L'élastographie ultrasonore est une technique d'imagerie émergente destinée à cartographier les paramètres mécaniques des tissus biologiques, permettant ainsi d’obtenir des informations diagnostiques additionnelles pertinentes. La méthode peut ainsi être perçue comme une extension quantitative et objective de l'examen palpatoire. Diverses techniques élastographiques ont ainsi été proposées pour l'étude d'organes tels que le foie, le sein et la prostate et. L'ensemble des méthodes proposées ont en commun une succession de trois étapes bien définies: l'excitation mécanique (statique ou dynamique) de l'organe, la mesure des déplacements induits (réponse au stimulus), puis enfin, l'étape dite d'inversion, qui permet la quantification des paramètres mécaniques, via un modèle théorique préétabli. Parallèlement à la diversification des champs d'applications accessibles à l'élastographie, de nombreux efforts sont faits afin d'améliorer la précision ainsi que la robustesse des méthodes dites d'inversion. Cette thèse regroupe un ensemble de travaux théoriques et expérimentaux destinés à la validation de nouvelles méthodes d'inversion dédiées à l'étude de milieux mécaniquement inhomogènes. Ainsi, dans le contexte du diagnostic du cancer du sein, une tumeur peut être perçue comme une hétérogénéité mécanique confinée, ou inclusion, affectant la propagation d'ondes de cisaillement (stimulus dynamique). Le premier objectif de cette thèse consiste à formuler un modèle théorique capable de prédire l'interaction des ondes de cisaillement induites avec une tumeur, dont la géométrie est modélisée par une ellipse. Après validation du modèle proposé, un problème inverse est formulé permettant la quantification des paramètres viscoélastiques de l'inclusion elliptique. Dans la continuité de cet objectif, l'approche a été étendue au cas d'une hétérogénéité mécanique tridimensionnelle et sphérique avec, comme objectifs additionnels, l'applicabilité aux mesures ultrasonores par force de radiation, mais aussi à l'estimation du comportement rhéologique de l'inclusion (i.e., la variation des paramètres mécaniques avec la fréquence d'excitation). Enfin, dans le cadre de l'étude des propriétés mécaniques du sang lors de la coagulation, une approche spécifique découlant de précédents travaux réalisés au sein de notre laboratoire est proposée. Celle-ci consiste à estimer la viscoélasticité du caillot sanguin via le phénomène de résonance mécanique, ici induit par force de radiation ultrasonore. La méthode, dénommée ARFIRE (''Acoustic Radiation Force Induced Resonance Elastography'') est appliquée à l'étude de la coagulation de sang humain complet chez des sujets sains et sa reproductibilité est évaluée. / Ultrasound elastography is an emerging technology derived from the concept of manual palpation and dedicated to the mapping of biological tissue mechanical properties in a diagnostic context. Various elastographic approaches have been applied to the study of organs such as the liver, breast or prostate. All proposed techniques rely on a three-steps procedure: first, the tissue to be studied is mechanically excited, in a static or dynamic way. Induced displacements are then measured and used to estimate qualitatively or quantitatively mechanical properties of the medium. This step is called inversion. While application fields of elastography are constantly broadened, efforts are made to provide robust and accurate inversion algorithms. In this monography, theoretical and experimental works related to the development of new inversion methods dedicated to the study of mechanically inhomogeneous media in dynamic ultrasound elastography are provided. In the context of breast cancer diagnosis, a localized tumour can be assumed as a confined mechanical heterogeneity, also referred as an inclusion, which can disturb the propagation of shear waves (dynamic excitation). The first objective of this thesis is to provide a theoretical model to describe physical interactions occurring between incident shear waves and a tumour, here geometrically assumed as an ellipse. Once the theoretical model is validated, an inverse problem is formulated allowing further quantification of inclusion viscoelastic parameters. Aiming the development of realistic models, the previous work has been extended to the case of three dimensional spherical heterogeneities and adapted to the specific case of an acoustic radiation force excitation. Furthermore, the feasibility of assessing the medium rheological model (i.e., the frequency dependence of mechanical properties) is demonstrated. Finally, in the context of vascular diseases and blood coagulation, an inversion method based on the study of the mechanical resonance phenomenon induced by acoustic radiation force is proposed. The technique, termed ARFIRE (Acoustic Radiation Force Induced Resonance Elastography), is applied to human whole blood samples and the reproducibility of results is assessed.

Suite à un stage avec la compagnie Hatch, nous possédons des jeux de données composés de séries chronologiques de vitesses de vent mesurées à divers sites dans le monde, sur plusieurs années. Les ingénieurs éoliens de la compagnie Hatch utilisent ces jeux de données conjointement aux banques de données d’Environnement Canada pour évaluer le potentiel éolien afin de savoir s’il vaut la peine d’installer des éoliennes à ces endroits. Depuis quelques années, des compagnies offrent des simulations méso-échelle de vitesses de vent, basées sur divers indices environnementaux de l’endroit à évaluer. Les ingénieurs éoliens veulent savoir s’il vaut la peine de payer pour ces données simulées, donc si celles-ci peuvent être utiles lors de l’estimation de la production d’énergie éolienne et si elles pourraient être utilisées lors de la prévision de la vitesse du vent long terme. De plus, comme l’on possède des données mesurées de vitesses de vent, l’on en profitera pour tester à partir de diverses méthodes statistiques différentes étapes de l’estimation de la production d’énergie. L’on verra les méthodes d’extrapolation de la vitesse du vent à la hauteur d’une turbine éolienne et l’on évaluera ces méthodes à l’aide de l’erreur quadratique moyenne. Aussi, on étudiera la modélisation de la vitesse du vent par la distributionWeibull et la variation de la distribution de la vitesse dans le temps. Finalement, l’on verra à partir de la validation croisée et du bootstrap si l’utilisation de données méso-échelle est préférable à celle de données des stations de référence, en plus de tester un modèle où les deux types de données sont utilisées pour prédire la vitesse du vent. Nous testerons la méthodologie globale présentement utilisée par les ingénieurs éoliens pour l’estimation de la production d’énergie d’un point de vue statistique, puis tenterons de proposer des changements à cette méthodologie, qui pourraient améliorer l’estimation de la production d’énergie annuelle. / Following an internship with the company Hatch, we have access to datasets that are composed of wind speed time series measured at different sites accross the world and over several years. The wind speed engineers from Hatch are using these datasets jointly with Environment Canada databases in order to ascertain the wind energy potential of these sites and to know whether it is worth installing wind turbines there. For a few years, some companies are also offering mesoscale simulations of wind speed based on different environmental characteristics from the site we want to evaluate. We would like to know if it is worth paying for those mesoscale datasets and if they can be used to provide better estimations of the wind energy potential. Among other things, these data could be used to provide a better estimation of the long term mean wind speed. Since we already possess measured datasets, we will also use them to test, with statistical methods, the methodology currently used and the different steps leading to an estimation of the wind energy production. First of all, we will see what are the different methods that could be used to extrapolate wind speed to a wind turbine’s height and we will evaluate those methods with the mean squared extrapolation error. Also, we will study wind distribution modelling by the Weibull distribution and consider its variability over time. Finally, cross-validation and block bootstrap will be used to see whether we should use mesoscale data instead of wind data from Environment Canada or whether it would even be beneficial to use both kind of data to predict wind speed. In summary, the whole methodology used by wind speed engineers to estimate the energy production will be tested from a statistical point of view and we will attempt to propose changes in this methodology that could improve the estimation of the wind speed annual energy production.

In vivo, la pression artérielle au niveau des artères cérébrales est pulsée, alors que ex vivo, l’étude de la fonction cérébrovasculaire est majoritairement mesurée en pression statique. L’impact de la pression pulsée sur la régulation du tonus myogénique et sur la fonction endothéliale cérébrale est inconnu. Nous avons posé l’hypothèse selon laquelle en présence d'une pression pulsée physiologique, la dilatation dépendante de l’endothélium induite par le flux et le tonus myogénique seraient optimisés. L’objectif de notre étude est d’étudier ex vivo l’impact de la pression pulsée sur le tonus myogénique et la dilatation induite par le flux dans les artères cérébrales de souris. Nous avons utilisé un artériographe pressurisé couplé à un système générant une onde pulsée de fréquence et d’amplitude réglables. Les artères cérébrales moyennes (≈160 μm de diamètre) ont été isolées de souris C57BL6 âgées de 3 mois et pressurisées à 60 mm Hg, en pression statique ou en pression pulsée. En pression statique, le tonus myogénique est faible mais est potentialisé par le L-NNA (un inhibiteur de la eNOS) et la PEG-catalase (qui dégrade le H2O2), suggérant une influence des produits dilatateurs dérivés de la eNOS sur le tonus myogénique. En présence de pression pulsée (pulse de 30 mm Hg, pression moyenne de 60 mm Hg, 550 bpm), le tonus myogénique est significativement augmenté, indépendamment du L-NNA et de la PEG-catalase, suggérant que la pression pulsée lève l’impact de la eNOS. En pression statique ou pulsée, les artères pré-contractées se dilatent de façon similaire jusqu’à une force de cisaillement de 15 dyn/cm2. Cette dilatation, dépendante de l’endothélium et de la eNOS, est augmentée en condition pulsée à une force de cisaillement de 20 dyn/cm2. En présence de PEG-catalase, la dilatation induite par le flux est diminuée en pression statique mais pas en pression pulsée, suggérant que la pression statique, mais pas la pression pulsée, favorise la production de O2 -/H2O2. En effet, la dilatation induite par le flux est associée à une production de O2 -/H2O2 par la eNOS, mesurable en pression statique, alors que la dilatation induite par le flux en pression pulsée est associée à la production de NO. Les différences de sensibilité à la dilatation induite par le flux ont été abolies après inhibition de Nox2, en condition statique ou pulsée. La pression pulsée physiologique régule donc l’activité de la eNOS cérébrale, en augmentant le tonus myogénique et, en présence de flux, permet la relâche de NO via la eNOS. / While in vivo arterial blood pressure in cerebral arteries is pulsatile, in vitro cerebral arterial function is generally assessed under a static pressure. Thus, whether pulse pressure regulates cerebral endothelial shear stress sensitivity and myogenic tone is unknown. We hypothesized that a physiological pulse pressure induces a better flow-mediated dilation and optimized myogenic tone. The aim of this study was to test in vitro the impact of pulse pressure on myogenic tone and eNOS-dependent flow-mediated dilation in mouse cerebral arteries. Using a custom computer-controlled pneumatic system generating a pulse pressure (used at 30 mm Hg, rate of 550 bpm) coupled to an arteriograph, isolated posterior cerebral arteries from 3-month old C57Bl/6J mice were pressurized at 60 mm Hg, either in static or pulse pressure conditions. Shear stress from 2 to 20 dyn/cm2 was applied and flow-mediated dilation measured. Without pulse pressure, myogenic tone was low but potentiated by both L-NNA (eNOS inhibitor) and PEG-catalase (catalyses H2O2), suggesting an influence of eNOS-derived dilator products on myogenic tone. Pulse pressure significantly increased myogenic tone, independently of L-NNA and PEG-catalase, suggesting that pulse pressure prevents the impact of eNOS. In both static and pulse pressure conditions, cerebral arteries did not dilate to shear stress in the presence of L-NNA or after endothelial denudation, confirming the endothelial origin of the dilatory response. Up to 15 dyn/cm2, shear stress elicited similar flow-mediated dilation in static and pulse pressure conditions; at 20 dyn/cm2, however, flow-mediated dilation were higher in the presence of pulse pressure. PEG-catalase reduced flow-mediated dilation in static but not in pulse pressure, suggesting that in static conditions eNOS is responsible for O2 -/H2O2 production. Indeed, eNOS-derived O2 -/H2O2 production was measured during flow-mediated dilation in static pressure, while pulse pressure promoted eNOS-derived NO production. Differences in flow-mediated dilation between static and pulse pressure conditions were abolished after Nox2 inhibition. In conclusion, pulse pressure modulates cerebrovascular eNOS activity: at rest, pulse pressure inhibits eNOS, increasing myogenic tone. In the presence of flow, pulse pressure permits a shear stress-dependent eNOS-derived NO release, leading to higher flow-mediated dilation.

Dans cette étude, l’intérêt est porté sur l’effet des conditions opératoires sur l’enrobage en voie sèche de grosses particules « hôtes » par de fines particules « invitées » et aussi sur la modélisation de cet enrobage selon la méthode par éléments discrets (DEM) afin de mieux comprendre les phénomènes mis en jeu. Dans ce travail, les matériaux choisis comme particules hôtes sont les Suglets® et les particules invitées sont en stéarate de magnésium (StMg). Ces deux éléments sont introduits dans un mélangeur à fort taux de cisaillement, le Cyclomix. Les propriétés du produit final, comme la coulabilité, la mouillabilité et le degré d’avancement de l’enrobage, ont été caractérisés. La variation des propriétés est étudiée en fonction de la durée de traitement dans le Cyclomix pour diverses vitesses de rotation, taux de remplissage et rapport de taille de particules hôte et invitée. La coulabilité a été améliorée avec la durée du mélange ou la vitesse de rotationLe degré d’avancement présente une tendance semblable pour différentes conditions opératoires. Sa variation est représentée par une loi exponentielle empirique en fonction du temps de mélange, paramétrée par une constante ajustable. Cette constante permet d’estimer l’efficacité de l’enrobage. La simulation des mouvements de particules dans le mélangeur par DEM a permis d’obtenir des informations sur la position, la vitesse des particules, et d’autres paramètres énergétiques. Les champs de vitesse réelle ou numérique liés aux mouvements de particules, analysés par PIV (Particule Image Velocimetry), sont analogues. La constante d’enrobage dépend de la vitesse de rotation simulée et peut être ainsi prédite par DEM. / Investigations of the effect of the operating conditions on the dry coating and the motion of particles in a high shear mixer by the DEM simulation have been done. Big Suglets® and small Magnesium Stearate materials have been chosen for the dry coating process. The treatment has been carried out in a Cyclomix, a high shear mixer, at different mixing time, rotational speeds, filling ratio of the samples and particle size ratio to observe the effect of the operating conditions on the dry coating. A conversion ratio has been introduced to quantify the degree of coating and measured. The flowability has been improved when increasing the operation time in the mixer. Higher speeds of rotation can improve the flowability more rapidly. However, the flowability doesn’t seem to be sensitive to the filling ratio. The curves of conversion ratio versus time exhibit the same kind of variations for different operating conditions. It is possible to approximate this tendency by an exponential function in which a characteristic parameter “coating rate constant” is introduced, linked to the efficiency of the dry coating process, since the conversion ratio shows a linear relation with a flowability index and the wettability angle. Simulation of the particle motion in the mixer has been carried out by a Discrete Element Method: different parameters characterizing the location, the velocities, and the attachment of the particles have been derived. The velocity fields of the real and simulated particle motions, compared by Particle Image Velocity (PIV), are quite similar, validating the DEM method and allowing the prediction of the coating process.

La rhéologie à hauts taux de cisaillement pour deux polymères, le PEHD semi-cristallin et le PMMA amorphe a été étudiée. Des outils de rhéométrie classique, un rhéomètre plan-plan en mode dynamique, et un rhéomètre capillaire, ont été utilisés dans des conditions extrêmes (avec des filières pour la rhéométrie capillaire de diamètres allant jusqu'à 0,3 mm) mais les dépouillements de ces résultats ont été fait suivant les hypothèses conventionnelles en négligeant les instabilités et les phénomènes physiques qui interviennent lors de ces écoulements.Nous avons par la suite développé un modèle mathématique de l'écoulement dans un capillaire pour rendre compte de l'importance des différents phénomènes physiques qui peuvent avoir lieu dans des écoulements extrêmes, à savoir l'échauffement et la piezodépendance de la viscosité, la compressibilité et le glissement à la paroi. Les résultats du modèle développé ont été comparés avec les résultats expérimentaux.Nous avons aidé au développement d'une presse de microinjection originale et nous l'avons testée avec un moule de plaque instrumenté d'épaisseur allant jusqu'à 0,2 mm. Nous avons montré qu'il était possible de réaliser des pièces de qualité ce qui est avéré par des mesures de pression, vitesse et de température bien reproductibles. Nous avons exploité les données rhéologiques expérimentales dans la modélisation de la phase de remplissage avec le logiciel de calcul Rem3D. Des corrélations entre les mesures expérimentales et les calculs ont été réalisées en comparant l'évolution des pressions dans le système d'alimentation et dans l'empreinte. / Rheology at high shear rate for both polymers, semi-crystalline HDPE and amorphous PMMA was studied. Classical rheometry tools, plane-plane dynamic mode rheometer and capillary rheometer, were used in extreme conditions (with channels diameters for capillary rheometry up to 0.3 mm). However, analyses of these results were made following conventional assumptions neglecting instabilities and physical phenomena involved in these flows.We then developed a mathematical model of a capillary flow in to reflect the importance of different physical phenomena that can occur in extreme flows, namely heating, pressure dependency of viscosity, compressibility and the wall slip. The results of the developed model were compared with experimental results.We helped develop a press microinjection original and we tested it with instrumented plate mold with thickness up to 0.2 mm. We have shown that it is possible to make quality parts which are proven by well reproducible pressure, speed and temperature measurements. We used the experimental rheological data in filling phase modeling with the calculation software Rem3D. Correlations between experimental measurements and calculations were carried out by comparing the pressure in the filling system and the cavity.

Les fullerènes de bisulfure métallique de type ( M eS2 , où Me= Mo et W) rencontrent un intérêt croissant du fait de leurs pouvoirs anti usure et réducteur de frottement en régime de lubrification limite. Les propriétés tribologiques de ces nanoparticules, dépendent à la fois de leurs caractéristiques intrinsèques (structure, morphologie, taille, ... ), des conditions de sollicitations (nature des surfaces, pression, température, ... ) ainsi que du cocktail d'additifs présent dans une formulation d'huile moteur. La compréhension de l'origine de ces propriétés passe obligatoirement par une parfaite connaissance du mode d'action des nanoparticules. L'objectif de ce travail de thèse est d’identifier les paramètres pouvant avoir une influence sur le comportement des nanoparticules à l’échelle nanométrique et de faire le lien entre ce comportement, les mécanismes de lubrification des nanoparticules, et leurs propriétés tribologiques. Afin de répondre à cet objectif nous avons adopté une approche multi échelle qui consiste dans un premier temps à étudier le comportement de fullerènes individuels (IF - M eS2 , ou Me= Mo et W) en cours de sollicitation. Ainsi grâce à une méthodologie expérimentale originale couplant la technique de nano indentation à une observation in situ dans un microscope électronique à transmission haute résolution (HRMET), nous avons visualisé pour la toute première fois et en temps réelle comportement de nanoparticules individuelles d’if- M eS2 (Me= Mo et W) sollicitées en compression et/ou en cisaillement dans un contact dynamique. Cette étude a permis d'identifier l'influence des caractéristiques intrinsèques des fullerènes sur leur réponse à l'échelle nanométrique et d'estimer des pressions de contact pour lesquelles le fullerène s'exfolie, roule ou glisse dans le contact. Nous nous sommes ensuite intéressés aux mécanismes de lubrification des fullerènes en dispersion dans une base lubrifiante, en condition de lubrification limite. En se basant sur des analyses XPS et des observations MEB et MET des tribofilms et des débris d'usure générés à l'issu d'essais de frottement réalisés dans trois contacts de nature différente (acier, alumine et DLC), nous avons clairement montré que les propriétés lubrifiantes des nanoparticules d'IF - M eS2 (Me= Mo et W) dépendaient à la fois de leurs caractéristiques intrinsèques et de la nature des surfaces frottantes. Ainsi un lien a été établi entre le comportement des fullerènes à l'échelle nanométrique et leur mode d'action dans un contact tribologique. Enfin, l'influence de la mise en dispersion des nanoparticules sur leurs propriétés tribologiques a été étudiée. Les propriétés tribologiques des nanoparticules dans une huile moteur ont été également évaluées. Deux approches expérimentales de type 'Bottom up' et 'Top dawn'ont été adoptées afin d'évaluer les interactions entre les nanoparticules et l'ensemble des additifs présents dans une huile complétement formulée. L'influence de la température sur les propriétés tribologiques des nanoparticules a été également abordée. / Inorganic Fullerene-(IF) like nanoparticles made of metal dichalcogenides ( M eS2 , Me= Mo and W)continue to attract an increasing interest as friction modifiers and anti-wear additives in liquid lubricant. Their efficiency as lubricant additive strongly depends on intrinsic properties of the nanoparticles (structure, morphology, size ... ), tribological conditions (nature of rubbing surface, pressure, temperature ... ) and also on the package of additives present in the full y formulated engine oil. Thus the control and the optimization of these properties require a perfect knowledge of the lubrication mechanisms of these nanoparticles. The aim of this work is to identify the parameters which influence the behavior of the nanoparticles at the nano-scale and to establish a correlation between this behavior, the lubrication mechanisms of nanoparticles and their tribological properties observed at macro-scale. For this aim, we have chosen a multi-scale approach, which firstly consists in studying the behavior of individual fullerenes (IF- M eS2, Me= Mo and W) during mechanical solicitation. Therefore, thanks to a new in situ TEM technique including nanoindentation, we have visualized the behavior of individual fullerenes in real time during nana-compression and nano-sliding tests. These results allowed us to identify the influence of the intrinsic characteristics of nanoparticles on their response at the nano-scale and to estimate critical values of pressure for rolling, sliding, exfoliation and failure of individual IF - M eS2 particles (Me= Mo and W).Secondly, we focused on the lubrication mechanisms of fullerenes when they are dispersed in base oil in boundary lubrication. The tribofilms and the wear particles obtained after friction tests at three different rubbing surfaces (steel, alumina and DLC), were studied using XPS analyses, SEM and TEM observations. We have clearly shown that the lubricating properties of nanoparticles depend both on their intrinsic properties and on the nature of the contact. Thereby, a correlation between the behavior of single nanoparticles at nano-scale and their lubricating properties under boundary lubrication was established. Finally, the influence of the dispersant on the tribological properties of the nanoparticles was investigated. The tribological properties of nanoparticles in fully formulated engine oil were also evaluated. Two experimental methods based on a 'Bottomup' and a 'top-dawn' approach were adopted to evaluate the interactions between nanoparticles and all the additives in fully formulated oil. The influence of the temperature on the tribological properties of the nanoparticles was also discussed.

Ce travail numérique porte sur le comportement de la lutocline (interface entre l'eau et la vase fluide) en écoulement cisaillé et vise à une meilleure compréhension des mécanismes de remise en suspension de sédiments cohésifs. La crème de vase, ou vase partiellement solidifiée, est modélisée par un fluide homogène équivalent miscible dans l'eau, de rhéologie newtonienne ou viscoplastique. Une étude de l'hydrodynamique de cet écoulement stratifié en densité ainsi qu'en viscosité est ensuite proposée. Considérant une crème de vase initialement non-turbulente, l'étude se focalise sur le développement des instabilités au niveau de la lutocline et de la transition vers une couche de mélange turbulente. La particularité de cet écoulement réside dans la forte viscosité de vase et son seuil de mise en mouvement lorsqu'elle présente un caractère viscoplastique. Une étude de stabilité linéaire permet d'évaluer l'influence des différents paramètres de l'écoulement, notamment les stratifications en densité et en viscosité. La stratification en viscosité augmente sensiblement le taux de croissance de l'instabilité pour des nombres de Reynolds intermédiaires. L'évolution non-linéaire de l'écoulement est ensuite étudiée en utilisant des simulations numériques directes, la stratification en viscosité entrainant un épaississement de la couche de mélange finale. Enfin, des simulations numériques directes basées sur un modèle de fluide de Bingham régularisé permettent d'étudier l'influence de la contrainte seuil sur le développement de l'instabilité. / This numerical study focuses on the behavior of the lutocline in a shear flow and aims to better understand the mechanism of resuspension of cohesive sediment. Mud flow, or mud partially consolidated, is modeled by an equivalent homogenous fluid miscible in water, with newtonian or viscoplastic rheology. A study of the hydrodynamics of this shear flow, stratified both in density and viscosity, is presented. Considering an initially laminar mud flow, the focus of the study is on the development of instabilities on the lutocline and the transition to a turbulent mixing layer. The specificity of this flow lies on the large viscosity of the mud and its threshold to be put in motion, when it presents a viscoplastic feature. A linear stability study assesses the influence of the various parameters of the flow, especially of density and viscosity stratification. The viscosity stratification slightly increases the growth rate of the instability for intermediate Reynolds numbers. Then, the non linear evolution of the flow is studied by using direct numerical simulations, viscous stratification leading to a thicker mixing layer. At last, direct numerical simulations based on a Bingham regularized model, permits to study the influence of the critical strain on the development of the instability.

Le soudage du bois est une technique d'assemblage sans adhésif de deux pièces de bois, leur soudure étant produite par friction mécanique sous pression des deux pièces. Ce procédé, applicable à des pièces de bois plates, d'essences identiques ou différentes, se prête à la fabrication de meubles et à la menuiserie. Cependant, le joint obtenu n'est pas de classe "extérieur", ce qui le réserve à un usage "intérieur". En effet, un joint destiné à une utilisation extérieure ou en milieu à humidité variable doit présenter une résistance élevée à l'eau. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier la résistance à l'eau du bois soudé. A cet effet, des méthodes d'essais complémentaires et non-destructrices ont été utilisées, comme le scanner ou l'imagerie par résonance magnétique (IRM). L'influence des paramètres de soudage et des propriétés du bois sur, d'une part, la formation et la propagation des fissures dans la ligne de soudure, et sur, d'autre part, la densité et l'absorption d'eau de la soudure a été ainsi étudiée. Les expériences de cette thèse seront menées sur des échantillons de pin (Pinus sylvestris) de dimensions 200 mm x20 mm x 40 mm, coupés dans la direction longitudinale du fil du bois. La Norme Européenne EN 205 a servi de cadre pour déterminer la résistance des échantillons de pin en traction-cisaillement. Les méthodes d'essais (non-destructrices) ont été utilisées selon leur pertinence: le scanner a servi à étudier la formation et la propagation des fissures; l'imagerie par résonance magnétique (IRM) a permis quant à elle de caractériser la pénétration et l'infiltration d'eau dans le bois soudé.Le mécanisme d'adhérence du pin a été étudié grâce à la RMN MAS (spectrométrie à résonance magnétique nucléaire avec polarisation croisée et rotation à l?angle magique) du carbone13 et à la micro-densitométrie par rayons X. Ces différentes méthodes, non destructrices, offrent l'avantage d'une analyse non invasive et l'élimination de facteurs parasites liés à la préparation et à la coupe du bois. Voici en résumé les résultats obtenus les plus marquants: (1) Le scanner et l'imagerie par résonance magnétique (IRM) sont des méthodes de recherche particulièrement polyvalentes et adaptées à l'étude des bois soudés. (2) L'utilisation de bois de coeur, une pression de soudage de 1.3 Mpa et un temps de soudage de 1.5 s permettent d'augmenter la résistance à l'eau du pin soudé. (3) Des tests d'optimisation ont montré que la résistance du pin en traction-cisaillement est plus sensible aux variations de temps de soudage qu'au temps de refroidissement et qu'elle peut être optimisée à plus de 9.7 MPa en respectant une pression de 1.3 Mpa, un temps de soudage > 3.5 s et un temps de refroidissement < 60 s. (4) La résistance à l'eau du bois soudé peut être améliorée dans une certaine mesure en faisant varier paramètres de soudage et propriétés des essences, mais dans tous les cas, le recours à un imperméabilisant naturel et écologique reste nécessaire. (5) Le pin soudé possède une résistance à l'eau et en traction-cisaillement inhabituellement élevée, cela pouvant s'expliquer par une teneur en composés extractifs augmentée. (6) Des essais sous IRM ont montré que les causes de rupture du joint varient suivant l'essence: faible résistance à l'eau de la ligne de soudure dans le cas du hêtre soudé, retrait et expansion du bois dans le cas du pin soudé. (7) Les extractifs du pin améliorent nettement la résistance à l'eau du joint soudé, mais à un niveau qui ne lui permet cependant pas la certification "extérieur" sans protection. En revanche, il peut être certifié "semi-extérieur" avec protection. / Wood welding is a mechanical friction process allowing the assembly of timber without any adhesives. The process consists of applying mechanical friction, under pressure, alternately to the two wood surfaces to be welded. This process can be applied to weld two flat pieces of timber, originating from the same or different tree species, and can be used in the manufacture of furniture and wood joinery. The only limitation is that the joint is not exterior-grade, but only suitable for interior joints. Exterior use, or use in an environment with varying humidity demands water resistance of the welded joints. The main objective of this thesis is to study the water resistance of the welded wood. This is complemented with special attention to non-destructive test methods such as X-ray Computed Tomography (CT-) scanning and Magnetic Resolution Imaging (MRI). The influence of welding parameters and wood properties on crack formation and crack propagation in the weldline was investigated. The influence of these parameters on weldline density and water absorption in the weldline were also studied. Investigations in this thesis are based on welded samples of Scots pine (Pinus sylvestris) of the dimensions 200 mm × 20 mm × 40 mm which were cut in the longitudinal direction of the wood grain. The tensile-shear strength of the welded Scots pine samples were determined using European standard EN 205. Different non-destructive methods such as X-ray Computed Tomography (CT-) scanning to study crack formation and propagation, and magnetic Resolution Imaging (MRI) to characterize water penetration and the distribution mechanism in welded wood were used. Solid state CPMAS 13C NMR spectrometry and X-ray microdensitometry investigations were carried out to study the mechanism of adhesion in Scots pine. These various non-destructive methods offer the advantage of non-invasive analysis and the elimination of any artifacts present due to preparation and sectioning. The most important results are summarized as follows: (1) X-ray Computed Tomography (CT-) scanning and Magnetic Resolution Imaging (MRI) are versatile research methods applicable to investigations of welded woods. (2) Water resistance of welded Scots pine can be increased using heartwood, a welding pressure of 1.3 MPa, and a welding time of 1.5 s. (3) Optimization tests showed that the tensile-shear strength of Scots pine was more sensitive to welding time changes than holding time and could be optimized to more than 9.7 MPa using 1.3 MPa welding pressure, > 3.5 s welding time, and < 60 s holding time. (4) Changing welding parameters and wood properties can increase water resistance of welded wood to some extent, but treating the weldline with certain natural and environmentally-friendly water repellents is still necessary. (5) Welded Scots pine shows unusually high water resistance and tensile-shear strength. This may be explained by there being more extractives compounds in Scots pine. (6) MRI experiments showed that the origin of the joint failure in welded beech is poor water resistance of the weldline, while swelling and shrinkage of wood are the main reasons for joint failure of welded Scots pine. (7) Extractives in Scots pine dramatically improve water resistance of the welded joint, but not to a level to classify the joint as an unprotected exterior grade. However, it can qualify as a joint for protected semi-exterior application.

Cette thèse porte sur la modélisation des ondes élastodynamiques dans deux situations particulières qui pénalisent les méthodes numériques utilisées pour simuler ces phénomènes. Dans la première partie, on se place dans le cas où les ondes de pression (ondes P) se propagent à une vitesse beaucoup plus grande que celle des ondes de cisaillement (ondes S). Les modèles numériques utilisés habituellement pour traiter cette configuration sont pénalisés par la plus petite vitesse qui dicte le choix du pas du schéma. Nous proposons ici un schéma qui découple numériquement, dans le volume, les ondes P et les ondes S, pour deux types de conditions de bord en utilisant la décomposition du déplacement en potentiels de Lamé, en deux dimensions. Les conditions aux limites de Dirichlet homogènes, qui sont des conditions essentielles pour la formulation classique en déplacement, deviennent des conditions naturelles, mais non standard, pour la formulation en potentiels qui se présente comme un système de deux équations d’ondes couplées par les conditions aux limites. Cette formulation préserve une énergie équivalente à l'énergie élastodynamique. Nous construisons un schéma éléments finis en espace et utilisons un thêta-schéma en temps sur les termes de bord afin de ne pas pénaliser la CFL et mener à une condition sur le pas de temps indépendante des termes de couplage au bord. Ce schéma préserve une énergie discrète. Le cas des conditions de surface libre mène à des instabilités. Nous les avons traitées comme des perturbations des conditions de Dirichlet, ce qui permet d'obtenir de bons résultats dans le domaine fréquentiel mais donne naissance à de sévères instabilités après discrétisation en temps. La seconde partie de la thèse est consacrée à la construction, l'analyse et la validation de conditions de transmission effectives (CTE) à travers une couche mince de matériau homogène et isotrope d'épaisseur constante h. Ici, la finesse de la couche affecte les schémas explicites usuels car le maillage de la couche avec des éléments suffisamment petits entraîne une diminution analogue du pas de temps critique via la condition CFL, tandis que l'on espère avec les CTE obtenir un pas de temps indépendant de l'épaisseur de la couche. Une analyse complète du cas de la bande mince rectiligne est donnée en deux et trois dimensions. Les conditions obtenues sont stables via la conservation d'une énergie et l'ordre de l'erreur d'approximation par rapport à l'épaisseur de la couche pour les conditions d'ordre 2 est de O(h^3). Des résultats numériques sont présentés pour les configurations bi et tridimensionnelles, ils valident les résultats de stabilité, d'estimation d'erreur et de conditions de stabilité de schémas en temps proposés, qui sont des modifications du schéma explicite utilisé en l'absence de couche mince. Enfin, le traitement d'une couche curviligne est effectué dans le cas bidimensionnel. Sa stabilité est à nouveau vérifiée par conservation d'énergie et des résultats numériques sont également présentés. / This work is dedicated to the modelling of elastodynamic waves in two particular situations for which standard numerical methods experience difficulties. In the first part, the case where the velocity of the pressure waves (P waves) is much greater than the velocity of the shear waves (S waves) is studied. When applied to this situation, standard explicit time-stepping methods are hampered by the fact that the mesh size is dictated by the smallest velocity. We develop a numerical scheme that uncouples the body S-waves and P-waves by exploiting the well-known representation of elastodynamic states in terms of Lamé potentials. Formulations are derived and analysed for the 2-D case, where both potentials are scalar functions. Homogeneous essential Dirichlet boundary conditions lead to non-standard natural conditions for our potential-based formulation. A system of two wave equations, coupled by two boundary conditions, is obtained. This formulation is energy-preserving. A discretization approach involving finite elements in space and a theta-scheme in time applied to the boundary unknowns inside the domain is proposed, so that the « natural » time step for each wave speed can be used. This scheme is shown to be also energy-preserving. The case of Neumann boundary conditions is also addressed. These conditions are treated as perturbations of the Dirichlet case, an approach which yields good results in the time-harmonic case while giving rise to severe instabilities in the time-discrete transient case. The second part of this thesis is concerned with the design, analysis, numerical approximation and implementation of effective transmission conditions (ETCs) for the propagation of elastic waves through a thin elastic layer with small uniform thickness h which is embedded in a reference elastic medium, under transient conditions, with both materials assumed to have isotropic properties. Here, the thinness of the layer has an adverse effect on usual explicit schemes, since meshing the layer with small elements will induce a corresponding reduction of the critical time step through a CFL condition, whereas it is expected that the layer-less CFL condition will remain valid if the layer is modelled using ETCs. First, a complete analysis is given in the case of a planar elastic layer, applicable to two- and three-dimensional situations. The stability of the proposed second-order ETC is established as the result of energy preservation, while the approximation error on the transmission solution is shown to be of order O(h^3) in energy norm. Numerical experiments, performed for two- and three-dimensional configurations, validate the theoretical findings on stability, approximation error and stability conditions of time-stepping schemes that are natural modifications of the explicit scheme used in the absence of a thin layer. Then, ETCs are also derived for the case of a curvilinear layer embedded in a two-dimensional elastic medium. Their stability is again proven as resulting from energy preservation and the theoretical results are illustrated with numerical experiments.

Les ondes acoustiques et électromagnétiques offrent des méthodes de caractérisation des matériaux très peu invasives. Souvent utilisées à l'aide de capteurs indépendants, l'approche développée ici est de proposer un résonateur multimodal acoustique et électromagnétique. Afin de répondre à une grande variété d'applications, le choix de l'élément actif piézo-électrique s'est porté sur un disque de quartz de coupe AT. L'étude s'articule autour des étapes aboutissant in fine à un capteur magnéto acoustique on-chip à excitation sans contact.L'étude théorique d'un capteur magnéto-acoustique à excitation inductive est tout d'abord réalisée pour un capteur chargé par un fluide visqueux. Ce capteur est constitué de trois éléments : une sonde radiofréquence (RF), un résonateur RF à fort facteur de qualité et le quartz sur lequel ont été déposées deux électrodes en anneau. Cette étude montre comment déduire la viscosité complexe du matériau étudié à partir de l'impédance électrique du système complet. Les mesures effectuées sur des mélanges étalons montrent une très bonne correspondance avec les résultats théoriques.L'intégration du résonateur RF sur l'élément piézo-électrique s'effectuant via des électrodes circulaires, une étude préliminaire est menée sur les ondes acoustiques pouvant être générées sur le quartz et leur interaction avec les électrodes. Les mesures de vibration par vibrométrie laser montrent que des ondes de Lamb sont générées dans une large gamme de fréquence (de 100 kHz à 20 MHz). L'analyse de la réponse impulsionnelle spatiale par transformée de Gabor 3D localise la source de ces ondes sur le bord des électrodes. Par ailleurs, l'étude du disque au fondamental montre une grande non-linéarité mécanique du quartz.Le modèle de résonateur RF plan multi-tour puis son intégration sur le disque de quartz du capteur magnéto-acoustique on-chip sont ensuite étudiés. Les résultats expérimentaux par mesure d'impédance et vibrométrie laser valident le modèle. La gamme de fréquence sélectionnée (entre 5 et 20 MHz) permet d'envisager des mesures micro-rhéologiques. / Acoustic and electromagnetic waves are key probing candidates for characterizing their propagation media with minimum perturbation. Often used with independent sensors based on specialized transducing materials, the approach developed here provides an on-ship multimodal sensor using the same sensing material for probing the acoustic and electromagnetic properties of the material. To meet a wide range of applications, the choice of the active piezoelectric element is carried out on an AT cut quartz. The study focuses on the steps leading in fine to an on-chip magneto-acoustic sensor with a contactless excitation.The theoretical study of a magneto-acoustic sensor inductively excited and loaded by a viscous fluid is first carried out. This sensor consists of three elements: a radio frequency (RF) sensor, a high quality factor RF resonator and a quartz on which two ring electrodes have been deposited. The complex viscosity of the studied material is derived from the electrical impedance of the complete system. The measurements carried on etalon viscoelastic materials show a good agreement with the theoretical results.The integration of the RF resonator on the piezoelectric element being via circular electrodes, a preliminary study is performed for determining the acoustic waves that can be generated in the quartz and their interaction with the electrodes. The laser vibrometry measurements indicate that Lamb waves are generated in a wide frequency range, from 100 kHz to 20 MHz. The analysis of the spatial pulse response of the sensor surface by 3D Gabor transform locates the source of these waves on the edge of the electrodes. Furthermore, the study of the disk at it fundamental frequency points out the high nonlinear mechanical behavior of the quartz.The plane RF multi-turn resonator and its integration on the quartz disk of the magneto-acoustic on-chip sensor are then studied. The experimental results of impedance and laser vibrometry measurements validate the proposed theoretical model. The selected frequency range (between 5 and 20 MHz) allows one to consider micro rheological measurements.