Deux phénomènes de l'acoustique non-linéaire à fort niveau sont étudiés lors de cette thèse: la transition à la turbulence et les écoulements redressés en guide d'onde acoustique. Le développement récent de la Vélocimétrie Laser par effet Doppler (VLD) ouvre de nouvelles voies pour l'étude de ces phénomènes. Une partie du travail de cette thèse a ainsi consisté en l'adaptation de la VLD à des mesures acoustiques en proche paroi. Ce travail préliminaire a permis de proposer par la suite l'étude de la transition à la turbulence en fluide oscillant compressible et celle des tourbillons internes et externes des écoulements redressés. Pour ce faire, un dispositif expérimental a été conçu, réalisé, instrumenté et caractérisé, impliquant en particulier une étude de l'ensemble couplé source acoustique / résonateur. Pour isoler les phénomènes à l'étude, les autres phénomènes non-linéaires qui peuvent apparaître dans le guide d'onde sont évalués. Des mesures par VLD de vitesse acoustique et de turbulence dans la couche limite acoustique permettent de préciser l'évolution des régimes d'écoulements qui interviennent dans la transition à la turbulence et de déterminer une limite expérimentale entre le régime laminaire et le régime turbulent. Des mesures de la vitesse des écoulements redressés sont effectuées pour observer l'évolution des tourbillons internes et externes des écoulements redressés, en particulier pour des écoulements redressés rapides. Une étude préliminaire est aussi effectuée en vue d'étudier l'influence d'un obstacle sur le schéma de Rayleigh pour aider à la compréhension des phénomènes présents dans les machines thermoacoustiques.

Des sons auto-entretenus peuvent être générés par l'interaction d'un jet plan avec une plaque fendue, et se coupler avec les résonances acoustiques du conduit de soufflage. L'étude s'intéresse aux conditions optimales de production de la source aéroacoustique ainsi créée et à l'influence du couplage sur cette production. Un dispositif expérimental, basé essentiellement sur des mesures microphoniques et vélocimétriques est utilisé. Il est associé à un modèle basé sur la théorie du son tourbillonnaire (``vortex-sound''). Des informations obtenues expérimentalement sur la convection des tourbillons et leur synchronisation avec le champ acoustique permettent de compléter les données d'entrée du modèle. Une loi d'évolution de la fréquence d'émission de type ``Rossiter'' est également obtenue expérimentalement. Les résultats de modélisation permettent d'interpréter cette loi d'évolution comme la condition optimale de production de la source aéroacoustique. Le couplage entre cette source et les résonances du conduit de soufflage est également étudié. Il se fait avec les modes plans du conduit lorsque l'angle d'inclinaison de l'obstacle par rapport à la sortie du jet est faible et avec des modes non-plans dans le cas contraire. L'influence de l'admittance d'entrée du conduit sur le couplage est de plus mise en évidence dans le cas plan. Finalement, l'évolution des fréquences d'émission mesurée est expliquée par un compromis entre les conditions optimales de production de la source aéroacoustique et les conditions optimales de couplage avec le conduit de soufflage.

Le bruit généré dans la zone de contact entre un pneumatique et une route peut être amplifié par des dièdres constitués des surfaces du pneumatique et la route. Cette étude est consacrée à l'optimisation et à la conception de bandes de roulement et de textures de la route pour réduire l'amplification de l'effet dièdre sur la base de l'annulation de sons. Les bandes de roulement et les textures de la route peuvent être considérées comme deux réseaux dans la zone de contact. Les surfaces du pneumatique et de la route peuvent être considérées comme des baffles. Un modèle de réseau à baffle est constitué pour le système pneumatique / chaussée, et des procédés de couplage multi-domaines sont développés pour le calcul des champs acoustiques autour des réseaux à baffles. Avec ce modèle, la réduction des amplifications de l'effet dièdre par les réseaux peut être estimée. Étant donné que les réductions sont autour des fréquences de résonance de l'air à l'intérieur des réseaux, des méthodes numériques simples pour estimer les fréquences de résonance sont développées. Afin de concevoir des réseaux pour obtenir les fréquences de résonance recherchées, une méthode d'optimisation sur la base des algorithmes génétiques est proposée. Les méthodes d'estimation des fréquences de résonance sont validées avec des mesures. Les méthodes d'optimisation et le modèle des réseaux bafflés sont également vérifiées par les expériences. Une structure avec un cylindre en bois et une feuille de contreplaqué est construite pour les validations. Un vrai pneumatique sur une feuille de contreplaqué est également mesuré et calculé avec les méthodes proposées. Les bandes de roulement sont optimisées avec les méthodes proposées. Plusieurs réductions des amplifications de l'effet dièdre peuvent être vues et sont estimées avec les méthodes de couplage multi-domaines. La dimension des motifs de texture de la route est également étudiée afin de trouver les réductions maximales des amplifications / The noise generated in the contact zone between a tire and a road can be amplified by horns constituted of the surfaces of the tire and the road. This study is devoted to the optimization and the design of tire treads and road textures for reducing the amplification of horn effect based on the sound cancellation. The tire treads and the road textures can be considered as two dimensional networks in the contact zone. The surfaces of the tire and the road can be seen as flanges. A model of flanged networks is established for the tire/road system, and multi-domain coupling methods are developed for the calculation of the acoustic fields around the flanged networks. With this model the reductions of the amplifications of horn effect by the networks can be estimated. Since the reductions are around the resonant frequencies of air inside the networks, simple numerical methods for estimating the resonant frequencies are developed. In order to design the networks to get wanted resonant frequencies, an optimization method based on genetic algorithms is proposed. The methods for estimating the resonant frequencies are validated with measurements. The optimization methods and the model of the flanged networks are also proved to be effective by the experiments. The wooden networks between a wooden cylinder and a sheet of plywood are built for the validation. A real tire on a sheet of plywood is also measured and calculated with the proposed methods. Last the tire treads are optimized with the optimization methods. Multiple reductions of the amplifications of horn effect can be seen and are estimated with the multi-domain coupling methods. The road brick dimension is also investigated in order to find the maximum reductions of the amplifications

Dans un contexte d’amélioration des dispositifs pour la réduction de bruit, l’étude sur le transfert d’énergie irréversible en utilisant des résonateurs purement acoustiques à comportement non linéaire a été réalisée. Les résonateurs acoustiques classiques en régime linéaire agissent comme un Amortisseur de Masse Accordée (TMD, en anglais) et ils sont efficaces pour une gamme de fréquence très étroite. Cependant, lorsqu’ils sont soumis à des excitations très fortes (régime non-linéaire) ils peuvent devenir efficaces pour une plus large gamme de fréquences si des termes non linéaires peuvent être activés. Dans un premier temps, une étude sur ce comportement non-linéaire d’un résonateur d’Helmholtz modifié a été réalisée expérimentalement. Ensuite, l’équation dynamique gouvernante de tels résonateurs ont été développées en prenant en compte les non-linéarités de la force de rappel et d’amortissement. Une approximation de la solution analytique de l’équation gouvernante du résonateur acoustique a été déterminée en utilisant les méthodes des échelles multiples du temps et de transformation du temps non régulière. Dans un deuxième temps, une étude du couplage entre un mode acoustique en basses fréquences et un résonateur (celui étudié précédemment) à comportement non-linéaire a été réalisée. Pour ce faire, des mesures expérimentales avec un montage du système couplé ont permis de vérifier l’atténuation acoustique produite par le résonateur en régime forcé et libre. Une modélisation analytique du couplage a permis d’identifier l’expression de la variété invariante lente, ce qui a permis d’étudier les possibles points d’équilibre et points singuliers du système. Les modèles analytiques développés ont également été vérifiés par des simulations numériques. / Nowadays, there is a need of new types of technologies for sound reduction because of the growing of different industries. In this context, we have studied the targeted energy transfer using a purely acoustic resonator. These acoustic resonators act, in the linear regime, as a Tuned Masse Damper (TMD) and they are efficient for a narrow frequency band. But, when they are excited with high forces, in the nonlinear regime, they are efficient for a wider frequency band if the nonlinear terms are activated. First, an experimental study about the nonlinear behavior of a modified Helmholtz Resonator was done. Then, the governing equation of such resonators were developed considering the nonlinearities in the restitution force and damping. An approximation of the analytical solution of the governing equation of the acoustical resonator is derived using the multiples scales of time method and the non-smooth time transformation method. In a second part, a study about the coupling between an acoustic mode in low frequencies and a resonator (the one studied in the previous part) with a nonlinear behavior is done. In order to do this, experimental measurements of the coupled system to confirm acoustic attenuation by the resonator in forced and free regime were done. Then, an analytical modelling of the coupled system allowed to derive the expression of the Slow Invariant Manifold (SIM), in order to identify the possible equilibrium points and singular points of the system. Derived analytical models were verified by numerical simulations.

La lévitation acoustique par des ondes stationnaires ultrasonores (USW), permettent la manipulation des objets micrométriques. L'objectif principal de cette thèse est d'explorer les possibilités offertes par la lévitation acoustique pour manipuler des particules, des cellules et même des bactéries. Nous avons conçu et construit tous les résonateurs et nous avons développé les méthodologies que nous allons montrer dans ce travail expérimental. Selon la nature des particules, leur déplacement est donné par son interaction avec la force acoustique primaire. La position où les particules se déplacent est le point dont les forces acoustique et gravitationnel sont équilibrées. Dans le plan de lévitation, les interactions connues comme force secondaire de Bjerknes est la première étape du processus d'agrégation. Nous présentons une méthodologie pour mesurer cette force. Nous avons mesuré cette force en conditions de micropesanteur. Dans nous résonateurs, nous travaillons avec un grand nombre des particules dont les agrégats sont 3D. Nous introduisons le mode acoustique pulsé que nous permet générer des agrégats 2D. Lorsque les particules deviennent plus petites de 1µm, sa manipulation est difficile en raison de l'influence de l'acoustic streaming qui modifie le comportement des particules. Le mode acoustique pulsé permet de réduire ou de contrôler l'acoustic streaming que nous permet manipuler des particules de taille submicronique, des bactéries et des micro-cylindres catalytiques. Une séparation a été faite par un mélange des particules de 7-12µm dans le dispositif s-SPLITT. Néanmoins la combinaison de forces hydrodynamique et acoustique (HACS) a permis améliorer la séparation.

Cette thèse présente le travail effectué sur la conception d’un oscillateur à quartz miniature (volume visé de 1 cm3) con-trôlé en température. Les équipements de télémétrie, poursuite et contrôle tels que ceux utilisés dans les microsatellites (comme Myriades) sont d'un volume très important (8 litres). Des équipements avec un volume 8 fois moindre (1 litre) sont envisagés sur les pico et nano satellites. Une réduction drastique du volume et de la consommation est donc nécessaire, à performances égales. Elle nécessite une remise en question de l'ensemble des éléments composant l'équipement dont le micro-oscillateur, tant au niveau volume qu'au niveau consommation d’énergie. Les études préliminaires ont servi à définir le résonateur adapté pour satisfaire les spécifications de stabilité demandées. La simulation thermique d'un modèle d’oscillateur OCXO (Oven Controlled Xtal Oscillator) a permis d'obtenir une bonne compréhension des transferts de chaleur dans le dispositif. La réduction des pertes thermiques et l'augmentation de la stabilité thermique du résonateur étaient les principaux défis. La dilatation thermique du résonateur entraine des contraintes mécaniques au niveau de ses fixations et décale la fréquence de résonance. Un MEMS en silicium a été conçu pour supporter le résonateur à l’aide de simulations thermomécaniques. Ce support est compatible avec les contraintes de faible con-sommation et de sensibilité thermique tout en gardant une bonne résistance aux chocs. En ce qui concerne l’électronique, une puce ASIC utilisée depuis plusieurs années a été caractérisée pour établir un modèle numérique. Cette étude a dévoilé les facteurs limitants des performances de l’ensemble et permis d’envisager des solutions correctives. En intégrant dans la démarche les coûts de fabrication, l’utilisation d’un ASIC a été écartée (au moins provisoirement) au profit d’une solution exploitant des composants électroniques du commerce. Enfin, un démonstrateur de module physique miniature a été monté et caractérisé. Les résultats de mesures montrent que la consommation du démonstrateur reste inférieure à la spécification demandée (50 mW à une température extérieure de 25°C et à 100 mW pour -40°C). L’importance de la participation du rayonnement dans les échanges thermiques a aussi été validée expérimentalement. / This thesis presents the work on designing a miniature temperature controlled crystal oscillator (required volume is 1 cm3). TTC (Telemetry, Tracking and Control) equipment which is used in microsatellites (as Myriades) has a very important volume (8 liters). 8 times lower volume equipment (1 liter) is planned for pico and nano satellites. Therefore, a significant reduction of volume and consumption for equal performance is necessary. Redesign is required for all components of equipment items including micro-oscillator, as in volume as at the level of energy consumption. Preliminary studies have served to define the resonator adapted to satisfy the request stability specifications. Thermal simulation of an OCXO oscillator model (Oven Con-trolled Xtal Oscillator) has permitted to achieve a good understanding of heat transfer into the device. Reducing heat loss and increases the thermal stability of resonator were major challenges. Thermal expansion of the resonator causes mechanical stresses in its mountings and shifts the resonance frequency. A silicon MEMS has designed for supporting the resonator by using thermo-mechanical simulations. This support is compatible with the constraints of low consumption and heat sensitivity retaining good impact resistance. As regards electronics, an ASIC chip which is used during many years has characterized with the purpose to obtain the digital model. This study has revealed the limiting factors of the oscillator performance. Also it has allowed to provide remedial solutions. The ASIC using was rejected in favor of the solution operating with commercial electronic components (at least temporarily). Finally, a miniature demonstrator of physical module was assembled and characterized. The measuring results show that demonstrator consumption remains below the required specification (50 mW at outside temperature 25°C and 100 mW at -40 ° C). The importance of the participation of radiation within the thermal exchanges has also validated experimentally.