Control of acoustic propagation using nonlinearity, periodicity, asymmetry and local resonatorsGeorgios Theocharis (LAUM)

2013
01
08

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 8 janvier 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, January 8 2013, 11 a.m.

After a brief description of my scientific journey from Athens to Le Mans, I will focus on my last achievements to the field of granular crystals. Granular crystals defined as ordered aggregates of elastically interacting particles, have drawn interest the last years. These media come not only in different varieties (homogeneous, heterogeneous, disordered), but can be tailored to have tunable responses, ranging from linear, to weakly and strongly nonlinear. Fundamental phenomena have been observed, related to vibrational energy propagation (Solitons), localization (Discrete Breathers), re-distribution, and asymmetric propagation enabled by the spatial discreteness, asymmetry and nonlinearity of granular crystals. Current activities will be also presented regarding locally resonant acoustic metamaterials.

Quantitative ultrasound of bone: towards an estimation of multiscale biomechanical propertiesGuillaume Haïat (MSME, Université Paris-Est)

2013
01
22

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 22 janvier 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, January 22 2013, 11 a.m.

Bone is a complex multiscale anisotropic medium. At the scale of several hundred nanometres, mineralized bone is composed of elementary components such as hydroxyapatite, cylindrically shaped collagen molecules and water. At the scale of 1 to 10 μm, bone is constituted by the ultrastructure composed of fibrils and extrafibrillar spaces. At the scale of several hundred micrometers to several millimetres, the microstructure of cortical bone (compact medium with porosity values comprised between 5 and 15%) is constituted by cylindrical units called osteons whereas that of trabecular bone (highly porous medium with porosity comprised between around 75% to 95%) is made of an interconnected network of more or less disordered trabeculae.

First, Quantitative ultrasound (QUS) methods aiming at estimating trabecular bone quality will be considered. The coupling of numerical simulation tools with high resolution imaging techniques led to the estimation of the sensitivity of ultrasonic parameters to controlled modifications of bone properties by considering an in silico approach of osteoporosis. A similar approach allowed a better understanding of the physical determinants of two longitudinal wave modes in this poroelastic medium (slow and fast wave modes). Two homogenization models of trabecular bone assuming independent and multiple scattering respectively and aiming at determining bone properties at the macroscopic scale by taking into account viscoelastic and wave scattering effects have also been developed.

Second, QUS methods applied to cortical bone will be presented. An experimental multimodal approach allowed a better understanding of ultrasonic propagation at 4 MHz. Finite element numerical simulation tools aiming at modelling the axial transmission configuration have been developed. This approach has been used in order to study the effect of a gradient of material properties determined above on the ultrasonic response of cortical bone. An homogenization method leading to the estimation of the variation of the elastic coefficients across the bone cross-section was developed based on the analysis of 3-D synchrotron micro-computed tomography images.

Third, the application of QUS technique to the determination of the osseointegration of endosseous implants will be studied. An ultrasonic device applied to dental implant will be described. Then, a more fundamental approach consisting in studying a dedicated animal model with a planar bone-implant interface will be studied.

Méthodes énergétiques modales en vibro-acoustiqueNicolas Totaro (LVA, INSA, Lyon)

2013
01
29

annulé / canceled

Pour calculer la réponse vibro-acoustique de systèmes couplés, deux approches s'opposent depuis des années : les méthodes déterministes et les méthodes statistiques. Les méthodes déterministes sont la plupart du temps basées sur la discrétisation du problème couplé en petits éléments de surface ou de volume. C'est dans cette famille de méthodes que l'on retrouve les éléments finis, très répandus dans le monde industriel. Malheureusement, la taille du problème à résoudre dépend de la fréquence et devient vite extrêmement gourmand en temps de calcul. Cette approche est toutefois presque universelle puisqu'elle permet de traiter toutes les géométries et des excitations aussi diverses que des champs de pression ou des efforts ponctuels corrélés. Les méthodes statistiques d'autre part, dont le représentant le plus connu est la SEA (Statistical Energy Analysis), sont souvent des méthodes basées sur le calcul des échanges d'énergies entre sous-systèmes. Le système à résoudre est alors extrêmement simple puisque sa taille dépend du nombre de sous-systèmes. L'inconnue de base est l'énergie totale des sous-systèmes par bande de fréquences. Toutefois, pour exprimer un problème complexe de façon aussi simple, il faut respecter des hypothèses, nombreuses, parfois très contraignantes et la plupart du temps uniquement valides en hautes fréquences et/ou pour des sous-systèmes académiques (plaque, poutre, etc...). Voici donc deux méthodes qui peuvent être complémentaires mais qui ne couvraient pas la totalité du spectre fréquentiel. C'est le fameux "frequency gap" où aucune des deux méthodes n'est vraiment applicable. Toutefois, ce "frequency gap" se réduit à mesure que les performances informatiques augmentent.

Les méthodes énergétiques modales sont de la même catégorie que la méthode SEA mais proposent des calculer les échanges d'énergies entre les modes de systèmes couplés plutôt qu'entre les sous-systèmes eux-mêmes. Elles utilisent ainsi les éléments finis comme un outil pour représenter les modes des sous-systèmes découplés. Elles permettent de monter plus haut en fréquence que l'élément fini classique (puisque l'on traite de sous-systèmes découplés), de modéliser des systèmes à géométrie complexe et de nombreux types d'excitations mais aussi d'estimer la distribution spatiale de l'énergie cinétique et de déformation dans les sous-systèmes, de prendre en compte les modes non résonants, d'identifier les modes responsables des transferts d'énergie et même de tenter de faire de la synthèse sonore. Les méthodes énergétiques modales peuvent être vu comme un post-traitement des éléments finis pour obtenir une synthèse de l'information et définir des outils de pré-design. 

Nonlinear wave propagation in the body: diagnostic imaging, brain therapy, and shear shock wavesGianmarco Pinton (Institut Jean Le Rond d'Alembert, UPMC, Paris)

2013
02
05

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 5 février 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, February 5 2013, 11 a.m.

Soft tissue in the human body can support fast longitudinal waves (1500 m/s) and slow transverse waves (2 m/s). Both types of waves propagate nonlinearly, i.e. the speed of wave propagation depends on its amplitude.

The first part of this presentation will be on nonlinear longitudinal waves and in particular models and simulations for ultrasound propagation in the human body. With these simulations we have been able to generate the first three dimensional, anatomically correct ultrasound images based on propagation physics. I will then present preliminary results on spatial coherence imaging, a new type of ultrasound imaging that measures tissue's scattering properties (instead of tissue reflectivity).

Ultrasound imaging pulses are at low intensities. The second part of the presentation is o high intensity ultrasound which can be used for to nonivasively destroy tissue at the focus. For brain therapy focusing through the skull is difficult because the bone layer introduces a distortion of a spherical beam and is strongly attenuating. During therapy the skull absorbs a significant amount of acoustic energy. The first estimates of the acoustic thermal absorption in bone are presented. The effects of nonlinearity are important due to large intensities at the focus. Their influence on the thermal dose at the focus is shown.

Fast ultrasound waves can be used to measure slow shear waves.  The nonlinear behavior of longitudinal waves in fluids or solids is well established from a theoretical and an experimental point of view. By comparison, the behavior of shock shear waves remains relatively unexplored. The last part of this presentation will be on shear shock wave reflection and on shear shock wave tracking.

Flash doctorantsDoctorants de première année du LAUM

2013
02
12

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 12 février 2013, 10 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, February 12 2013, 10 a.m.

Présentation de leur thèse par les doctorants de première année du LAUM :

Short scientific presentation by the first year PhD student of the LAUM:

 Doctorant

 Équipe (encadrants)

 Sujet  de la thèse

Omar Aklouche

VAGuE (F. Gautier, S. Maugeais, A. Pelat)

Trous noirs acoustiques

Rodrigue Bouete

VAGuE (B. Brouard, O. Dazel, J.-L. Rebière)

Méthodes numériques vibro-acoustiques...

Olfa Chaouch

Transducteurs (K. Raoof, L. Simon)

Tomographie passive...

Thibaut Devaux

Matériaux (V. Pagneux, O. Richoux, V. Tournat)

Rectificateur et diodes acoustiques

Ludovic Foze

Matériaux (M. Bruneau, C. Potel)

Guides rugueux, CND

Adalbert Nanda Tonlio

Transducteurs (P. Béquin, S. Durand)

Microphones à micro décharges

Côme Olivier

Transducteurs (P. Lotton, G. Pénelet, G. Poignand)

Transducteurs thermo-acousto-électriques

Julien Poittevin

VAGuE (F. Gautier, C. Pézerat, P. Picart)

Holographie optique numérique ultra-rapide

Xiong Lei

VAGuE (Y. Aurégan)

Use of metamaterials in duct acoustics

Standing shear waves in viscoelastic mediaValeriy Andreev (Acoustics Dpt, Faculty of Physics, Moscow State University, Russia)

2013
02
19

annulé / canceled

The talk is devoted to the effects which can be observed in resonator made of soft solid material (gel, soft biological tissue, polymers). I will show that method of resonator can be used for accurate measurement of shear modulus and shear viscosity in frequency range 1 – 1000 Hz. The spectrum of relaxation times is evaluated from the resonance curves. In nonlinear regime the shape of resonance curves is transformed asymmetrically with the amplitude increasing, becoming steeper at frequencies above resonance. The magnitude of the resonance frequency is increased up to 10 %. Temporal waveform of a standing wave is distorted and becomes asymmetric. These effects are typical for waves in media with cubic nonlinearity.

Présentation des activités du laboratoireJaume Esteve (Instituto de Microelectrónica de Barcelona, CNM, Espagne)

2013
02
20

LAUM, salle de conférence (4e étage), mercredi 20 février 2013,11 h

LAUM, conference room (4th floor), Wednesday, February 20 2013, 11 a.m.

Résumé non communiqué / Abstract not provided

Communication vocale chez les mammifères: de l'anatomie au comportementDavid Reby (University of Sussex, Brighton, RU)

2013
02
21

LAUM, bibliothèque (1er étage), jeudi 21 février 2013, 11 h

LAUM, library (1st floor), Thursday, February 21 2013, 11 a.m.

I will illustrate how the source-filter theory of vocal production can be applied to studying mammal vocal signals, by reviewing studies of sexual communication in polygynous deer. Using a combination of anatomical investigations of the vocal apparatus, acoustic analyses, and playback experiments of resynthesised vocalisations, we have investigated the function of sexual calls in both inter- and intra-sexual communication contexts. We have shown that: (i) both red deer and fallow deer males have a descended  and mobile larynx, an anatomical innovation that enables callers to lower their formants during vocalising and exaggerate their apparent body size; (ii) minimum formant frequencies provide an honest indication of body size in red deer roars; (iii) stags use rivals' minimum formant frequencies in assessment during male-male contests, and adjust the formants of their own replies in relation to what they hear; (iv) oestrus red deer hinds pay more attention to roars in which formant spacing indicates larger males, but prefer higher pitched roars; (v) harsh roars, a type of roar characterised by an a-periodical glottal wave, increase hinds responses to other call types and may have an 'attention-grabbing' function. I will discuss these results in the context of the diversity  of male deer anatomy, vocal behaviour and reproductive strategies and suggest directions for future research.

Guided waves for sizing defects in thin platesDilbag Singh (LAUM)

2013
02
26

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 26 février 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, February 26 2013, 11 a.m.

It is well known that ultrasonic Lamb waves can propagate along long distances interrogating the whole through thickness of the guide and such waves are also used for flaw detection in plate-like structures. The presence of a defect at the surface or inside the body may strongly affect the material. Therefore, it is very important to locate and estimate the size of defects using non-destructive measurements to assess the strength and serviceability of the structures. Various researchers have already investigated the use of ultrasonic guided waves to estimate the location of defects along the guide, but very few studies are available about how to size defects after the location of defect is known. In the first part of this presentation, a fast two-dimensional (2D) finite element (FE)-based inverse scheme will be explained to estimate the size and/or through-thickness position of a defect in a waveguide, using two parameters representing the dimensions of the geometry of the strip-defects. It is assumed that defect type/shape and location along the structure are already known. Few experimental validations of this inverse technique will also be presented.

In the second part of this presentation, the problem of point impacted damage in a thin carbon fiber reinforced composite plate will be studied using 3D-FE model and its experimental validation. CFRC plates are increasingly used in many applications such as in aerospace, naval, and automotive industries due to its advantage of high specific strength and stiffness for low weight. However, one weakness of the composite material plates is their sensitivity to impacts through thickness, which may cause severe and harmful damages. The scattering behavior of incident A0 guided wave mode from the damaged zone in the plate will be studied numerically and experimentally. A detailed numerical study is performed to observe the effect of the different depths and base aspect ratios (ratio between diameter of the damaged zone and incident wavelength of A0 Lamb mode) of the conical damage present inside the composite plate. The scattering directivity pattern (SDP) may possibly give an idea about the extent and depth of the conical damage zone (caused due to a point impact) inside the composite plate using guided wave sensors. 

Expression of gender in the human voice: is there a “sex code”?David Reby (University of Sussex, Brighton, RU)

2013
03
07

LAUM, bibliothèque (1er étage), jeudi 7 mars 2013, 11 h

LAUM, library (1st floor), Thursday, March 7 2013, 11 a.m.

Pourquoi est-ce que les hommes ont des voix plus graves que les femmes? Je discuterai des bases anatomiques et des origines évolutives des différences sexuelles dans la voix humaine. Nous verrons également comment le genre, et les traits qui y sont associés sont exprimés dans la voix des enfants et des adultes. Je montrerai que chez l'homme, les différences sexuelles qui caractérisent nos voix résultent d'une combinaison de facteurs anatomiques et comportementaux.

Why are men's voices lower-pitched and more baritone than women's? I will discuss the anatomical bases and evolutionary origins of the sex differences in the human voice. I will also discuss how gender, and related attributes, are expressed in children's and adult's voices. I will show that in humans, voice gender differences result from a combination of anatomical factors and behavioural factors.

Prediction of the vibroacoustic response of aerospace composite structures in a broadband frequency rangeDimitrios Chronopoulos (LTDS, École Centrale de Lyon)

2013
03
12

LAUM, bibliothèque (1er étage), mardi 12 mars 2013, 10 h

LAUM, library (1st floor), Tuesday, March 12 2013, 10 a.m.

Résumé non communiqué / Abstract not provided

Éléments finis ondulatoires: positionnement et développements en coursMohamed Ichchou (LTDS, École Centrale de Lyon)

2013
03
12

LAUM, bibliothèque (1er étage), mardi 12 mars 2013, 11 h

LAUM, library (1st floor), Tuesday, March 12 2013, 11 a.m.

Résumé non communiqué / Abstract not provided

Clearer images from contrast-enhanced ultrasound imagingGuillaume Renaud (Department of Biomedical Engineering, Thoraxcenter, Erasmus MC, Rotterdam, Pays-Bas)

2013
03
13

LAUM, bibliothèque (1er étage), mercredi 13 mars 2013, 11 h

LAUM, library (1st floor), Wednesday, March 13 2013, 11 a.m.

Most techniques for contrast-enhanced ultrasound imaging require linear propagation to detect nonlinear scattering of contrast agent microbubbles. Waveform distortion due to nonlinear propagation impairs their ability to distinguish microbubbles from tissue. As a result, tissue can be misclassified as microbubbles, and contrast agent concentration can be overestimated; therefore, these artifacts can significantly impair the quality of medical diagnoses. Contrary to biological tissue, lipid-coated gas microbubbles used as a contrast agent allow the interaction of two acoustic waves propagating in opposite directions (counter-propagation). Based on that principle, we describe a strategy to detect microbubbles that is free from nonlinear propagation artifacts. In vitro images were acquired with an ultrasound scanner in a phantom of tissue-mimicking material with a cavity containing a contrast agent. Unlike the default mode of the scanner using amplitude modulation to detect microbubbles, the pulse sequence exploiting counter-propagating wave interaction creates no pseudoenhancement behind the cavity in the contrast image. First in vivo images will be acquired soon.Improving the comprehension of the nonlinear behaviors exhibited by the contrast agent microbubbles in response to ultrasound is also essential to develop the most efficient detection techniques. To achieve this, we developed an "acoustical camera" to retrieve the radial response of single microbubbles to a pressure wave by means of a high-frequency probing wave. By measuring the responses of multiple microbubbles, the statistical properties of a given contrast agent can be determined. Different applications of the method will be presented.

The fundamental elements in certain inverse acoustic problems: their roles and interactionsVincent Martin (Institut Jean Le Rond d'Alembert, UPMC, Paris)

2013
03
19

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 19 mars 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, March 19 2013, 11 a.m.

Acoustic holography and holophony, wave field synthesis and active noise control are based on common elements which are causality, model, objective, and regularization. In the frequency domain (putting causality aside), a simple formulation states the influence - not the interaction - of errors of the model and objective and of regularization of the results. However, it does not give either an understanding or any relation of cause to effect. When the objective can be reached using the available model, regularization is not needed and the information liable to be extracted from this determined problem is poor, unlike in the overdetermined case when the model does not allow the objective to be reached. The geometrical interpretation of the overdetermined problem written in the least-mean square sense could be a tool to enlighten the influences and interactions in question. After having shown the interest of the geometrical interpretation, a pseudo-analytical inverse problem in spherical holophony and a numerical problem in plane holography provide particular illustrations. From among the properties accessible, one is highlighted: in the case of a perfect objective but an inaccurate model, its adaptation brings a decrease in the amount of regularization required and an improvement in the results.

Acoustic black holes – history, exact analytical solutions, experimental resultsMikhail Mironov (Andreyev Acoustics Institute, Moscow, Russia)

2013
03
26

annulé / canceled

Physical description of black hole for wave is given. Smooth slowing-down of wave velocity propagation in some waveguide to zero at finite distance provides the infinite propagation time. So, the wave never riches the end of the wave guide and, as a consequence, does not reflect back to the initial cross section. Such nonreflecting wave guides without absorbing materials may be named black holes. The history of acoustic black holes investigations begines with Rayleigh (Theory of sound, Vol. 1), happy name “acoustic/vibrational black hole” was devised in 1988 (Soviet Physics Acoustics, translated from russian). Specially sharpened rod or plate is simple and practically useful example of acoustical black hole. It appears that, just for the best low of sharpening, there is full set of solutions of bending oscillations equation in the form of simple analytical functions. The main vibrational characteristics of ideal and real black holes are calculated. Some experimental results of damping by black holes are given.

Journée Animation Axe 2 du Projet AI-Fruit

2013
03
26

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 26 mars 2013, 9 h 30

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, March 26 2013, 9:30 a.m.

Dans le cadre d'une journée d'étude du projet AI-Fruit, organisée au LAUM, quatre présentations des activités réalisées sont prévues. Elles sont ouvertes à tous, dans la limite des places disponibles.

Elastodynamic cloaking: Transformation elasticity with prestressed hyperelastic solidsWilliam J. Parnell (University of Manchester, RU)

2013
04
02

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 2 avril 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, April 2 2013, 11 a.m.

Interest in cloaking theory (i.e. rendering objects near-invisible to incident waves) and its practical realization has grown significantly since the early theoretical work of Uhlman, Greenleaf, Leonhardt and the Pendry group (and others!) in optics and electromagnetism. Methods have largely been based on the idea of coordinate transformations, which motivate the design of cloaking metamaterials. These materials are able to guide waves around a specific region of space. Research has subsequently focused on the possibility of cloaking in the contexts of acoustics, surface waves in fluids, heat transfer, fluid flow and linear elastodynamics.

It was shown by Milton and co-workers that elastodynamic cloaking is made difficult due to the lack of invariance of Navier's equations under general coordinate transformations which retain the symmetries of the elastic modulus tensor. Invariance of the governing equations can be achieved if assumptions are relaxed on the minor symmetries of the elastic modulus tensor but commonly occurring elastic materials do not possess this property.

In this talk after giving a brief introduction to cloaking theory and the difficulties that arise in elastodynamics, we shall show that it is theoretically possible to construct elastodynamic cloaks by pre-stressing hyperelastic (nonlinear) solids (e.g. rubber). We shall discuss an initial simple case (antiplane waves) as was studied in [1] before moving on to describe various generalizations including finite cloaks [2], more general elastodynamic cloaking pre-stress [3] and some more recent work describing more general strain energy functions and experiments in the antiplane wave case.

[1] Parnell, W. J., "Nonlinear pre-stress for cloaking from antiplane elastic waves", Proc. Roy. Soc. A 468, 563-580 (2012). 

[2] Parnell, W. J., Norris, A.N. and Shearer, T., "Employing pre-stress to generate finite cloaks for antiplane elastic waves." Appl. Phys. Lett. 100, 171907 (2012).

[3] Norris, A.N. and Parnell, W. J., "Hyperelastic cloaking theory: Transformation elasticity with prestressed solids". Proc. Roy. Soc. A. 468, 2881-2903 (2012).

Résolution de l'équation de Helmholtz par des méthodes sans maillage. Application aux cavités acoustiques.Alexandre Leblanc (LGCgE, Université d'Artois)

2013
04
09

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 9 avril 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, April 9 2013, 11 a.m.

La résolution de l'équation de Helmholtz dans des cavités réalistes (géométrie et/ou conditions aux limites complexes) est, et restera encore longtemps, un enjeu central pour l’amélioration du confort acoustique. Ainsi, de nombreux codes commerciaux, pour la plupart basés sur les éléments finis (FEM) sont utilisés massivement dans tout type de contexte. Cependant,  la méthode des éléments finis nécessite la discrétisation de l’ensemble du domaine d’étude. Ainsi, et si on applique les règles communément utilisées de maillage, la modélisation numérique d’une salle de concert de dimensions 20 x 20 x 50 mètres peut mettre en jeu jusqu’à 70 millions d’inconnues ! Ainsi, et même si on dispose de moyens suffisants, se pose la question de trouver d’autres techniques présentant un coût numérique moindre. La méthode des éléments finis de frontières (BEM) et ses variantes ont été longtemps considérées comme les alternatives les plus efficaces, permettant d’obtenir par exemple la diffraction en champ lointain d’un sous-marin avec le seul maillage de celui-ci. Cependant, ce type de méthode s’accompagne de difficultés de mise en œuvre : structure des matrices (certes plus petites, mais denses) ; singularités ; présence de fréquences irrégulières. Depuis quelques années, de nouvelles techniques, issues d’idées anciennes (méthodes de Galerkin/Treffz, radial basis functions, méthode des solutions fondamentales) se développent et se distinguent par l’abandon du principe d’éléments définissant une structure ou un domaine. Ce séminaire résume quelques travaux récents et des applications de ces méthodes, notamment celles dites sans maillages, à la résolution de l’équation de Helmholtz. Aussi, on s’intéressera à cette équation comme problème aux valeurs propres. On montre ainsi que ces méthodes sont particulièrement adaptées à l’obtention des résonances de cavités acoustique (faible coût numérique et temps de développements réduits).

Acoustic bubble behavior in a standing wave fieldCyril Desjouy (LabTAU, INSERM, Université Claude Bernard Lyon1)

2013
04
16

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 16 avril 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, April 16 2013, 11 a.m.

This work focuses on the experimental and numerical studies of acoustic cavitation induced micro bubbles in a standing waveguide filled with water. It is shown that the cylindrical geometry of the system used in this study allows the micro bubbles to self organize into particular patterns. At high pressure amplitudes, the cavitation bubbles tend to aggregate into well-know cluster patterns and at relatively low pressure amplitudes, the cavitation micro bubbles aggregate into ring patterns. This study highlights that the shape of these ring patterns is directly related to the Bjerknes force distribution in the resonator. It is also shown both experimentally and numerically that cavitation bubbles may exhibit spiraling behavior around this ring pattern. This spiraling phenomena is numerically studied and the conditions for which a single cavitation bubble follows an orbital trajectory in the cylindrical waveguide are established, and the influences of the acoustic pressure amplitude and the initial bubble radius are investigated.

Thermoacoustics from Fluid Dynamical ViewpointNobumasa Sugimoto (Osaka University, Japan)

2013
04
19

LAUM, salle de conférence (4e étage), vendredi 19 avril 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Friday, April 19 2013, 11 a.m.

Thermoacoustics is reviewed from fluid dynamical viewpoint by restricting a talk to phenomena which occur in a gas-filled channel or tube subject to a temperature gradient axially. Emergence of spontaneous oscillations is an outcome of balance between instability, which is promoted linearly by an acoustic resonance, and nonlinearity in the system. The initial instability may be regarded as that of a heat flow in a quiescent background, which may be compared with the well-known instability of a mass flow. After some preliminaries are given, applications of the phenomena to novel heat engines are briefly outlined and mechanisms of the instability are primitively explained. While detailed analyses of linear stability are made usually based on Rott’s equation in frequency domain, the thermoacoustic wave equation in space and time domain is introduced. This equation is reduced to Rott’s equation if a time-harmonic disturbance is considered. Use of this equation enables us to pose an initial-value problem and to examine a transient behavior. The equation may be approximated depending on the ratio of a typical thickness of thermoviscous diffusion-layer relative to a span length of a flow passage. Difference in the relative thickness measured by Reynolds number is related to that in a relative diffusion-time measured by Deborah number. Approximate equations are shown for two cases of thin and thick-diffusion layers. In the former case, the equation is a lossless wave equation for a gas non-uniform in temperature, to which memory effects due to thermoviscous diffusion are included. In the latter case, the equation is reduced to a diffusion-wave equation, which indicates that the temperature gradient gives rise to wave propagation against the gradient. Using these approximate equations are derived marginal conditions of instability for the gas in a quarter-wavelength tube and a looped tube. Although there must be a third case between the two cases, this will be covered by the limits of the two cases. Mean acoustic energy flux averaged over the one period of oscillations is discussed in terms of the shear stress and the heat flux at the wall surface. Finally some nonlinear phenomena resulting from a gas flow especially in the vicinity of a stack end are briefly discussed. 

Interaction musicien/instrument : le cas de la harpe de concertDelphine Chadefaux (LAM, d'Alembert, UPMC, Paris)

2013
05
07

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 7 mai 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, May 7 2013, 11 a.m.

Dans le domaine de l'acoustique musicale, les recherches visant à la compréhension des instruments ont rendu possible la modélisation et la synthèse sonore de nombre d'entre eux. Cependant, le degré de connaissance acquis d'un système matériel, si élevé soit-il, ne permet pas à lui seul de prédire son comportement à la suite d'une interaction avec l'homme. L'étude de l'interaction entre musicien et instrument fait ainsi l'objet de nombreux travaux de recherche afin de prendre en considération son effet sur la production sonore et d'effectuer, à terme, des synthèses sonores plus réalistes. Au cours de leur apprentissage, les musiciens développent une importante maîtrise de leur instrument de manière à exécuter précisément les gestes nécessaires à la qualité sonore désirée. La mise en évidence des paramètres de contrôle pertinents vis-à-vis du son produit, dans le cas de la harpe de concert, est au centre de ce travail de thèse. Dans un premier temps, cette interaction est étudiée à l'échelle du musicien par le biais d'une analyse de ses gestes instrumentaux et ancillaires en relation avec le contexte et l'intention musicale. La seconde partie de ce travail se focalise sur la cause directe de la production sonore, i.e. le pincement de la corde. La spécificité et l'importante répétabilité de ce geste pour chaque instrumentiste est ainsi mise en évidence. Enfin, une modélisation de l'interaction entre le doigt du musicien et la corde de harpe enrichie des précédents résultats est proposée, validée par l'utilisation d'un doigt artificiel contrôlable et paramétrable.

Récents développements sur les méthodes à ondes planesEmmanuel Perrey-Debain (Laboratoire Roberval, UTC, Compiègne)

2013
05
14

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 14 mai 2013, 11 h 30

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, May 14 2013, 11:30 a.m.

Il existe de nombreux champs d'applications pour lesquels la résolution de problèmes ondulatoires est inévitable, on peut citer notamment les problèmes de réduction de bruit dans le domaine du transport terrestre et aérien, la diffraction des ondes électromagnétiques (signature radar), la diffraction des ondes dans les solides (exploration pétrolière, contrôle non destructif), la mécanique quantique, etc...

Il est bien connu que les méthodes de discrétisation conventionnelles telles que la méthode des éléments finis ou celle des éléments de frontière se trouvent très vite limitées pour traiter des problèmes à moyenne ou haute fréquence dû au coût informatique exorbitant que ceux-ci occasionnent. En effet, une description assez précise du problème requiert d'utiliser environ 10 degrés de liberté par longueur d'onde. Ainsi, le calcul de la diffraction d'une onde radar de fréquence 30 GHz par un avion de ligne classique nécessite à peu près 100 millions à 1 milliard d'inconnus uniquement sur la surface de l'appareil !

Les années 90 ont vu l'émergence de nombreuses méthodes alternatives pour palier à ces difficultés (méthodes itératives rapides, décomposition de domaine, parallélisation,...). Parmi ces développements, l'application de la PUFEM (Partition of Unity Finite Element Method) pour la résolution de l'équation de Helmholtz a montré des améliorations considérables puisque il est maintenant permis de n'utiliser qu'un peu plus de 2 variables par longueur d'onde (au lieu de 10) pour obtenir des solutions numériques de très bonne qualité. Dans cette méthode, l'espace fonctionnel est construit en multipliant les fonctions de forme classique pour les éléments finis par des fonctions oscillantes, solutions particulières du problème homogène. Ainsi, les ondes planes progressives sont des fonctions de choix pour l'équation de Helmholtz. La méthode est étendue avec succès à la résolution des équations de propagation dans un milieu poreux à structure élastiques (équations de Biot) couplé ou non avec un milieu fluide classique (air) ainsi qu'à la résolution des équations intégrales pour la diffraction acoustique.

Propagation acoustique non-linéaire en atmosphère inhomogène avec effets de sol : expériences à l'échelle du laboratoireEdouard Salze (LMFA, École Centrale de Lyon)

2013
05
21

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 21 mai 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, May 21 2013, 11 a.m.

La modélisation de la propagation acoustique longue distance dans l'air nécessite de prendre en compte la complexité des phénomènes en interaction : turbulence atmosphérique, gradients de célérité du son, impédance et rugosité du sol etc. Avec l'aviation supersonique, une difficulté supplémentaire a été ajoutée avec la propagation non- linéaire du bang sonique. La validation des modèles par la comparaison avec des mesures en extérieur en vue d'une prédiction des niveaux sonores est délicate, car les conditions atmosphériques ne peuvent être ni suffisamment contrôlées ni caractérisées de façon extensive. Une alternative est la réalisation d'expériences à l'échelle du laboratoire où le milieu de propagation, la source sonore et les récepteurs peuvent être contrôlés et caractérisés.

Ce travail porte sur la propagation d'impulsions sonores ("ondes en N"), de forte amplitude (~ 1500 Pa) et de courte durée (~ 50 μs), présentant des chocs acoustiques. La propagation a lieu à travers la turbulence, en champ libre ou en présence d'une paroi plane, avec un gradient de célérité du son causant une "zone d'ombre" près du sol. Un dispositif expérimental a été spécialement réalisé, dans lequel les impulsions sonores sont générées par claquage électrique entre deux électrodes (source "à étincelles"). La turbulence est créée par convection libre au-dessus d'une grille de résistances chauffées, et la zone d'ombre acoustique est obtenue au moyen d'une paroi cylindrique. La mesure est réalisée à l'aide de microphones 1/8'', et d'une technique d'ombroscopie schlieren.

Les sources impulsionnelles utilisées lors des expériences à l'échelle du laboratoire peuvent présenter des formes d'onde sensiblement différentes de l'onde en N idéale. Pour la source à étincelles, la forme d'onde réelle émise par la source à été obtenue en utilisant la technique d'ombroscopie schlieren. Ce type de visualisation permet de déterminer la forme d'onde mais pas le niveau de pression, qui doit donc être déterminé par une analyse complémentaire utilisant la théorie des chocs faibles. À l'heure actuelle, un des facteurs limitant des expériences à l'échelle du laboratoire est la transposition vers une gamme ultrasonore, afin que le rapport longueur d'onde - distance de propagation reste du même ordre de grandeur que lors des expériences à l'échelle de l'atmosphère. Constatant qu'il n'existe pas de méthode de calibration adaptée dans une gamme de fréquence de 10 kHz à 1 MHz (typique des expériences à l'échelle du laboratoire), une nouvelle méthode de calibration a été proposée. L'étendue spectrale de la source à étincelle permet en effet une excitation du microphone dans cette gamme de fréquences. La méthode proposée peut être mise en oeuvre quelque soit le mode de transduction du microphone.

En champ libre, la propagation d'ondes de choc à travers la turbulence donne lieu en moyenne à une atténuation du pic de pression. Des zones de focalisation aléatoire sont néanmoins observées, où l'amplitude de l'onde peut être multipliée par 3 par rapport au cas sans turbulence. Les densités de probabilité du pic de pression ont été décrites avec un excellent accord par une loi Gamma généralisée dont les paramètres sont déduits en fonction de la distance de propagation à partir des données expérimentales. La présence d'une frontière peut donner lieu à des réflexions irrégulières. Dans le cadre des expériences à l'échelle du laboratoire, les niveaux de pression sont suffisamment importants pour que des phénomènes de ce type puissent être observés. Pour des ondes de choc faible (nombre de Mach acoustique de l'ordre de 10-2), nous avons mis en évidence ce phénomène dans l'air avec une paroi plane ou cylindrique.

L'effet d'un gradient de célérité du son a été étudié expérimentalement au moyen d'une frontière cylindrique qui crée une zone d'ombre acoustique semblable à celle qu'aurait créé un gradient de célérité du son. Si en "zone éclairée" la turbulence a tendance à atténuer le niveau de pression, un résultat important est qu'à l'inverse dans la zone d'ombre la turbulence cause une amplification systématique du niveau de pression, jusqu'à 8 fois. L'analyse statistique montre que dans la zone d'ombre la probabilité d'observer une atténuation du niveau de pression est strictement nulle. Cette observation suggère qu'avec turbulence, le mécanisme dominant de propagation est la diffusion acoustique par les structures turbulentes. Ceci aurait pour conséquence dans le cas du bang sonique l'extension de la zone d'exposition sonore sous la trace de l'avion (carpette primaire). 

Contrôle de la propagation des ondes par des dispositifs constitués de cristaux soniquesRubén Picó Vila (Universitat Politècnica de València, Gandia, Espagne)

2013
05
28

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 28 mai 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, May 28 2013, 11 a.m.

Les cristaux soniques (CS) sont des matériaux synthétiques constitués d’un arrangement périodique de diffuseurs solides dans un milieu fluide. Le contrôle de la propagation des ondes est la base des applications récentes des CS dans le domaine de l’acoustique et de l’optique. Le filtrage spectral produit par les bandes interdites (bandgap) dans ces milieux est bien connue et des barrières antibruit ont été conçues sur ce principe. Récemment, de nouvelles propriétés des CS ont été proposées et validées expérimentalement en régime de diffraction. L’existence de bandes interdites angulaires permet en effet de filtrer le spectre spatial des ondes incidentes sur les CS. Des applications de cet effet au rayonnement et à la directivité des sources sont envisagées. L’auto-collimation est un exemple d’un régime particulier dans lequel le faisceau sonore ne subit pas de diffraction lors de sa propagation. Le phénomène peut s’expliquer par la présence de segments plats dans les courbes de dispersion spatiale pour certaines fréquences et directions de l’espace. En régime d’homogénéisation, des lentilles à index de réfraction variable (GRIN) focalisent les ondes sonores grâce à des CS graduellement modifiés, avec des gains supérieurs aux lentilles concaves. L’état des recherches actuel permet ainsi de maîtriser le rayonnement des sources dans les différents régimes fréquentiels. Grâce au contrôle des paramètres caractéristiques d’un CS, on envisage désormais le développement de dispositifs permettant d’améliorer les performances des transducteurs audio et ultrasonores.


Near-field spherical microphone array processingAdam Koutný (Faculty of Electrical Engineering, Czech Technical University)

2013
06
04

LAUM, bibliothèque (1er étage), mardi 4 juin 2013,  15 h

LAUM, library (1st floor), Tuesday, June 4 2013, 3 p.m.

The spherical microphone array configuration has been intensively studied during the past several decades. The main advantage of such an array is its three-dimensional symmetry that makes this approach most suitable for operation in the complex sound field that could be found i.e. in enclosed spaces. There are several possible ways how to design an array. Currently, two opposite constructions of the sphere are employed; the open and rigid sphere. The number of microphones, determining the order of an array, as well as their distribution around the sphere is essential for the spatial resolution. In this presentation, the spherical microphone array processing based on the expansion in terms of the spherical harmonics functions is presented. Several tasks concerning design of an array are also discussed. Then, the near-field processing based on the spherical Near-Field Acoustical Holography is presented and the sound field (acoustic pressure and active intensity vector) is reconstructed in the volume surrounding the sphere. In conclusion, several topics of current research are discussed.

Microscopie holographique numériqueMichael Atlan & Jorge Garcia-Sucerquia

2013
06
06

LAUM, salle de conférence (4e étage),  jeudi 6 juin 2013, 10 h

LAUM, conference room (4th floor),  Thursday, June 6 2013, 10 a.m.

Holographic image acquisition for laser Doppler imaging of (sub-)nanoscale surface acoustic waves and blood flow 

Michael Atlan (Institut Langevin, ESPCI, Paris)

We report quantitative video-rate optical imaging of out-of-plane surface vibrations with a parallel laser Doppler measurement scheme on a sensor array. Our approach is based on time-averaged heterodyne holography in off-axis and frequency-shifting conditions.

Small sinusoidal optical phase modulations are recorded and imaged with a frame exposure time much longer than the modulation period by time-averaged holography. In practice, sinusoidal out-of-plane surface motion creates side bands at the harmonics of the modulation frequency in the radiofrequency spectrum of the reflected laser beam. The heterodyne detection variant of time-averaged holography benefits from a frequency-shifted optical local oscillator to shift the first optical modulation sideband within the temporal bandwidth of the sensor, which increases the detection sensitivity - a requirement for screening surface waves of (sub-)nanometer magnitudes at radiofrequencies.

We further increased the measurement sensitivity in practical experimental conditions by measuring the amplitude ratio of the first modulation side band and the non-shifted band. This method permits quantitative mapping of optical path length modulation depth. For that purpose, we used a coherent frequency-division multiplexing technique with a dual local oscillator to measure both sidebands simultaneously. Experimental images of out-of-plane mechanical vibration amplitudes versus excitation at audio frequencies will be presented. The proposed imaging technique is single-frequency (narrowband) but tunable throughout the available range of local oscillator frequency shifts. Images are rendered at video rate.

The proposed method can also have applications in biomedical laser Doppler imaging, where wideband scanning laser Doppler imaging (LDI) instruments are 

commercially available for diagnosis. However, blood flow mapping with a scanning LDI imager typically takes a few minutes, requiring the subject to be stabilized during image acquisition, hindering microangiographic screening.

Wide-field alternatives to scanning LDI have the potential to increase image throughput. They include spatial-domain and time-domain analysis of laser intensity (i.e. second-order) fluctuations recorded with a sensor array, in the image plane. Another approach to perform wide-field LDI makes use of holography. Holography was shown to enable spatially-resolved hemodynamic contrasts in superficial vessels, permitting measurements of first-order fluctuation spectra of the optical field beating against a reference field. It is suited for the observation of microflow contrasts, for which typical Doppler broadenings of near infrared light lies in the kilo Hertz range.

Our strategy for quantitative assessment of fluid velocity relies on the derivation of Doppler distributions from the diffusing-wave spectroscopy model. For particles in deterministic motion in a semi-infinite, optically diffusing medium, the first-order power spectrum is a lorentzian line whose width is proportional to their velocity. Under this assumption, spatially-resolved maps of quadratic velocities in blood vessels are derived from width measurements of spectral lines of near infrared light in the eye fundus and the cerebral cortex of rodents. Holographic LDI could be a good approach for the development of sensitive and quantitative micro hemodynamics screening tools. A comprehensive method for fluid velocity assessment from holographic analysis of optical fluctuation spectra will be outlined.

Digital Lensless holographic microscopy : a modern perspective of Denis Gabor invention

Jorge Garcia-Sucerquia (Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín)

Résumé non communiqué / Abstract not provided

Developing tunable mechanical structures and novel sensor devices using phononic crystalsJinkyu Yang (University of South Carolina, USA)

2013
06
11

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 11 juin 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, June 11 2013, 11 a.m.

A superb mechanism for impact mitigation and damage tolerance has been developed over the millennia in hard biological systems, from beaks of birds to exoskeletons of crabs and lobsters. These natural materials exploit strategically arranged, periodic architectures of complex composites made of relatively weak constituents. Inspired by such clever biological systems in nature, we study how to design, fabricate, and characterize a new class of tunable material systems using phononic crystals, which are defined as an assembly of ordered elastic particles/rods in periodic architectures. These phononic crystals exhibit remarkable versatility in their dynamics responses in support of a wide spectrum of elastic waves from linear to highly nonlinear regimes. In this talk, I will introduce the fundamental wave dynamics and mechanics of different types of phononic crystals (e.g., helical and woodpile phononic crystals) with focus on controlling the mechanical waves in an efficient manner. Potential engineering applications of phononic crystals are also explored, including the development of lightweight and tunable structures that allow filtering, modulating, and mitigating external impact and vibrations. The second half of the talk will cover the design of new sensor and actuator instruments using phononic crystals. These sensing devices employ nonlinear solitary waves as novel information carriers for improved accuracy and sensitivity. Preliminary studies show that the phononic crystal sensors can successfully characterize bone mechanical properties for biomedical applications and also detect hidden delaminations in fiber-reinforced composite structures for aerospace applications. This solitary wave-based diagnostic method may offer a new perspective beyond the conventional structural health monitoring and nondestructive evaluation schemes.

De quelques effets de l'écoulement sur la propagation acoustiqueYves Aurégan (LAUM)

2013
06
18

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 18 juin 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, June 18 2013, 11 a.m.

Two effects of flow and dissipation will be presented: 

1) Liners with a very small resistance had already shown particular behaviour with flow: It has been demonstrated that this kind of liner can be unstable. These liners exhibit another unusual acoustical behaviour: For a certain range of frequencies and Mach numbers, no wave can propagate against the flow. They are acoustical diodes. This effect is very sensitive to the flow boundary layer and to the remaining dissipation in the liner.

2) Experiments have been conducted to measure the acoustical reflection coefficient of a box, which can exhibit ray chaotic properties. The normalized cavity impedance describes universal properties of the reflection fluctuations by properly taking into account the coupling process between the measurement duct and the cavity. The random matrix theory (RMT) provides a good description of the one-port wave chaotic system. The reflection fluctuation statistics depend only on a single control parameter characterizing the cavity loss in the realm of intermediate to high losses induced by porous material inside the box. The breaking of the time reversal symmetry by a small airflow inside the box is also successfully described by the RMT.

Nonlinear pulse propagation through engineered granular networksAndrea Leonard (ETH, Zürich, Suisse)

2013
06
24

LAUM, salle de conférence (4e étage), lundi 24 juin 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Monday, June 24 2013, 11 a.m.

We study the dynamic force transmission through ordered networks of interconnected chains of particles. The unique behaviour of the compact pulses, or solitary waves, traveling through the networks allows us to derive theoretical expression for the pulse splitting, bending, and combining, by modelling traveling pulses with effective particles possessing identical momentum and kinetic energy. Additionally, we use a discrete particle model to numerically simulate the nonlinear dynamic behaviour of each system for comparison with experiments and theoretical predictions. The experimental results are in good agreement with both numerical simulations and theoretical predictions based on the quasi-particle model. We observe an exponential decay in the leading pulse amplitudes, both with distance from the impact and in the distribution of leading pulses perpendicular to the line of impact. The rapid amplitude decay exhibited by these granular networks makes them highly attractive for impact mitigation applications. Additionally, the observed exponential decay can be related to the dynamic load transfer along force chains in disordered granular media. This work provides both insight into the behaviour of natural granular pilings and demonstrates the potential for controlling wave propagation pathways through material design.

Transducteur électrostatique miniature à électrode arrière de taille réduitePetr Honzík (LAUM)

2013
06
25

LAUM, bibliothèque (1er étage), mardi 25 juin 2013, 11 h

LAUM, library (1st floor), Tuesday, June 25 2013, 11 a.m.

Un transducteur électrostatique constitué d'une membrane circulaire et d‘une électrode arrière cylindrique entourée d’une cavité derrière la membrane peut etre avantageux en sensibilité et en bande passante par rapport aux autres conceptions. En même temps, il présente une simplicité géométrique bien adaptée à une fabrication en technologie MEMS.

À partir des équations linéaires de base, un modèle analytique basé sur le développement modal du déplacement de la membrane et de la pression acoustique derrière la membrane a été développé en utilisant quelques hypothèses simplificatrices. Les résultats analytiques sont validés par un modèle numérique linéaire qui ne fait pas l'hypothèse de ces simplifications.

Surface Acoustic Waves Interacting with Locally-­Resonant Microsphere ArraysNicholas Boechler (Department of Mechanical Engineering, University of Washington)

2013
07
02

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 2 juillet 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, July 2 2013, 11 a.m.

Granular media and locally-­‐resonant metamaterials are both known to drastically affect acoustic wave propagation. In this talk, I will discuss our recent work at the intersection of these two types of materials, in which we explored the interaction of surface acoustic waves with the contact-­‐based vibrational resonance of microsphere arrays adhered to an elastic substrate. I will describe our photoacoustic experiments, which revealed “avoided crossing” behavior in the surface acoustic wave dispersion due to hybridization with the microsphere resonance. As the avoided crossing was found to occur at wavelengths much larger than the sphere size, I will describe how this structure can be considered as a new type of locally-­‐resonant acoustic metamaterial. Finally, I will also present our theoretical model of the system and discuss several possible future applications.

Array Imaging in heavy clutterChrysoula Tsogka (Department of Applied Mathematics, University of Crete, Grèce)

2013
07
09

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 9 juillet 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, July 9 2013, 11 a.m.

We consider the problem of imaging in heavy clutter, i.e., strongly backscattering media in which the echoes from the objects that we wish to image are overwhelmed by the background medium reflections. In such regimes the signal (coherent echoes) to noise (incoherent backscatter) ratio (SNR) of the data is very low and because of this coherent imaging fails. One solution is to assume that there is no coherence left in the data and use incoherent methods which rely only on intensities. Incoherent imaging however, has very low resolution unless a priori information is available or very large arrays are used. Alternatively, we propose the use of data processing techniques that enhance the SNR of the coherent echoes by filtering out the clutter backscatter. We will review such an approach which adaptively selects the time-frequency windows that contain the coherent echoes, and, present some recent developments towards its application to the case of multiple reflectors.

Contribution au traitement des signaux ultrasonores pour la surveillance embarquée de structures : bilan d’une année comme chercheur invité au groupe d’acoustique de l’université de Sherbrooke.Alain Le Duff (LAUM, ESEO)

2013
09
10

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 10 septembre 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, September 10 2013, 11 a.m.

Cette communication donne un aperçu de quelques activités que j’ai pu mener au Groupe d’Acoustique de l’Université de Sherbrooke (GAUS) où j’ai été accueilli comme chercheur invité de septembre 2012 à juin 2013. Cette mission au Québec m’a permis de m’impliquer dans un programme de recherche dans le domaine de la surveillance embarquée de structures (SHM). Plus précisément, j’ai participé à des développements de techniques d’identification in situ de paramètres structuraux en vue d’améliorer, en particulier, la qualité de l’imagerie de défauts dans des plaques d’aluminium. Deux études principales, ont été menées : Dans un premier temps nous nous sommes intéressés à des techniques de traitement de signal pour l’estimation de facteur d’échelle de signaux ultrasonores. Ces méthodes permettent de suivre des changements de température dans des matériaux. Dans un second temps, nous avons sélectionné un de ses outils de traitement du signal, l’estimateur de facteur d’échelle, dans le but d’améliorer la robustesse d’une méthode d’imagerie de défauts basée sur l’algorithme Excitelet mise au point au GAUS. Enfin, la fin de mon séjour a été consacrée à une étude visant à quantifier la précision a priori de l’estimation de la position de défauts ou de points de contact dans une plaque.

Auralisation du bruit des transports terrestres. Approche et résultats de validation en milieu urbainJulien Maillard (CSTB, Grenoble)

2013
09
17

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 17 septembre 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, September 17 2013, 11 a.m.

Le sujet présenté lors de ce séminaire traite de l’auralisation des bruits de trafic en milieu urbain. L’auralisation constitue une technique relativement récente pour la simulation auditive d’environnements sonores basée sur une modélisation physique de la propagation. Elle apporte un nouvel outil d’analyse pour l’évaluation perceptive du confort (ou de la gêne) en complément des tests d’écoute sur site ou en studio (à partir d’enregistrements). Dans ce contexte, l’auralisation permet l’évaluation d’environnements virtuels (un aménagement en phase projet, ...) et l’analyse comparative de scénarios multiples dont les paramètres sont contrôlées (trafic routier et/ou type d’écran, ...). Les principes de base de l’auralisation sont brièvement rappelés dans un premier temps : décomposition du champ par méthodes géométriques, spatialisation sonore, environnements dynamiques, mise en œuvre temps réel. Le reste de la discussion porte sur les développements menés récemment dans le domaine de l’auralisation des trafics routiers non-stationnaires en milieu urbain. L’approche utilise une technique de synthèse granulaire pour la génération des bruits moteur et de contact pneu/chaussée permettant la prise en compte de vitesses et régimes moteur variables. Les résultats d’une étude de validation menée sur un site urbain sont présentés. Les séquences sonores obtenues à partir d’enregistrements sur site d’une part et du moteur d’auralisation d’autre part sont analysées de manière quantitative et perceptive.

Localization, focusing and absorption enhancement using phononicsVicent Romero-Garcia (IGIC, Universitat Politècnica de València, Espagne)

2013
10
01

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 1er octobre 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, October 1 2013, 11 a.m.

The term phononics is a synonym for phononic crystals and acoustic metamaterials used in its broadest sense. It centers on the study of acoustic and elastic waves in structured materials, usually periodic in one, two or three dimensions. In this talk we propose three different structures making use of their periodic properties to localize, focus and absorb acoustic waves.

In the first part of the talk we propose a mechanism of sound wave concentration based on soft reflections in chirped sonic crystals. The reported controlled field enhancement occurs at around particular (bright) planes in the crystal, and is related to a progressive slowing down of the sound wave as it propagates along the material. In the second part, we will use the symmetry matching between the source and an axisymmetric 3D metamaterial gradient index lens (GRIN) made of rigid toroidal scatterers embedded in air, to show high focusing in the low frequency regim. This kind of lenses could result of fundamental interest for lensing applications to amplify the intensity at the focal spot. Finally, we show that strong all-angle sound absorption with almost zero reflectance takes place for a frequency range exceeding two octaves in artificially structured porous materials. We demonstrate that lowering the crystal filling fraction increases the wave interaction time and is responsible for the enhancement of intrinsic material dissipation, in analogy with slow-light enhanced light-matter interactions.

Caractérisation des matériaux anisotropes et hétérogènes par méthodes ultrasonoresRoberto Longo (LAUM, ESEO)

2013
10
08

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 8 octobre 2013, 15 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, October 8 2013, 3 p.m.

Dans ce séminaire, une étude sur la caractérisation ultrasonore de matériaux anisotropes et hétérogènes comme l'os cortical et le bois sera présentée. Une attention particulaire sera apportée au traitement de signal à travers l'optimisation de l'excitation et la suppression numérique des réflexions parasites. La modélisation de la propagation des ondes ultrasonores dans ces milieux et la problématique de la résolution du problème inverse seront aussi discutées. Les estimations obtenues des propriétés acoustiques et mécaniques des matériaux seront comparées avec des simulations numériques et d'autres techniques de mesure.

Amortissement de vibration dans des panneaux plans par effet Trou Noir AcoustiqueVivien Denis (LAUM)

2013
10
15

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 15 octobre 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, October 15 2013, 11 a.m.

Les ondes de flexion se propageant dans une poutre peuvent être efficacement amorties si une extrémité est profilée en loi de puissance et recouverte d'une couche viscoélastique fine. Une telle terminaison induit un effet "Trou Noir Acoustique" (TN), conséquence des caractéristiques de propagation des ondes de flexion dans des structures d'épaisseur inhomogène : si l'épaisseur décroit localement, les ondes de flexion ralentissent et l'amplitude de déplacement augmente ; cela mène à une dissipation d'énergie efficace si une couche viscoélastique est placée là où l'épaisseur est minimale.

Dans une approche modale, des investigations expérimentales et numériques montent que l'effet TN conduit à l'élévation de facteur de recouvrement modal (MOF) d'une poutre et mène ainsi à une diminution du caractère résonant de sa réponse en fréquence. L'augmentation du MOF est liée à une modification de la densité modale et des facteurs de pertes, ces derniers provenant d'une forte localisation de l'énergie et des propriétés inhomogènes de l'amortissement dans l'extrémité profilée. Le travail montre également que le MOF est un indicateur pertinent de l'efficacité de traitement sur une structure plus complexe.

Dans une approche ondulatoire, on cherche à quantifier l'effet des défauts de la réalisation pratique de l'effet TN sur la diffusion et la réflexion des ondes dans la terminaison, via un modèle de guide d'onde inhomogène multimodal. Le pendant expérimental de cette approche analytique et numérique est la mesure du coefficient de réflexion d'une extrémité TN sur une poutre.

Discrimination of nonlinear elastic sources using a power law analysisMarco Scalerandi (Politecnico di Torino, Italie)

2013
10
22

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 22 octobre 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, October 22 2013, 11 a.m.

The nonlinear elastic response of a material to an external solicitation is in general described by introducing a proper nonlinear indicator θ, which could be the amplitude of the second or third harmonic, the Scaling Subtraction Method indicator, or others. When the indicator depends on the amplitude of excitation x, the material is said to be nonlinear and the nonlinearity is often ascribed to the presence of microscopic features associated with the presence of grain boundaries, cracks or delaminations.

In most cases, a power law dependence θ=axb is observed, at least for a given range of amplitudes. The power law exponent b is often used to discriminate between classical (atomic) and nonclassical (hysteretic) nonlinearity. However, experimental data show that a finer classification could be introduced. In particular, the power law exponent is different if cracks in the material are open or closed.

After a survey of experimental data reported in the literature for damaged metals and composites, rocks, concrete and bones, some conclusions about the link between b and the kind of nonlinear source will be provided. A theoretical framework based on a generalized Preisach-Mayergoyz approach will also be given- Finally applications to monitor thermal damage in concrete and discriminate between different defects in steel bars will be presented.

Description and generation of nonlinear standing wavesMichal Bednarik (Université Technique, Prague)

2013
11
05

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 5 novembre 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, November 5 2013, 11 a.m.

Résumé non communiqué

Abstract not provided

Ondes guidées dans les cristaux phononiques granulairesHélène Pichard (LAUM)

2013
11
12

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 12 novembre 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, November 12 2013, 11 a.m.

La propagation des ondes dans les matériaux dont les propriétés varient périodiquement suscite un intérêt grandissant. La description théorique des mécanismes liés aux ondes de surface dans ce type de matériau, appelé aussi cristaux phononiques, est un enjeu majeur. Cette description permettrait de développer des méthodes pour l’Évaluation et le Contrôle Non Destructifs (ECND) conduisant à la caractérisation des propriétés mécaniques ainsi qu’à la caractérisation de défauts dans ces cristaux. L’objectif du travail présenté est d’étudier l’interaction d’ondes guidées avec des cristaux phononiques granulaires dans le but d’identifier les modes de propagation les plus pertinents dans le contexte de l’ECND pour des échantillons de dimension finie. Dans ce but, une première étude théorique de la propagation dans un cristal phononique granulaire infini à deux dimensions a été effectuée et a permis de mettre en évidence des phénomènes particuliers existant dans ce type de structure. En particulier, l’interaction entre ondes de cisaillement et ondes de rotation ainsi que la présence de bandes interdites à la propagation ont été mises en évidence. Aussi, l'étude de la propagation d'ondes localisées dans une chaîne granulaire sera présentée. Cette étude est un premier pas vers l'analyse de la propagation d'ondes de surface dans ces cristaux phononiques granulaires.

Solitons in nonlinear left-handed metamaterialsDimitri J. Frantzeskakis (Université d'Athènes, Grèce)

2013
11
19

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 19 novembre 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, November 19 2013, 11 a.m.

Metamaterials, are artificial structures featuring electromagnetic properties not commonly found in nature, especially negative permittivity, permeability and refractive index. Their unique properties are exploited for a number of important achievements, including flat lenses, perfect lenses, invisibility cloaking, as well as realization of components and devices for telecommunications and signal processing. Metamaterials feature dispersion and can also become nonlinear, with the nonlinearity having a key role in their tunability. It is shown that a balance between dispersion and nonlinearity leads to energy localization and formation of solitons, namely coherent localized nonlinear structure propagating without distortion. It is demonstrated that solitons can be found analytically by either adopting a Maxwell's equation (effective medium) description, or a transmission line based description, pertinent to metamaterials' periodicity characteristics. The solitons are found to obey effective nonlinear Schrödinger models, that are derived by means of multiscale expansion methods. Solitons can be either "bright" or "dark" ones (i.e., localized humps or dips of the field intensity), depending on the frequency regime. Experimental results concerning a prototypical left-handed electrical lattice are also presented. Nonlinear coupling of forward- and backward-propagating solitons is also studied, as a means of controlling energy localization in metamaterials. Finally, connections with acoustic metamaterials are also drawn.

Increasing the robustness in damage imagingPatrice Masson (GAUS, Université de Sherbrooke, Québec)

2013
11
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LAUM, bibliothèque (1er étage), mardi 26 novembre 2013, 14 h

LAUM, library (1st floor), Tuesday, November 26 2013, 2 p.m.

Damage imaging approaches have been developed for structural health monitoring (SHM) strategies. These approaches rely on the knowledge of wave velocity and the measurement of time-of-flight to localize defects within an inspected area. The knowledge of the wave velocity is however impaired by variations in material properties due to variations in the manufacturing process, or due to temperature variations. Moreover, transducers degradation can affect the measurement of the time-of-flight, leading to improper localization of the defects in the structure. In this work, a correlation‐based imaging technique called « Excitelet » is first presented for the monitoring of defects in structures. The principle is based on guided wave generation and sensing using a compact micro‐machined piezoceramic array and measurement of reflections induced by potential damages. The method uses a propagation model to correlate measured signals with a bank of signals and imaging is performed using a round‐robin procedure (Full‐Matrix Capture). Then, approaches are proposed to perform in situ characterization of material properties and correct for transducers degradation in damage imaging. Techniques are also discussed to compensate for temperature variations in measured signals. These approaches are implemented prior to damage imaging using Excitelet and improved robustness is demonstrated.

Acoustic metamaterials for sound control: acoustic cloaksJosé Sánchez-Dehesa (Universitat Politècnica de València, Espagne)

2013
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LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 3 décembre 2013, 14 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, December 3 2013, 2 p.m.

I will review some of the recent result in our research group related with sound control using acoustic metamaterial. Particularly, I will report our contributions in the topic of acoustic cloaking for airborne sound. I will show that acoustic cloak based on transformation acoustics is only possible if some additional mechanism is added to allow the enhancement of the sound speed (inside the cloak) with respect to that in the surrounding background. Our recent experimental demonstration of 2D and 3D cloaks based on scattering cancellation will be also reported.

Identification des propriétés dynamiques locales d'une structure par problème inverse vibratoireFrédéric Ablitzer (LAUM)

2013
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LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 10 décembre 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, December 10 2013, 11 a.m.

Cet exposé présente une méthode permettant d'estimer les propriétés dynamiques d'une structure vibrante à partir du champ de déplacement mesuré localement, par résolution d'un problème inverse. Cette méthode est une adaptation de RIFF (Résolution Inverse Filtrée Fenêtrée), technique d'identification de sources vibratoires. Elle est présentée ici dans le cas de plaques minces sujettes à des vibrations de flexion.

Dans une partie de la structure où il n’y a pas d’effort extérieur, l’équation locale du mouvement consiste en une relation entre le déplacement vibratoire et ses dérivées spatiales, dans laquelle interviennent des paramètres liés à la géométrie et au matériau, comme le module d'Young et le facteur de perte. L’approche proposée consiste à trouver les valeurs des paramètres inconnus qui vérifient au mieux cette équation, étant donné le champ de déplacement. L'estimation des dérivées spatiales à partir des déplacements, nécessaire à la résolution, est extrêmement sensible aux incertitudes de mesure. Deux approches complémentaires permettant de régulariser le problème inverse sont proposées.

Contrairement aux techniques basées sur l'approche modale, cette méthode est indépendante des conditions aux limites et permet d’identifier les propriétés à des fréquences quelconques, y compris dans le domaine des moyennes fréquences où le recouvrement modal devient important. De plus, elle peut être appliquée à des structures hétérogènes.

Dans cet exposé, les différentes étapes de la méthode seront illustrées à partir de champs de déplacement simulés, puis son application à des données expérimentales sera présentée.

Identification locale de l'amortissement sur une plaque en composite comportant des patches en élastomère dans l'épaisseur du matériau. (a) Champ de déplacement mesuré, (b) facteur de perte identifié.


Étude d'un réfrigérateur thermoacoustique compact et d'un moteur thermo-acousto-électriqueGaëlle Poignand (LAUM)

2013
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LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 17 décembre 2013, 11 h

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, December 17 2013, 11 a.m.

La thermoacoustique est le domaine de l'acoustique qui concerne l'interaction entre les phénomènes thermiques et acoustiques au voisinage d'une paroi solide. L'effet thermoacoustique se traduit soit, pour le fonctionnement en mode moteur, par le déclenchement d'oscillations acoustiques auto-entretenues, lorsque la paroi est soumise à un fort gradient de température soit, pour le fonctionnement en mode réfrigérateur, par la création d'un flux de chaleur thermoacoustique dont résulte un gradient de température dans un milieu où une onde acoustique est entretenue. Les machines thermoacoustiques sont des systèmes très prometteurs au vu de leurs atouts: ils sont respectueux de l'environnement puisqu'ils utilisent des gaz qui sont non toxiques,  leur efficacité est potentiellement élevée, ils fonctionnent sans ou avec peu de parties mécaniques mobiles, ce qui les rendent fiables et robustes. De plus, leur extrême miniaturisation est envisageable. Depuis une trentaine d'année, de nombreux prototypes de laboratoires ont vu le jour. Ils couvrent un large champ d’applications potentielles allant de la production du froid à la production d’énergie. Reste qu’à ce jour leur développement industriel est limité à quelques prototypes notamment en raison de leur efficacité qui reste à améliorer. Dans cet exposé, deux exemples de prototypes d’étude développés au LAUM seront présentés.

Le premier prototype est un réfrigérateur thermoacoustique compact qui a été développé dans le cadre des études menées sur la miniaturisation des systèmes thermoacoustiques, avec pour objectif l’évacuation de la chaleur des composants électroniques. Ce système à l’architecture originale a l’avantage d’être à la fois compact et flexible en comparaison des systèmes classiques à ondes progressives ou stationnaires d’efficacités équivalentes.

Le second prototype est un moteur thermo-acousto-électrique, l’application visée par ce prototype étant la production d’électricité à partir de l’énergie solaire ou de la récupération de la chaleur dissipée dans les installations industrielles. Les résultats proposés concerneront en particuliers une méthode améliorant, dans certaines conditions, l’efficacité du système grâce à un forçage extérieur des oscillations thermoacoustiques par une source auxiliaire.