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 manuscrit présente une étude de la pression de radiation acoustique induite par la propagation d'une onde ultrasonore. L'objectif de cette thèse est d'étudier expérimentalement et d'analyser les conditions d'existence d'une pression quasi-statique induite par la propagation non linéaire d'un train d'ondes émis dans un liquide (eau) non confiné. A l'aide d'un modèle en ondes planes, nous interprétons la composante quasi-statique du déplacement auto-démodulé comme la valeur moyenne temporelle du déplacement. Cette démarche montre qu'en champ proche, une composante quasi-statique s'ajoute à la pression auto-démodulée historiquement introduite et qu'elle s'identifie à la pression de radiation de Rayleigh, usuellement introduite dans le cas d'une onde harmonique émise dans un fluide confiné. Celle-ci existe et peut être interprétée comme un effet de « champ proche ». En champ lointain, la pression de radiation est celle de Langevin.<br />Dans un solide mou (tissus biologiques) la pression de radiation est utilisée pour engendrer localement une onde de cisaillement. Etant donné leur très faible vitesse (quelques m/s), la propagation de ces ondes donne lieu à des phénomènes non linéaires très importants. Ceux-ci sont observés et mesurés, à l'aide du dispositif d'imagerie ultra-rapide développé au laboratoire pour les applications médicales (élastographie)

Les méthodes d'acoustique non linéaire ont démontré une forte sensibilité à la présence de défauts de structure dans les matériaux solides et sont utilisées depuis peu pour le contrôle non destructif ou l'évaluation des matériaux endommagés.<br /><br />Dans ce travail de thèse, le fonctionnement de l'antenne paramétrique en émission dans les milieux granulaires non consolidés est étudié. L'antenne paramétrique, utilisée largement en acoustique sous-marine, met en jeu un effet d'acoustique non linéaire qui peut s'interpréter comme un phénomène d'auto-démodulation d'amplitude ou encore comme un phénomène de génération de fréquence différence. Ainsi, à partir de l'émission d'ondes intenses, composées de plusieurs hautes fréquences proches (de l'ordre de 100 kHz), des ondes de plus basses fréquences (1-10 kHz) sont générées par effet non linéaire dans le milieu de propagation. Les principaux intérêts de cette méthode sont i) la possible haute directivité du rayonnement de basse fréquence, utile pour sonder sélectivement les matériaux à tester, ii) la conversion de l'énergie émise vers des ondes de basses fréquences qui se propagent plus facilement dans les milieux fortement absorbants et / ou diffusants.<br /><br /><br />En premier lieu, plusieurs modèles d'antenne paramétrique sont développés afin de prendre en compte les phénomènes d'absorption, de diffusion, de dispersion de vitesse, ou encore le caractère évanescent des modes de propagation acoustique. Des expériences de propagation solidienne dans des assemblages désordonnés de billes de verre sont réalisées et interprétées. Ces expériences sont en accord qualitatif avec les prédictions théoriques.<br /><br />En second lieu, des ondes de cisaillement sont utilisées en émission pour l'antenne paramétrique, et permettent de générer, par auto-démodulation, des ondes longitudinales de basses fréquences. Ce phénomène de dilatance non linéaire est mis en évidence dans plusieurs configurations expérimentales. L'amplitude du signal démodulé en fonction de l'amplitude des ondes de cisaillement initialement émises est tout d'abord quadratique puis exhibe une transition vers une dépendance en puissance 3/2. Il est démontré que le phénomène de clappement, ouverture puis fermeture des contacts inter-billes sous l'action de l'onde acoustique, est responsable de cette transition. La localisation de cette transition permet de caractériser qualitativement la distribution des déformations statiques des contacts dans le milieu, notamment dans la région des contacts faibles.<br /><br />Enfin, le changement de la direction de polarisation des ondes de cisaillement permet de mettre en évidence une anisotropie du paramètre de non-linéarité quadratique du milieu, conséquence d'une anisotropie des chaînes de force, créées lorsqu'une contrainte statique uni-axiale est appliquée sur le milieu granulaire.