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.

Les suspensions concentrées et les verres colloïdaux forment une classe de matériaux intéressante d'un point de vue de la physique mais également des applications. Ces matériaux présentent des comportements rhéologiques remarquables comme la présence d'un seuil d'écoulement, des phénomènes de glissement ou encore des dynamiques de relaxation très lentes et du vieillissement. Les techniques rhéologiques classiques ne permettant pas à elles seules de remonter à l'origine microscopique de ces phénomènes, il est nécessaire de les associer à des techniques permettant de sonder la structure et la dynamique à des échelles très locales. Dans ce travail nous développons et mettons en œuvre une série d'outils complémentaires utilisant la diffusion multiple de la lumière ou la microscopie par fluorescence et nous les appliquons à l'étude de la dynamique de suspensions concentrées de microgels polyélectrolytes au voisinage de l'équilibre, en cours de vieillissement ou en écoulement. Les principaux résultats portent sur la mesure des propriétés viscoélastiques linéaires dans une fenêtre de fréquences comprises entre des temps browniens et plusieurs heures, sur le vieillissement physique, et sur le rôle des parois dans la structuration des écoulements.

En présence de diffusions multiples, les algorithmes de Monte-Carlo sont trop coûteux pour être employés dans les algorithmes de reconstruction d'images de géométries tridimensionnelles réalistes. Pour des trajectoires de premiers retours, l'approximation de diffusion est communément employée afin de représenter la statistique des chemins aux nombres de Knudsen tendant vers zéro. En formulant des problèmes équivalents sur des trajectoires de premiers passages, l'usage de l'approximation est étendue en un développement théorique. Cette nouvelle formulation assure un bon niveau de précision, sur une large plage de valeurs du nombre de Knudsen en ce qui concerne l'évaluation des moments de la distribution des longueurs des chemins de premier retour. La résolution numérique du modèle formulé est confrontée aux simulations numériques type Monte- Carlo sur des géométries mono-dimensionnelles et un cas tridimensionel ouvrant des perspectives vers une généralisation aux applications réelles. / For multiple scattering, Monte-Carlo algorithms are computationally too demanding for use in image reconstruction of 3D realistic geometries. In the study of first return path, the diffusion approximation is commonly used to represent their statistical behaviour when the Knudsen number tends to zero. With the formulation of equivalent problems for first passage path, the use of the approximation is extended in a theoretical development. The new model provides a good level of accuracy, for a wide distribution of Knudsen numbers when evaluating the moments distribution of the first return paths length. Numerical application of the model is confronted to Monte-Carlo simulations on one dimension geometries and a simple three-dimension case opening perspectives for the generalization to practical applications.

Les aérosols atmosphériques à l'Observatoire Pierre Auger : caractérisation et effet sur l'estimation de l'énergie des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie.L'Observatoire Pierre Auger, situé dans la province de Mendoza en Argentine, réalise actuellement de grandes avancées dans la connaissance de la nature et de l'origine des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Utilisant une technique de détection hybride, basée sur des détecteurs de surface et des télescopes de fluorescence, il fournit une large statistique, une bonne résolution en énergie, et un contrôle solide des incertitudes systématiques.L'un des principaux défis pour la technique de détection par fluorescence est la compréhension de l'atmosphère, utilisée comme un calorimètre géant. Afin de réduire autant que possible les incertitudes systématiques sur les mesures par fluorescence, la Collaboration Auger a développé un important programme de suivi de l'atmosphère. Le but de ce travail est d'améliorer notre compréhension sur les aérosols atmosphériques, ainsi que leur effet sur la propagation de la lumière de fluorescence.En utilisant un modèle de rétrotrajectographie des masses d'air, il a été montré que les nuits pauvres en aérosols ont des masses d'air provenant plus directement de l'Océan Pacifique. Pour la première fois, l'effet de la taille des aérosols sur la propagation de la lumière a été estimé. En effet, selon l'approche Ramsauer, les gros aérosols ont le plus grand effet sur la diffusion de la lumière. Ainsi, la dépendance en taille a été ajoutée aux paramétrisations décrivant la diffusion de la lumière et utilisée par la Collaboration Auger. Une surestimation systématique de l'énergie et du maximum de développement de la gerbe Xmax est observé.Enfin, une méthode basée sur les tirs laser très incliné produit par le laser central d'Auger a été développée pour estimer la taille des aérosols. Des tailles d'aérosols jusque là jamais détectées à l'Observatoire Pierre Auger peuvent à présent être contraintes. De premiers résultats montrent une population d'aérosols de grande taille en utilisant des tirs laser effectués dans le passé. / Atmospheric aerosols at the Pierre Auger Observatory: characterization and effect on the energy estimation for ultra-high energy cosmic rays.The Pierre Auger Observatory, located in the Province of Mendoza in Argentina, is making good progress in understanding the nature and origin of the ultra-high energy cosmic rays. Using a hybrid detection technique, based on surface detectors and fluorescence telescopes, it provides large statistics, good mass and energy resolution, and solid control of systematic uncertainties.One of the main challenges for the fluorescence detection technique is the understanding of the atmosphere, used as a giant calorimeter. To minimize as much as possible the systematic uncertainties in fluorescence measurements, the Auger Collaboration has developed an extensive atmospheric monitoring program. The purpose of this work is to improve our knowledge of the atmospheric aerosols, and their effect on fluorescence light propagation.Using a modelling program computing air mass displacements, it has been shown that nights with low aerosol concentrations have air masses coming much more directly from the Pacific Ocean. For the first time, the effect of the aerosol size on the light propagation has been estimated. Indeed, according to the Ramsauer approach, large aerosols have the largest effect on the light scattering. Thus, the dependence on the aerosol size has been added to the light scattering parameterizations used by the Auger Collaboration. A systematic overestimation of the energy and of the maximum air shower development Xmax is observed.Finally, a method based on the very inclined laser shots fired by the Auger central laser has been developed to estimate the aerosol size. Large aerosol sizes ever estimated at the Pierre Auger Observatory can now be probed. First preliminary results using laser-shot data collected in the past have identified a population of large aerosols.

Au passage d’un choc sur la surface rugueuse d’un métal, un nuage de débris micrométriques est éjecté. Sa signature spectrale temps-vitesse est mesurée au moyen d’un système optique interférométrique : la Vélocimétrie Hétérodyne (VH).Dans un régime de diffusion simple de la lumière, une étude paramétrique a mis en évidence l’influence des paramètres clés du nuage sur sa réponse Doppler. Nous avons estimé, par Maximum de Vraisemblance, la courbe masse-vitesse d’un nuage d’étain et l’incertitude associée. L’allure de la mesure a également été étudiée en incorporant aux calculs le rendement optique de la sonde.Nous présentons une méthode de calcul Monte Carlo, rendant compte des effets de diffusion multiple. Appliquée à trois expériences d’éjection d’or et d’étain, la présence de vitesses non physiques sur la mesure VH, liée aux diffusions multiples nuage-surface-nuage, a été soulignée, et les décroissances progressives de la visibilité en vitesse et de la puissance rétrodiffusée justifiées. Quelle que soit la masse éjectée, la diffusion multiple doit être intégrée aux calculs, un régime de diffusion simple n’étant valable qu’asymptotiquement, dans les limites d’un temps infini et/ou d’un faisceau sonde de dimension réduite par rapport aux libres parcours moyen de diffusion. / As a shockwave reaches a roughened metal’s surface, high-speed micron-sized particles are ejected. The spectral signature of the cloud can be measured using a fiber-based interferometric setup, so-called Photon Doppler velocimetry (PDV).In the single scattering regime, we study how the parametric dependencies of the cloud influence its Doppler response. Using a Maximum Likelihood technique, we estimate the mass-velocity function of ejected material, and its uncertainty. The time-dependent statistical properties of the spectrum, coming from the complex optical collection efficiency of the probe, are also explained.We present a Monte Carlo method to incorporate multiple scattering. Three different ejecta experiments are studied and the presence of non-physical velocities attributed to multiple scattering between surface and ejecta. Cloud’s visibility and backscattered power decrease with time due to the existence of different scattering regimes. Whatever the ejected mass, multiple scattering effects have to be integrated in PDV calculations. A single scattering will only be asymptotically valid, when time reaches infinity and/or the beam diameter is negligible with respect to the scattering mean free paths.

Depuis plusieurs dizaines d’années, les cristaux photoniques et phononiques font l’objet d’études poussées notamment enoptique, électromagnétisme et en acoustique. Ces Métamatériaux, constitués de diffuseurs périodiques, ont despropriétés impossibles à observer pour des matériaux usuels et peuvent par exemple, courber les rayons où interdire latransmission des ondes sonores sur certaines gammes de fréquences (bandes interdites). En agissant sur lescaractéristiques géométriques du cristal il est possible de combiner les pertes en transmission liées à la période, à deseffets de résonances plus basses fréquences liés aux diffuseurs (rigide, résonnant...) et obtenir des coefficients de transmission quasi nuls, où d’absorption quasi totale sur de larges bandes de fréquences. Deux métamatériaux sont étudiés, visant à trouver des solutions alternatives à des problématiques rencontrées en acoustique et utilisant un réseau périodique d’inclusions résonantes. Le premier est un cristal sonique utilisé comme barrière acoustique et créé à l’aide de cannes de bambou percées comportant des pertes en transmission basses fréquences. Le second est un panneau de matériau poreux enfermant des inclusions résonantes et offrant une absorption acoustique quasi totale pour des longueurs d’ondes jusqu’à 10 fois supérieures à l’épaisseur du matériau. Les comportements de ces deux dispositifs ont été étudiés théoriquement, expérimentalement et numériquement via plusieurs méthodes qui ont permis de mettre en évidence leurs excellentes performances pour des applications acoustiques dans l’audible. / Since several decades, photonic and phononic crystals are the center of numerous studies and in particular in the optics,electromagnetism and acoustics fields. These metamaterials, created by a periodic array of inclusions, have propertiesimpossible to obtain with usual materials. They can, for example, bend the waves or stop the waves for some frequencyranges (band gap). By changing the characteristic of the unit cell, it is possible to combine transmission losses linked to theperiodicity, with low frequency resonances linked to the type of scatterer (rigid, resonator...) and obtain very low transmissioncoefficient or very high absorption coefficient on very large frequency ranges depending on the device. Two metamaterialsdevices are studied to find alternative solutions, for acoustics problems, by using periodic array of scatterers. The first deviceis a sonic crystal used has an noise barrier and built with drilled bamboo rods, that have low frequency transmission losses(around 300 Hz and around 2000 Hz). The second device is a periodic array of resonant inclusions embedded in a porousplate that can absorb almost all the waves for a wide frequency range that correspond to wavelength up to 10 times bigger than de thickness of the plate. The behavior of this two devices are studied theoretically, experimentally and numerically by using several methods (Plane Waves Expansion, Multiple Scattering Theory for the first device and finite element method for the second). All this methods allow to bring out the very good performances of this metamaterials devices in audiblefrequency range.

Le laser aléatoire est un nouveau type de laser, dont les propriétés d'émission sont basées sur la diffusion multiple de lumière dans un milieu désordonné, en présence de gain. Nous avons comme projet de réaliser un tel laser aléatoire, avec comme milieu à gain un nuage d'atomes froids de 85Rb, piégés dans un piège magnéto-optique. Cette thèse présente les premières étapes de recherche, portant sur les processus de gain dans le nuage d'atomes. Nous avons étudié théoriquement et expérimentalement trois types de gain : le gain Mollow, le gain Raman, et le mélange à quatre ondes. L'existence de ces gains nous permet de produire de façon classique un laser, en plaçant le nuage d'atomes dans une cavité Fabry-Pérot ; ce qui représente une étape préliminaire, et essentielle, dans la réalisation d'un laser aléatoire. D'autre part, une étude est menée sur le comportement de la lumière diffusée par le nuage d'atome en présence de gain.

Les méthodes traditionnelles d'analyse du sous-sol reposent sur l'utilisation de sources sismiques (naturelles ou artificielles). Elles sont ainsi limitées par le nombre, la puissance et le taux d'occurrence de ces sources. Récemment, une alternative à ces méthodes actives a été proposée, basée sur l'utilisation de champs diffus (bruit sismique ambiant ou coda de séismes). Ces méthodes passives permettent de reconstruire des fonctions de Green dans le milieu à partir de l'intercorrélation d'enregistrements entre toutes les paires d'un réseau. L'objectif de cette thèse a été d'étudier les limites de ces techniques passives, afin d'en définir les champs d'application.<br>Ce travail est centré sur les petites échelles de la géophysique (10 m à 1 km) et aux hautes fréquences (5 à 50 Hz), où les propriétés du champ d'onde mettent souvent en défaut l'hypothèse de champ diffus du théoréme de corrélation. A partir de cas expérimentaux où la fonction de corrélation ne converge pas vers la fonction de Green, de nouvelles approches sont définies afin de retrouver malgré tout les propriétés du milieu.<br>L'importance de la distribution des sources de bruit pour les milieux non diffusant est mise en évidence. La caractérisation du champ d'onde est ainsi essentielle avant la mise en place de méthodes passives. Une étude comparative des méthodes l'imagerie active et passive est proposée. Elle montre que la résolution de l'imagerie passive est au moins aussi bonne que celle de l'imagerie active.<br>Enfin, une approche méthodologique est proposée pour l'étude du bruit ambiant, à partir d'outils issus de l'acoustique sous marine. Son application à l'étude de zones hydrothermales est discutée.

Cette thèse présente une étude expérimentale sur la diffusion multiple de la lumière, avec les nécessaires introductions : bases théoriques et préparation des échantillons. L'emphase est placée sur les effets de la diffusion multiple d'ondes, où les effets d'interférence existent et sont significatifs, dans la recherche pour la localisation d'Anderson.<br />En réflection des milieux désordonnés soumis au moyennage d'ensemble, il existe un cone de lumière, superposé au fond diffusé, dans la direction exacte de rétrodiffusion, dû à l'interférence constructive des chemins réciproques. Ce cone de rétrodiffusion cohérente donne des informations sur la diffusion multiple et la localisation. Le régime de diffusion multiple de la lumière est étudié dans un semiconducteur poreux, le phosphure de gallium (GaP), connu à présent comme le materiau le plus fortement diffuseur de la lumière visible. L'indice de réfraction effectif des échantillons très diffusants de GaP poreux est determiné par une technique de transmission résolue en angle. Un tel indice de réfraction dans le régime de diffusion forte ne s'accorde pas aux théories connues de milieu effectif.<br />Les échantillons les plus fortement diffuseurs, proche de la transition attendue vers le régime de localisation, sont toujours parfaitement décris par les résultats du régime de diffusion. La diffusion macroscopiquement anisotrope de ces échantillons poreux est étudiée, par des techniques stationaires et dynamiques. Dans ces échantillons, la lumière diffuse plus vite et plus loin le long des pores, qu'à travers eux. Le GaP poreux montre en même temps une forte diffusion et une forte anisotropie.<br />Dans une dernière partie, le sujet de la capture totale d'une impulsion lumineuse dans une courte cavité optique est considérée. En adaptant de façon dynamique la réflectivité du miroir d'entrée à la forme temporelle de l'impulsion incidente, la lumière réfléchie par la cavité peut être complètement annulée par interférence destructive. Alors qu'aucune lumière n'est réfléchie par la cavité, toute la puissance incidente est couplée à l'intérieur de la cavité, n'excitant qu'un seul mode de petite largeur spectrale. Aussi bien la théorie que les mesures expérimentales supportent le processus proposé.

Cette thèse porte sur la localisation faible de la lumière par un gaz <br />d'atomes froids en présence d'un champ magnétique. Plus précisément,<br />elle est consacrée à l'augmentation cohérente de l'intensité diffuse<br />dans la direction arrière, due à l'interférence entre chemins de<br />diffusion multiple rencontrant les mêmes diffuseurs dans l'ordre inverse.<br />Nous présentons des résultats théoriques rendant compte d'observations<br />expérimentales récentes sur la forme et l'amplitude du profil d'intensité.<br /> En particulier, nous montrons qu'un champ<br />magnétique peut en augmenter l'amplitude si les atomes possèdent un niveau<br />fondamental dégénéré, à l'opposé de ce qui se produit pour des<br />diffuseurs classiques. Nous discutons l'intérêt de ce résultat en vue<br />de la localisation forte de la lumière.