de réflexion ont alors été observés allant, de la réflexion classique de Snell Descartes jusqu'à celui dit de réflexion faible de Von Neumann. La deuxième configuration était consacrée à la focalisation d'ondes de choc acoustiques produites par un transducteur à haute intensité (comme ceux utilisés en HIFU). Un soin particulier a été pris pour étudier le calcul de l'intensité et pour étudier l'interaction entre les ondes de choc et des obstacles placés dans la région du foyer. / A new numerical solver for the propagation of acoustical shock waves in complex geometry has been developed. This is done starting from the discontinuous Galerkin method. This method is based on unstructured mesh (triangular elements here), and so, naturally it is well-adapted for complex geometries. Nevertheless, the discretization induces Gibbs oscillations. To manage this problem, we choose to introduce some artificial viscosity only in the vicinity of the shocks. This necessitates the development of three original tools. First of all, a new shock sensor for unstructured mesh sensitive to acoustical shock waves has been designed. It senses where the local artificial viscosity has to be introduced thanks to a reformulation of a new element centred smooth artificial viscosity term in the equations. Finally, the amount of viscosity is computed by the introduction of an original notion of gradient factor linked to the steepening of the waveform. The numerical solver has been used to investigate two different physical situations. The first one is the nonlinear reflection of acoustical shock waves on rigid surfaces. Different regimes of reflection have been observed ranging from the linear Snell Descartes reflection to the weak von Neumann case. The second configuration deals with the focusing of shock waves produced by high intensity transducers (like in HIFU). Special attention has been given to the careful computation of intensity and to the interaction between the shock waves and obstacles in the region of the focus.

Le présent mémoire a pour objet d’étudier la relation entre les modes propres de vibration avec les mesures de saut temporel ultrasonore. La méthode de saut temporel est une technique de l’acoustique non linéaire qui s’intéresse à l’évaluation des dommages internes dans le béton notamment à un jeune âge. Elle est basée sur le décalage temporel dans le temps d’arrivée des ondes ultrasonores après que le milieu de propagation ait été soumis à une excitation mécanique par laquelle le réseau de microfissuration interne est perturbé. Son application in situ avait été testée, mais il y avait un consensus général que l’amplitude du saut temporel pouvait dépendre de la nature du mode propre excité de la structure. La méthode a donc été appliquée au laboratoire sur des poutres en béton armé (non endommagé) afin d’étudier cette influence. Les ondes de surface ont été étudiées à cause de leur sensibilité aux variations de propriétés mécaniques du béton. Les résultats obtenus montrent que les valeurs de saut temporel dépendent fortement du mode excité, les modes ayant manifesté d’une façon notable et énergétique dans le spectre de Fourrier d’accélération sont ceux ayant provoqué un décalage temporel significatif. De plus, l’excitation de deux modes par une même amplitude ne produit pas le même effet. Par ailleurs, les résultats indiquent que le choix du mode à exciter est important, car l’excitation d’un mode inapproprié ne révèle pas l’état réel du béton/de l’ouvrage ausculté. Enfin, la présente étude conclut qu’il y a une dépendance entre les modes propres des structures sur les mesures de saut temporel ; la prise en compte de telle dépendance améliore l’efficacité de la technique de saut temporel, et tout dans une configuration simple et optimale. / Abstract : The purpose of this project is to study the relationship between of eigenmodes of vibration and ultrasonic time shift measurements. Indeed, the method of time shift is a technique of nonlinear acoustics which is interested in the evaluation of the internal damage in the concrete especially at early age. It is based on the time shift in the arrival time of the ultrasonic waves after the medium has subjected a mechanical excitation by which the internal microcracking network is disturbed. Its application in situ was recently experienced, but there was a consensus that the amplitude of the time shift could depend on the nature of the excited eigenmode of the structure. The method was applied in the laboratory on reinforced concrete beams (undamaged) to assess their influence. The surface waves were thus investigated in this experiment because of their sensitivity to the variation of the mechanical properties of concrete. The results show that the time shift values depend strongly on the excited mode; the modes which have manifested in a notable and energetic manner in the acceleration spectrum are tho se which have caused a significant time shift. Moreover, the excitation of two modes by the same amplitude does not produce the same effect. Also, the results indicate that the choice of the mode to be excited is important, because the excitation of an ina ppropriate mode does not reveal the actual condition of the concrete or examined structure. Finally, the present study concludes that there is dependence between the eigenmodes of the structures on the time shift measurements; the taking into account of such dependence improves the efficiency of the time shift technique, all in a simple and optimal configuration.

Ce travail de recherche est une contribution à l'étude de la propagation d'ondes élastiques dans les milieux granulaires. L'objectif principal est d'analyser deux aspects particuliers qui influencent la propagation, d'une part le degré de liberté en rotation des grains et d'autre part les non-linéarités de contact. Dans le cadre de ce travail, des structures granulaires périodiques et unidimensionnelles sont étudiées.L'apport principal de ce travail est la mise en évidence expérimentale et la modélisation d'ondes de rotation pures dans une chaîne granulaire composée de billes magnétiques. Le point de départ de la modélisation est la description du contact en torsion entre deux sphères jusqu'au premier ordre de non-linéarité. Pour un moment de torsion oscillant, il est montré un comportement de type purement hystérétique quadratique. Généralement, cette non-linéarité coexiste avec d'autres types de non-linéarités (quadratique, clappement, ...) et certains de ses effets n'ont jamais été observés. Pour la première fois, la distorsion d'ondes impulsionnelles par une non-linéarité hystérétique est mise en évidence et modélisée.D'autres effets liés à la dispersion et aux non-linéarités de contact dans une chaîne diatomique sont étudiés théoriquement et expérimentalement. En particulier, la génération de l'harmonique 2 des ondes de compression présente une richesse intéressante selon leur caractère propagatif, fortement dispersif ou évanescent.Outre les apports fondamentaux, les résultats obtenus peuvent trouver des applications dans le domaine du contrôle des ondes : filtres acoustiques dépendant de l'amplitude, convertisseurs de fréquences, rectificateurs et diodes acoustiques, ... . / This research is a contribution to the study of the propagation of elastic waves in granular media. The main purpose is to analyze two particular aspects that influence the propagation, first the rotation motion of grain and other nonlinearities of contact. As part of this work, the periodic one-dimensional granular structure is studied. The main contribution of this work is the experimental demonstration and modeling purely rotational wave in a granular chain composed of magnetic beads. The starting point of modeling is the description of the pure shear coupling at the contact between two spheres excited in torsion up to the first order of nonlinearity. For a oscillating torque, pure nonlinear quadratic hysteretic behaviour is shown. Generally, this nonlinearity coexists with other types of nonlinearities (quadratic, clapping, ...) and some of its effects have not been observed. For the first time, the transformation of pulse profile in a medium with pure hysteretic quadratic nonlinearity, essentially different from the distortion by classical nonlinearities, is reported.Other effects related to the dispersion and nonlinearity of contact in a diatomic chain are studied theoretically and experimentally. In particular, the generation of the 2nd harmonic wave compression presents an interesting behaviour according to their propagating nature, highly dispersive or evanescent. Apart from the fundamental interests, the results may find applications in the field of wave control: amplitude dependent filtering devices, rectifiers, actuating devices, acoustic diodes, ... .