Caractérisation acoustique et vibratoire des matériaux poreux

Directeur de thèse : Zine El Abiddine Fellah (HDR CR CNRS)
Co-encadrant : Erick Ogam (IR CNRS)

Résumé : 
La conception de la nouvelle génération des matériaux multifonctionnels de réduction du bruit, d’isolation thermique et de matériaux poreux multi-échelles et multicouches est complexe. Par conséquent, des études et du travail intensif sont nécessaires pour faire des progrès significatifs dans le développement des matériaux, la théorie de la propagation des ondes et la précision de la caractérisation. Les matériaux poreux sont largement présents dans notre environnement, comme en témoignent les sols et les roches qui sont les exemples les plus courants et qui sont d'un grand intérêt dans de nombreux domaines tels que la géologie et l'industrie pétrolière. Les matériaux de construction tels que le béton, ainsi que d'autres matériaux utilisés dans les transports, les bâtiments et les infrastructures, ont maintenant des applications dans la réduction des nuisances sonores. Ces dernières années, les normes acoustiques sont devenues de plus en plus sévères, ce qui fait de la lutte contre les nuisances sonores un facteur économique clé. Les matériaux en usage sont désormais soumis à des contrôles non-destructifs de plus en plus rigoureux et la demande de performances accrues dans ces contrôles reste très forte. Les tissus vivants tels que les os, l'ostéoporose et les poumons font également l'objet d'analyses de plus en plus poussées pour le diagnostic de certaines pathologies, ce qui nécessite une description précise de ces tissus en termes de matériaux. Ainsi, que ce soit dans les études sismiques, l'acoustique de l'environnement, le contrôle non destructif, le diagnostic médical, pour ne citer que les principaux domaines, les enjeux sont considérables et ouvrent largement la voie à des études fondamentales sur la propagation des ondes acoustiques dans les milieux poreux, la modélisation de leurs caractéristiques et de leurs défauts, les techniques expérimentales à mettre en œuvre pour les caractériser, ainsi que les moyens à prévoir pour assurer le transfert de ces études vers des applications pratiques dans les domaines de la géophysique (pétrole, gaz, eau), la médecine (os, ostéoporose), l'acoustique des bâtiments (confort, atténuation du bruit) et les transports (aéronautique, train, voiture).
Parmi les modèles qui ont été développés pour la description de la propagation acoustique dans les matériaux poreux, nous pouvons citer celui de Biot qui se présente bien convenable tant pour des matériaux poreux saturés d’air, dans un large domaine fréquentiel par le développement du modèle du fluide équivalent, que pour des milieux poreux à micro-géométries très différentes (fibres, pores, grains). Le modèle de Biot a également été adapté à la propagation ultrasonore dans les tissus osseux. Cependant, en dépit de la performance de ce modèle dans la prédiction de l’existence de deux ondes longitudinales, il reste tout de même limité quant à sa capacité à prédire la propagation acoustique dans les milieux poreux naturels (tissus osseux, roches, sédiments marins, etc.), d’autant plus que les interactions physiques entre les ondes et le milieu poreux n’y sont pas pris en compte. C’est ici que s’ouvre en effet, un vaste champ d'études, défi scientifique aux aspects théoriques et expérimentaux fondamentaux, et aux enjeux industriels de tout premier ordre dans de nombreux domaines d'activités.

• 
  Dans le travail proposé, nous aborderons ces différents aspects :
  •    Théorique : par l'amélioration des modèles existants de l'interaction fluide-solide qui devront prendre en compte la microstructure du milieu ; développement de nouveaux modèles ; résolution des problèmes directs et inverses.
  •    Expérimental : par la conception et la réalisation de montages pour la caractérisation des milieux poreux (matériaux calibrés imprimés en 3D, matériaux naturels, nouveaux matériaux, etc.) aussi bien en ultrasons qu'en basses fréquences ; mesure acoustiques et vibratoires dans le régime audible et ultrasonore (contrôle non-destructif) et en basses fréquences (guide d'onde).
  •    Numérique : par la production de codes de calcul (Matlab, Python, etc.) :

i)    Permettant la comparaison théorie/expériences et l'inversion des données expérimentales, 
ii)    Simulation sur des systèmes réels.

Mots clés :
Bruit automobile, Bruit de cabine d’avion, absorption acoustique, matériaux de construction biosourcés, isolation thermique, matériaux acoustiques fonctionnels, matériaux poroélastiques, microstructure, nanostructure, tomographie, couplage multi-champs, non-linéarité acoustique, développement durable.

Plus d'informations concernant Christian Méso sur sa page personnelle