L’onde acoustique est utilisée par de nombreux systèmes et organismes marins pour communiquer, naviguer ou inférer de l’information sur l’environnement. Le développement des activités humaines liées au monde de la mer induit une augmentation du nombre de sources acoustiques en activité simultanée dans l’océan. L’environnement acoustique sous-marin (ASM) est donc partagé par de nombreuses sources hétérogènes (sonars, modems, mammifères marins, ...) entrant involontairement en compétition pour l’utilisation d’une ressource offerte par le canal de transmission. L’objectif de ce travail de thèse est de proposer des solutions permettant aux systèmes de communications ASM d’adapter leurs paramètres de transmission de manière intelligente, autonome et décentralisée selon l’environnement acoustique dans lequel ils évoluent. A plusieurs égards, les problématiques de ce sujet de thèse sont proches de celles ayant motivé le développement des recherches sur la radio cognitive. Cependant, les spécificités du milieu acoustique, les sources d’interférencesde diverses natures, et l’absence de standards de communications posent de nouvelles difficultés. / Underwater acoustic waves are used by many systems and biologic organisms to communicate, navigate or infer information about the environment. Future developments of human maritime activities imply an increase of the number of active acoustic sources in the oceans. The underwater environment is therefore shared by many heterogeneous sources (sonars, modems, marine mammals, ...) competing involuntarily for using the physical resources offered by the communication channel.The goal of this thesis is to provide solutions allowing autonomous and decentralized adaptation of the transmission strategies of underwater acoustic communication systems, according to the environment. To some extent, this work deals with topics that are closely related to what has motivated the first researches on cognitive radio systems. However, the specific properties of the underwater environment, the heterogeneity of interfering acoustic sources, and the absence of communication standards rise new difficulties.

Ces travaux de thèse portent sur la conception et sur la caractérisation expérimentale de résonateurs opto-phononiques. Ces structures permettent le confinement simultané de modes optiques et de vibrations mécaniques de très haute fréquence (plusieurs dizaines jusqu’à plusieurs centaines de GHz). Cette étude a été effectuée sur des systèmes multicouches à l’échelle nanométrique, fabriqués à partir de matériaux semiconducteurs de type III-V. Ces derniers ont été caractérisés par des mesures de spectroscopie Raman de haute résolution. Grâce aux méthodes expérimentales et aux outils numériques développés, nous avons pu explorer de nouvelles stratégies de confinement pour des phonons acoustiques au sein de super-réseaux nanophononiques, à des fréquences de résonance de l’ordre de 350 GHz. En particulier, nous avons étudié les propriétés acoustiques de deux types de résonateurs planaires. Le premier est basé sur la modification adiabatique du diagramme de bande d’un cristal phononique unidimensionnel. Dans le deuxième système, nous utilisons les invariants topologiques caractérisant ces structures périodiques, afin de créer un état d’interface entre deux miroirs de Bragg phononiques. Nous nous sommes ensuite intéressés à l’étude de cavités opto-phononiques permettant le confinement tridimensionnel de la lumière et de vibrations mécaniques de haute fréquence. Nous avons mesuré par spectroscopie Raman les propriétés acoustiques de résonateurs phononiques planaires placés à l’intérieur de cavités optiques tridimensionnelles, de type micropiliers. Enfin, la dernière partie de cette thèse porte sur l’étude théorique des propriétés optomécaniques de micropiliers GaAs/AlAs. Nous avons effectué des simulations numériques par éléments finis, nous permettant d’expliquer les mécanismes de confinement tridimensionnel de modes acoustiques et optiques dans ces systèmes, et de calculer les principaux paramètres optomécaniques. Les résultats de cette étude démontrent que les micropilier GaAs/AlAs possèdent des caractéristiques prometteuses pour de futures expériences en optomécanique, telles que des fréquences de résonance acoustiques très élevées, de hauts facteurs de qualités mécaniques et optiques à température ambiante, ou encore de fortes valeurs pour les facteurs de couplage optomécaniques et pour le produit Q • f / The work carried out in this thesis addresses the conception and the experimental characterization of opto-phononic resonators. These structures enable the confinement of optical modes and mechanical vibrations at very high frequencies (from few tens up to few hundreds of GHz). This study has been carried out on multilayered nanometric systems, fabricated from III-V semiconductor materials. These nanophononic platforms have been characterized through high resolution Raman scattering measurements. The experimental methods and the numerical tools that we have developed in this thesis have allowed us to explore novel confinement strategies for acoustic phonons in acoustic superlattices, with resonance frequencies around 350 GHz. In particular, we have studied the acoustic properties of two nanophononic resonators. The first acoustic cavity proposed in this manuscript enables the confinement of mechanical vibrations by adiabatically changing the acoustic band-diagram of a one-dimensional phononic crystal. In the second system, we take advantage of the topological invariants characterizing one dimensional periodic structures, in order to create an interface state between two phononic distributed Bragg reflectors. We have then focused on the study of opto-phononic cavities allowing the simultaneous confinement of light and of high frequency mechanical vibrations. We have measured, by Raman scattering spectroscopy, the acoustic properties of planar nanophononic structures embedded in three-dimensional micropillar optical resonators. Finally, in the last sections of this manuscript, we investigate the optomechanical properties of GaAs/AlAs micropillar cavities. We have performed numerical simulations through the finite element method that allowed us to explain the three-dimensional confinement mechanisms of optical and mechanical modes in these systems, and to calculate the main optomechanical parameters. This work shows that GaAs/AlAs micropillars present very interesting properties for future optomechanical experiments, such as very high mechanical resonance frequencies, large optical and mechanical quality factors at room temperature, and high values for the vacuum optomechanical coupling factors and for the Q • f products

Les cristaux phononiques et métamatériaux acoustiques sont des matériaux structurés artificiels qui fournissent un moyen prometteur pour manipuler les ondes acoustiques avec de nombreuses applications potentielles nouvelles. Après une introduction à l'état de l'art, le chapitre 2 propose des multicouches actives à base de structures piézoélectriques résonnantes. Leur transmission et leurs propriétés effectives peuvent être contrôlées activement en changeant les conditions électriques. Le chapitre 3 développe des méthodes d'homogénéisation pour une plaque de cristal phononique et montre pour la première fois la possibilité de contrôler simultanément la propagation de toutes les ondes fondamentales de Lamb. La méthode est appliquée à la conception de lentilles à gradient d'indice. Le chapitre 4 propose un nouveau type de cristal phononique en plaque à base de piliers creux qui met en évidence de nouveaux modes fortement localisés, tels que les modes de galerie, aussi bien dans le gap de Bragg que dans un gap à basse fréquence. Ces modes peuvent être activement accordés en remplissant les parties creuses des piliers avec un liquide dont on contrôle la hauteur ou la température. Le chapitre 5 propose une métasurface acoustique comportant un pilier unique ou une ligne de piliers déposés sur une plaque. Ces piliers ont des modes de résonance dipolaires et monopolaires qui sont très sensibles aux paramètres géométriques des piliers. Nous étudions en détail l'amplitude et la phase des ondes émises lorsqu'une onde incidente est diffusée par les piliers et montrons qu'elles peuvent être décrites comme des ondes émises par les piliers résonnants comme sources d'ondes acoustiques. / Phononic crystals and acoustic metamaterials are artificial structured materials which provide a promising way to manipulate acoustic/elastic waves with many novel potential applications. After an introduction to the state of the art, the 2nd chapter designs actively controlled multilayers with piezoelectric resonant structures. The corresponding transmission and effective properties can be tuned by changing the electric boundary conditions of the piezoelectric materials. The 3rd chapter develops homogenization methods for phononic crystal plates and demonstrates for the first time the possibility of controlling simultaneously all the fundamental Lamb waves. The full control method developed here is applied to the design of various gradient index lenses that can exhibit several functionalities such as wave focusing or wave beaming. The 4th chapter designs a new type of phononic crystal/metamaterial plate with hollow pillars that exhibits several new localized modes, such as whispering-gallery modes, inside both Bragg and low frequency band gaps. These modes can be actively tuned by filling the hollow parts with a liquid for which the height or the temperature is controlled. The 5th chapter proposes acoustic metasurface consisting of a single pillar or one line of pillars deposited on a thin plate. Local resonances of dipolar and monopolar symmetries can be characterized which are very sensitive to the pillar’s geometric parameters. We study the amplitude and phase of the waves resulting from the scattering of an incident wave by the pillars and show that they can be described as dipolar or monopolar waves emitted by the pillar resonators as acoustic sources.

Les développements récents en physique, et technologiques, ont permis l’élaboration de nouveaux matériaux magnéto-électro-élastique, comme les composites multicouches piézoélectriques / piézomagnétiques. Leur coefficient magnétoélectrique, très grand en comparaison de celui des matériaux constitués d’une seule phase, a suscité récemment un grand nombre de travaux, menant au développement de capteurs, d’actionneurs, de systèmes de conversion d’énergie magnétique-électrique, et dans les mémoires à état solide.Cette thèse porte sur l’étude théorique et expérimentale des ondes acoustiques de surface dans des structures multicouches piézomagnétiques. Une description théorique des matériaux magnéto-élastiques, reposant sur la dérivation d’un modèle de matériau piézomagnétique équivalent, est utilisée conjointement à une technique numérique afin de calculer les courbes de dispersion et les formes des modes des ondes acoustiques se propageant dans des composites piézo-électro-magnétiques déposés sur un substrat. Ce modèle, très général, peut être utilisé pour différents types de structures et pour une intensité et une direction quelconques du champ magnétique externe appliqué. Les structures réalisées en salle blanche sont constituées d’un film mince de 20 couches de TbCo2 (5nm)/FeCo(5nm) déposé sur un substrat de LiNbO3 entre deux peignes interdigités. Une comparaison, entre les variations de la vitesse de phase d’ondes acoustiques de surface induites par l’application d’un champ magnétique externe modélisées et mesurées, est réalisée. Un bon accord quantitatif entre les mesures et les calculs théoriques, et cela pour toutes les orientations du champ magnétique (suivant l’axe facile ou l’axe difficile) et pour différents modes acoustiques, est obtenu. Le mode transverse horizontal présente les plus grandes variations de vitesse, proche de 20% pour un film dont l’épaisseur serait celle de la longueur d’onde acoustique / Recent developments in physics and technology allow the elaboration of new magneto-electro- elastic materials such as multilayered piezoelectric-piezomagnetic composites. Their large magne- toelectric coefficient, compared to the one of single phase materials, recently attracted a large number of studies, and they are now widely used in the development of sensors, actuators, magnetic- electric energy converting devices, and solid state memories.This PhD thesis addresses the experimental and theoretical investigations of guided elastic waves propagation in piezomagnetic multi-layered structure. A theoretical description of magneto- elastic materials, based on the derivation of an equivalent piezomagnetic material of a magnetostric- tive thin film, is used in conjunction with a numerical method to compute propagation constants, i.e. dispersion curves, and mode shapes of elastic waves in layered piezoelectric-piezomagnetic com- posites deposited on a substrate. This model can be used for different structures, and for an applied external magnetic field of any intensity and direction.The realized structures are composed of a 20xTbCo2(5nm)/FeCo(5nm) nanostructured multi- layer deposited between two Aluminum Inter-Digitals Transducers forming a surface acoustic wave delay line, on a LiNbO3 substrate. A comparison between the calculated and measured phase velocity variation under the action of the external magnetic field orientation and magnitude is made. A quantitative agreement between the measured and modeled phase velocity shift for all external magnetic field configurations (hard axis and easy axis) and for different shape modes of elastic waves at their first and third harmonic operation frequencies is obtained. The shear horizontal mode exhibits a maximum phase velocity shift close to 20% for a ratio close to 1 between magneto-elastic film thickness and wavelength

La génération d’impulsions courtes d’ondes acoustiques de surface est étudiée, en s’inspirant du principe de l’amplification des impulsions chirpées qui est utilisée pour la génération d’impulsions laser ultrabrèves. La compression temporelle des impulsions est généralement réalisée à l’aide d’éléments dispersifs. Dans ce travail, un transducteur à ondes acoustiques de surface pouvant émettre des impulsions brèves est utilisé comme élément dispersif. Une étude comparative des transducteurs à peignes interdigités chirpés est menée avec un modèle du premier ordre et un modèle dit de matrice mixte. Des dispositifs à ondes acoustiques de surface sont conçus et réalisés à partir des résultats de simulation numérique. La façon de distribuer la période dans le transducteur est étudiée. L’apparition de bandes interdites dues aux réflexions internes dans le transducteur chirpé et son effet sur l’émission directionnelle des ondes surface sont en particulier observées et étudiées.Un interféromètre optique différentiel dans le domaine temporel et stabilisé est ensuite proposé afin de caractériser les impulsions brèves. Le transducteur à ondes acoustiques de surface est placé à l’extérieur de l’interféromètre. Des expériences sont conduites avec un transducteur à peignes interdigités chirpé ayant une bande opérationnelle couvrant la gamme de fréquences 200 MHz – 400 MHz et produisant des impulsions de 10 ns avec un déplacement hors-plan maximal de 36 nm. La réponse interférométrique est comparée à une mesure électrique directe obtenue à l’aide d’un transducteur de réception large bande ; une bonne correspondance des deux mesures est observée. Les influences de la différence de chemin optique dans l’interféromètre et du choix du point d’observation sur la surface sont discutées. La compression de l’impulsion le long du transducteur chirpé est observée expérimentalement.Finalement, une étude comparative de différents filtres de compression temporelle est présentée, dans l’objectif d’obtenir des impulsions optimales à la fois courtes temporellement et de forte intensité, pour un élément dispersif donné. Le filtre inverse est identifié comme le plus efficace et nous permet de produire les impulsions de plus grande amplitude. Afin d’optimiser la compression de l’impulsion pour les dispositifs fabriqués, des expériences sont conduites pour trouver les courbes de compromis optimal dans chaque cas de modulation de la période du transducteur. / Generation of short pulses with surface acoustic waves (SAW) is studied, in analogy with the principle of chirped pulse amplification (CPA) used to produce ultrashort laser pulses. Temporal compression of pulses is generally achieved with dispersive elements. A SAW transducer emitting short SAW pulses is used as a dispersive element in this work. A comparative study of chirped inter digital transducers (CIDTs) using the first order model and the p-matrix model is presented. SAW devices are designed and fabricated using the simulation results and the effect of the varying pitch of the CIDts on the response is studied. Appearance of band gaps due to internal reflections within the CIDts and its effect on the directionality of the CIDTs are in particular found and studied.A stabilized time-domain differential optical interferometer is then proposed in order to characterize short pulses, with the surface acoustic wave (SAW) sample placed outside the interferometer. Experiments are conducted with surface acoustic waves excited by a chirped inter-digital transducer on a piezoelectric lithium niobate substrate having an operational bandwidth covering the 200 MHz – 400 MHz frequency range and producing 10 ns pulses with 36 nm maximum out-of-plane displacement. The interferometric response is compared with a direct electrical measurement obtained with a receiving wide bandwidth inter-digital transducer and good correspondence is observed. The effects of varying the path difference of the interferometer and the measurement position on the surface are discussed. Pulse compression along the chirped inter-digital transducer is observed experimentally.Finally, a comparative study of different filter designs for generating short pulses is presented with an objective to find a design to produce the optimal pulse which is short in width and high in amplitude, for a given dispersive element. The inverse filter is found to be the most efficient as it produces a short pulse with the highest amplitude. To optimize the pulse compression for the fabricated devices, experiments are conducted to find the optimal trade-off curve for each chirp case.

Cette thèse s'inscrit dans le domaine de la synthèse vocale à partir du texte et traite plus articulièrement de la synthèse par corpus (SPC). Cette approche basée sur la concaténation de segments acoustiques contenus dans de grandes bases de données s'est peu à peu instaurée comme un standard. En effet, moyennant la sélection d'unités adaptées au contexte de synthèse, elle permet d'aboutir à un signal de parole dont le naturel peut être assez bien préservé. La qualité de la synthèse obtenue par la méthode par concaténation est étroitement liée d'une part au corpus de synthèse et d'autre part à l'algorithme de sélection des unités. Malgré le saut notable de qualité qu'a permis d'atteindre cette technologie, la SPC n'est pas capable de garantir une parole dont la qualité soit à peu près constante sur l'ensemble d'un énoncé. Ceci est en grande partie dû au manque de contrôle acoustique des systèmes de SPC actuels. L'objectif de cette thèse est donc d'introduire des mécanismes permettant un meilleur contrôle acoustique lors de la synthèse.<br /> <br />La méthode proposée consiste à effectuer une sélection sur la base d'une cible purement acoustique. Cette cible est déduite de modèles acoustiques - plus précisément des modèles de sénones - estimés lors d'une phase d'apprentissage. Dans un premier temps, nous proposons un algorithme de sélection basé uniquement sur cette cible acoustique. Puis la méthode de sélection est modifiée de manière à mieux contrôler l'information de fréquence fondamentale. Le module de sélection proposé est également combiné à un module de pré-sélection des unités, ce qui conduit à une diminution sensible de la complexité algorithmique sans dégradation perceptible des résultats. Des tests d'écoutes formels révèlent que la méthode proposée permet de réduire significativement les discontinuités acoustiques lors de la concaténation. La méthode proposée est également appliquée à la réduction de corpus acoustiques et conduit à une réduction de l'ordre de 60% de la base acoustique sans dégradation de la qualité de la parole produite.

Les technologies microsystèmes offrent de nouvelles possibilités de réalisation de capteurs et d'actionneurs utilisant des ondes acoustiques, avec des avantages tels que la largeur de bande, la miniaturisation et la reproductibilité. Ces avantages font possible d'envisager des dispositifs à bas coût utilisant soit des capteurs soit des actuateurs, aussi appelés transducteurs, pour les dispositifs combinant la fonction de détection et d'actuation. On peut citer parmi ces applications la mesure de distance et la détection de présence, qui grâce à l'apparition des transducteurs micro-usinés, peuvent être réalisées dans des dispositifs où la place disponible est réduite. Cette thèse décrit l'étude et la réalisation de transducteurs ultrasonores micro-usinés. Après avoir exposé les différentes technologies de conception et fabrication de transducteurs ultrasonores micro-usinés, l'étude se concentre sur la réalisation d'un transducteur fonctionnant en mode pulse-écho. La membrane du transducteur est mise en mouvement par actuation thermique à sa fréquence de résonance en incluant le transducteur et l'électronique dans un oscillateur électro-mécanique. La réception de l'écho induit des contraintes au sein de la membrane et donc une variation de résistance électrique au niveau des jauges piezorésistives qui est amplifiée et filtrée par l'électronique intégrée. L'interface électronique permet de corriger les effets critiques de ce type de transducteur (variation de température, procédé de fabrication,..) afin de mesurer le signal avec la sensibilité maximale. L'utilisation d'une technologie standard CMOS permet l'intégration du transducteur et de son électronique sur la même puce

Ce travail de thèse rassemble nos résultats d'étude sur l'utilisation des modes de résonance acoustique pour réaliser des capteurs répartis à base des fibres à cristaux photoniques (Photonic Crystal Fibres : PCF). Tout d'abord, nous avons démontré qu'à l'heure actuelle, il est difficile voire impossible de mesurer en rétrodiffusion les modes acoustiques transverses dans une fibre optique. Ces modes dont la fréquence est inférieure à 2 GHz, ont été mesurés dans une boucle non linéaire sur une PCF, une fibre conventionnelle et une fibre à dispersion décalée. Les différents spectres montrent une dépendance à la structure transverse des fibres. Ensuite, nous avons mis au point un réflectomètre Brillouin (Brillouin Optical Time Domain Reflectometer : BOTDR) permettant de suivre en temps réel le spectre Brillouin le long d'une fibre avec une résolution spatiale de l'ordre d'une dizaine de mètres. Il est particulièrement capable de discriminer différents modes présents dans le spectre Brillouin. La comparaison des spectrogrammes obtenus sur différentes structures transverses de fibres, confirme que l'existence de multipics Brillouin dans les PCF est liée au très petit coeur (dont le diamètre est de l'ordre de la longueur d'onde de mesure) de la fibre. Enfin, toujours dans l'optique de mieux observer le spectre Brillouin réparti, nous avons développé un outil d'analyse Brillouin vectorielle permettant de cartographier avec précision les modes Brillouin hybrides grâce à la complémentarité du spectrogramme de phase. Les mesures réalisées sur une PCF dont le diamètre varie linéairement de 3,5 μm à 2,6 μm montrent un second mode Brillouin dont la fréquence varie à raison de -118,2 MHz/ μm.

Ce travail porte sur la simulation acoustique temps-réel pour des applications de réalité virtuelle ou les jeux vidéo. Ce type d'application nécessite des temps de calcul considérables, augmentant avec la complexité de la scène et impliquant des difficultés pour le rendu interactif. La simulation d'une scène sonore complexe reste encore difficile à réaliser en temps réel à cause du coût de la gestion indépendante des sources sonores. De plus, la description de la scène sonore nécessite de spécifier la nature et la position de chaque source sonore qui la compose, ce qui est une étape longue et fastidieuse. Dans ce cadre, nous avons étudié la possibilité d'effectuer la simulation acoustique en tirant parti de la puissance de calcul des cartes graphiques de dernière génération.<br />Les résultats montrent que l'architecture hautement parallèle de ces cartes est appropriée pour ce type de calcul, augmentant grandement les performances par rapport aux processeurs actuels. Nous nous sommes intéressés par la suite à développer un algorithme exploitant l'audition humaine, permettant d'effectuer un rendu sonore de la scène en respectant un budget d'opérations donné. Pour cela, l'algorithme évalue une métrique d'importance pour chaque signal à traiter sur des intervalles de temps très fins. Puis il effectue les opérations par ordre de priorité jusqu'à atteindre le budget fixé. Une évaluation subjective a été effectuée pour comparer différentes métriques d'importance.<br />Enfin, nous avons élaboré une méthode alternative d'acquisition de scène sonore qui évite la modélisation individuelle de chaque source. A partir d'enregistrements monophoniques simultanés d'une scène réelle, cette méthode en détache les sources qui la composent. En étudiant les différences de temps d'arrivée des enregistrements sur plusieurs bandes de fréquence, une position est extraite pour la source sonore émettrice la plus présente dans chaque bande. Les composantes de chaque source peuvent ensuite être spatialisées<br />aux positions trouvées. En utilisant ce principe, nous pouvons également rééditer la scène acquise. Par exemple, nous pouvons déplacer ou supprimer une source, ou changer la position de l'auditeur en temps réel. Nous pouvons aussi combiner plusieurs éléments provenant de différents enregistrements tout en assurant une cohérence spatiale globale.

Du point de vue acoustique, un train est un ensemble de sources de bruit. Lorsqu'il s'agit de réduire son bruit au passage, une des options possibles est d'agir directement sur ces sources. S'il est possible de prévoir numériquement ou à l'aide de modèles physiques les émissions de nouvelles configurations de sources, l'impact des réductions ainsi obtenues sur le bruit global au passage n'est en général pas connu. C'est pour prévoir cet impact qu'un logiciel de simulation du bruit au passage a été développé : VAMPPASS. Celui-ci permet de calculer les indicateurs acoustiques standards du bruit de passage et de créer les échantillons sonores correspondants. Cette thèse s'est articulée autour de la méthode de synthèse implémentée dans le logiciel, ainsi que sur le modèle de sources qui va l'alimenter et sur la caractérisation de ces sources dites équivalentes à partir de données expérimentales ou numériques. Le premier chapitre brosse un état de l'art des modèles physiques des sources typiques présentes sur un train, des méthodes de synthèse qui ont été employées jusqu'alors et des méthodes de caractérisation existantes du bruit global et des niveaux de sources. Le deuxième chapitre est consacré à la réalisation de VAMPPASS : la méthode de synthèse employée, son adaptation au contexte et les contraintes en terme de données d'entrée. Dans le troisième chapitre, la caractérisation expérimentale des sources équivalentes des auxiliaires de traction est détaillée. La caractérisation du bruit de roulement, source prépondérante, fait l'objet du quatrième chapitre. Enfin, le dernier chapitre présente les études menées pour valider notre outil et un exemple d'utilisation de celui-ci.