Effet non linéaire d'auto-démodulation d'amplitude dans les milieux granulaires: théories et expériences

Président de Jury : Bernard HOSTEN || Rapporteur : Daniel ROYER || Rapporteur : Xiaoping JIA || Examinateur : Frédéric PATAT || Invité : Eric PLESKA || Directeur de thèse : Bernard CASTAGNEDE || Directeur de thèse : Vitalyi GUSEV.Nonlinear acoustics methods have demonstrated a high sensitivity to the presence of structural defects in solids and are now used with the purpose of nondestructive testing for damaged materials.In this thesis, operation of the parametric antenna in unconsolidated granular materials is studied. The parametric antenna, widely used in underwater acoustics, involves a nonlinear acoustic effect that can be interpreted as an amplitude self-demodulation or as a difference frequency generation phenomenon : from the emission of intense waves, composed of several neighbouring high frequencies (around 100 kHz), waves of lower frequencies (1-10 kHz) are generated by nonlinear effect in the medium of propagation. The main interests of this method are i) the possible high directivity of the low frequency radiation, useful for selective testing, ii) the energy conversion towards low frequency waves which propagate easier than high frequency waves in highly absorbing or scattering media.First, two models of parametric antenna are developed to take into account absorption, scattering, or dispersion phenomena, as well as evanescent feature of the waves. Experiments in disordered packings of glass beads, in qualitative agreement with theoretical predictions are performed and interpreted.Second, parametric antenna with shear waves is operated for the first time, and produce a low frequency demodulated longitudinal signal. This nonlinear dilatancy phenomenon is tested in different experimental configurations. The demodulated longitudinal signal amplitude as a function of the shear waves amplitude is initially quadratic and then exhibit a transition to a 3/2 power law dependence. It is demonstrated that the clapping phenomenon, i.e. the opening and closing of the contacts under acoustic action, is responsible for this transition. The localization of this transition enables to characterize qualitatively the distribution of the contacts static strains in the medium bulk, especially in the weak contacts region.Finally, the rotation of the shear waves polarization is a convenient mean to characterize the anisotropy of the nonlinear parameter of the medium. Such anisotropy is present in granular media when, for instance, an uniaxial static force is applied on the whole material, and creates a network of force chains that are preferentially oriented along the apply static force.Les méthodes d'acoustique non linéaire ont démontré une forte sensibilité à la présence de défauts de structure dans les matériaux solides et sont utilisées depuis peu pour le contrôle non destructif ou l'évaluation des matériaux endommagés.Dans ce travail de thèse, le fonctionnement de l'antenne paramétrique en émission dans les milieux granulaires non consolidés est étudié. L'antenne paramétrique, utilisée largement en acoustique sous-marine, met en jeu un effet d'acoustique non linéaire qui peut s'interpréter comme un phénomène d'auto-démodulation d'amplitude ou encore comme un phénomène de génération de fréquence différence. Ainsi, à partir de l'émission d'ondes intenses, composées de plusieurs hautes fréquences proches (de l'ordre de 100 kHz), des ondes de plus basses fréquences (1-10 kHz) sont générées par effet non linéaire dans le milieu de propagation. Les principaux intérêts de cette méthode sont i) la possible haute directivité du rayonnement de basse fréquence, utile pour sonder sélectivement les matériaux à tester, ii) la conversion de l'énergie émise vers des ondes de basses fréquences qui se propagent plus facilement dans les milieux fortement absorbants et / ou diffusants.En premier lieu, plusieurs modèles d'antenne paramétrique sont développés afin de prendre en compte les phénomènes d'absorption, de diffusion, de dispersion de vitesse, ou encore le caractère évanescent des modes de propagation acoustique. Des expériences de propagation solidienne dans des assemblages désordonnés de billes de verre sont réalisées et interprétées. Ces expériences sont en accord qualitatif avec les prédictions théoriques.En second lieu, des ondes de cisaillement sont utilisées en émission pour l'antenne paramétrique, et permettent de générer, par auto-démodulation, des ondes longitudinales de basses fréquences. Ce phénomène de dilatance non linéaire est mis en évidence dans plusieurs configurations expérimentales. L'amplitude du signal démodulé en fonction de l'amplitude des ondes de cisaillement initialement émises est tout d'abord quadratique puis exhibe une transition vers une dépendance en puissance 3/2. Il est démontré que le phénomène de clappement, ouverture puis fermeture des contacts inter-billes sous l'action de l'onde acoustique, est responsable de cette transition. La localisation de cette transition permet de caractériser qualitativement la distribution des déformations statiques des contacts dans le milieu, notamment dans la région des contacts faibles.Enfin, le changement de la direction de polarisation des ondes de cisaillement permet de mettre en évidence une anisotropie du paramètre de non-linéarité quadratique du milieu, conséquence d'une anisotropie des chaînes de force, créées lorsqu'une contrainte statique uni-axiale est appliquée sur le milieu granulaire