La propagation à grande distance du bang sonique (onde de choc) est sensible aux caractéristiques de l'atmosphère terrestre, notamment dans la couche turbulente située entre 0 et environ 1 km d'altitude. Des expériences de propagation d'une onde de choc dans un milieu aléatoire (avec des fluctuations de température et de vitesse) ont déjà été réalisées pour tenter de comprendre les mécanismes physiques expliquant la distorsion des formes d'ondes mesurées au sol. Or, la nature aléatoire de ces expériences ne permet pas de discriminer l'importance de chaque effet (focalisation, hétérogénéité, non-linéarité). Nous avons donc tout d'abord réalisé des expériences déterministes à l'échelle 1 : 100 000 dans l'eau ainsi que des simulations numériques pour étudier l'interaction entre une onde de choc et un milieu hétérogène. Les hétérogénéités sont modélisées par des tubes cylindriques en caoutchouc siliconé de diamètre de l'ordre de la longueur d'onde. Toutes les caractéristiques du milieu sont mesurées (atténuation, taille, vitesse du son). Ces expériences nous permettent de comprendre le lien entre le repliement du front d'onde (" wave front folding ") et l'augmentation du temps de montée ainsi que la distorsion des formes d'ondes. L'influence de la taille des hétérogénéités est aussi étudiée expérimentalement et nous renseigne sur la sensibilité d'un signal non-linéaire à des tailles d'hétérogénéités différentes. Ensuite, un modèle théorique et numérique en régime non-linéaire dans l'approximation paraxiale est validé grâce au caractère déterministe de nos expériences. Les simulations numériques démontrent l'influence de la propagation non-linéaire et son effet sur la perception auditive du bang sonique. Une extension du modèle théorique est proposée pour mieux prendre en compte la propagation des ondes acoustique aux angles plus élevés. Les simulations numériques de ce modèle montrent l'amélioration des comparaisons entre les résultats numériques et les résultats expérimentaux notamment dans le cas de la propagation des ondes acoustiques dans un milieu comportant plusieurs hétérogénéités.

Un nombre croissant d'applications font intervenir des systèmes revêtus. Ainsi, le développement des techniques de dépôt et des essais d'adhérence prennent de l'ampleur. Le projet LASAT (LASer Adhérence Test) propose un essai sans contact basé sur le choc laser, automatisable pouvant être intégré dans un environnement industriel. Cette technique repose sur la génération de traction à l'interface suite à la propagation d'un choc dans une cible substrat/dépôt. Afin d'intégrer la réalité industrielle de fabrication des échantillons, cette étude montre l'influence de la rugosité d'interface et de porosités sur la propagation des chocs au sein des échantillons et la mise en traction de l'interface. Le choc laser limitant le test à de faibles épaisseurs d'échantillons (<1mm), des solutions nouvelles sont étudiées pour étendre le test des systèmes plus épais. L'impact de feuilles accélérées par laser permet de réaliser le test sur des systèmes de quelques millimètres d'épaisseur.

Dans cette étude nous considérons l'interaction entre une onde de choc et une couche limite turbulente sur un écoulement transsonique sur une bosse d'un point de vue expérimentale et théorique.Des mesures expérimentales ont permis de montrer que l'interaction est caractérisée par la coexistence de deux fréquences caractéristiques distinctes, mais l'origine des oscillations est controversée. Des simulations numériques permettent une description de l'écoulement moyen, mais ne sont pas capables de reproduire le comportement instable de l'interaction. Nous proposons d'abord une étude de stabilité globale: une décomposition en valeurs propres de l'opérateur de Navier-Stokes linéarisé indique que l'interaction est un phénomène stable, et la dynamique de l'écoulement ne peut pas être décrite par un mode global instable.Nous considérons ensuite une approche linéarisée, où la réceptivité de l'écoulement à un forçage externe est analysée à travers une décomposition en valeurs singulières du Résolvant global. Cette nouvelle approche est proposée afin d'expliquer le processus de sélection de fréquence dans cet écoulement, et montre que l'interaction filtre et amplifie le bruit résiduel existant.La même approche est enfin appliquée sur un cas d'écoulement transsonique autour d'un profil d'aile, qui peut présenter des oscillations périodiques de l'onde de choc. La décomposition en valeurs propres de opérateur de Navier-Stokes linéarisé est capable de décrire la dynamique du choc, tandis que la décomposition en valeurs singulières du Résolvant global peut indiquer la présence des instabilité convectives. / A transonic interaction between a shock wave and a turbulent boundary layer is experimentally and theoretically investigated. The configuration is a channel flow over a bump, where a shock wave causes the separation of the boundary layer and a recirculating bubble is observed downstream of the shock foot.The mean flow is experimentally investigated by means of PIV, then different techniques allows to identify the main unsteadiness of this shock-wave/boundary-layer interaction. As recognised in similar configurations, the flow presents two distinguished characteristic frequencies, whose origins are still unknown.Numerical simulations are performed solving RANS equations. Results are in good agreement with the experimental mean flow, but the approach fails to predict the unsteady. The solution of RANS equations is then considered as a base flow, and a global stability analysis is performed. Eigenvalue decomposition of the Navier-Stokes operator indicates that the interaction is stable, and the dynamics cannot be described by unstable global modes.A linearised approach based on a singular-value decomposition of the Resolvent is then proposed: the noise-amplifier behaviour of the flow is highlighted by the linearised approach. Medium-frequency perturbations are shown to be the most amplified in the mixing layer, whilst the shock wave behaves as a low-pass filter.The same approach is then applied to a transonic flow over a profile, where the flow can present high-amplitude shock oscillations. The stability analysis can describe both the buffet phenomenon when an unstable mode is present, and the convective instabilities responsible of medium-frequency unsteadiness.

La détermination des propriétés des matériaux soumis à des chocs est un enjeu essentiel dans de nombreux domaines industriels. L’objectif de cette thèse est de proposer une nouvelle méthode fondée sur l’interrogation en bande millimétrique d’un solide soumis à un choc. Deux paramètres doivent être mesurés simultanément, la vitesse du choc et la vitesse matérielle associée afin de pouvoir construire la polaire de choc du matériau d’étude. Dans un premier temps, un état de l’art des techniques de mesure existantes est réalisé pour cibler les performances et limites de l’existant. Dans un second temps, on s’intéresse à la modélisation de la propagation des ondes électromagnétiques dans des milieux à plusieurs interfaces en mouvement et avec un gradient d’indice pour représenter des cas de choc soutenu et non soutenu. Enfin, des campagnes expérimentales d’impact plan sont présentées sur différents matériaux, inertes et explosifs, pour confronter la théorie développée aux résultats de mesure. Pour le cas des chocs soutenus, les résultats sont en très bon accord et permettent de valider le modèle. Le cas des chocs non soutenus est plus complexe. Une approche par réseau de neurones est envisagée pour permettre de remonter aux vitesses et aux indices de réfraction. Enfin, des mesures de la permittivité complexe de nombreux explosifs sont présentées. / The mechanical properties of solids under shock wave loading are a key factor in many industrial applications. This work aims at defining a new approach for the simultaneous measurement of shock wave and particle velocity during a shock event, using millimeter wave interrogation. With the two determined parameters, the shock polar of any material can be derived. First, a review of the classical methods to determine these quantities is presented, to identify the advantages and limits of such techniques. A modelization work is then performed to understand the propagation of electromagnetic waves in a stratified mediumwith moving interfaces and different refractive index in each of the layers. Such a configuration can be used to describe both steady and unsteady shocks on solids. Last, experimental results of plane impact tests on both inert and reactive materials are presented and analyzed to comfort the modelization. For steady shocks, the results are in very good agreement and prove the developed model to be adequate. The case of unsteady shocks is more complex, and a neural network approach is described to solve the problem. Finally, new data on the permittivity of high explosives and a new setup are described.

Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse s’inscrivent dans le cadre des études liées aux dégâts sur les structures et les blessures subies par les personnes à la suite d’explosions de charges explosives en milieu confiné et semi-confiné. Afin de mener cette étude, des expériences sont réalisées à petite échelle en laboratoire et sont complétées par des simulations numériques. Les ondes de choc sont obtenues grâce à la détonation d’une charge explosive gazeuse composée de propane-oxygène en proportion stoechiométrique. L’étude consiste donc à réaliser des expériences à petite échelle en laboratoire afin d’apprécier les champs de pression obtenus à la suite de la détonation d’une charge explosive au sein de deux configurations différentes. La première représente un atelier pyrotechnique et la seconde met en jeu un entrepôt de stockage de bouteilles de gaz. Les résultats expérimentaux sont ensuite confrontés à des résultats obtenus par simulations numériques réalisées grâce au logiciel AUTODYN. En complément de ces deux configuration principales, une étude est menée sur l’identification des pics de surpressions réfléchis grâce à une approche expérimentale appelée paroi par paroi. Une étude est également menée sur la détermination d’une équivalence massique entre le TNT et le mélange gazeux utilisé pour les expériences. / The goal of this study is to investigate shock waves propagation, in a geometrically complex confined and semi-confined environment, consecutive to the detonation of a spherical explosive charge. In this objective, small scale experiments are conducted in laboratory and are completed with numerical analysis. Shock waves are generated thanks to spherical detonation of a gas mixture composed of propane-oxygen in stoechiometric proportion. Two main configurations are studied: the first represents a pyrotechnic workshop and the second is a warehouse containing gas cylinder. Experimental and numerical results are then compared. Complementary studies are realised to describe blast wave propagation inside a semi-confined volume thanks to a new experimental approach named wall by wall. Finally, in order to simulate TNT charges detonation by computational means, an important study is conducted to determine a mass equivalent between TNT and gas mixture.

Lorsqu'un phénomène de détonation survient dans des milieux confinés comme un bâtiment présentant un système de galeries, l'onde de choc générée se propage et peut engendrer des dégâts matériels et humains considérables. En effet, l’onde de choc en se propageant dans ces systèmes de canaux confinés va interagir avec les obstacles qu’elle rencontre (humains et matériels), et va provoquer de très fortes élévations de la pression localement. Ce phénomène peut être très destructeur pour les structures et létale pour les humains. L'objectif de cette étude, expérimentale et numérique, est donc d'étudier la propagation d'une onde de choc dans différents systèmes de canaux afin de comprendre son comportement et de proposer des solutions pour en atténuer les dégâts. L’étude s’articule autour de deux grands axes. Le premier étudie de manière très académique la propagation d’une onde de choc au travers de cinq configurations différentes ; deux sans variation de section (un coude à 45$^{\circ}$ et un coude à 90$^{\circ}$), et trois avec variation de section (un divergent, un élargissement brusque et une bifurcation en « Y »). L’influence de la singularité sur la pression réfléchie en fond de configuration est étudiée ainsi que les mécanismes physiques complexes qui se produisent derrière l’onde de choc le long de la singularité. Le deuxième axe étudie l’atténuation de la pression réfléchie par l’ajout de piège (cavités) le long du système étudié. Une étude paramétrique montre que la position ainsi que la taille et la forme du piège ont un impact sur l’atténuation de l’onde de choc. / In the search for protection from explosions phenomena, a variety of underground shelters were studied to minimize the risks related to the propagation of shock waves in closed areas. Indeed, the blast effect could be really destructive for equipment and humans encountering the shock wave propagation, because of the high elevation of the local pressure it generates. Thus, the propagation of a shock wave through various canal systems is both experimentally and numerically studied. This study is based on two topics. The first part is focused on the study of the propagation of a shock wave through five various configurations ; two whithout aera change (a 45$^{\circ}$ bend duct and a 90$^{\circ}$ bend), and three configurations whith a sectional enlargement (a divergent, an abrupt area change and a « Y » bifurcation). The impact of the geometry on the end wall reflected pressure is studied as well as some complex physical mechanisms that occur behind the incident shock wave. The second part explores the mitigation of the pressure level in the device with the addition of traps (cavities) along the studied configuration. A parametric study based on the shape and size of the cavities, shows that these parameters have a considerable impact on the pressure level in the duct system.

Dans cette recherche, un modèle de propagation d'ondes de choc sur grandes distances sur un environnement urbain est construit et validé. L'approche consiste à utiliser l'Equation Parabolique Nonlinéaire (NPE) comme base. Ce modèle est ensuite étendu afin de prendre en compte d'autres effets relatifs à la propagation du son en milieu extérieur (surfaces non planes, couches poreuses, etc.). La NPE est résolue en utilisant la méthode des différences finies et donne des résultats en accord avec d'autres méthodes numériques. Ce modèle déterministe est ensuite utilisé comme base pour la construction d'un modèle stochastique de propagation sur environnements urbains. La Théorie de l'Information et le Principe du Maximum d'Entropie permettent la construction d'un modèle probabiliste d'incertitudes intégrant la variabilité du système dans la NPE. Des résultats de référence sont obtenus grâce à une méthode exacte et permettent ainsi de valider les développements théoriques et l'approche utilisée.

L'augmentation du débit des télécommunications nécessite la réalisation de circuits intégrés utilisant des transistors dont les fréquences de coupure sont de plus en plus élevées. L'évaluation des performances intrinsèques de ces composants fonctionnant aujourd'hui jusqu'à plusieurs centaines de GHz pose un gros problème d'instrumentation. Les capacités des analyseurs de réseaux généralement utilisés pour ces caractérisations sont en effet dépassées.<br /><br />Les méthodes d'échantillonnage électro-optique basées sur l'utilisation d'un laser impulsionnel femtoseconde constituent une méthode alternative de caractérisation hyperfréquences. Ces mesures dont la résolution temporelle peut être inférieure à la picoseconde permettent d'étudier la réponse en fréquence de composants intégrés jusqu'à plus de 1 THz.<br /><br />La méthode d'échantillonnage ultra-rapide que nous proposons est basée sur un effet d'électroabsorption présent dans de nombreux semiconducteurs massifs : l'effet Franz-Keldysh. Cet effet nous permet de sonder optiquement des impulsions électriques ultra-brèves se propageant sur une ligne de transmission déposée sur Arséniure de Gallium (GaAs). Ces impulsions sont également générées par voie optique grâce à un matériau photoconducteur ultra-rapide : le GaAs épitaxié à basse température.<br /><br />La démonstration expérimentale de cette méthode de caractérisation est tout d'abord effectuée en utilisant les propriétés intrinsèques du substrat semiconducteur. Dans un deuxième temps, des améliorations technologiques sont apportées au dispositif expérimental pour permettre une généralisation de la technique de mesure à tout type de substrat. Pour cela, nous avons en particulier mis au point une technique de « lift-off » épitaxial permettant le report des matériaux nécessaires à la mesure sur un circuit ayant déjà subi les étapes technologiques. Ces différentes méthodes de mesure sont ensuite appliquées à la caractérisation de lignes de transmission ou de composants passifs THz. Elles ont permis entre autre la mise en évidence du phénomène de couplage par onde de choc électromagnétique entre deux lignes de transmission coplanaires, ou l'évaluation des paramètres S d'un filtre réjecteur de Bragg intégré sur substrat de quartz jusqu'à 1,2 THz. Enfin, la possibilité d'étudier un transistor bipolaire à hétérojonction à doigt d'émetteur submicronique par cette technique de mesure est envisagée.

L'objectif de ce travail est d'étudier les interactions du Vent Solaire (VS) avec Mercure et Mars par le biais de la simulation numérique. Dans le contexte des observations effectuées lors des seules missions ayant exploré l'environnement de Mercure, Mariner 10 et MESSENGER, et de la préparation de la mission Bepi Colombo, nous avons développé un modèle hybride tridimensionnel parallèle de l'interaction du VS avec la magnétosphère de Mercure. Nous avons également étudié la réflexion de particules incidentes sur un choc planétaire courbe, celui de Mars, grâce à un modèle de particules-tests combiné aux résultats de simulations hybrides. Les observations, bien qu'indispensables à l'étude de l'interaction du VS avec un obstacle planétaire, ne sont pas suffisantes et la modélisation numérique est un outil nécessaire. Dans le second chapitre nous présentons les différents modèles de simulation utilisés pour analyser les interactions du VS avec Mercure et Mars. Nous décrivons en particulier la construction de notre modèle hybride de Mercure. Les résultats sur l'environnement Herméen, obtenus à l'aide de modèles antérieurs au notre sont décrits dans la première partie du Chapitre 3. Dans la suite de ce chapitre nous présentons nos résultats sur le champ intrinsèque et le plasma magnétosphérique de Mercure. Dans le Chapitre 4, nous décrivons le modèle hybride et le programme de particules-tests que nous avons utilisés pour étudier la réflexion des protons du VS et des protons planétaires sur l'onde de choc Martienne. Nous montrons par la suite les résultats obtenus. Bien que cette analyse ait été menée sur l'onde de choc de Mars, elle peut être adaptée au cas de Mercure.

Dans cette thèse, nous avons étudié, dans une première partie, l'effet d'onde de choc dans les matériaux cellulaires (mousses, nids d'abeilles et sphères creuses). Une nouvelle technique expérimentale originale avec les barres de Hopkinson pour étudier l'effet d'onde de choc dans de tels matériaux complètée par une mesure locale et par la modélisation éléments de tels effets sont présentées. Dans la seconde partie, nous avons mis en place une nouvelle technique de la mesure de la perforation dynamique en utilisant aussi la technique de la mesure avec les barres de Hopkinson : la perforation inversée. Cette technique permet de rendre possible de comparer directement l'histoire de force vs déplacement dynamique avec la quasi statique.