La caractérisation des fissures dans les roches est devenu un thème de recherche majeur pour de nombreuses applications géophysiques dans le domaine de la subsurface ou des réservoirs (entre autres l'exploration sismique, l'étude continue de l'évolution d'une zone de production en pétrole, gaz ou eau, le stockage de déchets toxiques, la géothermie ... ). Cet intérêt pour les fissures provient de ce qu'elles se comportent à la fois comme des réserves de fluide et comme des chemins d'écoulement potentiels. Au cours de ce travail, nous nous sommes consacrés à l'étude des vitesses d'ondes se propageant dans les roches fissurées. Notre objectif est de modéliser, à partir d'une méthode différentielle auto-cohérente, l'influence de la fissuration et de la saturation en fluide sur les propriétés élastiques effectives et, par conséquent, sur les vitesses des ondes. Le modèle construit repose sur une hypothèse de géométrie simplifiée pour les inclusions poreuses: la porosité dite rigide est représentée par des sphères tandis que la porosité de type compressible (les fissures) est décrite par des ellipsoïdes de révolution. Des distributions isotropes et anisotropes de. fissures ont été considérées. Ce modèle permet * d'accéder aux modules élastiques effectifs d'une roche sèche ou . d'une roche saturée à l'intérieur de laquelle le fluide est non relaxé. Aussi les vitesses calculées correspondent-elles à des fréquences élevées, de l'ordre de celles mises en jeu en laboratoire (MHz). Une seconde étape de cette étude permet de prédire la dispersion entre les vitesses à haute (MHz) et basse (Hz-kHz) fréquences. La dispersion de vitesse est attribuée à un écoulement local du fluide contrôlé par la ,variation de compressibilité des inclusions poreuses. Dans cette optique, le modèle différentiel auto-cohérent et la limite basse fréquence de la théorie de Biot ont été combinés. Nos résultats soulignent qu'une dispersion importante est attendue pour les rêches fissurées, plus particulièrement dans le cas des ondes de cisaillement. Lorsque deux fluides coexistent dans l'espace poreux et que la saturation n'e st pas uniforme, la modélisation des vitesses nécessite de prendre en compte une seconde famille assimilées à des poches correspondant à des zones de saturations différentes. significatives d'une échelle beaucoup plus grande que celle des pores/fissures et so second mécanisme de dispersion appelé mécanisme de l'écoulement de poche. élaboré qui permet de décrire les vitesses en fonction de la saturation en te hétérogénéités tant à l'échelle microscopique qu'à l'échelle des poches. Nous avons cherché à modéliser le comportement des vitesses mesurées en laboratoire sur des échanti llons pendant des cycles d'imbibition/drainage. L'hystérésis de vitesse observé expérimentalement est simulé en considérant des distributions de fluide différentes suivant le processus de saturation impliqué. Les vitesses prédites s'accordent avec les données expérimentales. A l'aide d'une démarche analogue, on a montré que les anomalies de vitesses détectées avant certains séismes peuvent aussi être significatives d'une saturation non uniforme. Un dernier volet de ce travail, motivé par les recherches menées sur le stockage des déchets nucléaires, a été consacré à l'étude de la fissuration thermique dans des roches ignées. Deux processus de fissuration méritent d'être examinés. Le premier dépend de ta dilatation thermique des minéraux et a été envisagé d'un point de vue expérimental. Le second est lié à la saturation en fluide de la roche. Un modèle a été réalisé afin d'analyser, pour des roches fissurées et saturées, l'effet de la fissuration thermique sur la perméabilité. Cette dernière s'avère contrôlée par deux effets antagonistes: la fermeture des fissures et l'amélioration de la connectivité. L'augmentation de perméabilité attendue pour une élévation de température atteignant 300°C reste modérée (1 à 2 ordres de grandeur).

Nous étudions, par ellipsométrie spectroscopique, les propriétés optiques dans le domaine de l'UV-Visible-Infrarouge de films composites constitués de polymère et de nanoparticules d'or. Nous étudions la relation entre ces mesures et la structure des nanocomposites, que nous étudions par microscopie à force atomique en particulier. Nous distinguons l’analyse de films épais (tri-dimensionnels) et minces (quasi-bidimensionnels). Dans les deux cas, nous confrontons les résultats expérimentaux à des modèles théoriques de milieux effectifs dérivés de Maxwell-Garnett, en particulier. / By spectroscopic ellipsometry, we study the optical properties in the range of UV-Visible-Infrared of composites films made of polymer and gold nanoparticles. We study the relation between these measurement and the structure of the nanocomposites, that we study by atomic force microscopy in particular. We distinguish the analysis of thicks films (tridimensionals) and thins (quasi-bidimensionals). In both of case, we confronte these experimentals results to the theoric models of effectives medium derivated for Maxwell-Garnett in particular.

L'objectif de ce travail est d'étudier les phénomènes liés à la propagation acoustique dans deux types de milieux hétérogènes : les milieux multiplement diffuseurs aléatoires et ceux périodiques. Ces milieux comportent des inclusions cylindriques (diffuseurs) soit remplies d'air soit remplies d'eau. Les outils théoriques qui sont mis en œuvre sont ceux de la diffusion multiple, et la description de l'interaction des ondes élastiques avec un diffuseur est traitée à l'aide d'une analyse modale. Les résultats de cette thèse peuvent avoir des retombées en ce qui concerne la compréhension des phénomènes liés à la propagation en milieu poreux et dans les cristaux phononiques. Ils ouvrent également des perspectives intéressantes en ce qui concerne l'évaluation ultrasonore de matériaux composites. Les deux premiers chapitres de la thèse traitent des phénomènes d'interaction résonante tout d'abord pour un réseau de quelques diffuseurs, puis pour un réseau composé d'une distribution linéaire et périodique d'un grand nombre diffuseurs. La propagation d'ondes dans des réseaux bi-périodiques est étudiée dans le troisième chapitre. Le formalisme utilisé est exploité dans le chapitre final pour valider une théorie de milieu effectif décrivant originellement la réflexion et la transmission des ondes cohérentes par une couche de diffuseurs aléatoirement répartis. Pour cette validation, la théorie a été adaptée à une distribution semi-périodique et semi-aléatoire de diffuseurs.

Ce travail de thèse a pour objectif de développer et de valider expérimentalement un modèle de diffusion adapté au sang agrégeant, prenant en compte une forte fraction volumique de globules rouges (hématocrite de 40%) et des structures d’agrégats polydisperses. Un modèle développé récemment pour l’estimation de la microstructure du sang est la théorie de milieu effectif combinée à un modèle de facteur de structure monodisperse. Pour augmenter le domaine de validité de ce modèle en hautes fréquences, nous proposons une théorie de milieu effectif prenant en compte la composante incohérente de la diffusion par des agrégats de globules rouges. A l’aide de simulation numériques tridimensionnelles, nous montrons que la nouvelle modélisation permet de prédire les coefficients de rétrodiffusion de façon satisfaisante pour un produit $kR<2$ ($k$ étant le nombre d’ondes et $R$ le rayon d’un agrégat). Par ailleurs, nous proposons une théorie de milieu effectif combinée à un facteur de structure polydisperse afin d’estimer, à partir de la mesure expérimentale du coefficient de rétrodiffusion, des paramètres de structure des agrégats : le rayon moyen de la distribution de tailles, son étalement, et la compacité des agrégats. Des expériences réalisées sur du sang de porc cisaillé dans un dispositif de Couette couplé à une sonde ultrasonore montrent que le modèle polydisperse permet d’obtenir de meilleures courbes d’ajustement des coefficients de rétrodiffusion en comparaison des modèles monodisperses classiques. Les tailles d’agrégats estimées par ultrasons sont corrélées de façon satisfaisante (r$^2$ $\approx$ 0.92) avec les tailles estimées par ailleurs dans un dispositif optique. / This thesis aims to develop and evaluate a scattering model for aggregating blood, taking into account the high volume fraction of red blood cells in blood (40%) and the polydispersity in terms of aggregate size. The effective medium theory combined with the monodisperse structure factor model was recently developed to estimate blood microstructure. In order to improve the modeling at high frequency range, we proposed an effective medium theory that takes into account the incoherent component of the scattering by aggregates of RBCs. Three dimensional simulations were performed and showed that the consideration of the incoherent component allows to approximate the simulation satisfactorily for a product of the wavenumber times the aggregates radius $kR$ up to 2. Besides, we proposed an effective medium theory combined with a polydisperse structure factor. From the measured BSC, this model allows to estimate three structural parameters: the mean radius of the aggregate size distribution, the width of the distribution, and the compactness of the aggregates. Experiments were performed on pig blood shared in a Couette device coupled with an ultrasonic probe, and showed that the polydisperse modeling provides better fitting to the experimental BSC data, when compared to the classical monodisperse models. Satisfactory correlation is obtained (r$^2$ $\approx$ 0.92) between the aggregate sizes estimated with ultrasound and the aggregate sizes estimated on the same sample in an optical device.

Les traitements antireflets (AR) sont très largement utilisés pour améliorer la transmission de systèmes optiques composés de hublots, lentilles, de lames séparatrices,… Dans cette thèse les gammes spectrales visées sont le visible étendu [400-1800nm] et le moyen infrarouge [3,7-4,8µm]. La méthode de nanostructuration par dépôts de films minces utilisant des techniques PVD en incidence oblique (Oblique Angle Deposition) a été choisie car elle permet d’envisager des AR hautes performances sur une large gamme de longueur d’onde, via un procédé industrialisable. L’introduction de porosité via le contrôle des angles de dépôt est utilisée pour nanostructurer l’architecture de chaque couche et de l’empilement ; méthode permettant de modifier et d’optimiser les propriétés optiques des couches constituantes en vue d’un design complet optimal. Une cartographie des indices effectifs accessibles par OAD a été dégagée concernant les trois matériaux déposés (TiO2, SiO2 et Ge). Mais les propriétés optiques de ces couches nanostructurées diffèrent largement de celles des couches denses du fait de la présence d’anisotropie, de gradient d’indice, de diffusion et d’absorption. A partir de caractérisations microstructurales, chimiques et optiques poussées (AFM, MEB, MET, tomographie FIB, tomographie MET, EDX, EELS, spectrophotométrie et ellipsométrie généralisée) un modèle optique analytique plus complexe et couplé à des analyses par éléments finis (FDTD) est présenté. L’ensemble du travail a permis d’élaborer par OAD de simples antireflet bicouches démontrant déjà de hauts niveaux de transmission, supérieurs aux traitements AR existants (interférentiel) ou en développement (Moth-eyes). / Anti-reflective (AR) coatings are widely used to improve the transmission of optical systems composed of window, lenses, separating filters,... In this thesis, the spectral ranges targeted are the extended visible [400-1800nm] and the mid infrared [3.7-4.8µm]. Thin film deposition nanostructuring method using oblique angle deposition (oblique angle deposition) PVD technique was chosen because it allows high performance AR to be considered over a wide wavelength range, by an industrial process. The introduction of porosity with the control of deposition angle is used to nanostructure the architecture of each layer and stack; a method for modifying and optimizing the optical properties of the constituent layers for optimal complete design. A mapping of the effective indices accessible by OAD has been identified for the three materials deposited (TiO2, SiO2 and Ge). However optical properties of these nanostructured layers differ greatly from those of dense layers due to the presence of anisotropy, index gradient, diffusion and absorption. Based on advanced microstructural, chemical and optical characterizations (AFM, SEM, TEM, FIB tomography, TEM tomography, EDX, EELS, spectrophotometry and generalized ellipsometry) a more complex analytical optical model coupled with finite element analyses (FDTD) is presented. All the work has enabled OAD to develop simple two-layer anti-reflective coatings that already demonstrate high levels of transmission, superior to existing (interferential) or work in progress (Moth-eyes) AR treatments.

Pour les roches saturées, la comparaison entre les mesures ultrasoniques (1 MHz) au laboratoire et les mesures sismiques (100 Hz) ou de diagraphie (10 kHz) sur le terrain n’est pas directe à cause de la dispersion des vitesses des ondes. Les mécanismes impliqués dans la dépendance en fréquence sont les écoulements de fluides à différentes échelles provoqués par le passage de l’onde. La dispersion et l’atténuation des modules élastiques de roches carbonatées ont été étudiées expérimentalement. Les calcaires étudiés sont : un Lavoux, un Indiana intact et craqué thermiquement, un calcaire Urgonien de Provence (Rustrel), et un coquina pré-sel du Congo. Les mesures ont été faites sur une large gamme de fréquence, en combinant les techniques d’oscillations forcées (10-3 to 102 Hz) et ultrasoniques (1 MHz) dans une presse triaxiale, pour différentes pressions effectives. Le forçage peut être hydrostatique pour mesurer un module d’incompressibilité, ou axial pour mesurer le module de Young et le coefficient de Poisson. Pour étudier l’effet de la viscosité, les mesures ont été faites en condition sèche, puis saturée en glycérine et en eau. Le drainage global et le mécanisme d’écoulement crack-pore ont été caractérisés, en termes d’amplitude de dispersion, d’atténuation viscoélastique, et de fréquence de coupure. Pour nos échantillons, la théorie de Biot-Gassmann s’est montrée valide pour les fréquences sismiques (10-100 Hz) sauf pour l’Indiana craqué thermiquement. La dispersion liée à des écoulements crackspores a été observée pour tous les échantillons sauf le Lavoux. Les fréquences de coupures de ceux-ci sont toutes dans la gamme des fréquences des diagraphies (10 kHz) pour des conditions de saturation en eau. Un modèle simple, combinant poroélasticité et milieux effectifs, a été développé pour prédire la dispersion des modules sur toute la gamme de fréquence, et s’est montré généralement en accord avec les résultats expérimentaux. / For fluid-saturated rocks, comparing ultrasonic measurements (1 MHz) in the laboratory and seismic (100 Hz) or logging (10 kHz) measurements in the field is not straightforward due to dispersion of the bodywave velocities. The frequency-dependent mechanisms involved are wave-induced fluid flows that occur at different scales. The dispersion and the attenuation of the elastic moduli of four fluid-saturated carbonate rocks have been studied experimentally. The selected limestones were a Lavoux, an intact and thermally cracked Indiana, a Urgonian limestone from Provence (Rustrel), and a presalt coquina from offshore Congo. Measurements were done over a large frequency range, by the combination of forced oscillations (10-3 to 102 Hz) and ultrasonic measurements (1 MHz) in a triaxial cell, at various effective pressures. The forced oscillations were either hydrostatic to deduce the bulk modulus, or axial to deduce Young’s modulus and Poisson’s ratio. The measurements were done in dry-, glycerinand water-saturated conditions to investigate the effect of viscosity. For all our samples, the global drainage and the squirt-flow mechanisms were characterized experimentally, in terms of amplitude of dispersion, amount of viscoelastic attenuation, and cut-off frequencies. Biot- Gassmann’s theory was found to be valid at seismic frequencies (10-100 Hz) for all the samples except the thermally cracked Indiana. Squirt-flow transitions were observed for all the samples, except the Lavoux. The cut-off frequencies were all in the range of logging frequencies (10 kHz), for watersaturated conditions. A simple model, combining poroelasticity and the noninteraction approximation effective medium, was developed to predict the dispersion of the moduli over the whole frequency range, and was generally in agreement with the experimental results.

Ce manuscrit se focalise sur l’effet de divers matériaux composites sur les différentes problématiques de compatibilité électromagnétique dans un véhicule automobile. Les modèles surfaciques des matériaux diélectriques sont validés en confrontant des résultats de mesures et de simulation de leurs permittivités. Ceux des matériaux conducteurs le sont en confrontant le modèle d’impédance de surface à un modèle filaire et en effectuant des mesures des simulations de paramètres S sur une structure majoritairement constituée par un matériau de ce type. Dans les deux cas, la technique de modélisation donne de bons résultats. L’évaluation de l’effet de ces matériaux sur les problématiques de CEM au niveau d’un véhicule est faite sur un démonstrateur qui intègre les équipements et les faisceaux embarqués dans un véhicule en les représentants par des monopôles et des fils conducteurs. L’évaluation des effets des différents matériaux composites sur les problématiques CEM est faite par mesure et simulation des couplages électromagnétiques à l’intérieur du démonstrateur et entre le démonstrateur et une antenne test. L’analyse des couplages électromagnétiques confirme que le modèle d’impédance de surface reproduit assez bien les comportements des matériaux composites étudiés. Concernant l’effet des matériaux composites sur les problématiques CEM au niveau d’un véhicule, cette étude mène à deux résultats majeurs du point de vue de la compatibilité électromagnétique. Le premier concerne l’usage des matériaux diélectriques qui augmente globalement la plupart des couplages mesurés de 5 dB à 30 dB. Le second porte sur le matériau conducteur étudié qui n’a quasiment aucun effet sur les différents couplages analysés en comparaison de la structure en acier. / The main concern of this thesis is the characterization of the impacts of some composite materials on the main electromagnetic compatibility issues in a vehicle. The surface models of the dielectric materials are validated by confronting their simulated and measured permittivity. The surface model of the studied conductive material is validated by confronting it to a wire model and by measuring and simulating the S parameters on a structure constituted by such a material. It appears in both cases of dielectric and conductive composite materials that the surface impedance modeling technique gives a good description of the materials. The analysis of the effects of these materials on the EMC issues within a vehicle is done by use of a demonstrator representing the car body. The different equipment and harnesses embedded in a vehicle are represented in the demonstrator by some wires and monopoles. The evaluation of the impact of the composite materials on the EMC issues is done by measuring and simulating the different couplings within the demonstrator and between the demonstrator and a test antenna. The analysis of the different couplings confirms that the surface impedance material modeling approach describes well the materials under test. Concerning the impact of the composite materials on the EMC issues at a vehicle level, this analysis fulfills two main results. The first one concerns the dielectric materials. Indeed the use of these materials increases the different coupling by a value varying between at least 5 dB to 30 dB. The second conclusion concerns the use of conductive composite materials. It appears that they have no effect on the different couplings in comparison to the full steel structure.