Caractérisation des propriétés mécanique et électrique des matériaux composites par méthode holographique numérique 3D et analyse diélectriqueMayssa Karray

2012
11
05

ENSIM, amphi. C03, lundi 5 novembre 2012, 13:30

Jury :

Cette thèse décrit l’application de méthodes d’analyse innovantes à la caractérisation des propriétés mécaniques et électriques de matériaux composites. Deux axes ont été retenus : l’utilisation des méthodes d’holographie numérique couleur développées au LAUM et l’utilisation des méthodes de spectroscopie diélectrique développées à la Faculté des Sciences de Sfax. Les structures composites dont il est fait état sont des stratifiés unidirectionnels fibres (de verre ou de carbone ou de lin) / résine époxyde élaborés au LAUM. La première partie de ce travail dresse un état de l’art des méthodes d’analyse sans contact utilisées classiquement pour étudier les structures composites. Un regard critique permet de dégager une stratégie pour l’analyse, basée d’une part sur des méthodes holographiques numériques et d’autre part sur des techniques de mesure diélectrique. La seconde partie est dédiée au choix de la méthode d’holographie numérique. Une analyse théorique de l’influence de l’ouverture sur la base de cinq critères, traitement numérique, filtrage, résolution spatiale, bruit de décorrélation et photométrie, est confirmée expérimentalement. Nous concluons que la méthode d’holographie de Fresnel présente des avantages d’achromatisme pour les applications avec plusieurs longueurs d’onde. La 3ème partie présente deux applications de l’holographie numérique au contrôle de structures composites incorporées avec des pastilles piézoélectriques dédiées à l’émission acoustique. Nous avons démontré la possibilité d’analyser par holographie numérique de Fresnel en temps moyenné le comportement vibratoire des poutres composites excitées harmoniquement. Puis nous avons montré que les pastilles utilisées influencent le comportement mécanique des matériaux en régime statique. Les champs des déplacements calculés sont conformes à la simulation numérique par la méthode éléments-finis. Une 4ème partie s’intéresse à l’analyse expérimentale et numérique des structures composites soumises à un essai de cisaillement en flexion trois points rapprochés. L’objectif est de détecter le cas échéant le début du cisaillement interlaminaire. Le dispositif optique et les méthodes de mesures utilisées sont validés sur un échantillon verre/époxy. Nous présentons les résultats obtenus pour des applications à des échantillons lin/époxy et lin/carbone/époxy. La dernière partie aborde l’analyse des propriétés diélectriques des composites renforcés par fibres de lin étudiés précédemment. Deux techniques expérimentales sont mises en œuvre : la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et l’impédance mètre de type Novocontrol. D’après l’étude calorimétrique la température vitreuse diminue soit avec l’incorporation uniquement des fibres de lin dans la matrice époxyde ou soit avec l’incorporation simultanée de fibres de lin et carbone dans la matrice. Cette diminution est plus importante dans le premier cas. Nous concluons que les fibres de lin seules dans le composite sont moins hydrophiles que celles incorporées avec des fibres de carbone, ce qui explique la meilleure adhérence fibres/matrice dans le premier cas.

Méthode optoacoustique non linéaire pour la détection et la caractérisation de fissuresSylvain Mézil

2012
11
06

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 6 nov. 2012, 11:00

Jury :

L’utilisation des ultrasons lasers est très répandue dans le domaine du contrôle non destructif. L’utilisation des lasers permet de générer des ondes acoustiques de quelques Hz à plusieurs GHz, et donc d’opérer avec des longueurs d’onde suffisamment courtes pour détecter de petits défauts ou tester de petits objets comme les MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems). La résolution spatiale de ces méthodes est souvent très bonne grâce à la possibilité de focaliser les faisceaux laser à l'échelle micrométrique. L’absence de contact avec le matériau testé permet de travailler dans des conditions de pression ou de température extrêmes, et de s'affranchir des non-linéarités liées à l'utilisation des transducteurs piézo-éléctriques. D’autre part, les possibilités offertes par les méthodes acoustiques non linéaires pour le contrôle non destructif sont remarquables (sensibilité à la présence de défauts, extraction de paramètres quantitatifs,...). De nombreuses méthodes acoustiques non linéaires ont vues le jour ces dernières années, parmi lesquelles les méthodes de modulation non linéaire d’une onde par une autre.

L’idée de départ de cette thèse est la mise en oeuvre conjointe de méthodes acoustiques non linéaires et de méthodes opto-acoustiques afin de profiter notamment de la sensibilité à la présence de défauts des premières et de la résolution spatiale, de la large bande fréquentielle utile, et de la nature sans contact des secondes.  Cependant, l’efficacité de la conversion opto-acoustique est bien plus faible que la conversion électro-mécanique des transducteurs piézo-électriques, ce qui rend complexe la génération d’effets non linéaires acoustiques avec des lasers. Dans la méthode développée, une onde thermo-élastique à basse fréquence fL (~Hz) et une onde acoustique à  haute fréquence fH (dizaines de kHz) sont générées par l’absorption à la surface d’un échantillon de deux faisceaux lasers indépendamment modulés en intensité. Si une fissure est présente dans la zone chauffée, la fissure  ‘respire’ : elle s’ouvre et se referme sous l’action de la contrainte thermo-élastique photo-générée à fL. L’évolution périodique (ouverte/fermée) de la fissure entraîne un mélange de fréquence non linéaire avec l’onde acoustique générée au même endroit, à l’origine de lobes de modulation aux fréquences fH±n fL (n=1,2,...), absents en l'absence de fissure. La détection de ces fréquences de mélange révèle donc la présence d’une fissure dans la zone échauffée.

La méthode développée est dans un premier temps validée sur des balayages 1D puis des images 2D.  L’influence de divers paramètres expérimentaux (fréquence fL, focalisation,...) sur la génération des lobes non linéaires et la résolution spatiale est étudiée expérimentalement et théoriquement. Un montage intégralement optique (excitation et détection) est également réalisé.

Dans un deuxième temps, l’évolution des amplitudes et phases des lobes non linéaires en fonction de la puissance du faisceau de pompe est étudiée expérimentalement et théoriquement via un modèle comportemental de fissure. La comparaison entre le modèle et l’expérience permet l’évaluation de plusieurs paramètres quantitatifs et locaux de la fissure, dont sa rigidité et son épaisseur.

Approximations unidirectionnelles de la propagation acoustique en guides d'ondes irréguliers. Application à l'acoustique urbaineJean-Baptiste Doc

2012
11
07

LAUM, salle de conférence (4e étage), mercredi 7 nov. 2012, 14:00

Jury :

Dans l’environnement urbain, l’essentiel des nuisances sonores est produit par les moyens de transport. Afin de lutter contre ces nuisances, la réglementation impose la réalisation de cartographies de bruit. Dans ce contexte, des travaux fondamentaux sont menés autour de la propagation d’ondes acoustiques basses fréquences en milieu urbain. Différents travaux de recherche récents portent sur la mise en œuvre de méthodes ondulatoires pour la propagation d’ondes acoustiques en milieu urbain. Cependant, le coût numérique de ces méthodes limite leur utilisation dans un contexte d’ingénierie.

L’objectif de ces travaux de thèse porte sur l’approximation unidirectionnelle de la propagation des ondes, appliquée à l’acoustique urbaine. Cette approximation permet d’apporter des simplifications à l’équation d’onde afin de limiter le temps de calcul lors de sa résolution. La particularité de ce travail de thèse réside dans la prise en compte des variations, continues ou discontinues, de la largeur des rues.

Deux formalismes sont utilisées, l’équation parabolique et une approche multimodale. L’approche multimodale sert de support à une étude théorique sur les mécanismes de couplages de modes dans des guides d’ondes irréguliers 2D. Pour cela, le champ de pression est décomposé en fonction du sens de propagation des ondes à la manière d’une série de Bremmer. La contribution particulière de l’approximation unidirectionnelle est étudiée en fonction des paramètres géométriques du guide d’ondes, ce qui permet de mieux cerner les limites de validité de cette approximation.

L’utilisation de l’équation parabolique a pour but une application à l’acoustique urbaine. Une transformation de coordonnées est associée à l’équation parabolique grand angle afin de prendre en compte l’effet de la variation de la section du guide d’ondes. Une méthode de résolution de l’équation parabolique est alors spécifiquement développée et permet une évaluation précise du champ de pression. D’autre part, une méthode de résolution de l’équation parabolique grand angle 3D est adaptée à la modélisation de la propagation acoustique en milieu urbain. Cette méthode permet de prendre compte des variations brusques ou continues de la largeur de la rue. Une comparaison avec des mesures sur maquette de rue à échelle réduite permet de mettre en avant les possibilités de la méthode. 

Acoustique dans les écoulements cisaillés. Conditions limites de géométries complexes et application à l’acoustique et aux couches limites visqueuses.Gaël Favraud

2012
11
08

LAUM, salle de conférence (4e étage), jeudi 8 nov. 2012, 14:00

Jury :

La première thématique abordée concerne les interactions entre acoustique et vorticité dans les écoulements cisaillés linéaires incompressibles, qui peuvent être décomposés en la somme d’une partie hyperbolique et d’une partie rotation solide. L’écoulement de Couette est un exemple de tels écoulements. En utilisant la démarche non-modale initiée par Kelvin, les équations d’évolution de perturbations compressibles se réduisent à une EDO de dimension trois en temps, qui dépend d’un paramètre adimensionné ε représentant le rapport entre le taux de cisaillement de l’écoulement et la fréquence des perturbations. Pour de faibles valeurs de ε, la méthode WKB permet d’exhiber naturellement trois modes : deux modes acoustiques et un mode de vorticité. La base constituée de ces trois modes permet de mettre en évidence des phénomènes de couplage entre ces modes qui ont lieux lorsque le nombre d’onde est minimal. Ces couplages sont d’un ordre de grandeur exponentiellement faible en 1/ε, et ne peuvent être pris en compte par une méthode asymptotique. En effet, les approximations d’ordres supérieurs se rapprochent de la solution exacte mais sans jamais prendre en compte les couplages. Ces couplages semblent être liés à la partie hyperbolique de l’écoulement.

La seconde thématique traitée est la modélisation de conditions limites de géométries complexes. L’utilisation d’une transformation conforme permet de transformer une frontière complexe en une frontière plane, mais fait apparaître des coefficients non constants dans les équations en volume. Ces dernières sont résolues au moyen de la méthode de la matrice d’impédance multimodale qui ramène le problème à une équation de Riccati pour la matrice d’impédance. Cette méthode est d’abord appliquée à la réflexion d’une onde par une surface complexe. Une approche permettant de trouver des géométries admettant des modes quasi-piégés est proposée. Puis la méthode est appliquée à la modélisation de la couche limite visqueuse d’un fluide oscillant au contact d’une surface complexe périodique. Une résolution analytique au moyen d’une méthode perturbative est proposée pour une géométrie particulière. La présence de zones de recirculation est également étudiée. 

Caractérisation vibratoire et acoustique des instruments à cordes. Application à la facture instrumentaleBenjamin Elie

2012
11
26

LAUM, salle de conférence (4e étage), lundi 26 nov. 2012, 14:00

Jury :

Pour qualifier un instrument, il est possible de proposer des caractérisations acoustiques et vibratoires permettant de quantifier objectivement des différences entre instruments. Le choix des grandeurs pertinentes pour mener à bien ce travail de caractérisation est l’objectif central de la thèse. Le travail concerne essentiellement la guitare et le violon et s’intègre au projet ANR PAFI (Plateforme d’Aide à la Facture Instrumentale) qui prévoit le développement d’outils permettant au luthier d’orienter ses choix lorsqu’il conçoit, fabrique et fait évoluer un instrument.

Pour cela, une méthodologie permettant l’identification de propriétés vibratoires de structures mécaniques, qu’ils s’agissent d’instruments de musique ou non est détaillée. Elle s’appuie d’une part sur l’estimation de la densité modale en moyennes fréquences, à l’aide d’une méthode haute résolution, la méthode ESPRIT, et d’autre part sur la théorie de la valeur moyenne de Skudrzyk pour estimer les paramètres caractéristiques de structures se comportant comme des plaques ou des coques minces. L’étude montre que la méthodolo- gie est applicable tant que le facteur de recouvrement modal reste inférieur à 100%. Des applications à des données expérimentales et simulées montrent que la méthode permet de discriminer des panneaux au moyen des valeurs des masses et raideurs équivalentes. Par ailleurs, la méthode ne requiert que très peu de points de mesures, et un matériel expéri- mental simple, ce qui rend la procédure abordable et utilisable par un luthier directement en atelier.

L’application de la méthode à la guitare révèle que son comportement vibratoire au chevalet en moyennes fréquences est similaire à celui d’une plaque. L’instrument est alors caractérisé par quelques macroparamètres correspondant aux paramètres caractéristiques d’une plaque équivalente : masse, raideur, mobilité moyenne. Deux types de guitares, des instruments haut de gamme fabriqués par des luthiers et des instruments d’étude produits industriellement, sont clairement discriminés à l’aide des valeurs de ces macroparamètres.

Une étude détaillée de la mobilité au chevalet, de la densité modale de violon, et des caractéristiques spectrales des sons de violon en situation de jeu, permet de lier des caractéristiques communes à ces trois grandeurs : l’existence de formants dans les sons de violon est établi en procédant à l’analyse spectrale de glissandi. Ces formants sont associés à des pics de la mobilité moyenne mesurée au chevalet. L’examen de la densité modale suggère que le premier pic, situé généralement entre 500 et 1000 Hz, et variable d’un violon à l’autre, est dû à la courbure de la table d’harmonie.

Les méthodes développées sont illustrées à travers des exemples d’applications à des problématiques rencontrées en lutherie, mais également par des musiciens. 

Modélisation de la propagation acoustique en milieu urbain. De la rue au quartierMiguel Molerón

2012
11
30

LAUM, salle de conférence (4e étage), vendredi 30 nov. 2012, 14:00

Jury :

Cette thèse est consacrée à la modélisation de la propagation acoustique dans des zones urbaines. L’approche modale, largement utilisée pour l’étude de la propagation d’ondes en milieu guidé, est utilisé dans ce travail. Dans le contexte de l’acoustique urbaine, une rue est vue comme un guide d’ondes ouvert dans lequel des modes "de fuite" se propagent. Ces modes traduisent une caractéristique essentielle de la propagation en milieu urbain : les ondes émises par une source sont partiellement guidées entre les bâtiments et partiellement rayonnées vers le ciel au cours de la propagation. La difficulté de cette représentation est d’obtenir la base modale appropriée décrivant ce comportement. Afin de résoudre cette difficulté, la méthode mixte modale-EF est adoptée, basée sur un calcul préalable des modes transversaux par éléments finis (EF). Le fait de résoudre le problème transverse par EF rend la méthode très polyvalente, permettant de modéliser une large variété de domaines de propagation aux géométrie et conditions aux limites complexes.

Dans un premier temps, une étude locale de la propagation du son au travers de différentes types d’intersections en angle droit est présentée. Les phénomènes de résonance dans des cours intérieures sont également évalués, ainsi que leur influence sur le champ de pression dans la rue. Ensuite, la propagation du son dans des quatiers est abordée en deux étapes. Dans un premier temps, le cas d’un quartier régulier est considéré. Un tel domaine est modélisé par un réseaux périodique de rues. Ainsi, les propriétés spécifiques de milieux périodiques peuvent être étudiées dans un contexte urbain, comme les bandes interdites (bandes de fréquence dans lesquelles la propagation acoustique ne peut pas se produire). La présence de ces bandes est évaluée en accordant une attention particulière au rôle que jouent les pertes par rayonnement au-dessus des bâtiments. Dans un deuxième temps, le cas plus général d’un quartier de géométrie irrégulière est traité. Dans ce cas, plus compliqué, un modèle simplifié de la propagation est proposé, contenant seulement le mode transverse le moins fuyant de la rue. Une partie des simulations numériques présentées dans cette thèse est confrontée à des expériences réalisées sur une maquette à échelle réduite. Un bon accord entre les résultats expérimentaux et numériques est obtenu.

Enfin, la dernière partie de la thèse présente une étude préliminaire qui montre comment l’usage de surfaces pério- diques peut servir à contrôler l’absorption et la directivité de murs antibruit. 

Macroscopic theory of sound propagation in rigid-framed porous materials allowing for spatial dispersion: principle and validationNavid Nemati

2012
12
11

Etna, salle de visioconférence, mardi 11 décembre 2012, 15:00

Jury :

This work is dedicated to present and validate a new and generalized macroscopic nonlocal theory of sound propagation in rigid-framed porous media saturated with a viscothermal fluid. This theory allows to go beyond the limits of the classical local theory and within the limits of linear theory, to take not only temporal dispersion, but also spatial dispersion into account. In the framework of the new approach, a homogenization procedure is proposed to upscale the dynamics of sound propagation from Navier-Stokes-Fourier scale to the volume-average scale, through solving two independent microscopic action-response problems. Contrary to the classical method of homogenization, there is no length-constraint to be considered alongside of the development of the new method, thus, there is no frequency limit for the medium effective properties to be valid. In absence of solid matrix, this procedure leads to Kirchhoff-Langevin’s dispersion equation for sound propagation in viscothermal fluids.

The new theory and upscaling procedure are validated in three cases corresponding to three different periodic microgeometries of the porous structure. Employing a semi-analytical method in the simple case of cylindrical circular tubes filled with a viscothermal fluid, it is found that the wavenumbers and impedances predicted by nonlocal theory match with those of the long-known Kirchhoff’s exact solution, while the results by local theory (Zwikker and Kosten’s) yield only the wavenumber of the least attenuated mode, in addition, with a small discrepancy compared to Kirchhoff’s.

In the case where the porous medium is made of a 2D square network of cylindrical solid inclusions, the frequency-dependent phase velocities of the least attenuated mode are computed based on the local and nonlocal approaches, by using direct Finite Element numerical simulations. The phase velocity of the least attenuated Bloch wave computed through a completely different quasi-exact multiple scattering method taking into account the viscothermal effects, shows a remarkable agreement with those obtained by the nonlocal theory in a wide frequency range.

When the microgeometry is in the form of daisy chained Helmholtz resonators, using the upscaling procedure in nonlocal theory and a plane wave modelling lead to two effective density and bulk modulus functions in Fourier space. In the framework of the new upscaling procedure, Zwikker and Kosten’s equations governing the pressure and velocity fields’ dynamics averaged over the cross-sections of the different parts of Helmholtz resonators, are employed in order to coarse-grain them to the scale of a periodic cell containing one resonator. The least attenuated wavenumber of the medium is obtained through a dispersion equation established via nonlocal theory, while an analytical modelling is performed, independently, to obtain the least attenuated Bloch mode propagating in the medium, in a frequency range where the resonance phenomena can be observed. The results corresponding to these two different methods show that not only the Bloch wave modelling, but also, especially, the modelling based on the new theory can describe the resonance phenomena originating from the spatial dispersion effects present in the macroscopic dynamics of the matarial. 

Analyse expérimentale et par éléments finis du comportement statique et vibratoire des matériaux composites sandwichs sains et endommagésMoustapha Idriss

2013
03
12

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 12 mars 2013, 9:30

Jury :

La décohésion peau/âme, où la couche interne de la peau (stratifié) se détache de l’âme, est un mode d’endommagement très significatif dans les matériaux composites sandwichs. Une fois initié, cet endommagement a le potentiel de se développer rapidement et il influe surtout sur les performances de toute la structure. La vitesse avec laquelle cet endommagement se développe dépend surtout des facteurs de la matière et de la structure telle que la position de l’endommagement dans la structure, sa taille, la contrainte appliquée et la qualité du matériau. Le travail de thèse a pour objet d’analyser le comportement en statique, en fatigue et en vibration linéaire et non linéaire des matériaux sandwichs en présence d’une décohésion de longueur variable. Ces matériaux sont constitués de peaux en stratifiés à fibres de verre/résine époxyde et d'une âme en mousse PVC de différentes densités. Une étude détaillée est d’abord menée pour caractériser le comportement mécanique en statique et en fatigue de ces matériaux. Les essais ont été conduits en flexion 3-points sur des poutres de ces matériaux pour plusieurs distances entre appuis et pour plusieurs longueurs de fissure. Ensuite, une étude expérimentale de la réponse en fréquence à une impulsion, menée à l’aide d’un vibromètre laser a permis de mesurer les fréquences propres et les amortissements de ces matériaux autour de chaque pic de résonance en fonction de la longueur de fissure. Les résultats déduits de l’analyse expérimentale sont comparés à ceux obtenus à partir d’une analyse par éléments finis. Enfin, une méthode de vibration non linéaire a été appliquée pour caractériser le comportement des matériaux sandwichs endommagés par fissuration. Les paramètres non linéaires relatifs au décalage fréquentiel et à l’amortissement sont mesurés en faisant varier l’amplitude d’excitation. Cette étude a permis de montrer que les paramètres non linéaires sont plus sensibles que les paramètres linéaires pour caractériser l’endommagement par fissuration des composites sandwichs.

Caractérisation non linéaire de l'endommagement des matériaux composites par ondes guidéesYousra Baccouche

2013
04
30

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 30 avril 2013, 14:00

Jury :

La sensibilité des méthodes acoustiques non-linéaires à la présence ainsi qu’à l’évolution des micro- endommagements a été prouvée dans différents travaux sur une large gamme de matériaux. Parmi les méthodes appliquées figure la résonance non-linéaire dont la sensibilité à l’endommagement est prouvée pour un seul mode de vibration à travers la décroissance de la fréquence de résonance αf et celle facteur de qualité αQ en fonction de la déformation dynamique. Cela a pour inconvénient de ne connaître les paramètres non-linéaires hystérétiques (NLH) αf et αQ que dans une gamme fréquentielle réduite. Le présent travail de thèse propose l’utilisation d’une approche originale permettant de suivre la dispersion des paramètres αf et αQ à travers la génération d’ondes guidées dans des plaques en composites à matrices polymère et métallique. De plus, l’approche en ondes guidées a également permis de définir un nouveau paramètre NLH αV liée au mode de Lamb A0. L’un des résultats originaux de ce travail est de confirmer que le rapport αfV s’avère constant (~ 2) quelle que soit la fréquence considérée et ce pour les deux types de composites. Ce résultat prometteur montre pour la première fois qu’il est possible de généraliser le comportement NLH dans les structures en plaques moyennant le formalisme de Lamb. Finalement, le travail de thèse s’est également intéressé à la définition d’un nouveau paramètre NLH large bande, noté ∆S, afin de suivre la sensibilité du spectre de vibration à l’endommagement. Les mesures ont montré que ∆S se distingue par son évolution non-linéaire remarquée soit aux premiers niveaux d’excitation soit à partir d’un niveau seuil. Ce résultat très prometteur montre à quel point il est important d’élargir le domaine fréquentiel pour une détection précoce de l’endommagement et ce même à des niveaux d’excitation où l’on croyait le matériau se comporter de façon linéaire. 

Méthodologies de simulation des bruits automobiles induits par le frottementAlex Elmaian

2013
05
27

LAUM, salle de conférence (4e étage), lundi 27 mai 2013, 14:00

Jury :

Les bruits automobiles induits par le frottement sont à l'origine de nombreuses plaintes clients et occasionnent des coûts de garantie considérables pour les constructeurs automobiles. Les objectifs de la thèse consistent à comprendre la physique à l'origine de ces bruits et proposer des méthodologies de simulation afin de les éradiquer.

Un système générique est tout d'abord étudié. Ce système discret met en jeu un contact entre deux masses et une loi de frottement de Coulomb présentant une discontinuité à vitesse relative nulle. Des calculs de valeurs propres complexes de ce système linéarisé autour de sa position d'équilibre glissant sont menés et montrent la présence d'instabilités par flottement voire par divergence. Les simulations temporelles montrent quant à elles que les non-linéarités de contact permettent de stabiliser les niveaux vibratoires en cas d'instabilité selon quatre régimes distincts. De plus, malgré ses trois degrés de liberté, ce système est capable de reproduire les mécanismes de stick-slip, sprag-slip et couplage modal ainsi que les bruits de crissement, grincement et craquement rencontrés sur les systèmes automobiles. Des études paramétriques sont également présentées et mettent en avant des bifurcations de Hopf sous-critiques et sur-critiques ainsi que l'effet déstabilisant potentiellement induit par l'amortissement. Des méthodologies permettant de catégoriser les réponses en termes de bruit et de mécanisme sont par la suite proposées. Les occurrences et risques de ces derniers sont alors analysés et des tendances sont dégagées. Enfin, la relation entre les bruits et les mécanismes est établie.

L'attention est ensuite portée sur un système automobile particulier. Afin d'étudier son comportement crissant, les analyses de stabilité et les simulations temporelles sont désormais menées sur des modèles éléments-finis. Les simulations temporelles permettent d'observer l'établissement de vibrations auto-entretenues et d'identifier, parmi tous les modes instables prédits lors des analyses de stabilité, celui qui est réellement à l'origine de l'instabilité. L'effet du coefficient de frottement sur les motifs de coalescence et les cycles limites est également investigué. Le risque de crissement est ensuite évalué pour des conditions d'utilisation variées du système. La méthodologie, basée sur des analyses de stabilité, permet de retrouver les principaux constats expérimentaux obtenus sur banc d'essai. Le rôle des géométries et des matériaux constituant le système est également discuté. Enfin, une solution permettant de réduire de façon significative le risque de crissement est proposée.

Apprentissage statistique pour l'évaluation et la contrôle non destructif : application à l'estimation de la durée de vie restante des matériaux par émission acoustique sous fluageMohamad Darwiche

2013
06
04

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 4 juin 2013, 10 h 30

Jury :

Les matériaux composites se caractérisent par une forte dispersion de leur durée de vie qui peut s’étendre de quelques minutes à plusieurs semaines lors d’un test de fluage. Lors d’un essai en fluage de ces matériaux nous distinguons trois phases de temps caractérisées chacune par une activité acoustique propre. Dans la première phase, le taux d’apparition des signaux d’EA est important, puis le taux diminue et atteint une valeur constante relativement faible durant la seconde phase, ensuite ce taux d’apparition s’accélère annonçant la troisième phase qui se termine par la rupture. Les caractéristiques des signaux d’émission acoustique (EA) émis dans la phase précédant la rupture sont différentes de celles des autres phases. Le premier volet de cette étude consiste à utiliser des méthodes d’apprentissage relevant de l’intelligence artificielle (réseaux de neurones, machines à vecteurs de support et classifieurs bayésiens) afin de prédire si les signaux recueillis à partir d’un matériau sous test se trouve dans la phase de pré-rupture ou non. Ce sont des méthodes qui, appliquées à l’émission acoustique, permettent d’identifier parmi un grand nombre de signaux, caractérisés par des paramètres principaux, des classes de signaux ayant des paramètres voisins et donc provenant probablement de la même phase. Ces méthodes se sont avérées très performantes en classification, nous atteignons avec les SVM une sensibilité de 82% et une spécificité de 84% pour les résultats en validation croisée, et une sensibilité de 90% et une spécificité de 94% pour les résultats en test, avec un temps de calcul acceptable. Le deuxième volet de l’étude effectué dans le cadre de cette thèse concerne l’estimation de la durée de vie restante des les matériaux composites. La normalisation des courbes cumulées des signaux d’émission acoustique en fonction du temps prouve que les réponses en fluage des éprouvettes mises en test sont parfaitement ressemblantes. Un modèle a été établi pour caractériser le comportement de ce matériau lors de ce test. Deux approches sont utilisées pour déterminer le temps de rupture. Par rapport à la littérature, la première approche proposée améliore la détection des temps de transition des différentes phases. Cette approche fournit également une meilleure corrélation avec le temps de rupture. La deuxième approche est fondée sur la corrélation du temps de rupture avec le temps de référence correspondant à la diminution de la vitesse d’un certain pourcentage. Les résultats de cette dernière approche sont très intéressants : l’estimation du temps de rupture pour une éprouvette ayant une durée de vie de 1 heure peut être possible dès les 15 premières secondes, avec une erreur de l’ordre de 4%.

Contrôle de santé des matériaux et structures par analyse de la coda ultrasonoreYuxiang Zhang

2013
09
20

LAUM, salle de conférence (4e étage), vendredi 20 septembre 2013, 14 h

Jury :

La coda ultrasonore est constituée d'ondes ultrasonores ayant subi des diffusions multiples lors de leur propagation dans un milieu complexe (milieu hétérogène/milieu homogène ayant une géométrie complexe). Les ondes de coda peuvent sonder globalement le milieu de propagation à plusieurs reprises grâce à leurs trajectoires de propagation longues et aléatoires. La coda ultrasonore, en conséquence, présente une haute sensibilité aux perturbations du milieu de propagation. L'analyse de la coda ultrasonore par la méthode dite d’interférométrie de la coda (CWI pour Coda Wave Interferometry) permet d'évaluer la variation de la vitesse de propagation dans un milieu à partir des signaux de coda ultrasonores avec une grande précision (0,001 % en relatif). Comme une telle variation de la vitesse de propagation peut être reliée directement aux propriétés élastiques non linéaires du matériau, qui sont sensibles à l’endommagement, la CWI peut donc être utilisée comme un moyen d'évaluation et de contrôle non destructif (ECND) d’un matériau ou d'une structure.

Après une présentation des bases théoriques de la méthode CWI et de l’élasticité non linéaire, un essai expérimental est présenté comme exemple d’utilisation de la CWI pour l’ECND du béton. Face aux problèmes expérimentaux inhérents au degré de précision de cet essai, nous présentons un protocole expérimental conçu pour améliorer la fiabilité des résultats CWI en éliminant les biais thermiques (i.e. les variations de la vitesse à cause des fluctuations indésirables de la température ambiante). Ce protocole a été validé expérimentalement dans une étude d’acousto­élasticité du béton. Les résultats vérifient que ce protocole peut 1) réduire les biais provenant non seulement des fluctuations de température, mais aussi des procédures expérimentales et 2) améliorer la répétabilité de l’essai.

Avec ce protocole de contrôle des biais expérimentaux, une étude du comportement de béton sous un chargement uni­axial en traction directe a été effectuée en utilisant la CWI. Les comportements élastique (l’effet acoustoélastique) et anélastique (l’effet Kaiser) du béton sont observés via les variations de la vitesse de propagation en fonction du niveau de chargement quasi­statique en traction. Un coefficient acoustoélastique effectif (β) qui décrit le niveau de la non­linéarité élastique du béton a été déterminé à partir des résultats CWI et utilisé pour la détection d’un endommagement léger du béton.

La CWI est ensuite utilisée pour la détection de défauts (fissures) dans un milieu initialement linéaire (verre). Un chargement acoustique (l’onde de pompe) est utilisé pour mettre en jeu les non­linéarités des défauts. L’onde de coda qui se propage simultanément dans le milieu sert comme onde de sonde et est modulée non linéairement par l’onde de pompe. L’apparition de la modulation non linéaire est due à la présence des défauts et peut être détectée par la variation des résultats CWI en fonction de l’amplitude de l’onde de pompe. En utilisant une onde de pompe large bande, nous montrons expérimentalement que cette méthode permet la détection des défauts et d’évaluation du niveau d’endommagement (via le niveau effectif de la non­linéarité) d’une manière globale sans zone aveugle. 

Isolement acoustique de parois aux basses fréquences : programmation d'outils prédictifs et confrontations expérimentales dans le cas de planchers solives en boisAntonin Tribaleau

2013
09
24

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 24 septembre 2013, 14 h

 Jury :

Dans le domaine de l’acoustique du bâtiment, la structure des constructions en bois est légère et ses capacités d’isolement acoustique sont faibles en particulier pour les basses fréquences en comparaison à d’autres techniques de construction comme le béton. Les travaux de cette thèse se donc sont centrés sur l’élaboration d’un outil prédictif visant à déterminer les performances acoustiques des planchers solivés en bois afin de compléter les outils prédictifs actuellement sur le marché. La méthode des éléments finis est adaptée pour résoudre ce problème vibro-acoustique car le comportement basses fréquences est de type modal. L’excitation acoustique par le biais d’un champ diffus acoustique de nos structures a également été simulée à l’aide d’une superposition d’ondes planes dont les directions sont réparties géodésiquement. Pour gagner en temps de calcul, une résolution mixte éléments finis - formulation intégrale d’Huygens et différentes optimisations ont été mises en place. Les résultats d’affaiblissement acoustique de parois obtenus sont confrontés à ceux obtenus à l’aide de la méthode des matrices de transfert. Grâce à l’utilisation de la méthode des éléments finis, il a été possible de mettre en évidence des résonances de ce problème couplé qui font chuter localement la valeur de l’affaiblissement ; celles-ci ne peuvent être prises en compte par la méthode des matrices de transfert. Néanmoins, ces deux méthodes fournissent des allures moyennes de courbes d’affaiblissement équivalentes, en particulier lors d’une étude en tiers d’octave. Pour aborder le problème des transmissions latérales, qui peuvent être très pénalisantes pour les constructions légères, nous avons montré la faisabilité de la détermination expérimentale des propriétés mécaniques équivalentes d’un élément de jonction courant entre les planchers et les murs : le sabot métallique. Un modèle mécanique simplifié par éléments finis permet ainsi un couplage mécanique entre les solives (plancher) et les poutres (murs) en intégrant les effets locaux de dissipation présents pour ce type de jonction. L’implantation de ce modèle dans le précédent code éléments finis, traitant de résolution de problèmes vibro-acoustiques, permettra de réaliser des calculs d’isolement acoustique qui intègrent l’ensemble des voies de transmissions sonores.

Métamatériaux performants dans la gamme des fréquences audibles : simulation et expériencesClément Lagarrigue

2013
09
27

LAUM, salle de conférence (4e étage), vendredi 27 septembre 2013, 14 h* 

LAUM, conference room (4th floor), Friday, September 27 2013, 2 p.m.*

Jury :

 

*Le contenu de la thèse soutenue a un caractère confidentiel.

Naissance des oscillations dans les instruments de type clarinette à paramètre de contrôle variableBaptiste Bergeot

2013
10
10

ETNA, salle de visioconférence, jeudi 10 octobre 2013, 15 h

Jury :

Ce travail de recherche est une contribution à l'étude des transitoires d'attaque dans les instruments auto-oscillants de type clarinette. L'objectif principal est d'analyser le comportement de l'instrument en réponse à une variation lente et linéaire de la pression dans la bouche du musicien.

Dans des simulations numériques ou des expériences \textit{in vitro}, lorsque la pression dans la bouche du musicien varie lentement et linéairement dans le temps, on observe en général l'apparition du son lorsque la pression dans la bouche atteint une valeur, appelée \textit{seuil d’oscillation dynamique}, supérieure au seuil d'oscillation statique théorique. L'apport principal de ce travail est d'interpréter ce phénomène par la présence d'un retard à la bifurcation.

L'approche analytique est privilégiée. La contribution majeure de ce doctorat est de comprendre les fondements de la théorie de la bifurcation dynamique et de s'inspirer de la méthodologie pour étudier le retard à la bifurcation dans un modèle de clarinette simple et bien connu (le modèle dit "de Raman"). Les propriétés du seuil dynamique d’oscillation sont ainsi reliées aux caractéristiques de la variation temporelle de la pression dans la bouche que sont sa valeur initiale et sa pente. L'une des caractéristiques notoires du retard à la bifurcation se révèle être sa grande dépendance au bruit, même si ce dernier provient des erreurs d’arrondi de l’ordinateur. Les propriétés du seuil dynamique changent selon que le bruit peut être ignoré ou non.

Nous montrons ensuite expérimentalement à l'aide d’une bouche artificielle et d'une clarinette de laboratoire que le retard à la bifurcation n'est pas qu'un phénomène numérique. Il est ainsi non seulement mis en évidence expérimentalement, mais ses propriétés sont également étudiés et comparées avec celles obtenues dans le cas numérique.

Contribution à l’étude des non-linéarités au sein d’une association amplificateur-transducteur. Atténuation des distorsions par un mode de contrôle en courantMehran Erza

2013
11
22

LAUM, salle de conférence (4e étage), vendredi 22 novembre 2013, 11 h 15

Jury :

Le présent document est le fruit d’un travail réalisé au LAUM, dans le cadre d’une formation doctorale finalisée au sein de l’université du Maine. Dans le cadre de la problématique abordée, le premier objectif concerne la caractérisation des défauts en termes de distorsion, notamment non linéaire, observables sur les haut-parleurs électrodynamiques. En effet, des structures hybrides (micromécanique et microtechnologies) sont en cours de développement au laboratoire. Le second se rapporte au contrôle de tels transducteurs au regard du débat portant sur les avantages intrinsèques et les inconvénients présentés par l’électronique d’un pilotage en intensité. Après rappel et justification des principales définitions permettant d’appréhender les mesures électroacoustiques, la structure et les propriétés des haut-parleurs font l’objet d’une première analyse, discutée dans le cadre des hypothèses de linéarité. Les exemples et les caractéristiques décrits en termes de fonctions de transfert sont présentés autour d’un transducteur générique illustrant l’état de la technique. Les principes de la commande en courant sont ensuite présentés, compte tenu des caractéristiques observables avec les amplificateurs opérationnels de puissance disponibles actuellement. Au regard du maintien de l’intégrité de l’indice de contrôle en courant (Control Drive Index), les problèmes de réjection du pic de résonance mécanique et des hautes fréquences sont discutés autour de structures de filtrages. Ce n’est qu’au-delà de ces considérations affectant les transducteurs au premier ordre que sont examinés les comportements non linéaires. Après une analyse fondamentale se rapportant aux définitions et aux caractéristiques de non-linéarité, une évaluation analytique en régime monofréquentiel est présentée, portant sur un transducteur commandé en courant. L’analyse est ensuite élargie et généralisée au moyen de modèles numériques réalisés avec les progiciels Simulink® et PSpice® considérant en outre des signaux de sollicitations bitonales. Ces modèles, appliqués à divers dispositifs de l’état de la technique, fournissent des résultats conformes à ceux de la littérature récente et validés par l’expérience. Les prototypes de haut-parleurs hybrides réalisés au laboratoire et leurs divers facteurs d’imperfection seront ensuite caractérisés avec plusieurs modes de sollicitations et de conditionnement. Au-delà de la simple modélisation, le travail présenté vise à prendre en compte la conception électronique et les difficultés inhérentes à la mise en œuvre de transducteurs hybrides.

Identification par problème inverse vibratoire des bas nombres d'onde de pressions pariétales turbulentesDamien Lecoq

2013
12
11

LAUM, salle de conférence (4e étage), mercredi 11 décembre 2013, 14 h

Jury :

Ce travail a pour but de proposer une technique de mesure permettant d'identifier les bas nombres d'onde de pressions pariétales dues à des écoulements turbulents à faible nombre de Mach. En effet, les caractéristiques de ces excitations vibroacoustiques dans ces nombres d'onde sont mal connues alors qu'ils peuvent être des sources principales de vibration et de rayonnement acoustique dans des problèmes d'ingénierie qui concernent essentiellement le secteur industriel des transports. Cette méconnaissance vient du fait que la composante acoustique de l'excitation qui est située dans les bas nombre d'onde, a une amplitude très petite devant celle de la composante aérodynamique et que l'énergie d'origine acoustique se trouve noyée dans le bruit de mesure lorsqu'on utilise des capteurs de pression.

L'objectif de cette thèse est d'étudier comment la méthode inverse vibratoire de Résolution Inverse (RI) et ses variantes RIFF (Filtrée Fenêtrée) ou RIC (Corrigée) permettent d'identifier ces bas nombres d'onde. L'intérêt d'utiliser de telles méthodes inverses vibratoires est que la structure est utilisée comme capteur. Ainsi, les composantes responsables des vibrations, se situant dans les bas nombres d'onde, peuvent être mieux identifiées ou extraites puisqu'elles sont naturellement filtrées par la dynamique de la structure.

Dans un premier temps, la méthode RIFF est testée dans le cas de simulations d'une couche limite turbulente. Les résultats obtenus permettent de comprendre comment cette méthode identifie l'excitation dans les bas nombres d'onde. La méthode peut ainsi paraître particulièrement intéressante, puisqu'elle permet d'extraire une composante très faible, mais fortement responsable des vibrations et du bruit rayonné par la plaque et pratiquement impossible à observer en utilisant des microphones affleurants.

Dans un deuxième temps, la mise en oeuvre de ces techniques est étudiée en appliquant la méthode RIC. Cette approche permet de diminuer drastiquement le nombre de capteurs et de rendre la méthode inverse utilisable avec les moyens actuels. La méthode est ainsi testée sur la simulation d'une couche limite turbulente et sur une expérimentation en soufflerie où l'écoulement turbulent est généré par une marche montante. La proposition d'un indicateur permet alors d'identifier si les composantes acoustiques et aérodynamiques sont fortement séparées et si les résultats obtenus par la méthode RIC correspondent uniquement à la composante acoustique ou non.

Power laws behavior and nonlinearity mechanisms in Mesoscopic Elastic MaterialsSonia Idjimarene

2014
02
07

LAUM, salle de conférence (4e étage), vendredi 7 février 2014, 14 h

Jury :

Depuis que leur particularité a été mise en évidence, les matériaux non linéaires mésoscopiques tels que le béton, les roches, les composites, les tissus biologiques, etc. suscitent l'intérêt de très nombreux laboratoires. La théorie classique de Landau étant incapable d'expliquer leur comportement, différentes approches théoriques ont été proposées. Tous les matériaux appartenant à cette nouvelle classe présentent des singularités (micro fissures, contacts, joins de grains, dislocations, etc.) distribuées de manière hétérogène à l'échelle mésoscopique. Par conséquent, différents mécanismes physiques associés au comportement des singularités peuvent être à l'origine de ce type de non linéarité. Dans cette thèse, la réponse macroscopique de différents matériaux mésoscopiques a été exploitée pour en tirer des indicateurs non linéaires 'y' dont la dépendance en fonction de l'amplitude d'excitation 'x' est une loi de puissance 'y =ax^b' , et ce indépendamment de la méthode adoptée. L'exposant ' b' connu pour être lié au mécanisme physique responsable de la non linéarité, varie de 1 à 3 suivant l'expérience. Cela nous a permis de définir des classes de matériaux caractérisées chacune par une même valeur de l'exposent b, valeur liée aux propriétés de la micro-structure de chacun des matériaux de la même classe. Ce travail de thèse est destiné à trouver une relation entre la valeur mesurée de l'exposent b et le/les mécanismes physiques microscopique susceptibles d'être présents. A cet effet, le formalisme de Preisach-Mayergoyz a été généralisé pour définir des modèles multi-états. En discrétisant les différentes équations continues qui décrivent les mécanismes physiques microscopique comme l'adhésion et le clapping entre les deux surfaces d'une micro-fissure, les forces capillaires dues à la présence de fluides et le mouvement des dislocations, plusieurs modèles multi-états ont été dérivés. Dans chaque modèle, on définit un ensemble statistique d'éléments microscopiques caractérisés chacun par un certain nombre de constantes élastiques (correspondant aux différents états) et de paramètres de transition (qui permettent de passer d'un état à l'autre). En moyennant la réponse de tous les éléments, on parvient a décrire le comportement global méoscopique. Ceci nous permet de remonter aux résultats expérimentaux par simple résolution de l'équation de propagation dans un milieu composé de plusieurs éléments mésoscopiques. Ce travail montre que la valeur de l'exposent b peut être théoriquement prédite connaissant le nombre de paramètres de transition dans le modèle, les contraintes géométriques entre eux ainsi que leur distribution statistique. En comparant avec des résultats expérimentaux obtenus à différents niveaux d'endommagement dans le béton, nous avons proposé la combinaison de deux mécanismes(hystérésis et clapping) pour expliquer l'évolution de la microstructure.

Methods for the transfer matrix evaluation of thermoacoustic cores with application to the design of thermoacoustic enginesFlavio Bannwart

2014
02
24

ETNA, salle de visioconférence, lundi 24 février 2014, 12 h

Jury :

Même en dessous du seuil de l'instabilité thermoacoustique, la description théorique de la propagation acoustique et des transferts de chaleur à travers un noyau thermoacoustique (TAC) n'est pas chose aisée. Cela provient essentiellement du fait que les moteurs thermoacoustiques font usage de matériaux géométriquement compliqués (empilement de grilles d'acier, mousses métalliques) dont les paramètres thermo-physiques sont mal connus. De plus, la précision de la description de la propagation acoustique à travers le TAC dépend de la forme du champ de température à l'intérieur d'un TAC, ce champ étant très difficile à décrire théoriquement. Par conséquent, des méthodes permettant la description d'un TAC doivent être développées.

Une solution consiste à estimer expérimentalement les coefficients de la matrice de transfert du noyau thermoacoustique, dans la gamme de fréquences utiles et pour différentes conditions de chauffage de l'échangeur chaud du TAC. Cette solution permet d'éviter d’avoir à considérer la complexité des éléments constitutifs du TAC, ce dernier étant alors traité comme une boîte noire. Ces matrices de transfert peuvent ensuite être introduites dans un modèle analytique du moteur thermoacoustique complet, permettant alors par exemple de prédire les conditions de déclenchement du moteur.

Différentes procédures expérimentales sont étudiées dans le cadre de ce travail de thèse : une méthode classique "deux charges - quatre microphones" appliquée dans deux configurations différentes, ainsi qu'une méthode alternative basée sur des mesures d’impédance acoustique du TAC. Ces méthodes sont appliquées pour la caractérisation de TACs utilisant quatre matériaux différents comme élément poreux. Ces matériaux sont choisis de manière à couvrir un large éventail de porosités comprises entre celle d'un "stack" (rayon hydraulique d'un pore de l'ordre de grandeur de l'épaisseur de couche limite thermique) et celle d'un régénérateur (rayon hydraulique d'un pore inférieur à l'épaisseur de couche limite thermique). La méthode basée sur les mesures d’impédances s’avère être la seule performante pour tous types de matériaux.

Dans une deuxième partie, les matrices de transfert mesurées sont utilisées dans des modèles permettant la prédiction de la fréquence de fonctionnement et du gain d’amplification thermoacoustique intrinsèque d’une machine thermoacoustique équipée du TAC caractérisé au préalable. Ces modèles sont utilisés pour l'optimisation du dimensionnement de deux moteurs thermoacoustiques, en configuration à onde stationnaire et progressive. 

Développements théoriques et expérimentaux en holographie numérique; Applications aux milieux granulaires et à la thermoacoustiqueMathieu Leclercq

2014
07
02

ENSIM, C03, mercredi 2 juillet 2014, 10 h

Jury :

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre du projet ANR Blanc 2010 IMHOTEC, qui ambitionne de développer de nouvelles méthodes d'imagerie holographique plein champ, haute résolution spatiale et temporelle, mesure absolue et mesure dynamique tridimensionnelle. Cette thèse présente les travaux analytiques et expérimentaux que nous avons menés en holographie numérique couleur et l'application à l'étude de la propagation d'ondes acoustiques à la surface d’un milieu granulaire et aux différents régimes de fonctionnement d'un moteur thermoacoustique.

Le premier chapitre présente une analyse de quelques phénomènes inhérents à l'holographie numérique : techniques de suppression de l'ordre 0 de l'hologramme, influence du rapport cyclique pour l'étude de structures en vibration (régimes de quasi-temps moyenné), et influence de la surface active des pixels (caractère non invariant par translation).

Le second chapitre a permis de démontrer l'utilisation de l'holographie couleur en tant que sonde 3D. Les atouts de la technique sont présentés: méthode directe, numérique, plein champ, avec une très bonne résolution, très robuste face aux erreurs, qu'elles soient expérimentales ou calculatoires. Nous proposons ensuite une méthode de correction des aberrations chromatiques pour tout dispositif holographique couleur. En effet, l'utilisation d'une lentille pour compacter l'espace de travail devient nécessaire, mais amène des aberrations chromatiques qu'il faut corriger. Enfin, une étude de la propagation des ondes en 3D à la surface d'un milieu non consolidé est présentée. Ces informations qualitatives et quantitatives, sur une plage allant de 800 Hz à 2000 Hz, ont permis le tracé d'une courbe de dispersion du milieu granulaire, confrontée avec succès à une approche simulée du comportement des grains en couche. De plus, l'inclusion d'obstacles enfouis dans le milieu a été détectée par la sonde 3D, ouvrant de nombreuses perspectives dans le domaine, notamment l’étude de l’interaction d’une onde acoustique avec des structures périodiques enfouies dans le milieu.

Le dernier chapitre présente une application de l'holographie numérique à l'étude des déplacements de chaleur et de masse volumique à l'intérieur d'un moteur thermoacoustique. La première partie montre les atouts de l'outil holographique pour l'étude d'objets transparents, et on l’applique d'abord à un guide d’onde acoustique. La méthode est ensuite appliquée à l'étude des mouvements de chaleur à la sortie du stack de porcelaine dans un tube thermoacoustique. Ces travaux ont mis en évidence la présence significative d'effets de bords à proximité du stack lors du déclenchement de l'onde (génération, localisée, d'harmoniques dans les signaux de masse volumique) et l'existence de phénomènes de transport de masse significatifs qui pourraient être responsables de la complexité de la dynamique du transitoire observé.

PROPAGATION ACOUSTIQUE NON LINEAIRE DANS DES CHAINES GRANULAIRES MAGNETIQUES : ONDES DE ROTATION ET EFFETS PHONONIQUESJérémy Cabaret

2014
07
04

Bâtiment de Mathématiques, vendredi 4 juillet 2014, 10 h

Jury :

Ce travail de recherche est une contribution à l'étude de la propagation d'ondes élastiques dans les milieux granulaires. L'objectif principal est d'analyser deux aspects particuliers qui influencent la propagation, d'une part le degré de liberté en rotation des grains et d'autre part les non-linéarités de contact. Dans le cadre de ce travail, des structures granulaires périodiques et unidimensionnelles sont étudiées. L'apport principal de ce travail est la mise en évidence expérimentale et la modélisation d'ondes de rotation
pures dans une chaîne granulaire composée de billes magnétiques. Le point de départ de la modélisation est la description du contact en torsion entre deux sphères jusqu'au premier ordre de non-linéarité. Pour un moment de torsion oscillant, il est montré un comportement de type purement hystérétique quadratique. Généralement, cette non-linéarité coexiste avec d'autres types de non-linéarités (quadratique, clappement, ...) et certains de ses effets n'ont jamais été observés. Pour la première fois, la distorsion d'ondes impulsionnelles par une non-linéarité hystérétique est mise en évidence et modélisée. D'autres effets liés à la dispersion et aux non-linéarités de contact dans une chaîne diatomique sont étudiés théoriquement et expérimentalement. En particulier, la génération de l'harmonique 2 des ondes de compression présente une richesse intéressante selon leur caractère propagatif, fortement dispersif ou évanescent. Outre les apports fondamentaux, les résultats obtenus peuvent trouver des applications dans le domaine du contrôle des ondes : filtres acoustiques dépendant de l'amplitude, convertisseurs de fréquences, rectificateurs et diodes acoustiques…

Amortissement vibratoire de poutres par effet trou noir acoustiqueVivien Denis (LAUM, CNRS, Université du Maine)

2014
10
22

ENSIM, amphi C03, mercredi 22 octobre 2014, 14 h

ENSIM, C03, Wednesday, Oct. 22 2014, 2 p.m.

Jury:

L'amortissement des vibrations mécaniques de structure joue un rôle important dans de nombreuses applications industrielles. Les méthodes classiques de réduction de vibration par ajout de revêtement viscoélastique donnent généralement lieu à une augmentation de masse importante, ce qui peut être rédhibitoire dans l'industrie des transports pour des raisons écologiques ou économiques. L'effet "Trou Noir Acoustique" (TN) est une méthode passive permettant d'obtenir un amortissement de la structure sans augmenter sa masse: les ondes de flexion se propageant dans une extrémité de plaque profilée avec une loi de puissance sont efficacement dissipées si l'on place un film amortissant dans la zone terminale.

Une étude préliminaire de nature expérimentale confirme le potentiel du TN comme stratégie d'amortissement : une analyse modale montre que le TN augmente significativement le facteur de recouvrement modal (MOF) de la poutre, et réduit donc son caractère résonant. Une analyse basée sur une approche ondulatoire montre clairement que le coefficient de réflexion de l'extrémité TN présente de faibles valeurs. Un modèle numérique bi-dimensionnel d'une poutre, développé pour analyser le comportement de la terminaison, montre que l'augmentation du MOF peut-être expliquée d'une part par une augmentation de la densité modale et d'autre part, par un fort amortissement des modes de la structure, causé par une localisation de l'énergie dans la région profilée. On établit que la poutre TN possède des modes locaux bi-dimensionnels, et un modèle de guide de la terminaison TN incluant des imperfections, qui ne peuvent être évitées en pratique, montre que l'énergie incidente est diffusée sur de nombreux modes locaux. Les imperfections du TN améliorent ainsi ses performances.

L'analyse des mécanismes dissipatifs mis en jeu dans le TN permet d'en estimer les performances en terme d'amortissement vibratoire, de tirer le meilleur parti de ces mécanismes, d'en déduire des règles de dimensionnement et donc d'envisager son intégration dans des applications utiles à l'ingénieur.

Outils de spatialisation sonore pour terminaux mobile. Microphone 3D pour une utilisation nomade.Julian Palacino (Orange Labs, Lannion)

2014
11
04

Auditorium de l'IRA, mardi 4 novembre 2014, 10 h

IRA, Auditorium, Tuesday, Nov. 4 2014, 10 a.m.

Jury :

Les technologies nomades (smartphones, tablettes...) étant actuellement très répandues, nous avons souhaité, dans le cadre de cette thèse, les utiliser comme vecteur pour proposer au grand public des outils de spatialisation sonore. La taille et le nombre de transducteurs utilisés pour la captation et la restitution sonore spatialisée sont à ce jour la limitation principale pour une utilisation nomade. Dans une première étape, la captation d’un opéra pour une restitution sur des tablettes tactiles nous a permis d’évaluer les technologies audio 3D disponibles aujourd’hui. Les résultats de cette évaluation ont révélé que l’utilisation des quatre capteurs du microphone Soundfield donne de bons résultats à condition d’effectuer un décodage binaural adapté pour une restitution sur casque. Selon une approche inspirée des méthodes de localisation de source et le concept de format « objet », un prototype de prise de son 3D léger et compact a été développé. Le dispositif microphonique proposé se compose de trois capsules microphoniques cardioïdes. A partir des signaux microphoniques, un algorithme de post-traitement spatial est capable, d’une part, de déterminer la direction des sources et, d’autre part, d’extraire un signal sonore représentatif de la scène spatiale. Ces deux informations permettent ainsi de caractériser complètement la scène sonore 3D en fournissant un encodage spatial offrant le double avantage d’une compression de l’information audio et d’une flexibilité pour le choix du système de reproduction. En effet, la scène sonore ainsi encodée peut être restituée en utilisant un décodage adapté sur n’importe quel type de dispositif.

Plusieurs méthodes de localisation et différentes configurations microphoniques (géométrie et directivité) ont été étudiées.

Dans une seconde étape, l’algorithme d’extraction de l’information spatiale a été modifié pour prendre en compte les caractéristiques réelles in situ des microphones.

Des méthodes pour compléter la chaîne acoustique sont proposées permettant la restitution binaurale ainsi que sur tout autre dispositif de restitution. Elles proposent l’utilisation de capteurs de localisation présents sur les terminaux mobiles afin d’exploiter les capacités qu’ils offrent aujourd’hui.

Étude théorique d'ondes localisées, de volume et de surface dans les cristaux phononiques granulairesHélène Pichard (LAUM)

2014
11
28

LAUM, salle de conférence (4e étage), vendredi 28 novembre 2014, 14 h

LAUM, conference room (4th floor), Friday, Nov. 28 2014, 2 p.m.

Jury :

Ce travail de thèse porte sur l'étude de la propagation d'ondes de volume, localisées et de surface dans des cristaux phononiques granulaires en régime linéaire. Deux grands aspects sont développés dans ce manuscrit. Tout d'abord, l'effet de la prise en compte des degrés de liberté en rotation des particules sur la structure de bande de différents cristaux phononiques granulaires est étudié. En effet, l'introduction de ces degrés de liberté additionnels induit l'apparition de modes de rotation ainsi qu'une interaction forte avec les modes transverses, ce qui produit une variété de structure de bandes. Ensuite, ce travail s'intéresse à l'existence d'ondes de surface dans des cristaux phononiques granulaires et en particulier à la comparaison des théories développées avec les prédictions de la théorie de Cosserat.

Cette thèse est composée de quatre chapitres. Une revue non exhaustive des recherches sur les milieux périodiques ainsi que sur les cristaux phononiques granulaires est présentée dans le premier chapitre. Quelques notions utiles à la compréhension des outils utilisés pour décrire la propagation dans un cristal phononique granulaire ainsi que l'importance de la prise en compte des degrés de liberté en rotation des particules sont aussi exposées.

Le deuxième chapitre est consacré à l'étude d'une chaîne phononique granulaire monoatomique composée de particules possédant un degré de liberté en rotation et un degré de liberté en translation. Deux modes propagatifs et dispersifs sont prédits dans cette chaîne. En considérant la chaîne semi-infinie avec une condition aux limites appliquée à son extrémité, le modèle analytique démontre l'existence de modes localisés, chaque mode étant composé de deux modes évanescents. Les caractéristiques de ces modes (condition d'existence, fréquence, décroissance spatiale...) sont analysées en fonction du type de conditions aux limites appliquées ainsi qu'en fonction des différentes forces agissant entre les particules. Cette étude, portant sur une structure de géométrie assez simple, est notamment un premier pas vers l'étude de modes de surface dans des structures plus complexes.

Une description théorique des modes se propageant dans un cristal phononique granulaire en deux dimensions est ensuite présentée en troisième chapitre. Les particules possèdent trois degrés de liberté, deux en translation et un en rotation. L'analyse des interactions entre ondes de translation et ondes de rotation permet de mettre en évidence une richesse de structure de bandes ainsi que des phénomènes particuliers (bandes interdites complètes, cône de Dirac, modes non-monotones, phénomène de double réfraction).

Dans le dernier chapitre, une analyse de l'existence d'ondes à la surface mécaniquement libre d'un cristal phononique granulaire en trois dimensions composé de particules sphériques disposées selon une maille cubique est présentée. Selon le type de degré de liberté des particules, des ondes de type Rayleigh ou des ondes de cisaillement horizontal sont analysées. Une comparaison des résultats de la théorie développée avec les prédictions d'ondes acoustiques à la surface libre des milieux de Cosserat, ouvre la possibilité d'établir les limites de la théorie de Cosserat dans la description d'ondes acoustiques de surface dans les milieux micro- et nano-inhomogènes.

Déconvolution adaptative pour le contrôle non destructif par ultrasonsEwen Carcreff (IRRCyN, École Centrale de Nantes / LAUM, CNRS, Université du Maine)

2014
11
28

IRRCyN, amphi S, École Centrale de Nantes, vendredi 28 novembre 2014, 14 h

Jury :

Nous nous intéressons au contrôle non destructif par ultrasons des matériaux industriels. En pratique, les signaux réceptionnés par le transducteur ultrasonore sont analysés pour détecter les discontinuités de la pièce inspectée. L'analyse est néanmoins rendue difficile par l'acquisition numérique, les effets de la propagation ultrasonore et la superposition des échos lorsque les discontinuités sont proches. La déconvolution parcimonieuse est une méthode inverse qui permet d'aborder ce problème afin de localiser précisément les discontinuités. Ce procédé favorise les signaux parcimonieux, c'est-à-dire ne contenant qu'un faible nombre de discontinuités. Dans la littérature, la déconvolution est généralement abordée sous l'hypothèse d'un modèle invariant en fonction de la distance de propagation, modalité qui n'est pas appropriée ici car l'onde se déforme au cours de son parcours et en fonction des discontinuités rencontrées.

Cette thèse développe un modèle et des méthodes associées qui visent à annuler les dégradations dues à l'instrumentation et à la propagation ultrasonore, tout en résolvant des problèmes de superposition d'échos. Le premier axe consiste à modéliser la formation du signal ultrasonore en y intégrant les phénomènes propres aux ultrasons. Cette partie permet de construire un modèle linéaire mais non invariant, prenant en compte l'atténuation et la dispersion. L'étape de modélisation est validée par des acquisitions avec des matériaux atténuants. La deuxième partie de cette thèse concerne le développement de méthodes dedéconvolution efficaces pour ce problème, reposant sur la minimisation d'un critère des moindres carrés pénalisé par la norme L0. Nous avons développé des algorithmes d'optimisation spécifiques, prenant en compte, d'une part, un modèle de trains d'impulsions sur-échantillonné par rapport aux données, et d'autre part le caractère oscillant des formes d'onde ultrasonores. En utilisant des données synthétiques et expérimentales, ces algorithmes associés à un modèle direct adapté aboutissent à de meilleurs résultats comparés aux approches classiques pour un coût de calcul maîtrisé. Ces algorithmes sont finalement appliqués à des cas concrets de contrôle non destructif où ils démontrent leur efficacité.

This thesis deals with the ultrasonic non destructive testing of industrial parts. During real experiments, the signals received by the acoustic transducer are analyzed to detect the discontinuities of the part under test. This analysis can be a difficult task due to digital acquisition, propagation effects and echo overlapping if discontinuities are close. Sparse deconvolution is an inverse method that aims to estimate the precise positions of the discontinuities. The underlying hypothesis of this method is a sparse distribution of the solution, which means there are a few number of discontinuities. In the literature, deconvolution is addressed by a linear time-invariant model as a function of propagation distance, which in reality does not hold.

The purpose of this thesis is therefore to develop a model and associated methods in order to cancel the effects of acquisition, propagation and echo overlapping. The first part is focused on the direct model development. In particular, we build a linear time-variant model that takes into account dispersive attenuation. This model is validated with experimental data acquired from attenuating materials. The second part of this work concerns the development of efficient sparse deconvolution algorithms, addressing the minimization of a least squares criterion penalized by a L0 norm. Specific algorithms are developed for up-sampled deconvolution, and more robust exploration strategies are built for data containing oscillating waveforms. By using synthetic and experimental data, we show that the developed methods lead to better results compared to standard approaches for a competitive computation time. The proposed methods are then applied to real non destructive testing problems where they confirm their efficiency.

Laser ultrasonics in a diamond anvil cell for investigation of simple molecular compounds at ultrahigh pressuresSergey Nikitin (LAUM)

2015
01
19

LAUM, salle de conférence (4e étage), lundi 19 janvier 2015, 14 h

LAUM, conference room (4th floor), Monday, January 19 2015, 2 p.m.

Jury :

Knowledge of pressure-dependences of sound velocities and elastic moduli of liquids and solids at Megabar pressures and evolution of texture of polycrystalline solids on compression is of extreme importance for a few branches of natural sciences such as condensed matter physics, physics of the Earth and planetology, as well as for monitoring and predicting of earthquakes and tsunamis or nuclear weapons test control.

This PhD research work is devoted to the use of laser ultrasound in high-pressure physics. The research is done using the recently established technique of laser ultrasonic measurements in a diamond anvil cell which allows investigation of the sound propagation and determination of the acoustic wave velocities at ultrahigh pressures. Time domain Brillouin scattering was applied here to depth profiling of polycrystalline aggregate of ice compressed in a diamond anvil cell to Megabar pressures. The technique allowed examination of characteristic dimensions of elastic inhomogeneities and texturing of polycrystalline ice in the direction, normal to the diamond anvil surfaces with sub-micrometer spatial resolution via time-resolved measurements of variations in the propagation velocity of the acoustic pulse travelling in the compressed sample. It was applied to measure the acoustic velocities in H2O ice up to 84 GPa. The developed imaging technique provides, for each crystallite (or a group of crystallites) in chemically homogeneous transparent aggregate, usable information on its orientation as well as on the value of the elastic modulus along the direction of the sound propagation. This extends the basis for a successful application of highly developed micromechanical models of solids deformation at Mbar pressure. On long term, such experiments extended to Earth’s minerals and high or low temperatures would insure a significant progress in understanding of convection of the Earth’s mantle and thus evolution of this and other planets.

Auxiliary experiments to determine the thickness of the ice in the diamond anvil cell and the refractive index of ice under pressure are described. These measurements are based on broadband interference of light in diamond anvil cell. Two different ways of measuring the refractive index of ice are considered. Refractive index of ice was measured by both methods up to 31 GPa. The thickness, transverse size and the volume of ice as function of pressure are obtained.

Analytical description for the directivity patterns of ultrasound, emitted from the laser-irradiated interface between two isotropic solids, is developed. The directivity patterns are derived both in two-dimensional and in three-dimensional geometries by accounting for the specific features of the sound generation by the photo-induced mechanical stresses distributed in the volume, essential in the laser ultrasonics. The derived mathematical formulas provide straight opportunity to predict the acoustic field, which is formed in the diamond anvil cell after photo-generation and several reflections of bulk acoustic waves at the interfaces. The developed theory can be applied in the future for the dimensional scaling of the laser ultrasonic measurements in a diamond anvil cell, the optimization of these experiments and the interpretation of the experimental results.

CARACTÉRISATION ET IDENTIFICATION NON-PARAMÉTRIQUE DES NON-LINÉARITÉS DE SUSPENSIONS DE HAUT-PARLEURSBalbine Maillou (LAUM)

2015
03
24

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 24 mars 2015, 9 h 30

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, March 24 2015, 9:30 a.m.

Jury :

Ce travail de thèse porte sur le comportement mécanique en basses fréquences de l’équipage mobile du haut-parleur électrodynamique, et plus spécifiquement sur le comportement de ses suspensions. Les propriétés des suspensions sont difficiles à identifier du fait de l’assemblage géométrique mis en oeuvre et du fait des matériaux employés, à l’origine de comportements viscoélastiques non-linéaires. En régime linéaire, le modèle de Thiele et Small permet une bonne description du comportement du haut-parleur, l’équipage mobile étant modélisé par un système masse-ressort-amortissement linéaire. En régime non-linéaire, ce modèle n’est plus suffisant et la démarche adoptée est celle de l’identification de systèmes non-linéaires, outil d’aide à la modélisation analytique. Un modèle sans a priori physique est choisi : le modèle «Hammerstein Généralisé». Son identification requiert l’acquisition de signaux expérimentaux. Un banc de mesure a donc été élaboré et permet de caractériser l’équipage mobile découplé du moteur magnétique, lorsqu’il est soumis à un déplacement axial de grande amplitude et imposé par un pot vibrant. Le pot vibrant ayant lui-même un comportement non-linéaire, une nouvelle méthode d’identification du modèle «Hammerstein Généralisé» a été développée, adaptée à la configuration de systèmes non-linéaires en série. Enfin, les paramètres d’un modèle dit de «Thiele et Small étendu» sont déduits à partir des paramètres du modèle «Hammerstein Généralisé» et permettent de mettre en évidence l’évolution de la raideur et de l’amortissement avec la fréquence d’excitation et le déplacement de la membrane, ainsi que la dépendance des phénomènes observés avec le niveau d’excitation.

This thesis deals with the low frequencies mechanical behavior of the electrodynamic loudspeaker moving part, and especially with the behavior of the suspensions, whose properties are among the most difficult to identify because of both assembly geometry and intrinsic materials, leading to nonlinear viscoelastic behaviors. In small signal domain, the Thiele and Small model describes the behavior of the whole loudspeaker with a good fit, the moving part behavior being modeled by a simple linear mass-spring system, with mass, damping and stiffness parameters. In large signal domain, this model is no longer sufficient. Our approach is then to perform nonlinear system identification as a tool helping to improve analytical models. A model without physical knowledge is chosen : «Generalized Hammerstein». Its identification requires the acquisition of experimental signals. A multi sensor experimental set up were so carried out and allows to characterize the whole moving part of a loudspeaker, without magnetic motor, attached to a rigid stand and excited with high axial displacement values, by means of a shaker. Shaker being itself a nonlinear device, a new method of «Generalized Hammerstein» model identification was developped, dedicated to nonlinear systems in series. Finally, parameters of an «expanded Thiele and Small» model are derived from the «Generalized Hammerstein» model parameters. This allows to highlight the evolution of stiffness and damping with the frequency of excitation, with the displacement of the membrane, as well as the dependence of observed phenomena with the excitation level.

Contrôle acoustique et vibratoire de la mécano-synthèse des matériaux composites à matrice métallique nanostructurésLaurianne Barguet (LAUM)

2015
03
30

LAUM, salle de conférence (4e étage), lundi 30 mars 2015, 14 h 30

Jury :

Lors de la synthèse des aciers ODS (Oxide Dispersion Strengthened) la première étape consiste à réaliser un broyage actif entre les matériaux de départ qui sont la poudre métallique et les renforts d'oxyde, afin d'obtenir une poudre renforçante nanométrique. Ce procédé appelé mécano-synthèse peut se réaliser au moyen d'un broyeur à boulets, constitué d'une cuve cylindrique qui entre en rotation autour de son axe central et à l'intérieur de laquelle des billes en acier sont introduites en plus des matériaux à broyer. Le broyage résulte des combinaisons possibles de chocs entre billes, poudre et paroi de la cuve, ce qui conduit à une évolution de la morphologie des grains de poudre (tailles, forme des grains et distribution de leurs tailles).

La première partie de cette thèse s'attache à élaborer un moyen de caractérisation de la poudre par des mesures ultrasonores. Une méthode qui consiste à sonder une tranche d'échantillon de poudre métallique pour la mesure des paramètres acoustiques linéaires (vitesse de propagation, module élastique) s'est avérée adaptée pour la qualification de la poudre métallique à plusieurs étapes du procédé de mécano-synthèse. Une dépendance des paramètres acoustiques avec les caractéristiques morphologiques du milieu (polydispersité et non sphéricité) a également été mise en évidence pour des échantillons granulaires de faible densité et obtenus avec des préparations identiques.

Dans une deuxième partie du travail, l'optimisation du procédé par l'identification de la vitesse optimale de rotation de la cuve est recherchée dans un premier temps. La mise en parallèle des signaux acoustiques et vibratoires en fonction de la vitesse de rotation de la cuve et du mouvement des billes filmé par caméra rapide, montre que les énergies acoustique et vibratoire sont des indicateurs susceptibles de conduire au bon réglage de la vitesse de rotation. Dans un second temps, il est montré comment des mesures acoustiques et vibratoires durant des broyages de durée variable (jusqu'à 176h) permettent de caractériser l'évolution de la nature des poudres et/ou identifier la présence de colmatage de la poudre sur les parois de la cuve.

Conception et réalisation d’un transducteur acoustique miniatureAlexey Podkovskiy (LAUM)

2015
04
28

LAUM, salle de conférence (4e étage), mardi 28 avril 2015, 9 h 30

LAUM, conference room (4th floor), Tuesday, April 28 2015, 9:30 a.m.

Jury :

AMORTISSEMENT DES VIBRATIONS DE RÉFLECTEURS D'ANTENNE DE SATELLITES PAR MICROPERFORATIONSMargot Regniez (LAUM)

2015
05
04

ENSIM, amphithéâtre, lundi 4 mai 2015, 14 h 30

Jury :

Ce travail de thèse porte sur l'étude de l'influence des micro-perforations sur la réponse vibratoire d'une structure cellulaire de type panneau sandwich NIDA (nid d'abeille). Les réflecteurs d'antenne de satellites placés sur les satellites de télécommunication, comme beaucoup d'autres éléments, sont fabriqués avec ce type de matériaux. Lors du décollage du lanceur pour la mise en orbite du satellite, les sollicitations mécaniques appliquées au système sont de nature acoustique et solidienne. La sollicitation acoustique liée au champ acoustique diffus et de très fort niveau présent dans la coiffe du lanceur est la plus importante. Elle joue un rôle important dans le dimensionnement et la conception du réflecteur d'antenne. L’enjeu de la thèse est d’évaluer le potentiel d’un traitement de ce panneau par micro-perforations pour en réduire les vibrations.

L'effet des micro-perforations sur la réponse vibratoire du réflecteur d'antenne est double. D’une part, le chargement acoustique que constitue la pression excitatrice est réduit par un mécanisme d'absorption du à la présence des micro-perforations, couplées aux cavités formées par les cellules NIDA du matériau. Cet effet, connu dans la littérature est décrit notamment par le modèle d'impédance acoustique de D.-Y. Maa, couplé à un modèle d’impédance de la cavité NIDA et prenant en compte les rayonnements interne et externe à la micro-perforation. D’autre part, un effet, de nature vibro-acoustique est induit par le couplage entre les vibrations du panneau et les mouvements acoustiques dans les micro-perforations. La modélisation de cet effet, mal décrit dans la littérature constitue un élément original du travail : un modèle discret construit à partir de l'impédance acoustique d'un orifice permet le calcul d’une force d’amortissement élémentaire, puis, après homogénéisation, à une estimation de l’amortissement modal du panneau micro-perforé.

Les modélisations proposées pour la réduction de chargement acoustique et de l’amortissement ajouté par micro-perforation montrent que la réponse vibratoire du panneau est faiblement réduite dans la plage de fréquence d’intérêt. Ceci est confirmé par plusieurs tests expérimentaux comparant la réponse de panneau micro-perforé ou non en chambre réverbérante et en chambre à bruit. La modification de chargement acoustique apportée par la micro-perforation des deux faces du panneau sandwich NIDA est modélisée dans le dernier chapitre et donne lieu à une augmentation de l’effet dans la gamme de fréquence visée.

Identification des propriétés d'élasticité et d'amortissement d'une fibre isolée anisotrope par ultrasons laser. Ouverture au cas des fibres naturellesHaithem Khelfa (LAUM)

2015
09
29

ENSIM, amphi. C03, mardi 29 septembre 2015, 9 h 30

Jury :

Ce travail de thèse porte sur l’étude des propriétés d’élasticité et d’amortissement des fibres micrométriques qui sont utilisées comme des renforts dans les matériaux composites. Des fibres synthétiques, homogènes et circulaires, ont fait l’objet d’une étude expérimentale par l’application de la technique des ultrasons laser (USL) couplée à une identification modale basée sur une modélisation des modes des vibrations par éléments finis (FEM). Dans le cas d’une fibre végétale, l’application de la méthode USL requiert la connaissance préalable de la géométrie 3D de la fibre unitaire dans la zone de mesure. Pour déterminer cette géométrie, nous avons développé un dispositif de micro-tomographie par projection optique (OPT) in-situ de la fibre en utilisant la technique de l’holographie numérique. Le manuscrit de thèse est organisé autour de quatre chapitres. Le premier chapitre dresse un état de l’art des fibres micrométriques et des méthodes les plus courantes utilisées pour caractériser leurs propriétés mécaniques. Le second chapitre est dédié à l’aspect théorique de la propagation des ondes acoustiques guidées dans une structure cylindrique (cylindre plein, tubes, section arbitraire). Pour prédire la propagation des ondes acoustiques guidées dans ces structures, un ensemble de méthodes sont présentées. Le troisième chapitre se consacre à l’étude expérimentale des propriétés élastiques et du comportement vibratoire des fibres micrométriques en utilisant la technique USL. Le dernier chapitre du manuscrit présente le principe de la méthode OPT basée sur la microscopie holographie numérique, effectuée in-situ sur la zone USL de la section de la fibre, qui sera utilisée dans le cas d’une fibre unitaire de lin pour connaître sa vraie forme 3D.

Mesure du Champ Vibratoire de Structures par Holographie Optique Numérique Ultra-RapideJulien Poittevin (LAUM, IRT Jules Verne)

2015
10
12

ENSIM, amphi. C03, lundi 12 octobre 2015, 14 h

Jury :

Les vibrations des structures sont en général de nature complexe dans des conditions de fonctionnement opérationnel. Une analyse des champs vibratoires dans l’espace et dans le temps est souvent souhaitée. De façon usuelle, cette analyse est menée en utilisant des accéléromètres ou un vibromètre-laser. Ces deux techniques fournissent des mesures ponctuelles. Nous proposons une nouvelle approche basée sur l’utilisation de l’holographie optique numérique couplée à une caméra ultra-rapide. Cette technique interférométrique permet de fournir des mesures sans contact et plein champ. Une étude approfondie des paramètres d’acquisition a été réalisée afin d’optimiser les facteurs influents, tels que le bruit de mesure, la sensibilité... L’étude paramétrique a été menée pour la conception d’un montage expérimental utilisant un laser continu de haute puissance (> 1 W) et un capteur CMOS à haute vitesse d’acquisition (> 10 000 i/s). L’optimisation de l’enregistrement des hologrammes a été menée selon les règles définies à l’aide de la simulation numérique. Une validation expérimentale a été réalisée en confrontant les résultats à ceux obtenus au moyen d’un vibrométre-laser à la méthode holographique plein champ. La comparaison des résultats montre un bon accord entre les deux techniques de mesure et met ainsi en évidence l’intérêt de l’holographie optique numérique ultra-rapide. Les avantages de l’approche proposée sont présentés au moyen de plusieurs démonstrateurs expérimentaux utilisant des conditions opérationnelles variées : sources excitatrices mobiles dans l’espace et le temps, et source transitoire localisée dans l’espace. Les résultats expérimentaux obtenus sur des structures simples (plaque) et complexes (système muni d’un trou noir acoustique) montrent la possibilité de suivi spatio-temporel du front d’onde vibratoire et de son interaction avec la structure. Nous présentons également une étude de faisabilité concernant l’extension de la méthode à trois dimensions. Pour cela, des hologrammes à trois longueurs d’ondes (rouge-vert-bleu) sont enregistrés de manière synchrone avec un capteur CMOS monochrome. Les résultats expérimentaux montrent les possibilités et les limites de la méthode.

Contributions à l'étude des générateurs d'ondes thermoacoustiques. Contrôle actif des auto-oscillations et propagation non linéaireCôme Olivier (LAUM)

2015
10
13

LAUM, salle de conférence, mardi 13 octobre 2015, 10 h 30

LAUM, conference room, Tuesday, Oct. 13 2015, 10:30 a.m.

Jury :

Les moteurs thermoacoustiques sont des machines thermodynamiques cycliques, qui font usage d'un gradient de température dans un matériau poreux pour générer du travail acoustique. Les modèles historiques décrivant le fonctionnement de ces moteurs sont basés sur la théorie linéaire de la thermoacoustique, qui faillit à qualifier précisément leurs conditions de fonctionnement et de saturation car différents effets non linéaires dissipent une partie non négligeable de l'énergie acoustique produite et perturbent la distribution de température dans le noyau et l'éloignent de la distribution pour laquelle le moteur a été optimisé.

Les travaux de cette thèse présentent les résultats expérimentaux issus d'une approche globale pour limiter l'impact de ces effets non linéaires, en ajustant le champ acoustique par un rétro-contrôle acoustique dans le moteur afin d'exploiter au mieux la distribution de température présente dans la machine.

Un modèle simplifié est établi afin de comprendre les phénomènes en jeu dans les comportements dynamiques complexes observés expérimentalement, tels que l'augmentation de l'efficacité de conversion thermoacoustique couplée à une baisse de la différence de température dans le régénérateur, l'extinction de l'auto-oscillation, ou un comportement hystérétique des seuils d'instabilité. Ce modèle est basé sur une approche à constante localisée et une description discrète des transferts thermiques pour réduire l'ordre de complexité du problème. Une étude complémentaire est présentée sur la propagation non linéaire dans les moteurs thermoacoustiques, pouvant amener à la formation d'ondes de choc. Des outils de description de cette propagation sont adaptés au cas des auto-oscillations thermoacoustiques afin de mettre en évidence les paramètres déterminant dans l'amplification du phénomène de cascade harmonique dans des configurations académiques de moteurs thermoacoustiques.

Étude analytique, numérique et expérimentale des effets de rugosités d'interfaces dans une structure métal/colle/métal sur les ondes SHLudovic Cardin Foze Ndjomo (LAUM)

2015
10
15

LAUM, salle de conférence, jeudi 15 octobre 2015, 14 h

LAUM, conference room, Thursday, Oct. 15 2015, 2 p.m.

Jury :

L’étude de la propagation des ondes élastiques dans des plaques présentant des défauts en surface ou en volume trouve sa place dans divers domaines industriels (aéronautique, automobile, aérospatial...) pour le contrôle de l’état de santé des matériaux. L’étude menée ici en ondes transversales horizontales (SH) porte plus particulièrement sur les effets de rugosité aux interfaces d’une structure tri-couche, deux plaques isotropes collées par une couche mince de colle (les interfaces entre la couche de colle et les deux plaques  sont rendues rugueuses pour améliorer l’adhésion), les plaques n'étant pas obligatoirement de même nature. L’objectif à terme est de caractériser cette rugosité et par-delà d'analyser son influence sur la qualité de collage. Les rugosités peuvent être quelconques ; celles considérées ici sont soit périodiques, soit pseudo-aléatoires. 

Les approches retenues sont analytiques, numériques et expérimentales. L’approche analytique basée sur une formulation intégrale adaptée à la propagation en ondes SH est utilisée pour déterminer les champs de déplacements et de contraintes dans les deux plaques. L’étude numérique par éléments finis qui utilise le logiciel COMSOL donne les coefficients de transmission. L’étude expérimentale met en œuvre des transducteurs piézoélectriques à ondes transversales pour l’émission, et un vibromètre laser en réception, l’objectif étant de générer et d’identifier les modes propagatifs dans les structures étudiées, et d’évaluer leur comportement selon le type de rugosité. 

Les résultats et comparaisons portent sur les champs (déplacement-contrainte) et les coefficients de transmission en présence de rugosité, avec ou non accords de phase lorsque des périodicités apparaissent sur les profils de rugosité.

Use of mode coupling to enhance sound attenuation in acoustic ducts: Effects of exceptional pointsXIONG Lei

2016
03
24

LAUM, salle de conférence, jeudi 24 mars 2016, 14 h

Jury :

The central theme of this thesis is to use the mode coupling effects to enhance sound attenuation in acoustic ducts for potential applications, e.g. silencers for ventilation systems and wall treatments for aircraft engines. Two different strategies are presented.

The idea of the first strategy is to couple the incoming propagative mode in the duct with the mode localized in the scattering region. This strategy is first presented in an acoustic duct-cavity system and then applied in a partially lined waveguide. It is shown that a zero in the transmission is present when a real resonance frequency of the open system is equal to the incident frequency. This transmission zero with a transmission peak occurs as a Fano resonance - due to the excitation of a trapped mode in the open system. This trapped mode is formed by the interferences of two neighboured modes with complex resonance frequencies. It is also linked to the avoided crossing of the eigenvalues and exceptional point (a point in a 2D parameter space, where not only the eigenvalues but also the eigenfunctions of a non-Hermitian operator coalesce). The scattering matrix is expressed in terms of a matrix Heff which describes the complex resonances in the scattering region. With the aid of the eigenvalues and eigenfunctions of matrix Heff, the traditional acoustic resonance scattering formula can be extended to describe the coupling effects between the scattering region and the rigid parts of the waveguide.

In the second strategy, a set of periodic rigid inclusions are embedded in a porous lining to enhance sound attenuation at low frequencies. The mode coupling is due to the presence of the embedded inclusions. Floquet-Bloch theorem is proposed to investigate the attenuation in a 2D periodic waveguide. Crossing is observed between the mode attenuations of two lower Bloch modes. The most important and interesting figure is that near the frequency where the crossing appears, an attenuation peak is observed for the least attenuated mode. This phenomenon can be used to explain the transmission loss peak observed numerically and experimentally in a 3D waveguide with a portion of its wall lined by a porous material embedded with periodic inclusions.

Finally, the acoustical behaviours of a purely reacting liner in a rectangular duct in both absence and presence of flow are investigated. The results exhibit an unusual acoustical behaviour : for a certain range of frequencies, no wave can propagate against the flow. A negative group velocity is found in a certain range of frequencies, and it is demonstrated that the sound can be slowed down and even stopped. 

Contribution à l'optimisation conjointe PHY/MAC dans les réseaux de capteurs sans filsRajoua Anane

2016
03
31

ENSIM, amphi C03, jeudi 31 mars 2016, 10 h

Jury :

Les réseaux de capteurs sans fils (RCSFs) est un domaine de recherche en développement très rapide. Les recherches sur ce sujet se base sur la prise de conscience qu’il est possible de réaliser des équipements de très petite taille pouvant être exploité dans des différents domaines comme : l’habitat intelligent, surveillance et sécurité, les applications médicales, gestion d’une exploitation agricole, etc. 

Contrairement aux réseaux traditionnels qui se concentrent essentiellement à fournir  une meilleure qualité de service (QoS), les RCSFs doivent, en plus, se préoccuper  à conserver au mieux l’énergie dans le réseau. En effet, ils doivent adopter des techniques qui permettent aux utilisateurs de maximiser la durée de vie du réseau en entier, car chaque capteur est alimenté par une source d’énergie limitée et généralement irremplaçable. C’est pourquoi, il est important d’optimiser les performances de ce type de réseau en termes d’énergie à tous les niveaux de conception.

Dans ce contexte, cette thèse est dédiée à l’étude  des différentes techniques adoptées au niveau de la couche physique et MAC, plus particulièrement au processus de modulation et du codage des données puis aux techniques de relayage des informations. En effet, le choix de la modulation optimale et de la méthode de codage du canal appropriée est une tâche cruciale à la couche physique de cette classe de réseaux. Pour ce faire, nous avons présenté en premier temps les différents aspects caractérisant les réseaux de capteurs sans fils. Puis, les efforts engagés pour maximiser la conservation de l'énergie dans ces réseaux ont été résumés. En second lieu, nous nous sommes focalisés sur l’impact du choix du schéma de modulation et du codage canal dans les RCSFs, afin de trouver la consommation optimale permettant de préserver au mieux l’énergie du nœud capteur. Dans la dernière partie de notre étude, nous nous sommes intéressés à l’intégration de la coopération au niveau de la couche MAC afin de quantifier le gain apporté en termes de consommation d’énergie ainsi qu’en termes de stabilité des liens radio.

Protocole de communication et optimisation de l'énergie dans les réseaux de capteurs sans filMehdi Bouallegue

2016
03
31

ENSIM, amphi C03, jeudi 31 mars 2016, 14 h 30

Jury :

Les réseaux de capteurs sans fil (RCSFs) sont constitués d'un grand nombre de nœuds de capteurs qui sont généralement alimentés par batterie et conçu pour fonctionner pendant une grande période. Les domaines d’application sont nombreux et variés, tel que le domaine environnementale, médicale et militaire.

L’atout majeur de ce dispositif est un déploiement à grande échelle sans aucune maintenance.  Les capteurs n’ont pas besoin d’une infrastructure établie pour parvenir à transmettre des données vitales à l’étude de l’environnement. Il est nécessaire également de garantir une bonne qualité de service, car les réseaux de capteurs sans fils doivent  intégrer des mécanismes qui permettent aux utilisateurs de prolonger la durée de vie du réseau en entier, car chaque nœud est alimenté par une source d’énergie limitée et généralement irremplaçable. C’est pourquoi, il est nécessaire d’optimiser la consommation d’énergie à tous les niveaux de conception de ce type de réseau. Par conséquent, la minimisation de la consommation d'énergie est un facteur de conception des plus importants dans les réseaux de capteurs.

Le but de cette thèse est étudier les différents techniques de routages existant dans un contexte sans fils multi-saut afin d’obtenir de meilleures performances. Nous portons notre étude sur les protocoles de routages les plus connus afin de proposer dans une deuxième partie un nouveau protocole de routage permettant d’optimiser la consommation d’énergie dans les réseaux de capteurs sans fils, en gardant une qualité de service optimales.

Interaction between flow induced pulsations and multiphase flows in gas liquid systemsFrancesco Sanna

2016
04
15

LAUM, salle de conférences, vendredi 15 avril 2016, 14 h

Jury :

Le couplage entre un écoulement instable et des résonnances acoustiques dans des systèmes de conduites peut conduire à des phénomènes d’oscillations auto-induites. Ce type de phénomènes trouve principalement place dans des conduites latérales fermées, par exemple dans des systèmes de transport ou de compression de gaz. L’objectif de ce travail est d’étudier les oscillations auto-induites dans le cas où le fluide transporté ne se limite pas à un gaz, mais est un mélange de gaz et de liquide. Les pulsations sont mesurées dans des conduites latérales fermées, pour deux types de configurations (en tandem et en croix), avec écoulement d’un mélange variable d’air et d’eau. La position de l’injection d’eau est variable afin d’obtenir plusieurs régimes d’écoulement diphasique. Les résultats indiquent que la présence d’eau a un effet important sur les niveaux de pulsations dans les conduites. Cet effet a pu être attribué à deux mécanismes dus à la présence d’eau : les instabilités de couches de mélange sont modifiées et l’amortissement des ondes acoustiques est amplifié. Le deuxième mécanisme a été quantifié à l’aide de mesures sur un montage expérimental dédié conçu pour avoir un écoulement stratifié. On a observé que, dans tous les cas, la présence d’eau augmente l’amortissement. Cette augmentation a pu être attribuée à la réduction de la section effective de la conduite (due au remplissage partiel par l’eau) et à l’augmentation de la friction turbulente à l’interface entre les phases liquide et gazeuse.

Coupling between flow instabilities and acoustic resonances in ducts with closed side branches leads to Flow Induced Pulsations (FIPs). This is a typical phenomenon in engineering applications (gas transport systems, compressor installations, and chemical plants). The objective of this work is to extend the knowledge about FIPs when the transported medium is not uniquely gas but a combination of gas and (a small quantity of) liquid. For two configurations of double side branches (in tandem and in quasi-cross), the amplitude of pressure pulsations in the side branches was measured for different liquid injection rates. This was repeated with the liquid injection point located at different places to allow different flow regimes at the pipe connections. The results show a strong effect of the water content on the pulsations. On basis of these results and additional measurements, the following hypotheses for the effect of liquid were made : (1) interaction of the liquid with the flow instability and (2) increase of the acoustical damping in the ducts in presence of liquid. The effect of liquid on damping was measured with a dedicated test setup designed to have a stratified flow. It was found that the liquid always increases the acoustical damping, mainly due to the reduction of the effective cross section by the liquid, and because of the increased turbulent friction at the interface between gas and liquid.

Caractérisation numérique et expérimentale par ultrasons de matériaux à gradient fonctionnelYousra Dammak

2016
06
01

ENSIM, amphi C03, mercredi 1er juin 2016, 9 h 45

Jury :

Ce travail porte sur l'étude de structures multicouches à gradient de propriétés (FGM : Functionnally Graded Materials). Ces matériaux permettent d'obtenir des dépôts aux caractéristiques nouvelles et innovantes et sont désormais présents dans diverses applications de haute technologie.

Un système multicouche, à gradient de composition entre le cuivre et le nickel, a fait l'objet d'une double étude numérique et expérimentale. L’étude numérique basée sur le formalisme de Stroh et sur la méthode de la matrice de raideur a permis d’étudier la propagation des ondes ultrasonores dans des structures multicouches possédant un gradient continu de propriétés. Des développements des méthodes numériques dédiés aux matériaux dotés de la piézoélectricité sont également proposés.  L’étude expérimentale basée sur une méthode opto-acoustique à ultrasons laser a permis de caractériser des multicouches Ni/Cu et Ni/Constantan/Cu déposés sur le silicium pour deux orientations cristallographiques (100) et (111), réalisés en salle blanche par pulvérisation cathodique. Ces deux études ont permis de confronter les résultats numériques et expérimentaux et de caractériser le comportement dispersif de multicouches subnanométriques.

Conception vibroacoustique de caisses allégées pour l’industrie automobileMartial Nobou Dassi

2016
06
03

ENSIM, vendredi 3 juin 2016, 14 h

Jury :

Dans le cadre de la réduction des gaz à effet de serre émis par les véhicules, une des solutions envisagées est la réduction de la masse des caisses automobiles par intégration de matériaux légers. L’introduction de tels matériaux apporte des changements conséquents sur le comportement vibroacoustique de ces caisses, parmi lesquels peuvent être cités :

  • différentes propagations d’ondes et transitions fréquentielles ;
  • différentes répartitions de raideur au sein des structures.

Un modèle simplifié de caisse permettant de comparer rapidement différentes solutions allégées est construit pour cette étude. Son niveau de représentativité est jugé satisfaisant jusqu’à 1000Hz. Pour étudier l’évolution des transitions fréquentielles, une approche énergétique développée permet de proposer de nouveaux indicateurs de transitions entre basses et moyennes fréquences. Ceux-ci prennent en compte les effets d’excitabilité et d’observabilité et sont cohérents avec le comportement dynamique observé sur les caisses automobiles.

Les répartitions de raideurs et de masses sont ensuite caractérisées par l’analyse des mobilités d’entrée sur tous les noeuds du modèle et sur différentes gammes de fréquences. Un indicateur de contraste de structure est ainsi défini.

Enfin, différents scénarios de conception sont proposés. Ceux-ci sont basés sur des hypothèses locales de dimensionnement et associés à des matériaux à faibles masses volumiques. Ils permettent à la fois l’exploitation des indicateurs définis et l’évaluation de la performance vibroacoustique des caisses allégées.