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Touchscreens have pervaded our lives and became the human/computer of choice. However, its utilization needs high visual attention contrary to the physical world that we experience. To address this lack, haptic surfaces propose to produce tactile stimuli directly onto the user’s fingertip. To generate these stimuli, a promising technique consists of modulating fingertip friction on the active surface. The variation of this force, opposed to the fingertip motion, generates an illusion of touching a textured surface, the shape of relief or the clic of a button. The method used here is based on the control of the amplitude modulation of ultrasonic waves in real-time to variates the fingertip friction.The effect of these ultrasonic waves on friction is a complex and variable phenomenon. The friction force of the fingertip could variate an order of magnitude within minutes. This work proposes a method to measure and control in a closedloop this force that would overcome its variations. To understand the underlying phenomenon of wave/fingertip interaction a multi-scale contact model has been made. It includes the non-linear dynamics which links two-time scales: the one of the ultrasonic vibration (20 microseconds) and its effect on friction (1 ms). Interestingly, thismodel helps extract the contact state and so its frictional resistance simply with the measure of the plate vibration. This is done without using another sensor than the ultrasonic actuator already needed for the friction modulation. Consequently, this method is ready to be used in haptic interfaces. Also, with the possibility to assessfriction even before sliding occurs, a new way to create tactile stimuli is brought to enhance the realism of tactile illusions on haptic surfaces.; L’écran tactile représente aujourd’hui la quintessence des interfaces homme machine. Cependant, l’interaction avec cette surface plane demande une attention visuelle forte, en contradiction avec l’expérience physique du monde qui nous entoure. Afin de pallier ce manque, les surfaces haptiques offrent une nouvelle opportunité pour générer des stimuli tactiles directement sur le doigt de leurs utilisateurs. Pour générer ces stimuli, un principe prometteur repose sur la modulation du frottement du doigt sur la surface active. La variation de cet effort, opposé au mouvement dudoigt, génère l’illusion de toucher une surface texturée, les formes d’un relief ou d’interagir avec des boutons. La méthode utilisée dans ce travail repose sur le contrôle en temps réel de l’amplitude d’ondes ultrasonores pour faire varier le frottement du doigt. L’effet de ces ondes ultrasonores sur le frottement est un phénomène complexeet variable. La force due au frottement du doigt peut varier d’un ordre de grandeur en l’espace de quelques minutes. Ce travail propose une méthode pour mesurer et contrôler en boucle fermée cette force et ainsi corriger les variations. Afin de comprendre les nuances de l’interaction ondes-doigt, un modèle reposant sur la théorie de contact multi-échelles a été conçu. Il intègre la dynamique non-linéaire qui lie deux échelles de temps : celle de la vibration ultrasonore (20 microsecondes) et son impact sur le frottement (1 ms). En retour, ce modèle permet d’extraire l’état du contact, et donc du frottement à partir de la simple mesure de la vibration de la plaque. Et cela, sans employer de capteur supplémentaire que l’actionneur ultrasonore déjà présent pour la modulation. Ceci, le rend parfaitement prêt à être utilisé dans des interfaces haptiques. Avec cette estimation du frottement possible avant même la mise en glissement, s’ouvrent de nouvelles possibilités de stimuli tactiles pouvant renforcer le réalisme des illusions produites par les surfaces haptiques.

Tubular structures are widely used in a variety of industries such as Aerospace, Oil and Gas, Nuclear, etc. Non Destructive Evaluation (NDE) of these structures plays a crucial role during it’s life cycle. In order to test large structures with limited accessibility, guided wave testing was developed as a viable solution. Due to the nature of these waves, they are able to propagate over large distances without losing much of their energy. However, they are also complex in that their velocity is frequency dependent i.e. they are dispersive. Conventionally, guided wave testing require costly finite element simulations. This thesis offers an alternative to such simulations with a quick and robust method to simulate guided wave propagation in tubular structures.Based on these calculations, the aim of this work is to obtain the 3d topological image of multilayered isotropic tubular structures using ultrasonic guided waves to locate defects. A mathematical model has been proposed where the wave equation is converted to an ordinary differential equation with respect to radius 'r' using the Fourier and Laplace transforms for the spatial and temporal variables respectively. The partial wave solution, expressed as a combination of Bessel’s functions, allows for the creation of a fast robust semi-analytical algorithm to compute the Green function in tubular structures. A model to approximate numerical defects is then developed. The defect response is considered as the cumulative response of secondary sources, aiming to negate the incident and diffracted stress field present within it. Next, the numerical model is validated with experimental measurements.Finally, the technique of Topological Imaging is introduced. This method of imaging is based on the idea of performing a correlation between two wave fields for defect localization. The versatility and flexibility of the numerical tool in conjunction with the method of imaging is then successfully demonstrated by localising and imaging a multitude of numerical and experimental defects with dimensions as low as 1=40th of the wavelength.; Les structures tubulaires sont largement utilisées dans diverses industries telles que l’aérospatiale, le pétrole et le gaz, le nucléaire, etc. Le Contrôle Non Destructive (CND) de ces structures joue un rôle crucial au cours de leur cycle de vie. Afin de tester de grandes structures avec une accessibilité limitée, la méthode de CND utilisant des ondes guidées a été développée comme une solution viable. En raison de la nature de ces ondes, elles sont capables de se propager sur de grandes distances sans perdre une grande partie de leur énergie. Cependant, elles sont complexes puisque leur vitesse dépend de la fréquence, c'est-à-dire qu'elles sont dispersives. Classiquement, l’étude de ce type d’ondes nécessite des simulations par éléments finis coûteuses. Cette thèse propose une alternative à de telles simulations avec une méthode rapide et robuste pour simuler la propagation d'ondes guidées dans des structures tubulaires.Partant de ces calculs, pour localiser des défauts, l'objectif de ce travail est d'obtenir des images topologiques 3D de structures tubulaires isotropes multicouches par propagation de ces ondes guidées ultrasonores. Un modèle mathématique est proposé où l'équation d'onde est convertie en une équation différentielle ordinaire par rapport au rayon «r» en utilisant les transformées de Fourier et de Laplace pour les variables spatiales et temporelles respectivement. La solution en ondes partielles, exprimée comme une combinaison des fonctions de Bessel, permet la création d'un algorithme semi-analytique rapide et robuste pour calculer la fonction de Green de structures tubulaires. Un modèle approché en présence de défauts numériques est ensuite développé. La réponse des défauts est considérée comme la réponse cumulative des sources secondaires, visant à annuler le champ de contraintes incident et diffracté présent en son sein. Ensuite, le modèle numérique est validé par des mesures expérimentales.Enfin, la technique de l'imagerie topologique est introduite. Cette méthode d'imagerie est basée sur la corrélation entre les champs ultrasonores sans et avec défaut. La polyvalence et la flexibilité de l'outil numérique en conjonction avec cette méthode d'imagerie sont ensuite démontrées avec succès en localisant et imageant une multitude de défauts numériques et expérimentaux avec des dimensions aussi faibles que 1/40e de la longueur d'onde.

The detection, localization and monitoring of the evolution of defects in periodic media and waveguides is a major issue in the field of Non-Destructive Testing (NDT). Wave propagation in such media is complex, for example when the velocity depends on the frequency (dispersion) or direction of propagation (anisotropy). The signature of the defect can also be "embedded" in the acoustic field reflected by the structure (reverberation or multiple diffusion). It is to answer these stakes of the size that the Topological Optimization (TO) has been adapted to the problems of diffraction of the acoustic waves by infinitesimal defects in order to obtain reflectivity images of the inspected media. The method can be applied to all kinds of media, regardless of their complexity, provided an exact simulation of the wave propagation in a reference medium (without defects) is performed. Inspired by the TO, the work of this thesis proposes to implement qualitative imaging methods adapted to the specificities of Phononic Crystals (PC) and waveguides. First, we focus on the description of the mathematical formalism of Topological Optimization and Full-Waveform Inversion (FWI). Although these methods do not try to solve the same inverse problems, we highlight their similarities. In a second step, we apply Topological Imaging (TI) to the inspection in pulse-echo configuration of weakly heterogeneous media. Thirdly, we draw inspiration from TI to define a new variant of this method called Hybrid Topological Imaging (HTI).We apply these methods for the pulse-echo configuration inspection of PCs created by steel rods immersed in water.We compare the performance of these methods according to the kind of defects in the PC. Numerical simulations for some case studies are supported by conclusive experimental trials. In a fourth step, we adapt the TI to a pitch-catch configuration in order to implement a new method of Structural Health Monitoring (SHM) of waveguides. In this regard, we have developed a new imaging method that is better suited than TI to pitch-catch configurations.; La détection, la localisation et le suivi de l’évolution de défauts dans les milieux périodiques et les guides d’ondes est un enjeu majeur dans le domaine du Contrôle Non Destructif (CND). La propagation d’ondes dans ce genre de milieux est complexe, par exemple lorsque la vitesse dépend de la fréquence (dispersion) ou de la direction de propagation (anisotropie). La signature du défaut peut également être « noyée » dans le champ acoustique renvoyé par la structure (réverbération ou diffusion multiple). C’est pour répondre à ces enjeux de taille que l’Optimisation Topologique (OT) a été adaptée aux problèmes de diffraction des ondes acoustiques par des défauts infinitésimaux afin d’obtenir des images de réflectivité des milieux inspectés. La méthode peut être appliquée à toutes sortes de milieux, quelle que soit leur complexité, à condition d’être capable de simuler correctement (sur un milieu de référence) la propagation des ondes de l’expérience physique. En s’inspirant de l’OT, les travaux de cette thèse proposent de mettre en oeuvre des méthodes d’imagerie qualitatives adaptées aux spécificités des Cristaux Phononiques (CP) et des guides d’ondes. Dans un premier temps, nous nous attachons à la description du formalisme mathématique de l’Optimisation Topologique et de la Full Waveform Inversion (FWI). Bien que ces méthodes ne cherchent pas à résoudre les mêmes problèmes inverses, nous mettons en évidence leurs points communs. Dans un deuxième temps, nous appliquons l’Imagerie Topologique (IT) à l’inspection en réflexion des milieux faiblement hétérogènes. Dans un troisième temps, nous nous inspirons de l’IT pour définir une nouvelle variante de celle-ci nommée Imagerie Topologique Hybride (ITH). Nous appliquons ces méthodes pour l’inspection en réflexion des CP crées par des tiges d’acier immergées dans l’eau. Nous comparons les performances de ces méthodes en fonction du type de défaut dans le CP. Les simulations numériques correspondantes à certains cas d’étude sont appuyées par des essais expérimentaux concluants. Dans un quatrième temps, nous adaptons l’IT à une configuration d’inspection en transmission afin de mette en oeuvre une méthode de Structural Health Monitoring (SHM) des guides d’ondes. A ce propos, nous avons mis au point une nouvelle méthode d’imagerie mieux adaptée que l’IT aux configurations d’inspection en transmission.

The evolution of an initially homogeneous solution consisting of two species subjected to a thermal gradient which generates a mass transfer, which can lead to the separation species from the binary fluid, is studied. The configuration chosen to study the separation is a rectangular (or parallelepipedic) cell, horizontal and placed in the gravitational field. The presence of a piezoelectric source on one of the vertical walls of the cavity makes it possible to generate a stationary flow on a large scale. The flow is induced by the propagation of ultra-sonic waves within the viscous fluid : the dissipation of the acoustic energy of the wave within the fluid is called Eckart streaming. We seek to optimize the separation by combining thermal gradient and acoustic source. The first part consists of the study of the isothermal flow generated by the ultrasonic wave in a monoconstituent fluid. After calculating the acoustic intensity field with the Rayleigh integral, the profile is implemented in a Comsol Multiphysics finite element code. The numerical results are compared with previous experimental results. In a second part, we consider a cavity containing a binary fluid. A configuration heated from the top is privilegied to allow the insertion of an acoustic source. The separation (difference of mass fraction between the two ends of the cell) is determined analytically using the Maple software as a function of the control parameters of the problem. 2D and 3D numerical simulations showed a good agreement between the analytical and numerical results, for a constant acoustic parameter. The problem considered depends on eight dimensionless parameters. Three of them are specific to the nature of the binary fluid : the Lewis number Le, the Prandtl number Pr and the separation factor ψ. There are then two control parameters, the thermal Rayleigh number Ra and the adimensional acoustic force A. Finally, the other dimensionless parameters are the two aspect ratios of the cavity, as well as the relative thickness of the beam.; On étudie l'évolution d'une solution initialement homogène constituée de deux espèces soumises à un gradient thermique qui génère un transfert de matière, ce qui peut conduire à la séparation des espèces du fluide binaire. La configuration choisie pour étudier la séparation est une cellule rectangulaire (ou parallélépipédique), horizontale et placée dans le champ de pesanteur. La présence d'une source piézo-électrique, sur l'une des parois verticales de la cavité, permet de générer un écoulement stationnaire à grande échelle. L'écoulement est induit par la propagation d'ondes ultrasonores au sein du fluide visqueux : la dissipation de l'énergie acoustique de l'onde au sein du fluide porte le nom d'Eckart streaming. On cherche à optimiser la séparation en combinant gradient thermique et source acoustique. La première partie consiste en l'étude de l'écoulement isotherme généré par l'onde ultrasonore dans un fluide mono-constituant. Après avoir calculé le champ d'intensité acoustique avec l'intégrale de Rayleigh, le profil est implémenté dans un code aux éléments finis Comsol Multiphysics. Les résultats numériques sont comparés avec des résultats expérimentaux antérieurs. Dans une seconde partie, on considère une cavité contenant un fluide binaire. On détermine analytiquement, à l'aide du logiciel Maple, la séparation (différence de fraction massique entre les deux extrémités de la cellule) en fonction des paramètres de contrôle du problème. Des simulations numériques 2D et 3D ont montré un bon accord entre les résultats analytiques et numériques, pour un paramètre acoustique constant et un chauffage par le bas ou par le haut de la cellule. Le problème considéré dépend alors de huit paramètres adimensionnels. Trois d'entre eux sont propres à la nature du fluide binaire : le nombre de Lewis Le, de Prandtl Pr et le facteur de séparation ψ. Il y a ensuite deux paramètres de contrôle, le nombre de Rayleigh thermique Ra et la force acoustique adimensionnelle A. Enfin, les autres paramètres adimensionnels sont les deux rapports d'aspect de la cavité, ainsi que l'épaisseur relative du faisceau acoustique

The evolution of an initially homogeneous solution consisting of two species subjected to a thermal gradient which generates a mass transfer, which can lead to the separation species from the binary fluid, is studied. The configuration chosen to study the separation is a rectangular (or parallelepipedic) cell, horizontal and placed in the gravitational field. The presence of a piezoelectric source on one of the vertical walls of the cavity makes it possible to generate a stationary flow on a large scale. The flow is induced by the propagation of ultra-sonic waves within the viscous fluid : the dissipation of the acoustic energy of the wave within the fluid is called Eckart streaming. We seek to optimize the separation by combining thermal gradient and acoustic source. The first part consists of the study of the isothermal flow generated by the ultrasonic wave in a monoconstituent fluid. After calculating the acoustic intensity field with the Rayleigh integral, the profile is implemented in a Comsol Multiphysics finite element code. The numerical results are compared with previous experimental results. In a second part, we consider a cavity containing a binary fluid. A configuration heated from the top is privilegied to allow the insertion of an acoustic source. The separation (difference of mass fraction between the two ends of the cell) is determined analytically using the Maple software as a function of the control parameters of the problem. 2D and 3D numerical simulations showed a good agreement between the analytical and numerical results, for a constant acoustic parameter. The problem considered depends on eight dimensionless parameters. Three of them are specific to the nature of the binary fluid : the Lewis number Le, the Prandtl number Pr and the separation factor ψ. There are then two control parameters, the thermal Rayleigh number Ra and the adimensional acoustic force A. Finally, the other dimensionless parameters are the two aspect ratios of the cavity, as well as the relative thickness of the beam., On étudie l'évolution d'une solution initialement homogène constituée de deux espèces soumises à un gradient thermique qui génère un transfert de matière, ce qui peut conduire à la séparation des espèces du fluide binaire. La configuration choisie pour étudier la séparation est une cellule rectangulaire (ou parallélépipédique), horizontale et placée dans le champ de pesanteur. La présence d'une source piézo-électrique, sur l'une des parois verticales de la cavité, permet de générer un écoulement stationnaire à grande échelle. L'écoulement est induit par la propagation d'ondes ultrasonores au sein du fluide visqueux : la dissipation de l'énergie acoustique de l'onde au sein du fluide porte le nom d'Eckart streaming. On cherche à optimiser la séparation en combinant gradient thermique et source acoustique. La première partie consiste en l'étude de l'écoulement isotherme généré par l'onde ultrasonore dans un fluide mono-constituant. Après avoir calculé le champ d'intensité acoustique avec l'intégrale de Rayleigh, le profil est implémenté dans un code aux éléments finis Comsol Multiphysics. Les résultats numériques sont comparés avec des résultats expérimentaux antérieurs. Dans une seconde partie, on considère une cavité contenant un fluide binaire. On détermine analytiquement, à l'aide du logiciel Maple, la séparation (différence de fraction massique entre les deux extrémités de la cellule) en fonction des paramètres de contrôle du problème. Des simulations numériques 2D et 3D ont montré un bon accord entre les résultats analytiques et numériques, pour un paramètre acoustique constant et un chauffage par le bas ou par le haut de la cellule. Le problème considéré dépend alors de huit paramètres adimensionnels. Trois d'entre eux sont propres à la nature du fluide binaire : le nombre de Lewis Le, de Prandtl Pr et le facteur de séparation ψ. Il y a ensuite deux paramètres de contrôle, le nombre de Rayleigh thermique Ra et la force acoustique adimensionnelle A. Enfin, les autres paramètres adimensionnels sont les deux rapports d'aspect de la cavité, ainsi que l'épaisseur relative du faisceau acoustique

Complex physical phenomena study, such as resonant multiple scattering of waves, requireswell calibrated model systems. During this study, we suggest the use of resonant emulsions tostudy ultrasonic waves transport in strongly resonant disordered media. Emulsions components(uorinated oil droplets in a water-based gel) were selected for both their weak absorptionand propensity to generate strong Mie-type resonances. Fluid kind of those systems allowsfurthermore in situ acoustic _eld probing.First, we theoretically describe acoustic waves propagation in resonant emulsions. Dropletsresonance modes are calculated just as multiple scattering of an acoustic wave by a disorderedpopulation of identical objects. Then, micro-uidic technics used to make such model systemsare described as well as acoustic devices designed for both coherent and incoherent waves characterization.For diluted emulsions, our experimental observations of both the ballistic propagation ofcoherent wave and di_usive transport of averaged intensity are well described by independentscattering approximations. Energy velocity estimation of multiple scattered waves allows thenan original link between pioneering works in optics and acoustics.Finally, when scatterers concentration increases, previous approximations fail. We thus observefurther complex phenomena, which arise from scatterers interactions, such as\sub-di_usive"transport of averaged intensity suggesting attractive prospects for Anderson localization study., La compréhension de phénomènes physiques complexes tels que la diffusion multiple résonante des ondes nécessite l'étude de systèmes modèles parfaitement contrôlés. Lors de ces travaux de thèse, nous proposons l'utilisation d'émulsions résonantes pour l'étude du transport des ondes ultrasonores en milieux désordonnés fortement diffusants. Les constituants de ces émulsions (gouttetelettes d'huile fluorée dispersées dans un gel aqueux) ont été choisis pour leur caractère très faiblement absorbant et leur propension à engendrer de très forte résonances de type-Mie. De plus, la nature fluide de ces systèmes autorise l'exploration in situ du champ acoustique dans le milieu. Dans un premier temps, nous nous attachons à la description théorique de la propagation des ondes acoustiques dans des émulsions résonantes. Les modes de résonance d'une goutte isolée sont tout d'abord modélisés avant d'étudier la diffusion (simple et multiple) d'une onde acoustique par une population désordonnée d'objets identiques. Les techniques micro-fluidiques employées pour la synthèse de ces systèmes modèles sont ensuite déc rites, de même que les dispositifs acoustiques mis en place pour la caractérisation des ondes cohérentes et incohérentes. Pour des émulsions diluées, les résultats de ces caractérisations sont analysés dans le cadre d'hypothèses de diffusion indépendante, adaptées aux descriptions de la propagation balistique de l'onde cohérente et du transport diffusif de l'intensité incohérente moyenne. L'estimation expérimentale de la vitesse de l'énergie des ondes multiplement diffusées permet d'établir un lien original entre de précédents travaux menés en optique et en acoustique. Enfin, lorsque la concentration en diffuseurs augmente, les approximations évoquées précédemment sont mises en défaut. Nous observons alors des phénomènes physiques plus complexes liés à l'interaction entre diffuseurs, comme le transport "sub-diffusif" de l'intensité moyenne laissant entrevoir des perspectives séduisantes quant à l'étude du phénomène de locations d'Anderson

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Nous présentons une étude de l'écoulement, stationnaire à grande échelle, généré par la propagation d'ondes ultrasonores au sein un fluide visqueux. La dissipation de l'énergie acoustique de l'onde ultrasonore au sein du fluide porte le nom d' « Eckart streaming » [1]. Selon la théorie de Lighthill (1978) [2], cet effet non linéaire peut être décrit par une force volumique acoustique dans l'équation qui régit l'écoulement du fluide à savoir l'équation de Navier Stokes incompressible. Plus récemment, Dridi et al. (2008) [4] ont étudié la stabilité de l'écoulement se développant au sein d'une cavité 3D di?érentiellement chauffée. Charrier-Mojtabi et al. ont étudié l'influence de l'acoustic streaming sur la séparation des espèces en microgravité, (2012) [5]. Dans le but de développer les travaux de Charrier-Mojtabi et al. [5] en présence de gravité, nous nous intéressons dans le présent travail à la caractérisation de l'écoulement isotherme induit par un faisceau d'ondes ultrasonores. Après avoir déterminé le champ d'intensité acoustique de la source ultrasons par l'intégrale de Rayleigh, celle-ci est implémentée dans un code aux éléments finis COMSOL. Les résultats numériques sont comparés avec les résultats expérimentaux de Moudjed (2013)[3]. On résout pour ceci les équations de Navier Stokes avec un terme de force volumique acoustique dont l'expression est donnée par f=2aI/c où I est l'intensité acoustique de l'onde et a le facteur d'atténuation acoustique en amplitude. On considère une source ultrasonore de fréquence 2 MHz et des puissances variant de 1.4W à 5,6W par pas de 1,4W. La géométrie correspond à la configuration expérimentale de Moudjed [3] à savoir une cavité de taille Lx=180mm (largeur), Ly=160mm (hauteur, g = -g.ey)), Lz=755mm (longueur). Un transducteur circulaire est placé au centre du plan vertical z=0. On étudie l'écoulement en séparant les zones de champ proche et de champ lointain par une plaque intercalaire laissant passer l'onde acoustique. La cuve est ainsi décomposée en deux parties distinctes : la première partie est la zone de champ proche de z =0 à 275 mm ; la seconde partie est la zone de champ lointain de z=300 à 755 mm. Le domaine 3D est délimité par 5 parois rigides où la vitesse est nulle et une surface libre en y=160mm. I est calculée en utilisant l'intégrale de Rayleigh. où I=p*v, p et u sont respectivement la pression et la vitesse acoustique. En champ proche, l'intensité acoustique calculée à l'aide d'une intégration numérique en langage C, est directement importée sous forme de tableau dans COMSOL. En champ lointain, on présente deux façons d'implémenter le champ d'intensité dans le code aux éléments finis. D'une part, l'intensité acoustique est injectée sous forme de tableau à partir de l'intégration numérique. On compare alors les champs de vitesses obtenus avec un champ d'intensité donné par la forme générale I=p*v avec ceux obtenus par le modèle valable en ondes planes. D'autre part, l'intensité acoustique est directement implementée dans COMSOL sous sa forme analytique [3]. La structure du maillage utilisé en 3D est composée d'éléments tétraédriques ou quadrangles. On détermine le champ de vitesses du fluide en 2D et 3D pour une source circulaire de 29 mm de diamètre en vue d'une comparaison avec les résultats expérimentaux de Moudjed [3] obtenus par PIV. [1] C. Eckart, Vortices and streams caused by sound waves, Phys. Rev. 73 (1948) 68. [2] S.J. Lightill, J. Sound and vibrations, vol. 61, n°13, pp. 391-418, 1978. [3] B. Moudjed, thèse INSA de Lyon , 2013, HAL-Id : tel-00958258 , LMFA UMR CNRS 5509. [4] W. Dridi, D.Henry, and H. Ben Hadid, Phys. Rev. E 77,(2008). [5] M.C. Charrier-Mojtabi, A. Fontaine, A. Mojtabi, Int.J.Heat Mass Transfer, 55, (2012)5992-5999.

In this thesis, we are interested in the modeling and simulation of the propagation of ultrasonic waves in the cortical bone. Precisely, we have studied and analyzed the Quantitative Ultrasound (QUS) technique for the evaluation of the quality of bone tissue. It is an emerging technique those the application to bone tissue arouses particular interest in the scientific community. Since bone tissue is a living tissue, it is subject to aging and various pathologies, such osteoporosis, osteomalacia, osteoporomalacia, or the so-called Paget disease. To assist in therapeutic follow-up of the bone, monitoring of quality of bone tissue is essential. In this context, methods based on QUS technique are deemed to be interesting, due of their non-invasive, inexpensive, portable and non-ionizing characteristics. However, use the ultrasound in the context of characterization of bone tissue, requires a deep understanding of the different physical phenomena involved in their propagation. In this perspective, our work is developed in the modeling theme dedicated to the propagation of ultrasonic waves in multidimensional, heterogeneous, anisotropic waveguides, constituted of materials whose heterogeneity can be qualified as random. One of the originalities of this thesis concerns the study of the reflection and transmission coefficients and the dispersion curves in the presence of uncertainties in the material properties. In a first part, we study the reflection/transmission phenomena via a two-dimensional tri-layer model taking into account the soft tissues and the random heterogeneity of the bone tissue. We analyzed the impact of these characteristics on the reflection and transmission coefficients. A gradient of material properties is introduced, and its effect on the coefficients of interest is examined. The modal aspect of the waves is explored, by studying the dispersion of Lamb waves. The results obtained in a two-dimensional geometrical configuration made it possible to discuss the influence of the various parameters, in terms of mechanical and/or geometric properties, on the propagation of the ultrasonic waves in the cortical tissue. In a second part, the proposed model is extended for a cylindrical geometric configuration. The discussion is carried out in order to analyze the influence of the three-dimensional geometry of the bone on the phenomena of propagation; Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à la modélisation et la simulation de la propagation d'ondes ultrasonores dans l'os cortical. Plus précisément, nous avons étudié et analysé la technique dite des ultrasons quantitatifs (Quantitative Ultrasound, QUS) pour l'évaluation de la qualité du tissu osseux. Il s'agit d'une technique émergente dont l'application aux tissus osseux suscite un intérêt particulier dans la communauté scientifique. Le tissu osseux étant un tissu vivant, il est sujet au vieillissement et à divers pathologies parmi lesquelles on peut citer ostéoporose, ostéomalacie, ostéoporomalacie, ou encore, la maladie dite de Paget. Pour accompagner les soins à prodiguer au tissu osseux, une surveillance de sa qualité s'avère indispensable. Dans ce contexte, les méthodes ultrasonores sont réputées être intéressantes, de par leurs caractères non-invasif, peu coûteux, portable et non-ionisant. Cependant, utiliser des ultrasons dans le cadre de la caractérisation du tissu osseux, suppose une compréhension profonde des différents phénomènes physiques mis en jeu lors de leur propagation. Dans cette optique, notre travail est développé dans la thématique de la modélisation dédiée à la propagation des ondes ultrasonores dans des guides d'ondes multidimensionnels, hétérogènes, anisotropes, et composés de matériaux dont l'hétérogénéité peut être qualifiée d'aléatoire. Une des originalités de cette thèse concerne l'étude des coefficients de réflexion et de transmission et des courbes de dispersion en présence d'incertitudes dues aux propriétés matérielles. Dans une première partie, nous étudions les phénomènes de réflexion/transmission via un modèle tri-couches bidimensionnels prenant en compte les tissus mous et l'hétérogénéité aléatoire du tissu osseux. Nous avons pu analyser l'impact de ces caractéristiques sur les coefficients de réflexion et de transmission. Un gradient de propriétés matérielles de l'os est introduit, et son impact sur les coefficients d'intérêt est examiné. L'aspect modal des ondes est exploré, en étudiant la dispersion des ondes de Lamb. Les résultats obtenus dans une configuration géométrique bidimensionnelle ont permis de discuter l'influence des divers paramètres, en terme de propriétés mécaniques et/ou géométriques, sur la propagation des ondes ultrasonores dans le tissu cortical. Dans une deuxième partie, le modèle est étendu pour une configuration géométrique cylindrique. La discussion est menée afin d'analyser l'influence de la géométrie tridimensionnelle de l'os sur les phénomènes de propagation

In this thesis, we are interested in the modeling and simulation of the propagation of ultrasonic waves in the cortical bone. Precisely, we have studied and analyzed the Quantitative Ultrasound (QUS) technique for the evaluation of the quality of bone tissue. It is an emerging technique those the application to bone tissue arouses particular interest in the scientific community. Since bone tissue is a living tissue, it is subject to aging and various pathologies, such osteoporosis, osteomalacia, osteoporomalacia, or the so-called Paget disease. To assist in therapeutic follow-up of the bone, monitoring of quality of bone tissue is essential. In this context, methods based on QUS technique are deemed to be interesting, due of their non-invasive, inexpensive, portable and non-ionizing characteristics. However, use the ultrasound in the context of characterization of bone tissue, requires a deep understanding of the different physical phenomena involved in their propagation. In this perspective, our work is developed in the modeling theme dedicated to the propagation of ultrasonic waves in multidimensional, heterogeneous, anisotropic waveguides, constituted of materials whose heterogeneity can be qualified as random. One of the originalities of this thesis concerns the study of the reflection and transmission coefficients and the dispersion curves in the presence of uncertainties in the material properties. In a first part, we study the reflection/transmission phenomena via a two-dimensional tri-layer model taking into account the soft tissues and the random heterogeneity of the bone tissue. We analyzed the impact of these characteristics on the reflection and transmission coefficients. A gradient of material properties is introduced, and its effect on the coefficients of interest is examined. The modal aspect of the waves is explored, by studying the dispersion of Lamb waves. The results obtained in a two-dimensional geometrical configuration made it possible to discuss the influence of the various parameters, in terms of mechanical and/or geometric properties, on the propagation of the ultrasonic waves in the cortical tissue. In a second part, the proposed model is extended for a cylindrical geometric configuration. The discussion is carried out in order to analyze the influence of the three-dimensional geometry of the bone on the phenomena of propagation, Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à la modélisation et la simulation de la propagation d'ondes ultrasonores dans l'os cortical. Plus précisément, nous avons étudié et analysé la technique dite des ultrasons quantitatifs (Quantitative Ultrasound, QUS) pour l'évaluation de la qualité du tissu osseux. Il s'agit d'une technique émergente dont l'application aux tissus osseux suscite un intérêt particulier dans la communauté scientifique. Le tissu osseux étant un tissu vivant, il est sujet au vieillissement et à divers pathologies parmi lesquelles on peut citer ostéoporose, ostéomalacie, ostéoporomalacie, ou encore, la maladie dite de Paget. Pour accompagner les soins à prodiguer au tissu osseux, une surveillance de sa qualité s'avère indispensable. Dans ce contexte, les méthodes ultrasonores sont réputées être intéressantes, de par leurs caractères non-invasif, peu coûteux, portable et non-ionisant. Cependant, utiliser des ultrasons dans le cadre de la caractérisation du tissu osseux, suppose une compréhension profonde des différents phénomènes physiques mis en jeu lors de leur propagation. Dans cette optique, notre travail est développé dans la thématique de la modélisation dédiée à la propagation des ondes ultrasonores dans des guides d'ondes multidimensionnels, hétérogènes, anisotropes, et composés de matériaux dont l'hétérogénéité peut être qualifiée d'aléatoire. Une des originalités de cette thèse concerne l'étude des coefficients de réflexion et de transmission et des courbes de dispersion en présence d'incertitudes dues aux propriétés matérielles. Dans une première partie, nous étudions les phénomènes de réflexion/transmission via un modèle tri-couches bidimensionnels prenant en compte les tissus mous et l'hétérogénéité aléatoire du tissu osseux. Nous avons pu analyser l'impact de ces caractéristiques sur les coefficients de réflexion et de transmission. Un gradient de propriétés matérielles de l'os est introduit, et son impact sur les coefficients d'intérêt est examiné. L'aspect modal des ondes est exploré, en étudiant la dispersion des ondes de Lamb. Les résultats obtenus dans une configuration géométrique bidimensionnelle ont permis de discuter l'influence des divers paramètres, en terme de propriétés mécaniques et/ou géométriques, sur la propagation des ondes ultrasonores dans le tissu cortical. Dans une deuxième partie, le modèle est étendu pour une configuration géométrique cylindrique. La discussion est menée afin d'analyser l'influence de la géométrie tridimensionnelle de l'os sur les phénomènes de propagation

International audience; A hybrid non-destructive testing (NDT) approach has been developed to characterize composites damage using simultaneously bulk and guidedultrasonic waves, acoustic emission, and passive and active infrared thermography. Combining multiple NDT techniques makes it possible to optimize the diagnosis of a material’s structural health.

Ultrasound investigations offer at the present time a great number of interesting applications in many different fields like medicine, engineering and geophysics. This PhD thesis concentrates on the application of ultrasound techniques in geophysics with the ambition to valid and to develop non-destructive techniques based on the propagation of ultrasound weaves in order to characterize terrestrial and extraterrestrial rocks.In the first part of the thesis we used an ultrasonic technique working with the transmitted waves for characterizing samples of terrestrial rocks from all of the three large families of the geological classification: magmatic rocks, metamorphic rocks and sedimentary rocks. The usually employed methods are based on the measurement of the longitudinal and transversal velocities of the ultrasound waves, which does not allow to identify the former mentioned main rocks types. For this reason we studied the feasibility of using Lamb waves as a new original method to determine the membership of an investigated rock to one of the above mentioned rock families. For every rock type we showed the corresponding ultrasound signature by using the experimentally found dispersion curves of the Lamb waves. The obtained results show that the falling gradient of the Lam modes is a reliable and efficient criteria for the classification of rocks. This ultrasound solution is suitable for a precise and rapid classification and is not expensive.In the second part of the thesis a reliable and non-destructive technique is developed which evaluates the reflected ultrasound waves in order to study the physical properties of meteorites collected in Morocco. This technique is based mainly on the measurement of the reflexion coefficient of the first interface (surface) of the sample at different incidence angles. This allowed us to determine the porosity of the studied meteorites in a very good agreement with the true porosity values determined by classical methods. This method is one of the most reliable techniques to evaluate one interesting parameter of asteroids namely their degree of porosity. The samples selected for this study strike several meteorite types (differentiated and non differentiated), especially ordinary chondrites (observed falls and findings) and achondrites (stony and stony-iron).Generally this work might be considered as a starting point for the study of Moroccan rocks. Despite all of the encountered problems and the improvements still to be added the used techniques have the potential to characterize rocks in a rapid and non-destructive way., Les ultrasons offrent, actuellement, de nombreuses applications d'intérêt dans plusieurs domaines tels que la médecine, le génie civil et la géophysique. C'est, d'ailleurs, cette dernière application qui suscite notre intérêt et qui sera à la base des travaux présentés dans cette thèse de doctorat. L’objectif de ce travail est de valider et développer des techniques non destructives, basées sur la propagation des ondes ultrasonores, permettant de caractériser les roches terrestres et extraterrestres.Dans le premier volet, nous avons appliqué la technique ultrasonore par transmission pour caractériser des échantillons de roches terrestres. Ces dernières font partie de trois grandes familles selon la classification géologique: roches magmatiques, roches métamorphiques et roches sédimentaires. Les méthodes utilisées, habituellement, sont basées sur la mesure des paramètres ultrasonores, à savoir: les vitesses longitudinale et transversale. La mesure de ces paramètres ne permet pas d’identifier les trois grands types des roches. C’est la raison pour laquelle, nous étudions la faisabilité d’utiliser les ondes de Lamb comme une nouvelle contribution originale pour résoudre ce problème. Nous avons représenté, pour chaque type de roche, une signature ultrasonore correspondante en utilisant les courbes de dispersion des ondes de Lamb trouvées expérimentalement. Les résultats obtenus montrent que la pente de descente des modes de Lamb est un critère fiable et efficace pour classifier les roches. Cette solution ultrasonore est adéquate pour une classification précise, rapide et elle n’est pas coûteuse.Dans le deuxième volet, nous avons développé une technique, fiable et non destructive qui est l’ultrasonore par réflexion, afin d’étudier les propriétés physiques des météorites collectées au Maroc. Cette technique est basée principalement sur la mesure du coefficient de réflexion à la première interface des échantillons en incidence variable. Elle nous a permis de quantifier le pourcentage de la porosité des météorites étudiées avec des valeurs qui sont très proches de la réalité. Cette méthode reste parmi les techniques les plus fiables pour obtenir un paramètre très intéressant dans les études des astéroïdes notamment le taux de porosité. Les échantillons sélectionnés pour cette étude touchent plusieurs types de météorites différenciées et non différenciées notamment les chondrites ordinaires (chutes observées et trouvailles) et les achondrites (pierreuses et métallo-pierreuses).Globalement, ce travail reste une base de départ pour l’étude des roches au Maroc. Malgré les difficultés rencontrées et les améliorations à apporter, les techniques utilisées ont du potentiel pour caractériser les roches d’une façon rapide et non destructive.

Heat release rate disturbances are the sources of additional thermal stresses, direct and indirect combustion noise and undesirable vibrations. In extreme cases, these perturbations may even cause destructive combustion instabilities. These quantities are difficult to measure in practical burners. The objective of this work is to develop two alternative diagnostics to measure heat release rate fluctuations in unsteady flames. These techniques are validated in generic configurations for perfectly premixed laminar flames. The first method is an acoustic technique, which is based on the measurement of the travel time of ultrasonic waves through the flames. Fluctuations of the sound propagation time transmission through unsteady flames are used to estimate perturbations in the burned gases width along the acoustic path. This information is then used to reconstruct heat release rate fluctuations. This technique is validated in the cases of unstable laminar premixed flames driven by buoyancy forces and for flames submitted to harmonic flow velocity modulations. Analytical expressions are derived linking fluctuations in heat release rate and disturbances of the sound travel time. Measurements made with this acoustic technique are compared with optical detections based on the flame chemiluminescence and with predictions from an analytical model. Good agreements are obtained between these different methods validating the proposed technique. The second method envisaged is an optical technique based on a Laser Interferometric Vibrometer used to measure integrated density perturbations along the optical path of a laser beam. It is shown that density disturbances along this path result mainly from heat release rate fluctuations when the flames are confined. A link is established to reconstruct heat release rate disturbances from the signal of the interferometer. The technique is validated in the case of pulsated laminar premixed flames. Measurements are compared to line-of-sight integrated chemiluminescence emission measurements. A good agreement is obtained for harmonic flow modulations at different forcing frequencies and perturbation levels for flames operating at different flow conditions. This work validates the principle of this alternative technique for detecting heat release rate perturbations., Les fluctuations du taux de dégagement de chaleur sont souvent responsables d’intensification des flux thermiques aux parois, de vibrations et d’émissions sonores qui peuvent éventuellement dégénérer en instabilités thermo-acoustiques auto-entretenues. Ces phénomènes instationnaires dégradent les performances des foyers, provoquent un vieillissement prématuré de certains éléments de la chambre de combustion, voire des dégâts plus importants sur l’installation. Ces perturbations sont cependant difficiles à mesurer dans les foyers car il n’existe pas de diagnostic qui permette d'accéder directement au taux de dégagement de chaleur. L’objectif de ce travail est d'explorer deux alternatives aux solutions existantes pour accéder aux fluctuations du taux de dégagement de chaleur avec une bonne résolution temporelle. Ces nouvelles méthodes sont testées dans des configurations génériques parfaitement prémélangées pour des écoulements laminaires. La première méthode est une technique acoustique, qui repose sur la détermination du temps de vol d’ondes ultrasonores qui traversent l’écoulement. Les fluctuations du temps de vol de ces ondes sont utilisées pour détecter des perturbations de la largeur des gaz brûlés le long du chemin acoustique. Cette information permet de reconstituer les fluctuations du taux de dégagement de chaleur dans des flammes prémélangées. Les premières validations de cette méthode sont présentées pour des flammes en l'absence de perturbation externe lorsqu'elles présentent une instabilité de type Kelvin-Helmholtz pilotée par les phénomènes de flottabilité du panache des gaz brûlés. Des mesures sont ensuite conduites pour des flammes soumises à des modulations harmoniques de l'écoulement. Les données obtenues dans ces configurations sont comparées à des mesures optiques ainsi qu'à des prévisions analytiques. La seconde méthode est une technique optique utilisant un système d’interférométrie laser Doppler permettant de déterminer les fluctuations de densité intégrées le long du chemin optique. On montre dans un premier temps que les perturbations de densité sont principalement causées par des fluctuations du taux de dégagement de chaleur lorsque les flammes sont confinées. Un lien est établi pour reconstituer les perturbations du taux de dégagement de chaleur exploitant le signal de l'interféromètre. La technique est validée pour des flammes pulsées pour différentes richesses et débits. Les données obtenues sont comparées à des mesures reposant sur la chimiluminescence de la flamme. Un bon accord est obtenu pour des modulations harmoniques de l'écoulement à différentes fréquences et niveaux de perturbation. Ce travail permet de valider le principe de ces deux techniques pour détecter les perturbations du taux de dégagement de chaleur lorsque l'accès optique à la zone de combustion est réduit et lorsque des informations quantitatives résolues temporellement sont nécessaires.

Heat release rate disturbances are the sources of additional thermal stresses, direct and indirect combustion noise and undesirable vibrations. In extreme cases, these perturbations may even cause destructive combustion instabilities. These quantities are difficult to measure in practical burners. The objective of this work is to develop two alternative diagnostics to measure heat release rate fluctuations in unsteady flames. These techniques are validated in generic configurations for perfectly premixed laminar flames. The first method is an acoustic technique, which is based on the measurement of the travel time of ultrasonic waves through the flames. Fluctuations of the sound propagation time transmission through unsteady flames are used to estimate perturbations in the burned gases width along the acoustic path. This information is then used to reconstruct heat release rate fluctuations. This technique is validated in the cases of unstable laminar premixed flames driven by buoyancy forces and for flames submitted to harmonic flow velocity modulations. Analytical expressions are derived linking fluctuations in heat release rate and disturbances of the sound travel time. Measurements made with this acoustic technique are compared with optical detections based on the flame chemiluminescence and with predictions from an analytical model. Good agreements are obtained between these different methods validating the proposed technique. The second method envisaged is an optical technique based on a Laser Interferometric Vibrometer used to measure integrated density perturbations along the optical path of a laser beam. It is shown that density disturbances along this path result mainly from heat release rate fluctuations when the flames are confined. A link is established to reconstruct heat release rate disturbances from the signal of the interferometer. The technique is validated in the case of pulsated laminar premixed flames. Measurements are compared to line-of-sight integrated chemiluminescence emission measurements. A good agreement is obtained for harmonic flow modulations at different forcing frequencies and perturbation levels for flames operating at different flow conditions. This work validates the principle of this alternative technique for detecting heat release rate perturbations.; Les fluctuations du taux de dégagement de chaleur sont souvent responsables d’intensification des flux thermiques aux parois, de vibrations et d’émissions sonores qui peuvent éventuellement dégénérer en instabilités thermo-acoustiques auto-entretenues. Ces phénomènes instationnaires dégradent les performances des foyers, provoquent un vieillissement prématuré de certains éléments de la chambre de combustion, voire des dégâts plus importants sur l’installation. Ces perturbations sont cependant difficiles à mesurer dans les foyers car il n’existe pas de diagnostic qui permette d'accéder directement au taux de dégagement de chaleur. L’objectif de ce travail est d'explorer deux alternatives aux solutions existantes pour accéder aux fluctuations du taux de dégagement de chaleur avec une bonne résolution temporelle. Ces nouvelles méthodes sont testées dans des configurations génériques parfaitement prémélangées pour des écoulements laminaires. La première méthode est une technique acoustique, qui repose sur la détermination du temps de vol d’ondes ultrasonores qui traversent l’écoulement. Les fluctuations du temps de vol de ces ondes sont utilisées pour détecter des perturbations de la largeur des gaz brûlés le long du chemin acoustique. Cette information permet de reconstituer les fluctuations du taux de dégagement de chaleur dans des flammes prémélangées. Les premières validations de cette méthode sont présentées pour des flammes en l'absence de perturbation externe lorsqu'elles présentent une instabilité de type Kelvin-Helmholtz pilotée par les phénomènes de flottabilité du panache des gaz brûlés. Des mesures sont ensuite conduites pour des flammes soumises à des modulations harmoniques de l'écoulement. Les données obtenues dans ces configurations sont comparées à des mesures optiques ainsi qu'à des prévisions analytiques. La seconde méthode est une technique optique utilisant un système d’interférométrie laser Doppler permettant de déterminer les fluctuations de densité intégrées le long du chemin optique. On montre dans un premier temps que les perturbations de densité sont principalement causées par des fluctuations du taux de dégagement de chaleur lorsque les flammes sont confinées. Un lien est établi pour reconstituer les perturbations du taux de dégagement de chaleur exploitant le signal de l'interféromètre. La technique est validée pour des flammes pulsées pour différentes richesses et débits. Les données obtenues sont comparées à des mesures reposant sur la chimiluminescence de la flamme. Un bon accord est obtenu pour des modulations harmoniques de l'écoulement à différentes fréquences et niveaux de perturbation. Ce travail permet de valider le principe de ces deux techniques pour détecter les perturbations du taux de dégagement de chaleur lorsque l'accès optique à la zone de combustion est réduit et lorsque des informations quantitatives résolues temporellement sont nécessaires.

In this thesis, we present an experimental study including, besides the destructive measurements usually implemented for the characterization of cementitious materials, non-destructive techniques using ultrasonic wave propagation in a frequency range from 50kHz to 600kHz. The objective is to study the correlations between hydraulic, mechanical properties and linear ultrasonic parameters (velocity and attenuation) of cement paste. This study specifically addresses the relationship between porosity and ultrasonic velocity of the different types of waves (body waves and Rayleigh wave). The studied materials are cement pastes with variable porosity, made up with different water / cement ratios and with different concentrations of air entrainer. To take into account the effect of water content, measurements are made at different states of saturation: saturated state, 70% saturation, 30% saturation and dry state. The data collected allows the creation of a database of experimental data involving physical, mechanical and ultrasonic parameters of cement paste. In the final part of this thesis, relationships between ultrasonic velocity and porosity based on macroscopic and microscopic approaches are presented and compared with measurements, Dans cette thèse, les travaux présentés s’appuient sur une démarche expérimentale utilisant, outre les mesures destructives habituellement mises en œuvre pour la caractérisation des matériaux cimentaires, les techniques non destructives exploitant la propagation des ondes ultrasonores à des fréquences comprises entre 50 kHz et 600 kHz. L’objectif est d’étudier les corrélations entre les propriétés hydrauliques et mécaniques de la pâte de ciment et les paramètres linéaires des ondes ultrasonores (vitesse et atténuation). L’étude concerne plus particulièrement les relations entre la porosité et la vitesse ultrasonore des différents types d’onde (ondes de volume et onde de Rayleigh). Les matériaux étudiés sont des pâtes de ciment à porosité variable, confectionnées avec différents rapports E/C et avec différents dosages en entraineur d’air. Afin de prendre en compte l’effet de la teneur en eau, les mesures sont effectuées à différents états de saturation : état saturée, 70% de saturation, 30% de saturation et l’état sec. Les données recueillies permettent la constitution d’une base des données expérimentale regroupant les caractéristiques physiques, mécaniques et ultrasonores de la pâte de ciment. Dans la dernière partie de cette thèse, les relations entre les vitesses ultrasonores et la porosité basées sur deux approches macroscopique et microscopique sont présentées et confrontées aux mesures

This document summarizes my research works from 2001 until these days. Several publications are given in appendix of each chapter. The document started with the study of the influence of the roughness of the surface on the propagation of guided waves (Lamb waves). The modification of the dispersion curves of the waves is studied in detail. It is notably noticed that the attenuation is linked to the height and periodicity of the roughness. Different approaches are given: experimental, numerical (Finite Element Method) and theoretical. In the following, the wave propagation in periodically corrugated plate is investigated. Several results on a simple case of scalar fields are given (fluid waveguide, SH waves) and then the case of Lamb waves is studied. The coupling of modes due to the presence of a periodical disturbance is more particularly analysed in relation with the band structure (1D phononic crystal). The last part is dedicated to the study of negative refraction in phononic crystals.; Ce mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches synthétise mes activités de recherche de 2001 à ce jour. En annexe de chaque chapitre sont données des publications permettant au lecteur d'avoir une connaissance plus détaillée des sujets traités. Le document commence par l'étude de la propagation d'ondes guidées (ondes de Lamb) avec une rugosité de surface. L'influence de cette rugosité sur les courbes de dispersion des ondes est étudiée en détail. On observe notamment une atténuation liée à la hauteur mais également à la périodicité de la perturbation de surface. Cette étude nous conduit naturellement aux structures périodiques. Différentes approches sont exposées dans ce mémoire : expérimentale, numérique (Méthode des Eléments Finis) et théorique. Un certain nombre de résultats sur un cas simple de champs scalaires sont donnés (guide d'onde fluide, ondes SH). La propagation d'ondes de Lamb dans une plaque élastique striée est ensuite étudiée. Les couplages de modes liés à la présence d'une perturbation périodique sont plus particulièrement analysés en lien avec la structure de bande (cristal phononique 1D). La dernière partie est consacrée au phénomène particulier de réfraction négative dans les cristaux phononiques.

Repairing of metallic structures using composite patches bonded with an adhesive layer is more and more common in the aeronautic field, and particularly at DGA Techniques Aéronautiques. In order to guarantee the quality of this bond, the sensitivity of ultrasonic guided waves is investigated. Shear-horizontally polarized (SH) waves, and Lamb waves are investigated to infer the stiffness of the adhesive layer. The SAFE method is used to predict the dispersion curves and mode shapes of the different wave modes propagating along the three-layer assembly. Numerical simulations are run for selecting the most appropriate wave modes, i.e. with higher sensitivity to the stiffness of the bond than to other components properties. Experiments are also made for generating-detecting pre-selected SH or Lamb wave modes in order to confirm the numerical predictions. Finally the resolution of an inverse problem, consisting in the evaluation of the stiffness modulus of the bond layer between an aluminium plate and a carbon-epoxy composite patch, at different curing time, is proposed as a contribution to the establishment of possible strategies for bonds testing. This work was supported by DGA, France.; Cette thèse s'est déroulée dans le contexte de l'évaluation non destructive du collage de patches composites employés pour la réparation de structures aéronautiques. Le besoin a été exprimé par la DGA Techniques Aéronautiques (Toulouse). Le travail effectué a consisté en l'exploitation des ondes guidées, de type SH puis Lamb, pour mesurer des caractéristiques mécaniques d'un joint de colle et tenter d'évaluer, de manière non destructive, la qualité du collage. Dans un premier temps, les propriétés viscoélastiques des matériaux assemblés sont déterminées. Elles servent alors de données d'entrée à des modèles, basés sur la méthode SAFE (Semi Analytical Finite Element method), permettant d'obtenir les courbes de dispersion ainsi que les champs des différents modes guidés se propageant le long de l'assemblage collé. Ces simulations numériques permettent alors d'évaluer le potentiel des ondes guidées à caractériser un adhésif. Des mesures expérimentales sont ensuite menées pour confirmer les prédictions numériques. Finalement la résolution d'un problème inverse, qui consiste à évaluer les modules de rigidité de la couche de colle se situant entre une plaque d'aluminium et un patch, est proposée pour établir des pistes d'évaluation non destructive d'un collage répondant au besoin industriel. Cette étude a été financée par la DGA, France.

This document summarizes my research works from 2001 until these days. Several publications are given in appendix of each chapter. The document started with the study of the influence of the roughness of the surface on the propagation of guided waves (Lamb waves). The modification of the dispersion curves of the waves is studied in detail. It is notably noticed that the attenuation is linked to the height and periodicity of the roughness. Different approaches are given: experimental, numerical (Finite Element Method) and theoretical. In the following, the wave propagation in periodically corrugated plate is investigated. Several results on a simple case of scalar fields are given (fluid waveguide, SH waves) and then the case of Lamb waves is studied. The coupling of modes due to the presence of a periodical disturbance is more particularly analysed in relation with the band structure (1D phononic crystal). The last part is dedicated to the study of negative refraction in phononic crystals., Ce mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches synthétise mes activités de recherche de 2001 à ce jour. En annexe de chaque chapitre sont données des publications permettant au lecteur d'avoir une connaissance plus détaillée des sujets traités. Le document commence par l'étude de la propagation d'ondes guidées (ondes de Lamb) avec une rugosité de surface. L'influence de cette rugosité sur les courbes de dispersion des ondes est étudiée en détail. On observe notamment une atténuation liée à la hauteur mais également à la périodicité de la perturbation de surface. Cette étude nous conduit naturellement aux structures périodiques. Différentes approches sont exposées dans ce mémoire : expérimentale, numérique (Méthode des Eléments Finis) et théorique. Un certain nombre de résultats sur un cas simple de champs scalaires sont donnés (guide d'onde fluide, ondes SH). La propagation d'ondes de Lamb dans une plaque élastique striée est ensuite étudiée. Les couplages de modes liés à la présence d'une perturbation périodique sont plus particulièrement analysés en lien avec la structure de bande (cristal phononique 1D). La dernière partie est consacrée au phénomène particulier de réfraction négative dans les cristaux phononiques.

The human bone is both a material (bone tissue) and a structure (e.g. the femur). Trauma often generates structural failure (fractures) of the bone, but it?s mechanical integrity can also be affected in an insidious manner, and not the less dangerous, by certain diseases. Very schematically, one can say that trauma is the cause of macrofractures (to the bone structure), and diseases cause of microfractures if no treatment (of the bone material) is undertaken. The microfractures develop gradually into macrofractures, or if the treatment is not effective, the bone loses its function of support. This thesis relates primarily to one of the diseases of bone : osteoporosis. To treat this disease, and/or to prevent the macrofractures of which it is in the long term the cause, it is initially necessary to make its diagnosis. This problem is complicated owing to the fact that it is about characterization (primarily mechanical) of living material (biological tissue) and that it is imperative that the probe be of nondestructive type, especially if the examination must be repeated often (in particular to follow the progress of a treatment). The work of this thesis thus relates to the development of new methods, and/or improvement of more older methods relating to the nondestructive evaluation (NDE) mechanical deteriorations of bone tissue in connection with osteoporosis. As the NDE is also a term employed for the characterization of inert material, the applicability of this work?s framework exceeds that of living tissue., L'os humain est à la fois un matériau (tissu osseux) et une structure (e.g., le fémur). Les traumatismes engendrent des défaillances (fractures) structurelles évidentes de l'os, mais l'intégrité mécanique de celui-ci peut aussi être atteinte d'une manière insidieuse, et non moins dangereuse, par certaines maladies. Très schématiquement, on peut dire que les traumatismes sont la cause de macrofractures (à la structure-os), et les maladies la cause de microfractures (du matériau-os). Celles-ci se développent progressivement en macrofractures, et si des soins ne sont pas prodigués ou efficaces, l'os perd sa fonction de soutien. Cette thèse concerne essentiellement une des maladies de l'os : l'ostéoporose. Pour traiter cette maladie, et/ou prévenir les macrofractures dont elle est à terme la cause, il faut d'abord en faire le diagnostic. Ce problème est compliqué du fait qu'il s'agit d'une caractérisation (essentiellement mécanique) de matériau vivant et qu'il est impératif que le sondage soit de type non-destructif, surtout si l'examen doit se répéter souvent (notamment pour suivre les progrès d'un traitement). Le travail de cette thèse concerne donc le développement de nouvelles méthodes, et/ou l'amélioration de méthodes plus anciennes relatives à l'évaluation non-destructive (END) d'altérations mécaniques du tissu osseux en rapport avec l'ostéoporose. Comme l'END est aussi un terme employé pour la caractérisation de matériaux inertes, le domaine d'application de ce travail dépasse celui des matériaux vivants.

The human bone is both a material (bone tissue) and a structure (e.g. the femur). Trauma often generates structural failure (fractures) of the bone, but it?s mechanical integrity can also be affected in an insidious manner, and not the less dangerous, by certain diseases. Very schematically, one can say that trauma is the cause of macrofractures (to the bone structure), and diseases cause of microfractures if no treatment (of the bone material) is undertaken. The microfractures develop gradually into macrofractures, or if the treatment is not effective, the bone loses its function of support. This thesis relates primarily to one of the diseases of bone : osteoporosis. To treat this disease, and/or to prevent the macrofractures of which it is in the long term the cause, it is initially necessary to make its diagnosis. This problem is complicated owing to the fact that it is about characterization (primarily mechanical) of living material (biological tissue) and that it is imperative that the probe be of nondestructive type, especially if the examination must be repeated often (in particular to follow the progress of a treatment). The work of this thesis thus relates to the development of new methods, and/or improvement of more older methods relating to the nondestructive evaluation (NDE) mechanical deteriorations of bone tissue in connection with osteoporosis. As the NDE is also a term employed for the characterization of inert material, the applicability of this work?s framework exceeds that of living tissue.; L'os humain est à la fois un matériau (tissu osseux) et une structure (e.g., le fémur). Les traumatismes engendrent des défaillances (fractures) structurelles évidentes de l'os, mais l'intégrité mécanique de celui-ci peut aussi être atteinte d'une manière insidieuse, et non moins dangereuse, par certaines maladies. Très schématiquement, on peut dire que les traumatismes sont la cause de macrofractures (à la structure-os), et les maladies la cause de microfractures (du matériau-os). Celles-ci se développent progressivement en macrofractures, et si des soins ne sont pas prodigués ou efficaces, l'os perd sa fonction de soutien. Cette thèse concerne essentiellement une des maladies de l'os : l'ostéoporose. Pour traiter cette maladie, et/ou prévenir les macrofractures dont elle est à terme la cause, il faut d'abord en faire le diagnostic. Ce problème est compliqué du fait qu'il s'agit d'une caractérisation (essentiellement mécanique) de matériau vivant et qu'il est impératif que le sondage soit de type non-destructif, surtout si l'examen doit se répéter souvent (notamment pour suivre les progrès d'un traitement). Le travail de cette thèse concerne donc le développement de nouvelles méthodes, et/ou l'amélioration de méthodes plus anciennes relatives à l'évaluation non-destructive (END) d'altérations mécaniques du tissu osseux en rapport avec l'ostéoporose. Comme l'END est aussi un terme employé pour la caractérisation de matériaux inertes, le domaine d'application de ce travail dépasse celui des matériaux vivants.

In-situ non-destructive testing of durability in cementitious materials is essential to the early prediction and prevention of structural failures. Whereas degradations in cementitious materials, and henceforth durability loss, are brought about and controlled by the characteristics and evolutions of microporosity, there isn't to our knowledge any method for the in-situ non-destructive testing of microporosity itself. To evaluate in-situ the durability of cementitious materials, we put forward an innovative concept based on in-situ instrumentation of their microstructure. Individual micropores are to be probed by high-frequency ultrasonic waves generated and detected by capacitive ultrasonic microtransducers (μ-cMUT) embedded in large number within the material. The vibrating plate of the μ-cMUT devices is to be made of a thin layer of densely aligned single-walled carbon nanotubes, in order for the devices to satisfy the applicative and technological requirements. Relevance of this instrumentation method has been studied : we have used an elasto-acoustical model to describe the interaction between the vibrating plate of a μ-cMUT device and the fluid (water or air) filling a pore of micrometric size. The specificity of this model lies in the integration of fluid viscosity. It has required us to develop ad-hoc solving techniques. We have found out numerically that in this problem dissipation leads to a decrease in resonance frequency compared to non-visquous acoustics. The boundary layer is large compared to the domain size. The vibration amplitudes of the plate are very sensitive to pore content and to water-filled pore geometry. We have deduced from these results that the μ-cMUT devices we envision may be relevant to study hydration and to monitor degradations in cementitious materials. Feasibility of a high-frequency, nanotubes-based μ-cMUT device operating in water or air has also be evaluated : using first a dielectrophoretic deposition technique, we have made thin, dense membranes of well-aligned nanotubes. One of our deposition reaches mono-layer thickness, which is remarkable for dielectrophoretic depositions. We have suspended the nanotubes, thus obtaining long and rigid membranes. They are very thin and have a high form factor compared to state-of-the-art cMUT devices. Finally, we have used laser vibrometry to observe membrane vibrations. Membrane vibration amplitudes reach 5 nm at low frequency. As far as we know, it is the first time vibrations of carbon nanotubes have been successfully observed with laser vibrometry. These results prove that we have overcome one of the most significant technological bottle-neck of the whole feasibility study. Moreover, they indicate short-term feasibility of air microdetectors that could be valuably employed to monitor gaseous microporosity in cementitious materials. By associating a numerical study on relevance and a technological study on feasibility, this work contributes significantly to the development of a new durability monitoring method for cementitious materials. Central to this method is the use of a large number of embedded microsensors integrating nanotechnologies, Le contrôle non destructif in-situ de durabilité des matériaux cimentaires est essentiel à la prédiction et la prévention des défauts de fonctionnement des constructions. Alors que les dégradations, et donc la perte de durabilité, des matériaux cimentaires sont déclenchées et contrôlées par les caractéristiques et les évolutions de leur microporosité, il n'existe pas à notre connaissance de méthode non destructive d'instrumentation in-situ de la microporosité elle-même. Nous proposons un concept innovant d'évaluation de la durabilité des matériaux cimentaires fondé sur l'instrumentation in-situ de leur microstructure. La méthode repose sur l'investigation ultrasonore haute fréquence de micropores individuels au moyen de micro-transducteurs ultrasoniques capacitifs (μ-cMUT) immergés en grand nombre dans le matériau. Le dispositif proposé pour répondre aux multiples contraintes applicatives et technologiques est un μ-cMUT dont la plaque vibrante est constituée d'une couche mince de nanotubes de carbone monoparoi densément alignés. Nous avons traité la question de la pertinence de ce principe d'instrumentation en modélisant par un problème élasto-acoustique microfluidique l'interaction entre la plaque vibrante d'un μ-cMUT et le fluide, air ou eau, contenu dans un pore de taille micrométrique. La spécificité du modèle réside dans la prise en compte du comportement dissipatif du fluide. La résolution de ce problème couplé a nécessité le développement d'une méthode numérique ad-hoc. Nous avons constaté numériquement que la dissipation cause une diminution des fréquences de résonance. La couche limite a une épaisseur importante par rapport à la taille du domaine. Les amplitudes de vibration des plaques sont particulièrement sensibles au contenu des pores et à la géométrie des pores remplis d'eau. Nous en avons déduit que les μ-cMUT proposés pourraient être pertinents dans les matériaux cimentaires pour le suivi de l'hydratation, pour la détection des dégradations et le suivi de leur évolution. Pour étudier la faisabilité d'un μ-cMUT à nanotubes opérationnel à haute fréquence dans l'air et l'eau, nous avons tout d'abord réalisé par diélectrophorèse des dépôts denses et minces de nanotubes bien alignés. Un des dépôts est monocouche, ce qui constitue une performance remarquable pour un dépôt par diélectrophorèse. Nous avons ensuite suspendu les nanotubes, obtenant ainsi des membranes rigides et longues. L'épaisseur de ces membranes suspendues est particulièrement faible et leur facteur de forme particulièrement élevé par rapport à l'état de l'art des cMUT. Nous avons enfin montré par vibrométrie laser que les membranes vibrent à basse fréquence avec des amplitudes atteignant 5 nm pic-à-pic. Il s'agit à notre connaissance de la première mise en évidence de vibrations de nanotubes de carbone monoparoi par vibrométrie laser. Ces résultats démontrent une brique de base essentielle de l'étude complète de faisabilité du dispositif imaginé. Ils indiquent aussi la faisabilité à court terme de microdétecteurs d'air pour le suivi de la microporosité gazeuse des matériaux cimentaires. En regroupant ainsi une étude numérique de pertinence et une étude technologique de faisabilité, la thèse constitue une contribution significative à la mise au point d'une nouvelle méthode de suivi de durabilité de matériaux cimentaires fondé sur l'immersion au coeur du matériau d'un grand nombre de microcapteurs intégrant des nanotechnologies