Etude des milieux granulaires secs et mouillés à l'aide des ondes ultrasonores

This work deals with the sound propagation in a stressed dense granular medium. Elasticwaves offer a non invasive method for probing the structure, the viscoelastic properties and non linearbehaviours of force networks in the material. First of all, we briefly describe some results aboutsmall-amplitude ultrasound propagation in granular materials (effective coherent modes, multiplyscattered waves). After then, we show how to infer elastic modulii and characterize the internaldissipation by using coherent waves and multiply scattered waves, respectively. By studying theinfluence of small amount of added liquid in the medium (on the viscoelastic properties of dry and wet granular media, we are able to identify two differentorigins of dissipation : frictionnal and viscous mechanisms. Finally, we study the non linear behaviourof large-amplitude sound propagation in a granular medium. More precisely, we characterizeexperimentally the reversible hertzian non linear elasticity of the granular medium via harmonicgeneration. And then we discuss an original experimental finding which concerns irreversible interactionprocess between elastic waves and granular medium. The underlying physics is related to theMindlin hysteretic non linearity which causes a softening of the elastic modulus of granular mediumaccompagnied by micro-rearrangements at the grain asperity scale.Ce travail de thèse traite de la propagation des ondes élastiques dans les milieux granulairesdenses sous contrainte. Elles permettent de sonder de manière non invasive la structure, lespropriétés viscoélastiques et les comportements non linéaires des réseaux de forces de contact dansun tel milieu. Dans une première partie, nous rappelons quelques résultats concernant la propagationlinéaire d'ondes ultrasonores dans les matériaux granulaires (modes effectifs cohérents, diffusionmultiple des ondes élastiques). Nous montrons alors comment extraire les modules élastiques à l'aidedes ondes cohérentes et la dissipation interne à l'aide des ondes multiplement diffusées. En particulier,l'étude de l'influence de la présence d'un fluide interstitiel en très faible quantité (et l'influence de l'état de surface des billes, sur les propriétés viscoélastiques de milieux granulairessecs et mouillés, nous permet d'identifier deux mécanismes de dissipation : frictionnelle et visqueuse.Enfin, nous nous intéressons au régime de propagation non linéaire des ondes élastiques dans lesmilieux granulaires. Après avoir caractérisé expérimentalement l'élasticité non linéaire hertzienneréversible du matériau granulaire par la génération d'harmoniques supérieures, nous discutons unrésultat original sur les processus d'interaction irréversibles onde-matière granulaire liés aux nonlinéarités hystérétiques de type Mindlin entraînant une nette diminution du module élastique dumatériau granulaire et des micro-réarrangement à l'échelle des aspérités de grains