Les travaux de cette thèse concernent la simulation numérique de la propagation acoustique dans un fluide en écoulement, en régime périodique établi. Le modèle retenu est l'équation de Galbrun, qui modélise la propagation linéaire d'ondes en présence d'un écoulement de fluide parfait en évolution adiabatique et porte sur le déplacement lagrangien. L'analyse mathématique montre qu'une méthode d'éléments finis nodaux ne permet pas, en général, d'approcher la solution de l'équation, les résultats étant alors fortement pollués par des modes numériques "parasites". Dans la première partie de la thèse, nous proposons une méthode de régularisation de l'équation pour laquelle nous prouvons la convergence d'une approximation par éléments finis nodaux pour des problèmes de diffraction dans un conduit en présence d'écoulements subsoniques uniforme ou cisaillé. La deuxième partie du document est consacrée à la construction et l'étude de couches absorbantes parfaitement adaptées, dites PML, pour le rayonnement d'une source localisée en présence d'un écoulement uniforme et dans un conduit. Nous traitons successivement le cas d'une source irrotationnelle, qui conduit à un problème scalaire, et celui d'une source quelconque. Un principe d'absorption limite est établi dans le cas général et nous démontrons un résultat de convergence exponentielle de la méthode de PML en fonction de la longueur des couches. Des résultats numériques illustrant ces approches sont présentés.

Les trois principaux phénomènes acoustiques propres au milieu forestier nécessitant d'être pris en compte sont (1) l'absorption due à la présence d'un sol multi-couche, (2) la diffusion multiple due à la présence d'obstacles tels que les troncs, (3) les effets micro-météorologiques rattachés aux variations des gradients de vitesse de vent et de température. Parmi les méthodes numériques de référence, la méthode des lignes de transmission (TLM), semble particulièrement adaptée pour la modélisation de la propagation acoustique en présence de forêt, à condition de procéder à de nouveaux développements. La première nécessité pour l'adaptation de la méthode TLM aux simulations acoustiques sur de grandes distances est la définition de couches absorbantes, permettant de tronquer efficacement le domaine d'étude, sans introduire de réflexions parasites. La formulation ainsi développée dans le cadre de la thèse est rigoureusement équivalente à l'équation de propagation des ondes amorties, et se traduit dans la méthode TLM par l'introduction et l'optimisation d'un terme de dissipation. L'étape suivante a consisté à vérifier la capacité de la méthode TLM à modéliser les phénomènes de diffusion par des cylindres. L’une des originalités introduites dans cette thèse réside dans le placement des éléments diffuseurs, à partir de lois de distribution aléatoire et de Gibbs, permettant ainsi de définir des répartitions proches de celles rencontrées en forêt. À titre d'application de la méthode développée dans le cadre de la thèse, une étude paramétrique a été réalisée afin de définir les conditions pour lesquelles une forêt peut également être considérée comme un dispositif de protection. / The prediction of sound propagation in presence of forest remains a major challenge for the outdoor sound propagation community. Reference numerical models such as the Transmission Line Matrix (TLM) method can be developed in order to accurately predict each acoustical phenomenon that takes place inside forest. The first need for the TLM method is an efficient theory-based absorbing layer formulation that enables the truncation of the numerical domain. The two proposed absorbing layer formulations are based on the approximation of the perfectly matched layer theory. The most efficient proposed formulation is shown to be equivalent to wave propagation in a lossy media, which, in the TLM method formulation, is introduced using an additional dissipation term. Then, the ability of the TLM method for the simulation of scattering is studied comparing the numerical results to both analytical solutions and measurements on scale models. Lastly, the attenuation of acoustic levels by a simplified forest is numerically studied using several arrangements of cylinders placed normal to either reflecting or absorbing ground. It is observed that randomly spaced arrangements are more inclined to attenuate acoustic waves than periodic arrangements. Moreover, the sensitivity to the density, the length of the array and the ground absorption is tested. The main trend shows that the density and the distribution are two important parameters for the attenuation. In future work, it can be interesting to look at the sensitivity of each parameter. This study could then be used to relate the morphology (i.e. distribution, density, length) of a forest to the acoustical properties of the forest.

Ce mémoire décrit mes travaux de recherche sur l'analyse mathématique et numérique de problèmes de propagation d'ondes. Le premier chapitre est consacré à des méthodes numériques pour la propagation ou la diffraction d'ondes élastiques dans des solides : (i) potentiels retardés dans des milieux élastiques homogènes isotropes, (ii) méthodes d'imagerie sismique par tomographie, (iii) équations paraxiales, (iv) éléments finis mixtes pour l'élasto-dynamique. Ce dernier point, (iv), le plus détaillé ici, s'inscrit dans une stratégie générale pour obtenir une méthode numérique performante pouvant traiter des milieux complexes (anisotropes, hétérogènes) avec des obstacles de géométrie quelconque. Il a été développé dans l'optique d'utiliser la méthode des domaines fictifs qui fait l'objet du deuxième chapitre. Après une description de cette méthode sur un problème modèle scalaire, elle est présentée tout d'abord pour un problème de diffraction d'ondes élastiques par une fissure modélisée soit par une condition de surface libre soit par une condition de contact unilatéral, puis pour un problème d'acoustique musicale (modélisation de la guitare). Le troisième chapitre traite de questions de conditions aux limites artificielles utilisées pour borner le domaine de calcul. Des méthodes de couches absorbantes parfaitement adaptées (PML) sont analysées pour des problèmes transitoires (électromagnétisme, acoustique, élasto-dynamique, système hyperbolique général du premier ordre) puis pour un problème d'acoustique en écoulement en régime harmonique. Le mémoire se termine par un point sur les travaux en cours et des perspectives ouvertes par ces travaux.

Dans la première partie nous présentons deux méthodes numériques non conformes espace-temps pour la propagation d'ondes en interaction fluide-structure. Ces méthodes, robustes et précises, sont basées sur deux formulations mixtes dites duale-duale et primale-primale. Elles sont explicites, sauf à l'interface, et conservatives, ce qui en assure la stabilité. Nous les validons à l'aide de solutions analytiques calculées par la méthode de Cagniard-de Hoop (CdH). Dans la deuxième partie nous obtenons, via la méthode CdH, des estimations d'erreur pour l'utilisation de conditions aux limites absorbantes (CLA) ou couches absorbantes parfaitement adaptées (PML) pour la résolution de l'équation des ondes dans le demi-espace. La troisième partie est consacrée aux PMLs pour l'acoustique en écoulement: analyse (par CdH) de l'instabilité des PMLs classiques et construction de PMLs stabilisées. La dernière partie consiste en une présentation mathématique détaillée de la méthode CdH.

Le bruit constitue un problème sociétal majeur, en particulier en zones urbaines et périurbaines où les sources de bruit associées au traffic routier sont nombreuses et variées. Les logiciels de prévision acoustique actuels, basés sur des modèles énergétiques et géométriques et développés initialement pour des applications en milieux extérieurs faiblement bâtis, sont donc limités pour la prévision acoustique en milieux urbains et périurbains (présence de bâtis et d'encombrements, sources de bruit réelles mobiles avec un régime de fonctionnement variant dans le temps...). Le travail de thèse a consisté à proposer un modèle numérique temporel, adapté à la modélisation de la propagation acoustique en milieu urbain. Parmi les méthodes envisageables, la méthode TLM ("Transmission Line Modelling") constitue une approche originale, puisqu'elle permet de considérer des domaines de propagation de géométries complexes en intégrant la plupart des phénomènes physiques mis en jeu lors de la propagation du son sur de grandes distances (diffraction, réflexion, phénomènes stationnaires, divergence géométrique, atténuation atmosphérique, effets micrométéorologiques). Toutefois, l'étude bibliographique a mis en évidence deux limitations majeures de la méthode pour répondre pleinement à notre problématique : l'implémentation de conditions aux frontières réalistes et la modélisation d'un milieu de propagation infini. Un modèle TLM générique a ainsi été développé, et permet de réaliser des simulations en deux ou en trois dimensions en combinant l'ensemble des phénomènes influant sur la propagation du son en milieux extérieurs densément bâtis. Une approche permettant d'implémenter une condition d'impédance aux frontières a également été proposée. La méthode consiste à approcher l'impédance par une somme de systèmes linéaires du premier ordre. L'usage d'une méthode de convolution récursive permet par ailleurs de limiter le coût numérique associé au calcul du champ de pression sonore sur la frontière. Des simulations de la propagation acoustique au-dessus de différents types de sols absorbants ont été réalisées et confrontées avec succès aux solutions analytiques. Concernant la modélisation d'un milieu de propagation infini, une formulation de couches absorbantes anisotropes permettant de limiter le domaine de calcul a également été développée. Enfin, des applications réalistes de problématiques "urbaines" (écrans acoustiques, façades et terrasses végétalisées) ont finalement été proposées.

L'interaction dynamique sol-structure a été largement explorée en supposant le comportement linéaire du sol. Néanmoins, pour des séismes d'intensité modérée à forte, la contrainte de cisaillement maximale peut facilement atteindre la limite élastique du sol. Du point de vue de l'interaction sol-structure, les effets non linéaires peuvent modifier la rigidité du sol à la base de la structure ainsi que la quantité d'énergie dissipée dans le sol. En conséquence, ignorer les caractéristiques non linéaires du sol dans l'interaction dynamique sol-structure (IDSS) peut conduire à des prédictions erronées de la réponse de la structure. Le but de ce travail est d'implémenter dans un code numérique une loi de comportement non linéaire pour le sol afin d'examiner l'effet de la nonlinéarité du sol sur l'interaction dynamique sol-structure. De plus, différents aspects sont pris en compte tels que l'effet de la contrainte de confinement sur le module de cisaillement du sol, les conditions statiques initiales, les conditions d'interface entre le sol et la structure, etc. Durant ce travail, une méthode simple de couche absorbante basée sur une formulation de Rayleigh / Caughey pour l'amortissement, qui est généralement disponible dans les logiciels existants d'éléments finis, a également été développée. Les conditions de stabilité des problèmes de propagation d'onde sont étudiées et on montre que les comportements linéaire et non linéaire sont très différents en ce qui concerne la dispersion numérique. La règle habituelle de 10 points par longueur d'onde, recommandée dans la littérature pour les milieux élastiques, apparaît pas suffisante dans le cas non linéaire.Le modèle implémenté est d'abord vérifié numériquement en comparant les résultats avec ceux d'autres codes numériques connus. Après cela, une étude paramétrique est menée pour différents types de structures et des profils de sol variés afin de caractériser les effets non linéaires. Différentes caractéristiques de l'IDSS sont comparées à celles du cas linéaire: modification de l'amplitude et du contenu fréquentiel des ondes se propageant dans le sol, fréquence fondamentale, dissipation de l'énergie dans le sol et réponse du système sol-structure. A travers ces études paramétriques nous montrons qu'en fonction des propriétés du sol, le contenu fréquentiel de la réponse du sol peut changer significativement à cause des nonlinéarités de comportement. Les pics de la fonction de transfert entre le champ libre et le rocher affleurant se décalent vers les basses fréquences et l'amplification se produit dans cette gamme de fréquences. Une réduction de l'amplification pour les hautes fréquences et même une dé-amplification peuvent se produire pour un fort niveau des mouvements d'entrée. Ces changements influencent la réponse de la structure. Ce travail montre également que la proximité des fréquences fondamentales de la structure et du sol influence fortement l'interaction sol-structure. Enfin, l'effet du poids de la structure et du balancement de la superstructure peut être significatif. Finalement, le bassin de Nice est utilisé comme un exemple de propagation d'onde dans un milieu non linéaire hétérogène et d'interaction dynamique sol-structure. La réponse du bassin dépend fortement de la combinaison de la nonlinéarité du sol, des effets topographiques et du contraste d'impédance entre les couches de sol. Pour les structures et les profils de sol sélectionnés dans ce travail, les simulations numériques réalisées montrent que le décalage de la fréquence fondamentale n'est pas un bon indicateur pour distinguer le comportement linéaire du sol du comportement non linéaire / The interaction of the soil with the structure has been largely explored the assumption of material and geometrical linearity of the soil. Nevertheless, for moderate or strong seismic events, the maximum shear strain can easily reach the elastic limit of the soil behavior. Considering soil-structure interaction, the nonlinear effects may change the soil stiffness at the base of the structure and therefore energy dissipation into the soil. Consequently, ignoring the nonlinear characteristics of the dynamic soil-structure interaction (DSSI) this phenomenon could lead toerroneous predictions of structural response. The goal of this work is to implement a fully nonlinear constitutive model for soils into anumerical code in order to investigate the effect of soil nonlinearity on dynamic soil structureinteraction. Moreover, different issues are taken into account such as the effect of confining stress on the shear modulus of the soil, initial static condition, contact elements in the soil-structure interface, etc. During this work, a simple absorbing layer method based on a Rayleigh / Caughey damping formulation, which is often already available in existing. Finite Element softwares, is also presented. The stability conditions of the wave propagation problems are studied and it is shown that the linear and nonlinear behavior are very different when dealing with numerical dispersion. It is shown that the 10 points per wavelength rule, recommended in the literature for the elastic media is not sufficient for the nonlinear case. The implemented model is first numerically verified by comparing the results with other known numerical codes. Afterward, a parametric study is carried out for different types of structures and various soil profiles to characterize nonlinear effects. Different features of the DSSI are compared to the linear case : modification of the amplitude and frequency content of the waves propagated into the soil, fundamental frequency, energy dissipation in the soil and the response of the soil-structure system. Through these parametric studies we show that depending on the soil properties, frequency content of the soil response could change significantly due to the soil nonlinearity. The peaks of the transfer function between free field and outcropping responsesshift to lower frequencies and amplification happens at this frequency range. Amplificationreduction for the high frequencies and even deamplication may happen for high level inputmotions. These changes influence the structural response.We show that depending on the combination of the fundamental frequency of the structureand the the natural frequency of the soil, the effect of soil-structure interaction could be significant or negligible. However, the effect of structure weight and rocking of the superstructurecould change the results. Finally, the basin of Nice is used as an example of wave propagation ona heterogeneous nonlinear media and dynamic soil-structure interaction. The basin response isstrongly dependent on the combination of soil nonlinearity, topographic effects and impedancecontrast between soil layers. For the selected structures and soil profiles of this work, the performed numerical simulations show that the shift of the fundamental frequency is not a goodindex to discriminate linear from nonlinear soil behavior

La thèse porte sur la simulation, en régime fréquentiel, du rayonnement acoustique en écoulement subsonique quelconque et dans un domaine infini. L'approche choisie s'appuie sur la résolution d'un système équivalent aux équations d'Euler linéarisées : le modèle de Galbrun. Ce modèle repose sur une représentation mixte Lagrange-Euler et aboutit à une équation dont l'unique inconnue est la perturbation du déplacement Lagrangien. Une des difficultés de l'approche de Galbrun est qu'une discrétisation directe de cette équation par une méthode d'éléments finis standard n'est pas stable. Un moyen de contourner cet obstacle est d'écrire une équation augmentée en ajoutant une nouvelle inconnue, le rotationnel du déplacement, appelée par abus vorticité. Cette approche conduit à un système qui couple une équation de type équation des ondes avec une équation de transport en régime fréquentiel. Et elle permet l'utilisation de couches parfaitement adaptées (PML) pour borner le domaine de calcul. La première partie du manuscrit est dédiée à l’étude de l’équation de transport harmonique et de sa résolution numérique, en particulier par un schéma de type Galerkin discontinu. Un des points délicats est lié au caractère oscillant des solutions de l'équation. Une fois cette étape franchie, la résolution du problème de propagation acoustique a été abordée. Une approximation basée sur l'utilisation d'éléments finis mixtes continus-discontinus avec couches parfaitement adaptées (PML) a été étudiée. En particulier, les caractères bien posés des problèmes continu et discret ainsi que la convergence du schéma numérique ont été démontrés sous certaines conditions sur l'écoulement porteur. Enfin, une mise en œuvre a été effectuée. Les résultats montrent la validité de cette approche mais aussi sa pertinence dans le cas d'écoulements complexes, voire d'écoulements dits instables / This thesis deals with the numerical simulation of time harmonic acoustic propagation in an arbitrary mean flow in an unbounded domain. Our approach is based on an equation equivalent to the linearized Euler equations called the Galbrun equation. It is derived from a mixed Eulerian-Lagrangian formulation and results in a single equation whose only unknown is the perturbation of the Lagrangian displacement. A direct solution using finite elements is unstable but this difficulty can be overcome by using an augmented equation which is constructed by adding a new unknown, the vorticity, defined as the curl of the displacement. This leads to a set of equations coupling a wave like equation with a time harmonic transport equation which allows the use of perfectly matched layers (PML) at artificial boundaries to bound the computational domain. The first part of the thesis is a study of the time harmonic transport equation and its approximation by means of a discontinuous Galerkin scheme, the difficulties coming from the oscillating behaviour of its solutions. Once these difficulties have been overcome, it is possible to deal with the resolution of the acoustic propagation problem. The approximation method is based on a mixed continuous-Galerkin and discontinuous-Galerkin finite element scheme. The well-posedness of both the continuous and discrete problems is established and the convergence of the approximation under some mean flow conditions is proved. Finally a numerical implementation is achieved and numerical results are given which confirm the validity of the method and also show that it is relevant in complex cases, even for unstable flows