Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine Av. O ...perso.univ-lemans.fr/~jgilbert/ArticlesPageWeb/LAUM_rap2007_Vf_111006.pdf · Laboratoire d'Acoustique de l'Université

Laboratoire d'Acoustique de l'Université du MaineAv. O. Messiaen, 72085 LE MANS Cedex 9, France

Tel. : 33 (0)2 43 83 35 09 Fax. : 33 (0)2 43 83 35 20Email: [email protected] Site: http://laum.univ-lemans.fr

Table des matières

Présentation générale du LAUM..................................................................................................... 51 Positionnement du Laboratoire...............................................................................................72 Les thématiques scientifiques du LAUM................................................................................93 Organisation de l’Unité............................................................................................................ 9

3.1 Organigrammes de l’Unité................................................................................................................123.2 Instances du Laboratoire...................................................................................................................14

4 Personnel de l’Unité............................................................................................................... 154.1 Liste du Personnel permanent...........................................................................................................154.2 Personnels non-permanents.............................................................................................................. 19

5 Principaux matériels et équipements spécifiques.............................................................. 235.1 Infrastructure.....................................................................................................................................235.2 Appareillage......................................................................................................................................23

6 Locaux..................................................................................................................................... 24Bilan du quadriennal......................................................................................................................25

1 Bilan général de l’activité.......................................................................................................271.1 Faits marquants................................................................................................................................. 271.2 Production scientifique..................................................................................................................... 281.3 Activité de valorisation.....................................................................................................................28

2 Bilan financier et évolutions..................................................................................................293 Evolution des ressources humaines.................................................................................... 304 Enseignements en acoustique et en mécanique à l'Université du Maine.........................31

4.1 IUT....................................................................................................................................................314.2 ENSIM.............................................................................................................................................. 314.3 UFR S&T..........................................................................................................................................32

5 Séminaires et manifestations scientifiques.........................................................................33Activité scientifique des équipes de recherche.......................................................................... 35

1 Équipe AMM (Acoustique et Mécanique des Matériaux).................................................... 371.1 OR Evaluation et contrôle non destructifs .......................................................................................391.2 OR Caractérisation acoustique et mécanique des matériaux poreux................................................471.3 OR Acoustique non linéaire des matériaux micro-inhomogènes..................................................... 531.4 OR Opto-acoustique laser.................................................................................................................57

2 Équipe TSMA (Transducteurs, Signal, Méthodes et Applications)....................................612.1 OR Thermoacoustique et microcapteurs...........................................................................................632.2 OR Vélocimétrie Laser Doppler....................................................................................................... 712.3 OR Transducteurs Acoustiques et Métrologie..................................................................................762.4 OR Traitement du signal...................................................................................................................842.5 OR Mesure optique des vibrations ...................................................................................................91

3 Équipe VAGUE (Vibrations, Acoustique GUidée et Ecoulement) ..................................... 953.1 OR Physique des instruments de musique........................................................................................973.2 OR Vibroacoustique des structures.................................................................................................1053.3 OR Acoustique Urbaine..................................................................................................................1133.4 OR Acoustique hautes fréquences.................................................................................................. 1183.5 OR Acoustique des conduits traités avec écoulement.................................................................... 122

Perspectives................................................................................................................................. 1271 Organisation du Laboratoire............................................................................................... 1292 Le Laboratoire dans son environnement........................................................................... 1293 Politique scientifique............................................................................................................130

3.1 Méthodes acoustiques innovantes pour le contrôle non destructif des micro-systèmes, des matériaux et des structures complexes..................................................................................................1303.2 Maintien des domaines d'excellence du LAUM............................................................................. 131

Production Scientifique............................................................................................................... 1331 Revues à comité de lecture................................................................................................. 1352 Conférences internationales avec actes............................................................................ 1453 Conférences nationales avec actes.................................................................................... 1534 Brevet, Enveloppe Soleau....................................................................................................1595 Ouvrage, Chapitres d’ouvrages.......................................................................................... 1606 Habilitations à diriger des recherches................................................................................1617 Diplômes de Doctorat...........................................................................................................162

Liste des contrats ........................................................................................................................1651 Contrats avec des organismes publics et CEE................................................................. 1672 Contrats avec des entreprises publiques ou privées....................................................... 167

Formation permanente ............................................................................................................... 1691 Bilan formation 2003-2006................................................................................................... 1712 Plan de formation................................................................................................................. 171

2.1 Contrôle d’instrumentation (Priorité 1).......................................................................................... 1722.2 Traitement du signal pour l’instrumentation (Priorité 2) ...............................................................1722.3 Le Langage formel (Priorité 3) ...................................................................................................... 1722.4 La rédaction de proposition de contrats (Priorité 4) ...................................................................... 1732.5 Autres besoins en rapport avec les offres de la Délégation : ......................................................... 173

Présentation générale du LAUM

1 Positionnement du Laboratoire

Le LAUM a 25 ans Le Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine (LAUM) est une unité mixte de recherche rattachée au CNRS et à l'Université du Maine, et a été créé il y a 25 ans.

Le potentiel humain du LAUM est de l’ordre de 80 personnes, réparties en 47 permanents et 31 doctorants et post-doctorants. Le personnel permanent se compose de :

29 enseignants-chercheurs (UFR Sciences et Techniques, IUT, ENSIM);

7 chercheurs CNRS;

11 Ingénieurs, Techniciens et Administratifs (6 IATOS de l'Université du Maine à temps partiel, 5 ITA CNRS).

Les activités du Laboratoire sont centrées principalement sur l’acoustique « de l’audible » mais le laboratoire a intégré depuis quelques années de nouveaux thèmes de recherche dans le domaine des vibrations et des ultrasons.

Les études portent sur la propagation des ondes dans les fluides (au repos ou en écoulement) et dans les solides (matériaux poreux, granulaires ou composites, structures vibrantes) ainsi que sur les mécanismes de couplage. Elles ont avant tout pour objet de comprendre les phénomènes physiques mis en jeu en privilégiant le développement de modèles analytiques et d'études expérimentales associés aux simulations numériques nécessaires.

Le LAUM est rattaché au CNRS et à l'Université du MaineL'université du Maine est une petite université pluridisciplinaire (environ 8000 étudiants). Au sein de cette université les personnels du Laboratoire ont développé une offre de formation complète en acoustique :

DEUST « Vibrations-Acoustique-Signal »

Licence professionnelle « Ingénierie Acoustique et Vibratoire »,

Master professionnel « Acoustique des transports »,

Masters recherche « Acoustique » et « Matériaux et Acoustique » ;

Option « Vibrations et acoustique » de l'ENSIM (Ecole Nationale Supérieure d'Ingénieurs du Mans).

Le LAUM participe à la structuration de la rechercheLe Laboratoire s'implique dans l’effort de structuration de la recherche à l’échelle régionale. Il est membre de l'IRSTV (Institut de Recherche en Sciences et Techniques de la Ville) pour ses recherches en acoustique urbaine et il est le leader dans le montage d'un pôle de compétence régional en Évaluation et en Contrôle Non Destructifs (des recherches amont qui pourront être utilisées par le pôle de compétitivité EMC2).

Au niveau national, le Laboratoire est impliqué dans plusieurs groupements de recherche (GDR Bruit des Transports, GDR Etude de la propagation ultrasonore en milieux inhomogènes en vue du Contrôle Non Destructif, GDR Ondes). Le LAUM collabore avec d'autres laboratoires et des industriels dans le cadre de contrats (RRIT « Sciences et Technologies pour le Transport Supersonique », ANR « Applications de processus acoustiques non linéaires aux problèmes fondamentaux des milieux granulaires non consolidés » et ANR « Transports non linéaires de masse et de chaleur par effets thermo-acoustiques dans les micro-systèmes : applications à la réfrigération », ...). Le Laboratoire est leader d'une des thématiques de l'initiative de recherche IROQUA (Initiative de Recherche pour l'Optimisation acoustiQUe Aéronautique) qui regroupe les grands opérateurs de recherche (CNRS, ONERA) et les principaux industriels du secteur aéronautique (Airbus, Dassault Aviation, Eurocopter, Snecma). Des membres du LAUM participent activement à l'organisation et au rayonnement de la Société Française d'Acoustique, société savante ayant pour vocation la

p 7

promotion de l'acoustique par l'organisation de journées d'étude spécialisées ou tout public par exemple.

Au niveau international, le LAUM développe des relations avec de nombreux centres de recherches à l'étranger et participe ou a participé récemment à 3 contrats européens : SILENCER (Réduction du bruit des avions, GROWTH Project, FP5, 50 partenaires, leader SNECMA, France), LAVINYA (Réseau thématique européen sur la vibrométrie laser, GROWTH Project, FP5, 39 partenaires, leader Università Politecnica delle Marche, Italy) et CREDO (Cabin noise Reduction by numerical and Experimental Design Optimisation, STREP FP6 2005, 14 partenaires, leader Università Politecnica delle Marche, Italy).

Le Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine (LAUM) associé

aux formations d'acoustique de l'université,

au département acoustique du CTTM (Centre de transfert de technologie du Mans) pour la valorisation et la prestation de service,

à l'ITEMM (Institut technologique européen des métiers de la musique),

donne au Mans, dans le domaine de l'acoustique, une visibilité nationale et internationale.

p 8

2 Les thématiques scientifiques du LAUM

L’activité scientifique du LAUM couvre un grand nombre d’aspects de l’Acoustique à l'exclusion des aspects psycho-acoustiques qui sont traités en collaboration avec d'autres laboratoires. Les activités du LAUM relèvent de la recherche amont mais partent souvent de l’analyse des problématiques socio-économiques et industrielles ce qui motive son rattachement au Département d’Ingénierie du CNRS, ainsi que son évaluation par le Département SPI de la MSTP du MENESR. Les champs disciplinaires couverts par le Laboratoire justifient une évaluation par la Section 9 du Comité National.

Le quadriennal 2003-2007 a vu une restructuration importante des équipes du LAUM, motivée entre autre par la recherche d’une meilleure lisibilité des axes scientifiques du Laboratoire. Le Laboratoire est maintenant structuré en 3 équipes (au lieu de 5 dans le précédent quadriennal). Chaque équipe est divisée en Opérations de Recherche (OR) qui regroupent les chercheurs travaillant ensemble autour de thématiques ciblées. Dans l'esprit de cette restructuration, les équipes sont des structures pérennes alors que les OR sont des structures dont les contours et les axes de recherche sont amenés à évoluer.

La structure du LAUM est donc actuellement la suivante :

Équipe AMM (Acoustique et Mécanique des Matériaux)

OR Evaluation et contrôle non destructifs

OR Caractérisation acoustique et mécanique des matériaux poreux

OR Acoustique non linéaire des matériaux micro-inhomogènes

OR Opto-acoustique laser

Équipe TSMA (Transducteurs, Signal, Méthodes et Applications)

OR Thermoacoustique et microcapteurs

OR Vélocimétrie Laser Doppler

OR Transducteurs Acoustiques et Métrologie

OR Traitement du signal

OR Mesure optique des vibrations

Équipe VAGUE (Vibrations, Acoustique GUidée et Ecoulement)

OR Physique des instruments de musique

OR Vibroacoustique des structures

OR Acoustique Urbaine

OR Acoustique hautes fréquences

OR Acoustique des conduits traités avec écoulement

3 Organisation de l’Unité

La structure du LAUM a évolué au cours de l'actuel contrat. Le laboratoire était auparavant structuré en 5 groupes historiques. Le constat du fonctionnement de ces groupes montrait :

des tailles de groupes assez disparates;

des sous-groupes qui fonctionnaient de façon indépendante.

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Nous avons donc décidé de créer des structures qui se situent au plus près des collaborations effectives des membres du laboratoire. Ces structures sont les Opérations de Recherche (OR). Ces 14 OR ont des tailles et un historique fort différents :

une des OR correspond à un ancien groupe (OR Vibroacoustique des structures),

certaines sont petites mais sont affichées pour montrer le soutien que le LAUM leur accorde (OR Acoustique non linéaire des matériaux micro-inhomogènes, OR Opto-acoustique laser, OR Mesure optique des vibrations, ...),

certaines correspondent aux activités historique du LAUM (OR Caractérisation acoustique et mécanique des matériaux poreux, OR Transducteurs Acoustiques et Métrologie, OR Physique des instruments de musique, ...),

d'autres sont de création plus récentes (OR Evaluation et contrôle non destructifs, ...),

enfin certaines sont par nature transversales (OR Traitement du signal, OR Acoustique hautes fréquences, ...).

Bien que de création récente, les OR ont démarré une vie scientifique avec des réunions et des exposés.

Ces 14 OR ont été regroupées en 3 équipes. Ces équipes ont été créées pour simplifier les affichages thématiques du LAUM. Elles n'ont pour l'instant pas de vie propre et c'est l'une des tâches qui reste à accomplir que de définir le périmètre d'activité de ces équipes.

Un tableau comptabilisant les chercheurs et enseignants-chercheurs travaillant dans chaque OR et dans chaque équipe est donné ci-après. Il permet de voir que les équipes sont équilibrées en terme d'équivalent temps plein (ETP) mais que la taille des OR reste disparate.

Historiquement, le LAUM a toujours fonctionné de manière mutualiste. Les finances ne sont pas divisées par groupe ou par équipe mais sont réparties au mieux suivant les besoins des chercheurs. La demande majoritaire au sein du laboratoire est de continuer ce type de fonctionnement. La nouvelle donne que constitue un financement majoritairement sur projet de la recherche française (ANR, CPER, ...), nous amène à réfléchir sur d'éventuelles ponctions sur les contrats pour assurer une redistribution de crédits et soutenir des recherches en émergence ou qui, de par leur nature, peuvent difficilement prétendre à des financements.

La gouvernance de l’Unité est assurée par une équipe de direction constituée du directeur et de son adjoint. Celle-ci s’appuie sur le Conseil Consultatif statutaire du LAUM, qui se réunit une fois par mois. Pour les décisions importantes, c'est une Assemblée Générale incluant tous les membres du LAUM (permanents et non-permanents présents depuis plus d'un an) qui est sollicitée.

p 10

ETP = Temps Chercheur + 0,5 Temps EC

OR

Eval

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OR

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t

Temps Chercheur 0,30 0,20 0,70 0,20 0,60 0,00 0,30 0,00 0,00 1,10 0,00 0,50 0,80 2,30

Temps EC 2,70 7,00 1,00 0,40 4,60 1,80 3,50 1,50 0,70 2,20 3,20 1,90 1,20 0,00

ETP OR 1,65 3,70 1,20 0,40 2,90 0,90 2,05 0,75 0,35 2,20 1,60 1,45 1,4 2,30

ETP Equipe 6,95 6,95 8,95

Equipe

ÉQUIPE AMM ÉQUIPE TSMA ÉQUIPE VAGUEACOUSTIQUE ET MÉCANIQUE DES

MATÉRIAUX

TRANSDUCTEURS, SIGNAL, MÉTHODES ET APPLICATIONS

VIBRATIONS, ACOUSTIQUE GUIDÉE ET ECOULEMENT

ETPChercheur 7

ETPEC 15,85

ETPLAUM 22,85

p 11

3.1 Organigrammes de l’UnitéOrganigramme du contrat en cours

p 12

Yves AURÉGANDirecteur

Jean-Michel GENEVAUXDirecteur Adjoint

POLE TECHNIQUE

ELECTRONIQUEA. BRUNET

INFORMATIQUES. VIELPEAU

INSTRUMENTATIONJ. BLONDEAU, E. BRASSEUR, S. LEBON

MÉCANIQUEP. COLLAS, E. EGON

POLE ADMINISTRATIF

SECRETARIATA.-M. BRULE

COMPTABILITEUniversité : F. TRAORE : A.-M. BRULE CNRS : C. GINER

TRANSDUCTEURS ET MACHINES (THERMO- IONO- VISCO- ACOUSTIQUE)

P. LOTTON

ONDES GUIDÉESJ. GILBERT

ACOUSTIQUE ET MÉCANIQUE DES MATÉRIAUX

B. CASTAGNÈDE, D. LAFARGE

TRAITEMENT DU SIGNAL POUR L'ACOUSTIQUE ET LA MÉCANIQUE -

ACOUSTIQUE URBAINE L. SIMON

TRANSFERTS VIBRATOIRESJ.-C. PASCAL

C. GINER Assistante de direction

Organigramme pour le contrat 2008-1012

p 13

DIRECTEUR

DIRECTEUR ADJOINT

POLE ADMINISTRATIF

SECRETARIATA.-M. BRULE

COMPTABILITEUniversité : F. TRAORE : A.-M. BRULE CNRS : C. GINER

ÉQUIPE AMMACOUSTIQUE ET MÉCANIQUE

DES MATÉRIAUX

R. EL GUERJOUMA, B. CASTAGNÈDE

ÉQUIPE TSMATRANSDUCTEURS, SIGNAL,

MÉTHODES ET APPLICATIONS

L. SIMON, P. LOTTON

ÉQUIPE VAGUE VIBRATIONS, ACOUSTIQUE

GUIDÉE ET ECOULEMENT

JP DALMONT

C. GINER Assistante de direction

OR Caractérisation acoustique et mécanique des matériaux poreux

B. BROUARD

OR Acoustique non linéaire des matériaux micro-inhomogènes

V. TOURNAT

OR Opto-acoustique laserV. GUSEV

OR Evaluation et contrôle non destructifs C. POTEL

OR Thermoacoustique et microcapteursP. LOTTON

OR Vélocimétrie Laser DopplerB. GAZENGEL

OR Transducteurs Acoustiques et MétrologieP. BEQUIN

OR Traitement du signalL. SIMON

OR Mesure optique des vibrations P. PICART

OR Physique des instruments de musiqueJ. GILBERT

OR Vibroacoustique des structuresF. GAUTIER

OR Acoustique UrbaineC. AYRAULT

OR Acoustique hautes fréquencesL. LEVIANDIER

OR Ac. des conduits traités avec écoulementV. PAGNEUX

POLE TECHNIQUE

ELECTRONIQUEA. BRUNET

INFORMATIQUES. VIELPEAU

INSTRUMENTATIONJ. BLONDEAU, E. BRASSEUR, S. LEBON

MÉCANIQUEP. COLLAS, E. EGON

SALLE BLANCHEL. CAMBERLEIN

3.2 Instances du Laboratoire

I Conseil Consultatif statutaire du LAUM

Membres de droit

Yves AURÉGAN (Directeur) Jean-Michel GENEVEAUX (Directeur adjoint)

Membres élus Chercheurs et Enseignants-Chercheurs

Christophe AYRAULT Rachid EL GUERJOUMA

Jean-Pierre DALMONT Catherine POTEL

Stéphane DURAND

Membres élus ITA-IATOS

Claudine GINER Stéphane LEBON

Membres élus Doctorants

Stéphane GRIFFITHS Jean-Loïc LE CARROU

Membres nommés

Jean-Claude PASCAL (EC) Laurent SIMON (EC)

Olivier RICHOUX (EC) Stéphane VIELPEAU (ITA)

II Responsabilités dans le laboratoire

Responsable formation Jean Hugh THOMAS

ACMO Patrick COLAS (IATOS)dans le prochain contrat Emanuel BRASSEUR (ITA)

Responsable communication Pierrick LOTTON

Responsable de la gestion des locaux Philippe BEQUIN

Responsable informatique Stéphane VIELPEAU

p 14

4 Personnel de l’Unité

La liste du personnel qui suit est celle des chercheurs, enseignants-chercheurs, ITA, doctorants et postdoctorants présents au laboratoire au 30 septembre 2006. Le pourcentage du temps de recherche que les chercheurs et enseignants-chercheurs accordent à chaque OR est donné suivant la nomenclature suivante :

OR 1 Evaluation et contrôle non destructifs OR 8 Traitement du signal

OR 2 Caractérisation acoustique et mécanique des matériaux poreux

OR 9 Mesure optique des vibrations

OR 3 Acoustique non linéaire des matériaux micro-inhomogènes

OR 10 Physique des instruments de musique

OR 4 Opto-acoustique laser OR 11 Vibroacoustique des structures

OR 5 Thermoacoustique et microcapteurs OR 12 Acoustique Urbaine

OR 6 Vélocimétrie Laser Doppler OR 13 Acoustique hautes fréquences

OR 7 Transducteurs Acoustiques et Métrologie OR 14 Acoustique des conduits traités avec écoulement

4.1 Liste du Personnel permanent

I Chercheurs CNRS

Nom

Stat

us

HD

R

Mou

vem

ent

OR1

OR

2

OR

3

OR

4

OR

5

OR

6

OR

7

OR

8

OR

9

OR

10

OR

11

OR

12

OR

13

0R 1

4

AUREGAN Yves CR X Nommé

Directeur 0,1 0,9

FELIXSimon CR Arrivé en

2006 0,5 0,5

GILBERT Joël DR X Promu DR

en 2006 1

HARDY Jean DR X Retraite en

2006

LAFARGE Denis CR 0,2 0,5 0,3

LOTTON Pierrick CR X 0,6 0,3 0,1

PAGNEUX Vincent CR 0,3 0,1 0,6

TOURNAT Vincent CR Arrivé en

2004 0,7 0,2 0,1

ETP CNRS par OR 0,3 0,2 0,7 0,2 0,6 0 0,3 0 0 1,1 0 0,5 0,8 2,3

ETP CNRS total 7

p 15

II Enseignants-ChercheursENSIM : Ecole Nationale Supérieure d'Ingénieurs du Mans

UFR S&T : Faculté des Sciences et Techniques du Mans

NB : Vitalyi GUSEV est officiellement au LPEC mais il considère passer environ 50 % de son temps de recherche sur des activités relevant du LAUM.

Nom

Stat

us

HD

R

Mou

vem

ent

OR

1

OR

2

OR

3

OR

4

OR

5

OR

6

OR

7

OR

8

OR

9

OR

10

OR1

1

OR

12

OR

13

0R 1

4

ALLARD Jean-François

Pr. Emerite X 1

AYRAULT Christophe

MCFUFR S&T

Dél. CNRS2005 0,5 0,5

BEQUIN Philippe

MCFIUT 0,2 0,8

BROUARD Bruno

MCFUFR S&T 1

BRUNEAU Anne-Marie

Pr. Emerite X 0,4

BRUNEAU Michel

Pr. Emerite X 0,1 0,3 0,6

CASTAGNEDE Bernard

Pr.UFR S&T X 0,5 0,5

DALMONT Jean-Pierre

Pr.UFR S&T X Prof en

2003 1

DAUCHEZ Nicolas

MCFENSIM 0,3 0,3 0,4

DAZEL Olivier

MCFUFR S&T

Arrivé en 2004 1

DEPOLLIER Claude

Pr.UFR S&T X 0,6 0,3 0,1

DURAND Stéphane

MCFENSIM 0,7 0,3

EL GUERJOUMA Rachid

PrIUT. X Arrivé en

2004 0,9 0,1

GAUTIER François

MCFENSIM 0,6 0,4

GAVIOT Etienne

Pr.ENSIM X 1

GAZENGEL Bruno

MCFUFR S&T

Del CNRS2005-2007 0,6 0,2 0,2

GENEVAUX Jean-Michel

Pr.ENSIM X 1

p 16

Nom

Stat

us

HD

R

Mou

vem

ent

OR1

OR

2

OR

3

OR

4

OR

5

OR

6

OR

7

OR

8

OR

9

OR

10

OR

11

OR

12

OR

13

0R 1

4

GUSEVVitalyi

PRLPEC X 0,2 0,2 0,1

HENRY Michel

MCF IUFM 1

JOLY Nicolas


LEMARQUAND Guy

Pr. U. Bourg. X Arrivé en

2005 0,9 0,1

LEVIANDIERLuc

PASTUFR S&T X 1

LIHOREAUBertand

MCFUFR S&T

Arrivé en 2006 1

MONTRESOR Silvio

MCFIUP 0,1 0,5 0,4

PASCAL Jean-Claude

Pr.ENSIM X 0,1 0,9

PENELET Guillaume

MCFUFR S&T

Arrivé en2005 1

PICART Pascal

Pr.ENSIM X Prof en

2005 0,2 0,6

POLET Frédéric

MCFENSIM 1

POTEL Catherine

Pr.UFR S&T X 1

RICHOUX Olivier

MCFUFR S&T 0,6 0,3 0,1

SAHRAOUI Sohbi

Pr.UFR S&T X 1

SIMON Laurent

Pr.UFR S&T X Prof en

2005 0,1 0,8 0,1

TAHANI Najat

MCFUFR S&T 0,7 0,3

THOMAS Jean-Hugh


Temps recherche des E-C par OR 2,7 7 1 0,4 4,6 1,8 3,5 1,5 0,7 2,2 3,2 1,9 1,2 0

ETP Enseignants-Chercheurs par OR 1,35 3,5 0,5 0,2 2,3 0,9 1,75 0,75 0,35 1,1 1,6 0,95 0,6 0

ETP Enseignants-Chercheurs total 15,85

p 17

III ITA et IATOSNom Statut Domaine

d'activité% du temps

consacré à la recherche

Mouvement

BLONDEAUJames

AI CNRS Instrumentation 100 % Arrivé en 2004

BRASSEUREmmanuel

AI CNRS Instrumentation 100 % Arrivé en 2006

GINERClaudine

TECH CNRS Assistante de direction, gestion

100 %

LEBONStéphane

TECH CNRS Instrumentation 100 %

VIELPEAUStéphane

IE CNRS Informatique 100 %

Temps ITA CNRS 5

BRULEAnne-Marie

AJT UdM Secrétariat 50 %

BRUNETAlain TECH UdM Electronique 50 %

CAMBERLEINLionel

IGE UdM Salle blanche 50 % Arrivé en 2003

COLLASPatrick

TECH UdM Mécanique 50 %

EGONEric

AJT UdM Mécanique 50 %

TRAOREFrance

TECH UdM Gestion 50 %

Temps IATOS UdM 3

p 18

4.2 Personnels non-permanents

I Doctorants

Tableau des doctorants en Acoustique de l'Université du Maine présents au LAUM au 30/09/2006

Nom Directeur(s)

Déb

ut Finan-cement Sujet

BAILLYLucie

J. GilbertX.Pelorson N.Henrich

05 Ministère de la recherche

Exploration et modélisation physique de la voix chantée (collaboration avec l’ICP de Grenoble)

BAREAULoïc V. Pagneux 02 Ministère de la

rechercheEffets de rugosité des parois sur les couches limites

acoustiques et thermiques

BOUFERMELAbdennour

N.Joly P. Lotton V. Gusev


Modélisation numérique de l'acoustique en fluides thermovisqueux et des écoulements redressés induits

CUENCAJacques

F.Gautier, L.Simon 06 Ministère de la

recherche

Dynamique des structures assemblées en moyennes et hautes fréquences : modèles basés sur des rayons

vibratoires.

DEGROOTAnne

B.GazengelO.Richoux 04 Ministère de la

recherche

Détection de bouffées doppler par ondelettes. Application à l'étalonnage de microphones par

Vélocimétrie Laser Doppler.

DESJOUYCyril

G. PeneletP. Lotton 06 Ministère de la

recherche

Transports non linéaires de masse et de chaleur par effets thermoacoustiques dans les micro-systèmes :

application à la réfrigération.

DEVAUXCédric

N. Joly, J.-C. Pascal 03 Ministère de la

rechercheModélisation des flux d'énergie en acoustique et dans

les structures

DEVERGEMickaël S. Sahraoui 03 Ministère de la

recherchePropriétés mécaniques et rhéologiques des mousses de

polymères réticulés

DOUTRESOlivier

N. DauchezJ.-M.

Génevaux04

BDICNRS/Région

Rayonnement acoustique de structures revêtues

DUCLOSAroune D. Lafarge 03 Ministère de la

recherche Diffusion multiple dans les matériaux

DUPONTLudovic C. Depollier 03 Ministère de la

recherchePropagation acoustique dans matériaux poreux

inhomogènes

FILLINGERLaurent

B. CastagnèdeV. Gusev 03 DGA/CNRS Contributions à l'étude de l'influence de la dissipation

non-linéaire sur les des ondes acoustiques

GIORDANINicolas E. Gaviot 04 CER Microsystèmes pour les mesures hygrométriques au sein

de machines thermoacoustiques

p 19

Nom Directeur(s)

Déb


GRIFFITHS Stéphane

C.Depollier,C.Ayrault 03 Ministère de la

rechercheMéthode de caractérisation ultrasonore par variation de

la pression statique du fluide saturant

GUIMEZANESThomas J.-P. Damont 04

BDI CNRS/Région/

Entreprise

Sujet confidentiel (thématique physique des instruments à vent)

INSERRA Claude

B. CastagnèdeV. Gusev

V. Tournat04 CER Propagation acoustique non linéaire dans les milieux

granulaires non consolidés

KHELILMohamed

R.El GuerjoumaL. Simon

04

Cotutelle CRSTSC (Alger)- LAUM

Analyse et le traitement des signaux ultrasonores pour l’optimisation de la détection et la classification des défauts dans les matériaux à fort bruit de structure

LE CARROUJean-Loïc

J.GilbertN.Dauchez F.Gautier

03 BDI CNRS/Région Vibroacoustique de la harpe

LE VAN SUUThierry

S. DurandP. lotton 05 BDI

CNRS/Région Etude et réalisations de microphones miniatures

LEVALJulien P.Picart 03 CG72+CUM Développement de méthodes optiques pour l’analyse

des vibrations

MARECAnne

R. El Guerjouma

J.-H.ThomasV.Tournat


Caractérisation de l'endommagement et estimation de la duree de vie restante des matériaux par emission

acoustique et acoustique nonlinéaire

NIEFGuillaume

J. GilbertJ-P.Dalmont F.Gautier


Couplage fluide interne – structure mécanique, application aux instruments à vent.

NOVAK Antonin

L.SimonP. Lotton 06

Cotutelle CVUT

(Prague) - LAUM

Evaluation objective des systèmes électroacoutiques audio par des méthodes de traitement du signal non-

linéaire

PAILLASSEURSébastien

J.-C. PascalJ.-H. Thomas 04 Ministère de la

recherche Holographie acoustique temps-réel.

PELATAdrien

C. Ayrault,L. Simon 06 BDI

CNRS/Région Propagation basse fréquence en milieu urbain

PELLETIERNicolas

B. BêcheE. Gaviot 03 CER

Microcapteurs à base de photonique intégrée sur matériaux polymères pour le développement de

dispositifs dédiés aux mesures de pression et aux mesures de flux thermiques

RITTYAlexandre

P. LottonB. Gazengel

B. Castagnède03 ISL Etude d'une antenne paramétrique à cellules

piézopolymères (PVDF)

ROUXAurélien

L. SimonC. Potel 04 Ministère de la

rechercheSéparation et identification d'ondes appliquées à la

propagation acoustique dans les matériaux complexes

p 20

Tableau des doctorants en Acoustique de l'Université du Maine qui effectuent leur thèse à l'extérieur du LAUM au 30/09/2006

Nom Directeur(s)

Déb


BAULACMarine C. Depollier 03 CSTB Optimisation des protections anti-bruit routières de

forme complexe

BAUMEOlivier

L. SimonM. Bérengier B. Gauvreau

03 Région/LCPC Aspect statistique de la relation bruit-météo

GOLAYFrancis

L. SimonC. Ayrault

G. Dutilleux05 Ministère de

l'équipementModélisation de l'émission sonore des véhicules de

transports terrestres étendus

GUILLAUME Gwenaël

L. SimonC. AyraultJ. Picault

06 LCPC Détermination numérique des lois de réflexion des façades urbaines

RODRIGUESDominique

M. Bruneau A.-M. Bruneau

P. Lotton05 LNE

Méthode de réciprocité pour l'étalonnage absolu de composants électroacoustiques : application aux

microphones et aux petits éléments acoustiques des transducteurs

TESTUDPhilippe Y. Aurégan 03 EDF Aéro-acoustique des diaphragmes en conduit :

sifflement et cavitation

II Autres personnels non-permanents

Tableau des personnels non permanents (hors doctorants) présents au LAUM au 30/09/2006

Nom Statut Période Encadrant Sujet

ALESHIN Vladislav

CNRS/Région/contrat

16/01/06 12 mois V. Tournat Modélisation numérique de l'acoustique non

linéaire des milieux granulaires

BI Wenping

ContratAIRBUS

01/02/0624 mois Y. Aurégan Confidentiel

JACOB Xavier

ContratANR

01/09/0618 mois V. Tournat Acoustique non linéaire dans les milieux

granulaires non consolidés

MARXDavid

Post-DocCNRS

(LAUM/LEA)

01/09/0524 mois Y. Aurégan

Interaction acoustique/turbulence en guide d’onde acoustique : Mesures laser et simulations

numériques

p 21

Tableau des personnels non permanents (hors doctorants et professeurs invités) embauchés au LAUM depuis 2003

Nom Statut Période Encadrant Sujet

CHAPALAINDavid

ContractuelCPER

01/03/066 mois B. Gazengel VLD

BI Wenping

ContratSNECMA

01/10/0326 mois Y. Aurégan Propagation en conduits traités

GESLINJean-Claude

ContractuelCPER

01/09/042 mois B. Gazengel VLD

LEROUX Bertrand

IGECPER

05/01/0418 mois

P. LottonB. Gazengel

Thermo-acoustiqueVLD

MOUSSATOVAlexei

Ing.Valorisation

01/11/0418 mois B. Castagnède

Valorisation d'un dispositif de mesure acoustique de propriétés physiques de matériaux

poroélastiques

p 22

5 Principaux matériels et équipements spécifiques

5.1 Infrastructure1 salle anéchoïque1 salle semi-anéchoïque (dédiée Anémométrie Laser Doppler)1 salle d'écoute7 salles de mesure (~15 postes de travail)1 salle climatisée pour la caractérisation des matériaux absorbants1 salle semi-anéchoïque équipé d'un robot de déplacement 3 axes (Acoust. Urbaine) 1 salle d'optique (holographie optique (LAUM), opto-acoustique (coll. LPEC)) 1 salle blanche dédiée aux micro-technologies1 salle informatiqueAteliers de mécanique et d'électronique partagés avec l’UMR de Physique de l’Etat Condensé de l'Université du Maine.Une salle d'essais mécaniques localisée à l'IUT du Mans au département GMP.

5.2 Appareillage8 analyseurs F.F.T. bicanaux (H.P., Stanford)3 détecteurs Synchrones (Stanford, Signal Recovery)1 analyseur F.F.T. 8 voies (H.P.)2 système d'acquisition 32 voies (Agilent)4 Vibromètres laser (dont 1 vibromètre plan et 1 vibromètre à balayage) 1 laser argon SPECTRA PHYSICS pour l'Anémométrie Laser Doppler1 laser pulsé pour l'holographie numérique 1 système d'acquisition automatisé pour la mesure ultrasonore dans l'eau Un système d'acquisition d'émission acoustique 4 voies (EPA) 1 enceinte supportant une surpression statique de 20 barsAppareils divers pour mesures acoustiques et vibratoires (capteurs, conditionneurs, sources, etc…)

p 23

Vélociméte Laser Doppler à 2 composantes en salle semi-anéchoique

Travail sur les microtechnologies en salle blanche

6 Locaux

Les locaux du LAUM sont situés sur le campus de l'Université du Maine. Le LAUM dispose de 1530 m2 à l'UFR S&T et de 130 m2 à l'ENSIM. Ces locaux sont distants d'environ 400 m.

Les locaux de l'UFR S&T se répartissent en

710 m2 dédiés aux salles d'expériences

660 m2 de bureaux

170 m2 de salles communes (bibliothèque, salle de conférence, salle de café, stockage, ....)

Trouver de la place pour mettre de nouveaux arrivants et monter de nouvelles expériences, reste un problème important du Laboratoire qui devient presque insoluble lorsque les stagiaires de master arrivent au Laboratoire.

La construction, à l'aide du futur CPER, d'un nouveau bâtiment pour les mathématiques devrait donner un peu d'espace au niveau de l'UFR S&T. Le LAUM estime qu'une surface de bureaux supplémentaire de 200 m2 associée à 400 m2 de surfaces expérimentales permettraient de palier les déficits et d'anticiper les évolutions à venir.

p 24

Bilan du quadriennal

1 Bilan général de l’activité

1.1 Faits marquants.

I Changement de directionLe fait marquant le plus important depuis la dernière évaluation est l'accident de circulation qui a frappé Sohbi Sahraoui en Septembre 2003, soit quelques mois avant sa prise de fonction pour un second mandat de directeur du LAUM. Les séquelles laissées par son accident l'on amené à présenter sa démission pour raison de santé en Mars 2004. Jean-Claude Pascal, directeur adjoint de la fin du premier mandat de Sohbi Sahraoui, a alors pris la direction par intérim. Il a fait savoir qu'il ne souhaitait pas assumer la charge de direction pendant le reste du mandat. De nouvelles élections ont donc été organisées en Juin 2004. La nouvelle direction élue est composée de Yves Aurégan (CR1) au titre de directeur et de Jean-Michel Génevaux (Pr) au titre de directeur adjoint.

II Restructuration du laboratoireLa nouvelle direction s'est engagée, au moment de son élection, à entamer une réflexion sur la politique scientifique du LAUM. Cette réflexion a conduit à la nouvelle structuration décrite dans la partie précédente.

III Mise en place de nouveaux enseignementsUn autre fait marquant a été la mise en place du système LMD au sein de l'Université du Maine. Cette mise en place a demandé beaucoup de temps et d'énergie aux enseignants-chercheurs du LAUM. C'est pourquoi il est apparu intéressant de décrire plus en détail ces enseignements dans le chapitre 4 de cette partie bilan.

IV Soutien à l'acoustique urbaineLa thématique acoustique urbaine correspond à une demande forte tant de la société qui souhaite une réduction du niveau sonore urbain (nouvelle norme européenne), que des responsables politiques qui souhaitent disposer d'outils de prédiction et de mesure fiables des ambiances sonores. Pour atteindre ces objectifs, des études amont restent nécessaires car les processus de propagation du son dans les espaces à géométries complexes que représentent les rues de nos villes ne sont pas entièrement compris (propagation des basses fréquences qui reste non décrite actuellement, lois de réflexions par les façades, ...). Pour mener ces études le LAUM collabore de façon très étroite avec le Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC) de Nantes. Cette opération de recherche du LAUM est impliquée dans l'Institut de Recherche des Sciences et Techniques de la Ville (modélisation et simulation des environnements physiques urbains, soutenu par le département SPI du CNRS) et dans le GDR 2493 « Bruit des Transports » (spécificité du bruit des transports dans l'espace urbain).

Au sein du LAUM, cette opération de recherche était portée par un seul enseignant-chercheur (C. Ayrault à 50% sur cette thématique). Il était donc très important pour le LAUM de renforcer ce thème de recherche par le recrutement. Pour cela l'OR « Acoustique Urbaine » s'est vue attribuée

une délégation au CNRS pour C. Ayrault;

un poste de MCF (B. Lihoreau, recrutement 2006);

un ½ poste de CR CNRS (S. Félix, recrutement 2006);

une bouse BDI CNRS/Région;

une rénovation de la salle d'étude des maquettes.

p 27

Cette OR a donc maintenant des moyens suffisants pour travailler et obtenir une production scientifique digne des enjeux de la thématique.

V Emergence forte d'une thématique ECNDL'Équipe « Acoustique et Mécanique des Matériaux » est celle dont les thématiques ont le plus évolué ces dernières années. L'arrivée de nouveaux chercheurs ainsi que la reconversion de chercheurs présents au LAUM ont permis de faire émerger les actions significatives en acoustique non linéaire et en contrôle non destructif. Cette activité fait l'objet d'une demande de financement au CPER et elle est au centre de projets que le LAUM est en train de monter (pôle de compétence, fédération de recherche, ...).

1.2 Production scientifique

2003

2004

2005

2006

Publications 38 34 49 26

Nb RCL/ETP 2 1,7 2,3 1,1

Communications internationales 32 29 38 11

Communications nationales 13 30 10 34

Thèses 6 9 5 3

NB : Dans ce tableau seules sont comptées les publications de 2006 parues (les publications sous presse ou acceptées ne sont pas comptabilisées)

Le niveau de publications se situe, en moyenne sur le quadriennal, aux alentours de 2 publications par équivalent temps plein et par an. Ce niveau était de 1,5 au cours du quadriennal précédent. Il a donc significativement augmenté et cette augmentation devrait continuer dans les années à venir.

Le nombre de communications internationales est sensiblement égal au nombre de RCL, ce qui est une bonne moyenne. Le nombre de communications nationales fluctue en fonction de l'existence ou non d'un congrès français d'acoustique où le LAUM apporte une contribution importante.

1.3 Activité de valorisation.

2003

2004

2005

2006

Contrats avec des organismes publics 55 k€ 0 k€ 373 k€ 107 k€

Contrats avec des entreprises privées ou publiques 74 k€ 90 k€ 62 k€ 199 k€

Total des contrats 129 k€ 90 k€ 435 k€ 306 k€

Brevets 1 0 3 0

NB : Dans ce tableau sont comptés les montants des contrats signés (cela n'indique donc pas les montants disponibles par année. L'année 2006 est incomplète.

Les actions de valorisation du laboratoire se font par plusieurs canaux.

Il y a tout d'abord les contrats passés directement avec les entreprises : accompagnement de thèses ou prestation de recherches. Le niveau de ce type de contrats reste correct et les contacts industriels sont diversifiés même si une bonne part concerne le secteur des transports.

Un autre type de valorisation consiste au dépôt de brevets et d'enveloppe Soleau. Sur cet aspect, des efforts

p 28

peuvent encore être faits au sein du laboratoire. On peut noter qu'un brevet [B2] sur un dispositif de mesure acoustique de propriétés physiques de matériaux poroélastiques par effets non-linéaires a fait l'objet d'une tentative de création d'entreprise. Le CNRS et la Région ont financé un ingénieur valorisation (A. Moussatov) pour étudier la possibilité de créer une entreprise qui exploiterait ce dispositif. Des considérations économiques ont réorienté le projet vers la réalisation d'un démonstrateur industriel qui permettra d'autres types de valorisation.

Une partie des contacts industriels du LAUM passe par le CTTM (Centre de Transfert de Technologie du Mans). Les contacts entre le LAUM et le département « acoustique et vibrations » du CTTM sont nombreux, ils portent sur la réalisation conjointe de contrats de recherche ou sur de la sous-traitance de prestation de service.

Une autre forme de valorisation de la science faite au LAUM est la communication vers le « grand public ». Le LAUM est régulièrement présent à la fête de la science, il participe à des manifestations de vulgarisation (voir par exemple une cyber-conférence à destination des lycéens sur le site http://www.oasis-tv.net/jsp/fiche_video.jsp?CODE=1152005094594 ). L'expertise du LAUM sur des problèmes de sociétés liés au bruit pourra aussi être mis à profit dans le cadre des nouveaux appels à projets de la région Pays de la Loire « Recherches et expertises au profit du territoire ».

2 Bilan financier et évolutions

En k€ 2003

2004

2005

2006

Ministère 69 95 95 95

CNRS 27 41 59 59

Région et collectivités 168 142 76 31

Contrats 102 84 23 97

ANR 51 61

Total recettes 366 362 304 343

Le budget moyen du LAUM sur le dernier quadriennal est de 344 k€.

40 % des recettes sont des crédits récurents : 26 % provient de la dotation du Ministère et 14 % de la dotation du CNRS. Les crédits sur projet proviennent du CER (30 %) et des autres contrats (30 %). On peut noter la

p 29

Évolution des recettes 2003-2006

2003 2004 2005 2006 provisoire

0

50

100

150

200

250

300

350

400

ANRContratsRégion et collectivitésCNRSMinistère

2003 2004 2005 2006 provisoire

0

50

100

150

200

250

300

350

400

ANRContratsRégion et collectivitésCNRSMinistère

Répartition des recettes (en moyenne sur 2003-2006)

Ministère 26 %

CNRS 14 %

Région et collectivités

30 %

Contrats22 %

ANR 8 %Ministère

26 %

CNRS 14 %

Région et collectivités

30 %

Contrats22 %

ANR 8 %

part significative qu'ont pris les contrats ANR dans les 2 dernières années (17 % des recettes sur 2005-2006).

Au niveau des évolutions, les crédits du CER ont diminués en 2005-2006 ce qui correspond à la fin du CER « Systèmes d'acquisition ». Une nouvelle demande a été effectuée pour le nouveau CPER sur les thématiques CND et micro-technologies. Les contrats industriels ont peu rapporté en 2005. Une action volontariste pour augmenter la part des contrats avec l'industrie soit directement soit indirectement (7ème PCRD, fondation de recherche, pôles de compétitivité, ...) est menée par la direction du LAUM et doit conduire à une évolution positive de ce type de contrat. Le LAUM espère maintenir un taux de succès important sur les contrats ANR qui constitueront certainement une source de financement importante de la recherche dans les années à venir.

Les dépenses du LAUM se répartissent comme suit : 33 % d'achat de matériel de mesure, 27 % de frais de personnel (contractuels), 15 % de frais de déplacements, 8 % d'achats informatiques et 17 % de frais divers (reprographie, téléphone, petits matériels, livres, fluides, ...).

3 Evolution des ressources humaines

2003 2004 2005 2006

Chercheurs CNRS 6 7 7 7

Enseignants-Chercheurs 26 28 29 30

Techniciens 6 7 8 8

Doctorants 22 22 25 28

Total 60 64 69 73

Le personnel de l'unité continue d'augmenter régulièrement.

Le nombre de chercheurs CNRS a augmenté d'une unité en 4 ans. Cela recouvre un départ en retraite et l'arrivée de deux nouveaux chargés de recherche. On peut aussi noter que des MdC du LAUM sont régulièrement mis en délégation au CNRS pour 1 ou 2 ans. Le nombre d'enseignants-chercheurs du LAUM continue de croître (+4 en 4 ans). Parmi les 5 nouveaux enseignants-chercheurs entrant au LAUM, 3 sont totalement extérieurs au LAUM, un autre y a fait sa thèse suivie de 2 ans de post-doctorat à l'extérieur et le cinquième a été recruté juste après sa thèse au LAUM.

L'encadrement en techniciens du laboratoire reste très insuffisant. Le CNRS nous a permis de recruter 2 AI durant le dernier quadriennal mais le taux de techniciens reste faible (5 ITA pour 7 chercheurs). Pour ce qui concerne l'Université du Maine, le taux de techniciens reste ridicule (3 ETP IATOS pour 30 EC). C'est l'une des priorités du laboratoire que d'accroître significativement l'encadrement technique et administratif du laboratoire.

Les chercheurs et les enseignants-chercheurs du laboratoire sont relativement jeunes. Il n'y a pas de thématique qui repose sur un chercheur senior dont le départ en retraite serait critique. Par contre, nous devons veiller à maintenir les postes des techniciens et des administratifs qui partiront en retraite au cours du prochain quadriennal.

p 30

Évolution du personnel du LAUM2003 2004 2005 2006

0

510

15

2025

3035

40

4550

55

6065

70

75

DoctorantsTechniciensEnseignants-chercheursChercheurs

4 Enseignements en acoustique et en mécanique à l'Université du Maine

Les enseignants-chercheurs du LAUM interviennent dans 3 composantes de l'Université du Maine, dans lesquelles des enseignements spécifiques d'acoustique et de mécanique sont dispensés :

l'IUT (département de Génie Mécanique et Productique et département de Mesures Physiques),

l'ENSIM (Ecole Nationale Supérieur d’Ingénieur du Mans, école qui forment des ingénieurs en systèmes de mesures, en particulier dans les domaines des vibrations et de l'acoustique),

l'UFR Sciences & Techniques (S&T).

4.1 IUTAu département mesure physique, sont proposés aux étudiants de enseignements conséquents autour des capteurs acoustiques et du traitement du signal. Dans le cadre de la nouvelle réforme des enseignements dans les IUT qui deviennent semestriels, quelques modules optionnels spécifique peuvent être désormais proposés aux étudiants. Dans ce cadre, un cours d'initiation à l''acoustique (30 heures étudiants) a été proposé aux étudiants de 1ère année du département mesures physiques. Il est actuellement suivi par plus de 40 étudiants de 1ère année. Dans le département GMP, un module de mécanique avancée d'une vingtaine d'heures étudiants, abordant les vibrations et l'acoustique est également proposé aux étudiants de 2ème année de ce département.

4.2 ENSIM

I Situation en 2006.L'Ecole Supérieure des Ingénieurs du Mans offre une spécialisation en Vibration-Acoustique ou en Système de Mesure après un socle commun de 3 semestres. Les enseignants chercheurs intervenants dans la spécialisation Vibration-Acoustique sont tous rattachés au LAUM pour leurs activités de recherche.

Une quarantaine d'étudiants suivent cette spécialisation par promotion. Les relations industrielles de l'ENSIM permettent de proposer à ces étudiants des projets de fin d'étude de type appliqué (Airbus, 01dB, Faurecia...), tout comme des projets plus académiques issus des recherches spécifiques faites au LAUM. Pour l'année 2006-2007, deux étudiants suivent en parallèle la scolarité de troisième année d'ENSIM et le Master IMA.

Les volumes horaires annuels à assurer dans la thématique Vibration-Acoustique sont de l'ordre de 1850 heures. Pour ce faire, 8 enseignants (4MCF, 3PR, ½ PRAG) sont statutairement nommés à l'ENSIM. Ce potentiel interne d'enseignement représente donc 80% des heures à effectuer.

II PerspectivesL'objectif de l'ENSIM est de d'augmenter le volume de la promotion jusqu'à 120 étudiants grâce à l'ouverture de 2 nouvelles filières. La visibilité de l'école devenant plus grande, le nombre d'étudiants en filière Vibration-Acoustique sera peut-être aussi amené à croître. A partir de 2007, l'entrée en thèse est possible suite à l'obtention d'un Master, dont le diplôme d'ingénieur est considéré comme une équivalence. Une réflexion reste à mener pour augmenter les chances pour un diplomé de l'ENSIM d'être accepté en thèse.

p 31

4.3 UFR S&T

I Situation actuelleLa spécificité de l'offre de formation dans les domaines de l'acoustique à l'UFR S&T a un caractère unique en France : depuis le Bac+1 jusqu'au Bac+8, incluant formations à finalité professionnelle et formations générales. Les formations en acoustique dispensées dans cette UFR sont :

le DEUST Vibrations, Acoustique, Signal (VAS), formation à finalité professionnelle Bac+2,

la Licence Professionnelle (LP) de Mécanique, Spécialité « Ingénierie Acoustique et Vibratoire » (IAV), formation à finalité professionnelle Bac+3,

la Licence Sciences & Technologies, mention Mécanique, formation générale qui mène naturellement vers le Master,

le Master Sciences & Technologies, mention « Ingénierie Mécanique & Acoustique » (IMA), qui se décline en spécialité professionnelle « Acoustique des Transports », spécialité recherche « Acoustique » et spécialité Recherche «Matériaux et Acoustique »,

la formation doctorale en acoustique.

Les effectifs en 2006/07 dans ces formations sont les suivants : 84 étudiants en DEUST VAS (48 en première année + 36 en seconde année), 19 étudiants en LP IAV, 48 étudiants en L3 de Mécanique, 39 étudiants en M1 IMA, 30 étudiants en M2, 35 étudiants en formation doctorale, soit un total d'environ 260 étudiants, répartis entre formations à finalité professionnelle (60%) et formations générales (40%).

Le volume horaire à assurer, dans les domaines qui relèvent de la mécanique et de l'acoustique s'élève environ à 5000 h équivalent TD (hors heures assurées par des intervenants professionnels), pour un potentiel de 15 enseignants-chercheurs, 1 ATER, 1 PAST et 7 moniteurs. Le rapport des heures assurées par des permanents sur le total des heures à assurer est donc d'environ 60%. Cette surcharge horaire et l'énergie dépensée par les enseignants chercheurs pour la création et la gestion des enseignements est une entrave au bon fonctionnement de la recherche au LAUM.

II PerspectivesDes réflexions sont en cours à l'UFR S&T, quant à l'affichage des formations – en particulier au niveau Master – , l'objectif étant in fine d'augmenter notre attractivité dans les domaines de l'acoustique. L'organisation des enseignements d'acoustique intégralement en modules sur les trois cycles (LMD) est également à l'étude.

Dans le cadre de la préparation des nouvelles habilitations nous réfléchissons à une nouvelle architecture de l’offre de formation en Master. Notre projet s’oriente vers un Master plus centré sur l’acoustique qu’il ne l’est actuellement.

Par ailleurs, dans le souci d’avoir une plus grande visibilité internationale dans ce domaine, le LAUM est à l’initiative d’un projet de mise en place d'un Master européen avec comme premiers partenaires le KTH Stockholm, le TCD Dublin et l'ISVR Southampton. Des contacts avec d’autres partenaires sont en cours.

p 32

5 Séminaires et manifestations scientifiques..

Le LAUM a organisé, sur la période 2 manifestations scientifiques,

Journées d’étude sur la propagation acoustique dans les écoulements (JEPAE Angers 2005)

du 10-12 Octobre 2005, 31 participants : 21 Universitaires, 1 DGA, 3 ONERA, 6 industriels (AIRBUS, EDF, …)

Colloque des 25 ans du LAUM

du 22-24 mai 2006, 91 participants : 21 universitaires et industriels hors LAUM (dont 8 étrangers), 70 personnes du LAUM,

Le LAUM organise régulièrement des séminaires internes (responsable Nicolas Joly) en y invitant des intervenants internes ou externe au LAUM. Sur la période 2003-2006, il y a eu :

21 séminaires de visiteurs de laboratoires étrangers (50% UE, 19% US, 14% Amérique latine, Russie, Japon, Australie)

19 séminaires de membres de laboratoires et organismes français (hors LAUM),

22 séminaires de membres du LAUM (doctorants, permanents, post-doc en séjour au LAUM)

A ces séminaires de laboratoire s'ajoutent des séminaires internes aux OR, en général par des membres du laboratoire.

p 33

Activité scientifique des équipes de recherche

1 Équipe AMM (Acoustique et Mécanique des Matériaux)

L'équipe Acoustique et Mécanique des matériaux (AM2) regroupe les activités de recherche du laboratoire dans le domaine de l'Acoustique et la Mécanique des Matériaux. L’acoustique et la mécanique sont vus ici comme outils de caractérisation et de diagnostic des matériaux homogènes et inhomogènes et des micro- et nano-structures avec les problèmes directs et inverses associés. Par acoustique et mécanique, il faut également entendre les propriétés acoustiques et le comportement mécanique de ces matériaux. L’équipe est actuellement constituée de 4 Opérations de Recherche (OR), à savoir :

OR1 : Évaluation & Contrôle Non Destructifs (ECND)

OR2 : Acoustique et Mécanique des Matériaux Poreux (A2MP)

OR3 : Acoustique Non Linéaire des milieux Inhomogènes (ANLµI)

OR4 : Opto-Acoustique Laser (OAL)

Les activités de recherches sur l'acoustique des matériaux poreux ont débuté il y a 25 ans avec l'arrivée de J.F. Allard au LAUM. Une grande diversification a vu le jour dans les années 90 sur cette thématique qui constitue l'OR2. Les domaines de recherche des autres OR sont plus récents, 2000 pour l'OR3, 2003 pour l'OR1 et 2005 pour l'OR4 qui est transversale pour partie avec le LPEC (Laboratoire de Physique de l'Etat Condensé, UMR 6087), et dont la production scientifique reste faible pour l'instant. Cette réalité "historique" explique la taille importante de l'OR2, voire sa production scientifique, en comparaison des autres OR, dont certaines se sont toutefois développées très rapidement.

L'ensemble des activités au sein de ces 4 OR relève d'actions génériques qui peuvent être décrites sous les thèmes fédérateurs suivants :

Étude de modèles de propagation dans des matériaux complexes, hétérogènes, faisant intervenir des couplages, des non linéarités, des effets dissipatifs, débouchant sur la résolution de divers problèmes directs et inverses.

Mise en oeuvre et développement d'outils de diagnostic et de métrologie des matériaux à partir de techniques ultrasonores, de procédures élaborées de traitement du signal, d'instrumentations spécifiques.

Applications potentielles dans différents domaines de l'ingéniérie acoustique, vibratoire et mécanique mettant en œuvre des matériaux granulaires (sédiments, sols, poudres), des matériaux poro-élastiques insonorisants (cellulaires, fibreux, multicouches), et des matériaux de structure (composites, bétons, matériaux micro-inhomogènes), et relevant des industries du nucléaire, du génie civil, des transports.

Les perspectives des travaux menés portent sur l'étude et la connaissance ultime des processus de transferts d'énergie dans les matériaux, de ceux relatifs à la dissipation, au suivi et au diagnostic de la durée de vie et du vieillissement des matériaux et des structures. On peut citer par exemple:

Optimisation de structures poro-élastiques pour l'absorption sonore et vibratoire.

Prédiction de la ruine catastrophique de matériaux par suivi d'indicateurs issus de l'émission acoustique.

Compréhension complète des mécanismes dissipatifs thermo-élastiques dans des matériaux micro-fissurés à l'aide de méthodes issues de l'acoustique non-linéaire.

Étude approfondie des couplages opto-thermo-élastiques en génération laser d'ultrasons et implications pour le diagnostic des couches minces et des nano-matériaux.

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CND et diagnostic ultrasonore avancé pour la caractérisation des endommagements dans les matériaux composites (délamination, perte de cohésion, rupture de fibres, etc).

Les indicateurs d'activité de l'équipe sont dans l'ensemble bien orientés, à savoir un nombre de publications (journaux, conférences internationales) adéquat,, et un volume de contrats de recherche important. La mise en place de l'ANR devrait aider à structurer certaines recherches de l'équipe, avec un contrat ANR obtenu en 2005 par l'OR "Acoustique non linéaire des milieux inhomogènes", et un autre en 2006 par l'OR "Acoustique et mécanique des matériaux poreux". Le soutien du Laboratoire est largement visible par le nombre de thèses en cours (11), lui même supérieur au nombre de thèses soutenues au cours du quadriennal (7), ce qui indique au passage que globalement, le volume d'activités augmente. Ces tendances s'expliquent par le fait que plusieurs OR sont de création récente, ce qui se voit clairement par un nombre ETP très variable, allant de 3,70 pour l'OR historique n°2 portant sur l'acoustique et la mécanique des poreux, à 0,40 sur l'OR n°4 OAL (Opto-acoustique laser). Il est dès lors difficile voire illusoire de comparer des éléments si disparates.

Cette hétérogénéité et la création récente de plusieurs de ces OR constitue une certaine faiblesse pour la cohérence de l'ensemble. Pour le prochain quadriennal, il faudra certainement être vigilant à assurer une meilleure animation scientifique que par le passé, au sein de l'équipe. Des actions sont prévues en ce sens, avec notamment un cycle de séminaires fédérateurs et transversaux. Il faudra aussi veiller au développement des OR ayant des faibles moyens humains. A ce titre, le Laboratoire a largement anticipé ces besoins, puisque un recrutement de Maître de Conférences est prévu en 2007 sur la thématique de l'OR END-CND (avec l'enseignement à l'ENSIM). De plus, une demande de poste IGE avec un profil "Opto-acoustique : développement des activités en acoustique pico-seconde" a été classée en première position par l'Université du Maine pour un recrutement possible en 2007. Enfin, comme indiqué dans l'introduction générale du rapport, il faut rappeler que le Département acoustique du CTTM réfléchit à l'affichage de nouvelles thématiques dans le cadre du prochain CER. A ce titre, des efforts seront consentis par le CTTM pour relayer les activités relevant de l'END-CND au sens large, c.a.d. incluant la valorisation de certains travaux plus anciens d'évaluation par ultrasons des milieux poreux, voire certaines actions récentes portant sur l'acoustique non linéaire des solides inhomogènes. On ne peut vraiment que se réjouir de cette orientation qui devrait s'avérer porteuse en terme de développements futurs, à la fois pour le LAUM et pour le CTTM.

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1.1 OR Evaluation et contrôle non destructifs Responsable : Catherine POTEL

Permanents : Michel BRUNEAU (Pr émérite, 10 %), Claude DEPOLLIER (Pr, 50 %), Rachid EL GUERJOUMA (Pr 90 %), Vincent PAGNEUX (CR CNRS 20%), Catherine POTEL (Pr 100 %), Laurent SIMON (10 %), Najat TAHANI (MCF, 50 %), Jean-Hugh THOMAS (MCF, 15 %)

Doctorants : Anne MAREC (50 %), Bourse ministère débutée en septembre 2005, Aurélien ROUX (50 %), Bourse ministère débutée septembre 2004, Marie-Aude Ploix, financement EDF, débutée en septembre 2003 (co-encadrement avec l’INSA de Lyon)

Chercheurs associés : Abderrahim EL MAHI El (20%), MCF IUT du Mans, Rachid BERBAOUI (50%) Doctorant IUT.

Bilan chiffré : 3 thèses en cours, 8 RCL, 5 CCI, 14 CCN, 7 contributions dans ouvrages

I Contexte et objectifsCette opération de recherche a tout d‘abord reposé sur les compétences en Evaluation et Contrôle Non Destructifs des matériaux de Catherine Potel et R. El Guerjouma, nommés à l’université du Maine respectivement en 2001 et 2004. Depuis deux ans ces activités se sont enrichies de l’apport de collègues du laboratoire et sont actuellement dédiées à l’exploration de nouvelles approches en Evaluation et Contrôle Non Destructifs des matériaux, à travers l'étude de l'interaction entre les ondes ultrasonores et les matériaux à structures complexes (composites, soudures, bétons, ...). Ceci implique l’étude des phénomènes de propagation dans ces milieux et l’étude de leur comportement mécanique tant au niveau fondamental qu’appliqué, la réalisation d’instrumentations spécifiques ainsi que la résolution des problèmes directs et inverses associés (identification de propriétés viscoélastiques, mesure d’endommagement, caractérisation de défauts, estimation de la durée de vie, …). Le groupe de recherche de cette OR rassemble plusieurs domaines de compétences scientifiques (acoustique, mécanique des matériaux et traitement du signal). Deux axes principaux de recherches sont développés :

Axe 1 : Méthodes ultrasonores avancées d'END/CND de matériaux complexes.

Axe 2 : Emission Acoustique pour le CND et le Contrôle de Santé.

Ces axes se déclinent en plusieurs actions de recherche. Ces actions sont menées la plupart du temps en interaction forte avec d'autres OR : Signal, Acoustique non linéaire et souvent en collaboration avec des partenaires industriels.

Au niveau de l’équipement dont disposent l’OR, les financements conjugués de la Région Pays de la Loire et du FEDER ont permis d'acquérir le matériel d’ECND ultrasonore de base :

banc ultrasonore en immersion avec électronique associée,

dispositif d’acquisition 2 voies en émission acoustique

dispositif d’acquisition 2 voies en émission acoustique

Machines d'essais mécaniques localisées à l'IUT (département GMP)

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II Bilan scientifique des 4 dernières années

II.1- Axe 1 : Méthodes ultrasonores avancées d'END/CND de matériaux complexes (composites, béton, aciers austénitiques et soudure)

II.1.1- Propagation ultrasonore dans des structures composites planes complexes

C. Potel, en collaboration avec le LRM de l'UTC, dans le cadre du GDR « Etude de la propagation ultrasonore en milieux non-homogènes en vue du contrôle non destructif ».

Le développement de modèles de propagation des ondes dans des milieux complexes, tels que les multicouches anisotropes ou les milieux comportant une interface rugueuse, est nécessaire à la simulation complète d'une expérience ultrasonore, à la mise au point de méthodes de traitement des signaux et à la résolution du problème inverse utile pour obtenir les paramètres physiques du système. Sont également nécessaires une représentation réaliste du faisceau ultrasonore émis par le transducteur, du milieu de propagation et une modélisation des défauts qui inclut leur nature, leur forme, leur position, ...

La modélisation de la propagation ultrasonore dans des structures planes complexes (hors structures rugueuses) est menée depuis plusieurs années, en collaboration suivie avec EADS et plus récemment avec le CEA, au LRM de l'UTC, d'où est issue C. Potel. En particulier, l'étude qui a conduit à la mise en place d'une méthode de reconstruction d'un signal temporel réfléchi ou transmis par une structure sans défauts est maintenant achevée. L'étude d'une structure avec défauts pose des problèmes de modélisation nouveaux dont les solutions nécessitent des approximations adaptées. En particulier, des travaux sont en cours, qui portent sur la modélisation de l'interaction d'un faisceau ultrasonore monochromatique avec un bi-couche comportant un défaut d'interface, en faisant usage d'une méthode d'approximation de type Kirchhoff (thèse co-encadrée UTC-LAUM en cours).

II.1.2- Propagation d'ondes modales en présence de rugosité - couplages modaux,

M. Bruneau, C. Depollier et C. Potel, en collaboration avec le LAUE et l'IEMN, dans le cadre du GDR « Etude de la propagation ultrasonore en milieux non-homogènes en vue du contrôle non destructif ».

Le problème de la rugosité des plaques est un problème important en termes de collage, et l'étude de la propagation ultrasonore dans des plaques comportant une interface rugueuse peut donner des informations sur la qualité de collage entre deux matériaux. Les ondes guidées, telles les ondes de Lamb qui sont naturellement guidées par la plaque, sont très utiles pour contrôler ce type de structure, et l'influence de la présence de rugosité sur la qualité du collage peut être étudiée.

L'analyse de la décroissance de l'amplitude des modes de Lamb dans une plaque solide comportant une interface rugueuse est susceptible de fournir des informations sur les propriétés de cette rugosité. Des études analytiques ont permis d'évaluer cette décroissance par calcul de la partie imaginaire du nombre d'onde, études partiellement corroborées par des résultats expérimentaux, mais leur complexité ne permet pas d'envisager pour l'heure la modélisation plus avant des phénomènes.

C'est ainsi que des études numériques et analytiques ont été entreprises dans une situation simplifiée : une plaque fluide à parois rugueuses. Une étude numérique réalisée à l'IEMN a permis de visualiser le champ formé par l'effet de la rugosité sur l'onde incidente, pour un profil de rugosité périodique. Une première étude analytique a mis en évidence le couplage de modes par une rugosité traduite sous forme de réaction acoustique de chacun des petits volumes de fluide délimités par le profil de rugosité, et représentée par un opérateur d'impédance ne dépendant pas de la forme de ces petites cavités de fluide.. Alors même que ce modèle analytique donne des résultats réalistes, cette représentation par opérateur d'impédance ne permet cependant pas de modéliser correctement les processus de diffraction géométrique du champ sur la rugosité. Par suite, le modèle analytique a été repris sur la base d'une description géométrique du profil de rugosité.

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II.1.3- Séparation et identification d'ondes appliquées à la propagation acoustique dans les matériaux complexes.

C. Depollier, C. Potel, A. Roux, L. Simon, en collaboration avec l'OR Signal et l'IRCCyN.

Dans le domaine de l'Évaluation et du Contrôle Non Destructifs par ultrasons, le signal d'entrée prend le plus souvent la forme d'une impulsion ou d'un train d'onde. Les traitements de base portent d'une part sur la mesure des temps de vol entre les différents échos contenus dans les signaux réfléchis ou transmis par le matériau étudié (mesure directe, transformée de Hilbert, utilisation d'ondes guidées, …), et d'autre part, sur l'analyse des variations d'amplitudes associées (plus généralement, sur l'analyse de toute propriété porteuse d'information). Les informations contenues dans ces signaux ne sont cependant accessibles que dans la mesure où les multiples échos sont séparables. En fait, la précision des résultats dépend de façon drastique de plusieurs facteurs limitatifs dont le recouvrement et la déformation des échos qui apparaissent dans de nombreuses situations, le niveau important du bruit de fond ou de structure en regard de l’amplitude des échos,…

Concernant le problème clé du recouvrement temporel et/ou fréquentiel des signaux réfléchis ou transmis par le matériau, et porteurs d'informations sur l'état du milieu étudié, des méthodes commencent à être mises en œuvre dans quelques laboratoires de par le monde, qui permettent de pallier les difficultés résultant de ces recouvrements, mais qui ne peuvent répondre que partiellement à la demande industrielle. Le recouvrement simultané de données temporelles et fréquentielles étant par ailleurs un problème général et récurrent, réussir à traiter ces échos dans un espace qui assurerait leur séparabilité et leur extraction d'un bruit de structure, permettrait de repousser de façon considérable les limites de résolution des méthodes ultrasonores.

Une alternative aux méthodes classiques, qui fait l'objet du travail de thèse d'A. Roux, consiste à utiliser des signaux de type chirps associés à des traitements reposant sur une description statistique des trains d'échos à séparer. Cette description statistique permettant d'inclure des connaissances a priori sur le signal, issues de considérations physiques à donner de très bons résultats. Notre objectif à très court terme est d’appliquer cette approche à des signaux réels.

II.1.4- Caractérisation ultrasonore des soudures en acier inoxydable austénitique en vue de leur contrôle non destructif,

R. El Guerjouma en collaboration avec le groupe DUSI du GEMPPM de l’INSA de Lyon et le LCND de l’université de la méditerranée

Les soudures en acier austénitique inoxydable présentent une structure de grains colonnaires qui s’établit pendant le procédé de soudage, lors de la solidification, amenant à une orientation préférentielle des grains.

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Signatures acoustiques de la microfissuration matricielle et de la décohésion fibres-matrice, image temps-échelle obtenue par transformée en ondelettes de ces deux signaux

Cette texture ‘fibrée’, directement liée aux paramètres de soudage, implique une anisotropie hétérogène du matériau à l’échelle macroscopique. La propagation des ondes est alors altérée (déviation et division du faisceau, atténuation…) et s’accompagne généralement d’un fort bruit de structure. Ces phénomènes compliquent le contrôle ultrasonore de ces pièces qui n’est donc efficace que si la propagation des ultrasons dans ces milieux est comprise et maîtrisée, notamment en ce qui concerne les phénomènes d’atténuation. Des études dans ce sens ont été menées dans le cadre de la thèse de Marie-Aude Ploix, thèse financée par EDF en co-encadrement entre R. El Guerjouma (LAUM), G. Corneloup (LCND, Université de la Méditerranée) et Philippe Guy (GEMPPM, INSA de Lyon). Deux méthodes de mesure de l’atténuation ont été développées, une méthode dite globale et plus récemment une méthode point par point utilisant un hydrophone. Par comparaison du coefficient de transmission calculé et celui mesuré par un hydrophone est déduite l’atténuation intrinsèque du matériau point par point. Cette grandeur, très importante en CND des soudures, est destinée à être introduite dans un code de calcul de propagation des les milieux hétérogènes développé par EDF, le code Athena.

II.1.5- Caractérisation ultrasonore du bruit de structure des soudures et des aciers inoxydable austénitiques en vue de leur contrôle non destructif,

R. El Guerjouma et J.H. Thomas en collaboration l’OR signal (contrat EDF)

Un autre point important concernant le contrôle ultrasonore des soudures et des aciers inoxydables austénitiques est celui du bruit de structure généré dans les signaux ultrasonores par les phénomènes de diffusion par les hétérogénéités des matériaux. Ce bruit qui peut être de niveau très élevé dans certains matériaux complique le contrôle et peut masquer des défauts. Son identification, sa caractérisation, voire son filtrage sont des enjeux scientifiques et industriels importants notamment pour le CND des installations industrielles, en particulier nucléaires. En collaboration avec EDF, une action de recherche contractuelle a été menée dans ce sens. Nous avons montré que dans certaines configurations, les analyses temps-fréquence en ondelettes pouvaient permettre de différentier efficacement le bruit de structure des échos de défaut. Ce résultat, très encourageant, permet d’envisager de manière optimiste le filtrage de ce bruit. Un projet dans ce sens est à l’étude avec EDF.

II.1.6- Etude multimodale de la propagation des ondes de Lamb

V. Pagneux en collaboration avec A. Maurel (LOA,ESPCI)

Un projet est en cours en collaboration avec A. Maurel (LOA, ESPCI) sur le thème de la propagation des ondes de Lamb dans des plaques. L’objectif est la mise au point d’une méthode de résolution de la diffusion des ondes de Lamb par des discontinuités ou des inhomogénéités de plaques, avec comme application possible les technique de contrôle non-destructif des structures à guidage d’onde. Malgré les difficultés que présentent ce problème de propagation guidée d’ondes vectorielles un formalisme a été mis en place, et il nous a permis d’appliquer les mêmes techniques que dans le cas des ondes scalaires. Nous pouvons notamment utiliser une matrice impédance multimodale qui rend la résolution numérique très efficace. Dernièrement, le phénomène de résonance des ondes de Lamb en bout de plaque a également été abordé. Il a été montré que cette résonance est complexe sauf pour des valeurs particulières des paramètres élastiques de la plaque.

II.1.7- Diffusion multiple des ondes acoustiques dans une assemblée de dislocations

V. Pagneux en collaboration avec A. Maurel (LOA,ESPCI), F Lund et F. Barra (Univ. Chile)

Ce travail a été fait dans le cadre d'une collaboration avec F. Lund, F. Barra (Univ. Chile) et A. Maurel (LOA, ESPCI) qui concerne la propagation d’ondes acoustiques dans les solides avec défauts. Nous nous sommes intéressés à la diffusion dans les polycristaux due aux joints de grains. Ces derniers sont modélisés comme des distributions de segment étant eux-même composés de plusieurs lignes de dislocations infinies. Une théorie de milieu effectif dans le cadre de la diffusion multiple nous a permis d’obtenir l’indice du milieu en fonction de la densité de joints de grains. La théorie n’étant pas valide à très basses fréquences, une

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modélisation plus réaliste a été mise en place, en considérant des lignes de dislocations finies ce qui permet d’éviter le problème mentionné.

II.2- Axe 2 : Emission Acoustique pour le CND et le Contrôle de Santé des matériaux

II.2.1- Etude des mécanismes d’endommagement par émission acoustique,

R. El Guerjouma, J. H. Thomas, A. Marec, N. Tahani, R. Berbaoui, A. El Mahi

L’objectif du contrôle de santé des matériaux, consiste à détecter et quantifier sur site, l’endommagement des matériaux. Les méthodes de contrôle de santé doivent en outre à terme conduire à statuer sur le maintien en service ou sur le remplacement de la structure endommagée, voire l’estimation de sa durée de vie restante. Pour atteindre ces objectifs, l'émission acoustique (EA), présente de nombreux avantages. L’EA qui correspond à l'énergie élastique libérée par le matériau sous sollicitation du fait de microdéplacements internes est intimement liée aux mécanismes d’endommagement qui apparaissent et se développent dans le matériau sous sollicitation. Cette méthode qui permet un suivi en temps réel de l’endommagement est tout à fait adaptée au contrôle de santé. L’un des problèmes les plus cruciaux en EA concerne la caractérisation et la discrimination des mécanismes d’endommagement à travers l’analyse des ondes acoustiques émises par le matériau. Le premier travail entrepris dans ce domaine a porté sur la classification des données d’EA.

Dans le but de discriminer les signaux d’EA suivant la nature des sources d’émission acoustique, une analyse statistique multivariable a été développée dans le cadre de la thèse d’Anne Marec. Dans un premier temps nous nous sommes intéressés à discriminer les mécanismes d’endommagement de divers matériaux hétérogènes, composites base polymère unidirectionnels et à plis croisés et béton polymère. L’approche développée ici a consisté à identifier les signaux de plus grande ressemblance à partir des paramètres temporels des signaux d’émission acoustique (amplitude, énergie, durée, …). Cette analyse fait appel à des outils de reconnaissance des formes, à l’analyse en composantes principales et la coalescence floue. Les résultats obtenus par la classification sont très encourageants, notamment pour les matériaux composites les plus complexes à savoir les composites base polymère à plis croisés et le béton synthétiques. Nous avons ainsi pu identifier pour ces matériaux, le mécanisme d’endommagement le plus critique qui conduit à la rupture.

II.2.2- Traitement du signal spécifique avancé pour l’émission acoustique,

J. H. Thomas, L. Simon, A. Marec, R. El Guerjouma en collaboration avec l’OR Traitement du signal

Alors que des études antérieures se focalisent sur l’extraction de caractéristiques temporelles dans les signaux d’émission acoustique, nous nous sommes orientés, dans le cadre de la thèse d’Anne Marec, vers des représentations temps-fréquence ou temps-échelle obtenues par analyse en ondelettes. Il s’agit dans cette étude d’extraire dans ces représentations des informations pertinentes pour discriminer entre les différents types d’endommagements. Ainsi de nouveaux paramètres issus de cette analyse, pourraient servir de descripteurs supplémentaires à la classification. Les résultats qualitatifs préliminaires obtenus sont très encourageants puisque les représentations temps-fréquences permettent par exemple de bien séparer dans un composite polymère à fibres, la microfissuration matricielle de la décohésion fibre matrice. Il reste cependant à définir plus précisément ces paramètres, quantitativement et à les introduire dans les méthodes de classification.

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II.2.3- Estimation de la durée de vie restante des matériaux par émission acoustique,

R. El Guerjouma, C. Depollier, Jean-Hugh Thomas et Anne Marec, en collaboration avec D. Sornette (LPMC Université de Nice et Ecole Polytechnique Fédérale de Zurich, Suisse) et S. Ouaskit (LPMC de l’université de Casablanca, Maroc)

Dans le cas où une sécurité maximale est exigée (cas des pièces vitales), les méthodes de contrôle non destructif appliquées en service (contrôle de santé) prennent alors une importance fondamentale car au delà de la détection et de l’évaluation en cours d'usage de l'endommagement, l’enjeu fondamental devient l’estimation de la durée de vie résiduelle de la structure.

Dans le cas des matériaux hétérogènes où un processus à sites d'endommagement multiples conduit à la rupture par coalescence, une telle démarche peut être appliquée. Pour obtenir une prédiction suffisamment en amont de la rupture, il est alors nécessaire de collecter des informations statistiques relatives à la multiplication des sites d’endommagement et à leur développement. L’émission acoustique est l’une des techniques les mieux adaptées pour fournir ces informations. Les résultats récents que nous avons obtenus dans ce domaine sont encourageants. Ils ont montré que, sollicités en fluage, les matériaux composites «crient» beaucoup et que les salves recueillies par unité de temps obéissent à une loi de puissance de la durée de vie résiduelle des éprouvettes testées. En effet, lorsque la loi de puissance est détectée suffisamment tôt au cours d’un essai, il apparaît alors possible d’estimer la durée de vie résiduelle des éprouvettes. Actuellement nous sommes en train d’élargir cette approche en y intégrant l’aspect spatial notamment en localisant les sources d’EA. Ces travaux sont menés en collaboration avec D. Sornette (LMPC, Université de Nice et EPFZ, Zurich, Suisse) et S. Ouaskit (LPMC, Université de Casablanca, Maroc). Cette dernière collaboration est soutenue par la direction des relations internationales du CNRS.

III Mouvement de personnelSeptembre 2004 : nomination de R. El Guerjouma sur un poste de PR.

IV CollaborationsLe GDR 2501 "Etude de la propagation ultrasonore en milieux non-homogènes en vue du contrôle non destructif"

Le Laboratoire Roberval, Unité de Recherches en Mécanique, FRE CNRS 2833

LOA, ESPCI, Paris

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(a) identification et séparation des mécanismes d’endommagement à partir d’une analyse multivariables des sources d’émission acoustique, (b) évolution temporelle de la microfissuration matricielle et de la déformation (c) évolution temporelle de la décohésion fibre-matrice et du délaminage.

Universitat de Chile (Chili)

L'Institut de Recherche en Communications et en Cybernétique de Nantes (IRCCyN)

Le GEMPPM (Groupe d’études de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux) UMR CNRS 5510 de l’INSA de Lyon pour l’aspect matériaux et émission acoustique

le LPMC (laboratoire de physique de la matière condensée) UMR CNRS 6622 de l’Université de Nice et l’IGPP (Institut of Geophysics and planetary Physics) de l’Université de Los Angeles en Californie, l’EPFZ, Suisse (D. Sornette).

L'Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie, (IEMN UMR CNRS 8520)

Le Laboratoire d'Acoustique Ultrasonore et d'Electronique (LAUE UMR CNRS 6068)

Le LPMC (Laboratoire de Physique de la Matière Condensée) université de Casablanca (Maroc), Pr. S. Ouaskit, collaboration soutenue par le CNRS

V Contrats2006 Contrat EDF ‘caractérisation du bruit de structure des soudures en acier inoxydable austénitique’

VI PerspectivesLa collaboration déjà établie entre le LRM et le LAUM sur la propagation dans les milieux composites est appelée à se poursuivre de manière étroite ; elle porte sur l'extension de la modélisation des défauts aux multicouches anisotropes qui prend en compte la nature des signaux émis, et sur la réalisation d'expériences en laboratoire qui seront effectuées de façon complémentaire sur les deux sites.

Les travaux menés en milieux fluides "rugueux" se développent activement en abordant d'autres types de modélisations plus avancées, pour tout type de configurations géométriques, ce qui donne une application à d'autres domaines que celui du CND (propagation dans les voies urbaines, réseaux phononiques, et toute structure limitée ou illimitée possédant des inhomogénéités de surface).

La collaboration avec l'IRCCyN est appelée à se renforcer, notamment dans le cadre de la thèse d'A. Roux, afin d'améliorer les méthodes déjà développées et performantes de séparation d'onde.

L’effort entrepris pour appliquer les analyses temps fréquence des signaux ultrasonore à l’émission acoustique et aux signaux ultrasonores des matériaux à fort bruit de structure sera poursuivi et amplifier notamment en collaboration avec EDF, un point particulier sur lequel un nouveau contrat de recherche est à la signature avec EDF concerne la problématique de l'identification des signatures acoustiques des échos de diffraction défauts présents dans les aciers moulés, présentant un fort bruit de structure.

L’effort entrepris pour appliquer les analyses temps fréquence des signaux ultrasonore à l’émission acoustique et aux signaux ultrasonores des matériaux à fort bruit de structure sera poursuivi et amplifié notamment en collaboration avec EDF.

En ce qui concerne l’estimation de la durée de vie restante des matériaux par émission acoustique, malgré les résultats encourageants obtenus, de nombreuses questions se posent encore : quels sont les différents types de matériaux susceptibles d’engendrer des ruptures du "second ordre" ? dans quelle gammes ou types de sollicitation, dans quel environnement (température …) se manifestent ces ruptures? Les lois puissances obtenues sont-elles universelles, quelles sont leurs limites, et lorsqu’elles ne se manifestent que près du point critique (rupture), est-il possible de prédire la rupture suffisamment tôt ? Pour répondre à ces questions les collaborations entreprises notamment avec le LMPC de l’Université de Casablanca (avec le soutien du CNRS), le LPMC de l’Université de Nice, et l’EPFZ (D. Sornette) sont appelées à se renforcer. Une autres voie que nous avons commencé d'explorer dans le cadre de la thèse d'Anne Marec, en collaboration avec l'OR Acoustique Non Linéaire concerne une meilleure compréhension de corrélations observées entre emission acoustique et les paramètres d'acoustique non linéaires des matériaux et leur relation avec la durée de vie.

Dans le but d'étendre notre approche ECND à des zones micro voire nanométrique, un projet microcapteur

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CND est à l'étude. En Effet, la nécessité de contrôler des matériaux de plus en plus complexes, tant au cours de l'élaboration qu’in situ, impose la mise au point de nouvelles techniques de génération et de détection des ondes ultrasonores, notamment en terme de miniaturisation des capteurs, dans une perspective de contrôle de santé intégré. Par ailleurs, l'utilisation de transducteurs ultrasonores classiques est quelquefois peu aisée voire impossible, en particulier pour les microstructures voire nanostructures (couches minces, dépôts nanométriques, …). Pour ces applications, l'utilisation de faisceaux laser, générant des ondes hypersonores de longueurs d'onde submicrométriques sans contact, est une voie prometteuse. Les compétences développées en termes de microtechnologies, de contrôle non destructif, d'opto-acoustique et de traitement de signal au LAUM, peuvent ainsi être utilisées avantageusement de manière synergique en vue de la réduction dimensionnelle de l'instrumentation, tant au niveau des capteurs que des zones auscultées. C'est dans ce cadre que le projet microcapteur CND a vu le jour. Ce projet devait permettre en association avec d’autres partenaires spécialisés dans d’autres techniques de CND (rayons X, Courants de Foucauts,…) de créer un pôle compétence CND en pays de Loire.

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1.2 OR Caractérisation acoustique et mécanique des matériaux poreux

Responsable : Bruno BROUARD

Permanents : Jean François ALLARD (PR Emérite, 100%), Christophe AYRAULT (MCF, 50%), Bruno BROUARD (MCF, 100%), Bernard CASTAGNÈDE (PR, 50%), N. DAUCHEZ (MCF, 30 %), Olivier DAZEL (MCF, 100%), Claude DEPOLLIER (PR, 60 %), Michel HENRY (MCF, 100%), Denis LAFARGE (CR CNRS, 20%), Sohbi SAHRAOUI (PR, 100 %)

Non Permanents : Alexei MOUSSATOV (Ing Valorisation, 2002-2006, CNRS et région)

Thèses soutenues : Sylvain BERGER, "Contribution à la caractérisation des milieux poreux par des méthodes acoustiques : estimation des paramètres physiques", le 18 décembre 2003. Luc JAOUEN, "Contribution à la caractérisation mécanique de matériaux poro-visco-élastiques en vibro-acoustique", septembre 2004. Cyril RENARD, "Atténuation de structure et bruit de combustion sur les moteurs diesel", janvier 2005. Mohamed SAEID, "Antennes paramétriques pour l'étude de la propagation acoustique dans les matériaux poroélastiques insonorisants, février 2006.

Doctorants : Mickael DEVERGE (Doctorant 2002-2006, 100%), Olivier DOUTRES (Doctorant 2004-2007, 50 %), Ludovic DUPONT (Doctorant 2004-2007, 100%), Aroune DUCLOS (Doctorant 2002-2006, 100%), Stéphane GRIFFITHS (Doctorant 2003-2006, 100%), Naima SEBAA (Doctorante 2002-2006, 50%).

Bilan chiffré : 5 thèses soutenues, 6 thèses en cours, 35 RCL, 14 CCI, 10 CCN, 1 brevet.

I Contexte et objectifsCette opération de recherche correspond à des activités anciennes initiées dans les années 1990 par J.F. Allard et qui se sont notablement diversifiées par la suite grâce aux efforts de nombreux collègues arrivés à cette période. Cela correspond aussi à une expertise forte du LAUM sur l’acoustique des matériaux poroélastiques, et sur la métrologie fine associée à ces matériaux ou à leurs structures multicouches. De nombreux contrats de recherche furent menés à bien autour de ces thématiques (par exemple contrat PREDIT Renault 2000-2002 sur les matériaux poreux comprimés), et participations dans le cadre du 5ème (NOCOMAT, FLODAC) et du 6ème PCRDT (SILENCER) en collaboration avec le groupe propagation guidée. Le savoir faire du groupe est important à la fois en terme de modélisation analytique, de simulations numériques (notamment pour le modèle couplé de Biot, ou bien pour la propagation dans des structures poreuses multicouches), mais aussi en termes de métrologie fine sur ces matériaux. Les perspectives de développement portent sur l'étude de configurations plus complexes (matériaux avec gradients de propriétés, fortes inhomogénéités, porosité double et multiple, etc), sur l'optimisation des structures multicouches ou la prise en compte de fonctionnalités additionnelles. L'OR vient de voir acceptée une demande ANR, en collaboration avec le LRBB (Laboratoire de Rhéologie du Bois de Bordeaux), intitulée "SILENT WALL" qui cherche à optimiser le développement de murs anti-bruit construits à partir de matériaux naturels ou recyclés incluant une forte proportion de fibres végétales ou cellulosiques. Par le passé, les collègues de cette OR avaient déjà travaillé sur ce type de problématique (recyclage, optimisation, études paramétriques des propriétés acoustiques) dans le cadre d'une étude proposée par l'ADEME. Cette OR est par nature assez transversale, et il existe de nombreuses collaborations avec d'autres OR sur des thématiques proches (vibroacoustique des structures poreuses, conduits traités avec des matériaux poroélastiques).

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II.1- Métrologie en acoustique BF des propriétés des matériaux poroélastiques

M. Henry, J-F Allard, B. Brouard (P0, P1, P72, P89, P90).

Les travaux portent sur l'utilisation des bancs de métrologie des matériaux poroélastiques pour le recalage et les mesures fines des paramètres (notamment mesures d'impédance, de résistivité et de porosité). Ces travaux alimentent les études sur les ondes de surface (cf. action sur le sujet avec J.F. Allard). Des mesures contractuelles régulières sont réalisées dans le cadre de contrats et de prestations (secteur de l'acoustique de l'automobile et aéronautique). Développement de nouvelles techniques de caractérisation en vue de déterminer l'ensemble des paramètres de Biot. Les données expérimentales sont ensuite utilisées par le logiciel MAINE 3A, version 1.3 (commercialisé par le CTTM) pour des études prédictives. Ce logiciel évolue régulièrement et intègre de nouvelles fonctionnalités (calcul du coefficient Rw, application d'une correction permettant de prendre en compte les dimensions finies d'un échantillon, possibilité de prendre en compte des multicouches inhomogènes). Des extensions de ce logiciel sont prévues (ajout du modèle Limp, d'un module de caractérisation inverse, prise en compte de la dépendance fréquentielle des paramètres mécaniques du poreux, possibilité de faire varier le taux de compression pour les matériaux fibreux, introduction des effets de double porosité, prise en compte de la présence d'écrans perforés, d'un effet de courbure etc). Une collaboration forte existe à ce niveau avec le CTTM.

II.2- Mesures des rigidités mécaniques et développement de modèles micro-structuraux

S. Sahraoui, B. Brouard, N. Dauchez, doctorants : M. Deverge, O. Doutres (P71, P79, C9, C39).

Les travaux portent notamment dans le cadre de la thèse de M. Deverge, sur la caractérisation mécanique des mousses et des applications à l’atténuation acoustique. Certains aspects de la mécanique non classique des matériaux poreux seront étudiés par la suite sur certains types d’inhomogénéité (à l’aide de la théorie micropolaire par exemple). Par ailleurs, dans le cadre de la thèse de Olivier Doutres (cf OR Vibration - Vibroacoustique), la caractérisation mécanique des fibreux (faibles rigidités, comportement non-linéaire) est envisagée lorsque ces matériaux sont associés à une structure vibrante (problème de rayonnement et transparence acoustique). Des collaborations existent pour cette thématique avec le laboratoire PCI (Polymères, Colloïdes et Interfaces, UMR CNRS 6120), et des publications sont effectuées en commun. Dans sa thèse, M. Deverge reprend les travaux de M. Etchessahar portant sur l'application du principe d'équivalence temps-température aux mousses et étudie les limites de ce principe en fonction de la nature de la matrice organique et des caractéristiques du matériau poreux (densité, porosité,...). Par ailleurs, il s'intéresse également aux propriétés mécaniques des mousses précontraintes (déformation initiale imposée) ; il étudie les mécanismes de relaxation dans les trois zones de la courbe contrainte-déformation. Les aspects non linéaires sont également abordés pour comprendre l'hystérésis observée et appliquer le modèle de Preisach-Mayergoyz aux mousses de polymères reticulées (V. Gusev est à l'origine de cette étude).

II.3- Technique de caractérisation par variation de pression statique

C. Ayrault, doctorant : S. Griffiths (C73).

Bien que les techniques de caractérisation ultrasonore des milieux poreux soient désormais bien maîtrisées, les matériaux poreux très absorbants (transports ...) sont cependant difficiles à caractériser en transmission. La caractérisation par ultrasons est également problématique quand apparaît la diffusion. C'est donc pour répondre à cette double problématique qu'a été développée une méthode de caractérisation ultrasonore par variation de la pression statique du fluide saturant. Une première thèse sur le sujet a montré la potentialité de la méthode. Ces travaux ont été repris en 2003 dans le cadre de la thèse de Stéphane Griffiths. Ils ont montré

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analytiquement qu'il est possible de séparer les pertes par diffusion des pertes viscothermiques. Le grand avantage de cette méthode réside dans le fait qu'il n'est pas nécessaire de connaître les paramètres caractéristiques de la diffusion pour estimer les paramètres caractéristiques acoustiques du matériau. Un article paraîtra prochainement sur ce sujet (Ayrault C., Griffiths S., "Separation of viscothermal losses and scattering in ultrasonic characterization of porous media", Ultrasonics, 2006, à paraître).

Le deuxième axe de recherche, actuellement toujours en cours, porte sur la caractérisation des matériaux très absorbants, ce qui nécessite de travailler à des pressions élevées. Il est apparu expérimentalement que le comportement linéaire décrit par le modèle de fluide équivalent et observé aux basses pressions (jusqu'à 6 bars) n'est plus respecté aux pressions élevées atteignant 18 bars. Le modèle de fluide équivalent n'étant plus suffisant pour expliquer ces phénomènes, un modèle analytique basé sur une formulation des déplacements total et fluide du modèle de Biot a été utilisée. Ce modèle, comparé à un modèle numérique matriciel reconnu (MAINE 3A), présente l'avantage de ne pas diverger en haute fréquence. Les premières simulations réalisées semblent expliquer les tendances observées expérimentalement. Il est donc raisonnable d'envisager de pouvoir extraire les paramètres mécaniques à partir des mesures à pressions élevées par minimisation avec ce modèle analytique basé sur la théorie de Biot, une fois les paramètres acoustiques estimés aux basses pressions par minimisation avec le modèle de fluide équivalent).

II.4- Étude des ondes de surface et d’interface dans les poreux

J-F Allard, M. Henry (P2, P38, P39, P77, P122, P123).

Des études systématiques sont menées sur les modes et les ondes de surface propagées sur des structures poreuses saturées d'air ou de fluide lourd. Les travaux portent souvent sur la transposition de résultats obtenus en électromagnétisme pour le rayonnement du dipôle électrique vers les phénomènes acoustiques. Des applications ont été développées pour la métrologie des matériaux poreux dans les 2 domaines suivants, d’une part une technique d’évaluation des rigidités des poreux faiblement rigides à partir de mesure de célérité de l’onde de Rayleigh, d’autre part une méthode permettant de localiser un pôle du coefficient de réflexion pour les couches poreuses fines et/ou à faible porosité. A partir de cette localisation il a été possible de mesurer l’angle de Brewster pour les couches épaisses, et aussi plus généralement l’impédance acoustique prés de l’incidence rasante. Cette mesure d’impédance a été effectuée d’abord en chambre anéchoïque sur des mousses plastiques et des matériaux granulaires, et en extérieur au C S T B à Nantes sur un enrobé drainant. Une collaboration avec l'Université de Sherbrooke (Quebec) concerne la mesure rapide aux fréquences audibles des coefficients de rigidité de structures poreuses utilisées dans l’aviation et l’automobile. Les résultats déjà obtenus sont satisfaisants et feront l’objet de publications ultérieures. D’autre part nous adaptons la méthode de mesure de l’impédance en incidence rasante précédemment évoquée à différentes surfaces naturelles et synthétiques. En règle générale, les perspectives portent sur la métrologie

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Logarithme du coefficient de transmission d'une mousse polyuréthane à différentes fréquences : comportement linéaire (fluide équivalent) et non linéaire (Biot) suivant la gamme de pression.

fine des propriétés acoustiques des matériaux poreux. La rigidité des poreux utilisés dans l’aviation et l’automobile est encore largement “ terra incognita ”, compte tenu de l’anisotropie et des multiples paramètres qui caractérisent ces matériaux. Pour ce qui concerne l'adaptation de la méthode de mesure des impédances en incidence rasante aux contraintes liées aux conditions en extérieur, l’essentiel du travail reste à faire. Des retombées dans le domaine de l’acoustique environnementale et architecturale peuvent être appréciables. Des collaborations sont menées sur cette thématique avec les Universités de Louvain et de Sherbrooke.

II.5- Problèmes inverses dans les milieux poreux

C. Depollier, B. Brouard, O. Dazel, doctorants : L. Dupont et N. Sebaa (P16 à P22, P49, P53, P54, P80, P81, P110, P128, P129, P143).

Les méthodes classiques utilisées pour la caractérisation des matériaux poreux font appel à des opérations complexes qui peuvent dégrader les échantillons (contrôle destructif). Pour contourner ces limitations, l'approche temporelle élaborée au cours des dix dernières années est une étape vers une caractérisation “ tout acoustique ” des milieux poreux. Ces travaux ont été initiés durant la thèse de ZEA Fellah. Dans le cadre de ce modèle, on distingue deux régimes : le régime visqueux (lorsque la profondeur de pénétration des effets visqueux est grande par rapport au rayon moyen des pores) et le régime asymptotique lorsque l'on se retrouve dans la situation inverse. Dans le régime asymptotique, l'équation des ondes est une équation des télégraphistes fractionnaire (au sens ou elle contient des dérivées temporelles fractionnaires qui traduisent les effets de mémoire dus à la viscosité). Dans le régime visqueux, l'équation des ondes se réduit à une équation de diffusion. Cette approche s'est révélée très efficace pour l'étude des problèmes direct et inverse lors de la diffusion (scattering) des ondes par un matériau poreux. En particulier elle nous a permis de développer un ensemble de méthodes acoustiques pratiques pour la mesure des paramètres physiques des milieux poreux. Les thèses de S. Berger (soutenue en 2003) et de N. Sebaa (en cours) - en collaboration avec le Laboratoire d'acoustique de l'Université Catholique de Louvain - ont poursuivi le développement de ces méthodes dans le cas des matériaux inhomogènes (stratifiés ou à variation stochastique) en vue d'applications à l'étude de la propagation des ondes ultrasonores dans l'os trabéculaire. Dans ses travaux de thèse en cours, L. Dupont s'intéresse à la caractérisation des milieux poreux inhomogènes stratifiés présentant des interfaces non planes et à la détermination de paramètres effectifs. Le but final de ces travaux est de modéliser les réponses impulsionnelles de tels matériaux qui permettent de calculer les champs refléchis et/ou transmis à partir du champ incident. Par ailleurs, un modèle de poreux fractal est développé pour modéliser les dépendances et les corrélations entre les différents paramètres (porosité, tortuosité...). On dispose ainsi d'un ensemble de méthodes - temporelles et fréquentielles - qui, suivant leur pertinence permettent une caractérisation simple et efficace des matériaux poreux.

II.6- Utilisation des antennes paramétriques pour la métrologie des matériaux poreux

B. Castagnède, D. Lafarge, A. Moussatov, doctorant : M. Saeid (P62, P127, C36, C69, C102).

La démodulation paramétrique dans l’air permet de générer un faisceau “ ultra-directif ” à basses fréquences sur la bande audio (200 Hz – 10 kHz) à partir d’ultrasons de puissance (pompe ultrasonore fonctionnant à 40 kHz) préalablement modulée en amplitude. La démodulation dans l’air s’effectue à partir d’une interaction non linéaire au cours de laquelle les composantes hautes fréquences de la pompe sont absorbées, alors que la modulation de basses fréquences est transférée dans le domaine audio. Cette démodulation (ou rectification) paramétrique permet d’effectuer des mesures dans les matériaux poreux (par exemple mesures d’absorption) pour des configurations réputées difficiles (mesures “ in situ ” en champ libre, et mesures “ on line ” directement sur chaînes de production des matériaux poroélastiques. Un exemple d'une telle mesure d'absorption réalisée en champ libre est présentée sur la figure ci-dessous pour une série de feutres de l'automobile. Ces mesures sont confrontées avec des prédictions issues du modèle de "fluide équivalent" d'une part, ainsi qu'avec des mesures effectuées au tube de Kundt d'autre part. Une valorisation et un transfert de technologie a été mené à bien sur cette thématique avec des financements du CNRS, et de la Région des Pays de la Loire pour la période 2004-2006, l’objectif étant le “ portage effectif ” de la technologie brevetée

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en 2003 (extension PCT internationale en cours depuis fin 2005) vers le milieu industriel au cours de l’année 2006. Un prototype portable est dorénavant disponible et les contacts avec les fabricants ou les utilisateurs de matériaux poreux insonorisants sont très encourageants, une commercialisation du prototype étant envisagée fin 2006 / début 2007. Il faut noter que l'idée de l'utilisation des antennes paramétriques issues de l'acoustique non linéaire, provient de travaux menés au sein de l'OR sur cette thématique du même nom, effectués à partir de 2001 à la fois sur des matériaux granulaires, ainsi que sur des solides micro-endommagés. Il s'agit ici de la simple transposition de ces méthodes dans le cas de l'acoustique aérienne, et de la mise en œuvre pour la caractérisation des matériaux poroélastiques.

III Relations transversales avec d'autres OR :

III.1- Réduction du bruit dans les cabines d'aéronefs

N. Dauchez, doctorant : O. Doutres.

Depuis plusieurs années, les membres de l'OR portant sur la vibroacoustique développent des activités autour de la réduction du bruit dans les cabines d'aéronefs. La thèse d'Olivier DOUTRES (BDI CNRS-Région) est d'ailleurs co-financée par Dassault-Aviation. Dans le cadre de cette collaboration, une proposition de recherche vient d'être déposée à la CEE. Il s'agit du programme CREDO (Cabin noise Reduction by Experimental and numerical Design Optimization). Le descriptif des activités accomplies ou prévues sur cette thématique est décrit dans l'OR correspondante.

On trouvera aussi d'autres travaux portant sur des matériaux et des structures poroélastiques, menés en collaboration avec des membres de la présente OR, qui sont décrits ailleurs dans le document.

IV CollaborationsCollaborations avec le labo PCI de l’UM (L. Benyahia, J.F. Tassin) pour le travail mené par S. Sahraoui sur la micro-mécanique des structures poreuses.

Collaborations avec le labo ATF de KUL (Louvain) sur plusieurs études, dont celles pilotées par J.F. Allard. Plusieurs thèses de l'université du Maine (Sylvain Berger, Naima Sebaa) ont été menées en collaboration avec Louvain sous la direction de C. Depollier.

Collaboration menée par J.F. Allard avec l’Université du Mississippi, Oxford, USA (équipe de J. Sabatier), et avec l'Université de Sherbrooke, Department of Mechanical Engineering (Québec).

Collaborations récentes avec l'ENTPE, Vaulx-en-Velin (Franck Sgard, Claude Lamarque) initiées par O. Dazel depuis son arrivée au Mans (octobre 2004).

Travaux menés avec le Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique (LMA, UPR CNRS, Marseille)

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Comparaison entre les résultats de la sonde paramétrique et du tube de Kundt.Dispositif de mesure avec antenne paramétrique

par C. Depollier conjointement avec Armand Wirgin et Zine El Abidine Fellah, à la fois sur la résolution de problèmes inverses, et sur la propagation en milieux possédant des inhomogénéités fortes (gradients de propriétés, etc).

Travaux communs avec Mohammed Fellah (USTHB, Alger) sur les mêmes thématiques (cf. travaux LMA de Marseille).

Activités contractuelles et sous-traitances régulières pour le Département acoustique du CTTM en ce qui concerne la métrologie des matériaux poreux.

Plusieurs doctorants actifs sur ces thématiques (M. Deverge en 4ème année avec S. Sahraoui, S. Griffiths en 3ème année avec C. Ayrault, O. Doutres en 2ère année avec N. Dauchez, A. Duclos en 3ème année avec D. Lafarge, L. Dupont 2ème année et N. Sebaa en 4ème année avec C. Depollier).

V PerspectivesCette opération de recherche est à la fois constituée d'actions assez fondamentales sur les modèles de propagation (ondes de surface, résolution de problèmes inverses, théories couplées, etc), ainsi que de travaux plus appliqués portant sur la métrologie des matériaux et des structures poreuses (métrologie générale des matériaux insonorisants, mesures ultrasonores de paramètres, mesures de rigidités de structure, utilisation de la démodulation paramétrique pour la caractérisation en champ libre des propriétés acoustiques des matériaux insonorisants, etc). Cette dualité dans le savoir faire des membres de l'OR, relayée par la réputation des travaux menés concourent à notre sollicitation régulière pour participer à des projets CEE (cf. CREDO en 2006 sur la réduction du bruit dans les cabines d'aéronefs) ou d'ANR (cf. SILENT WALL en 2006 sur l'optimisation des propriétés d'insonorisation de murs anti-bruit construits à partir de matériaux naturels à base de fibres végétales et cellulosiques, ou recyclées). Il s'agit ici d'indicateurs de bonne santé sur un groupe assez transversal effectuant des études appliquées et fondamentales sans jamais s'éloigner trop d'aspects pratiques liées aux applications industrielles potentielles (bâtiment, transport, acoustique extérieure). L'intégration de nouveaux collègues (par exemple Olivier DAZEL en 2004) apportant des compétences complémentaires à celles du savoir faire traditionnel de l'équipe est la garantie de la continuation des recherches de haut niveau menées dans cette OR. La bonne attractivité de l'OR auprès des doctorants (5 thèses soutenues en 5 ans, ainsi que 5 thèses en cours sur des financements du Ministère, du CNRS et de la Région) permet d'envisager l'avenir avec sérénité. La grande diversité des contacts industriels, les nombreuses sous-traitances réalisées en partenariat avec le CTTM, et les demandes récurrentes d'expertise sur les matériaux poreux vus comme insonorisants, indiquent clairement les enjeux en terme sociétaux de cette thématique qui continue à générer un volume significatif de travaux et de réalisations concrètes. Le LAUM est réputé dans le secteur des matériaux poreux saturés d'air, et il devrait le rester. Pour autant, les travaux de l'OR s'intéressent (et se sont déjà intéressés par le passé) à l'acoustique des matériaux poroélastiques saturés de fluide lourd (sédiments marins, sols et revêtements, matériaux granulaires divers remplis d'eau). Des applications importantes existent dans les domaines de la géomécanique, de la prospection, de l'imagerie. Des perspectives originales devraient aussi être recherchées dans ces secteurs.

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1.3 OR Acoustique non linéaire des matériaux micro-inhomogènes

Responsable : Vincent TOURNAT

Permanents : Philippe BÉQUIN (MCF, 20%), Bernard CASTAGNÈDE (Pr., 50%), Rachid EL GUERJOUMA (Pr. 2004, 10%), Vincent TOURNAT (CR CNRS 2004, 70%),

Chercheurs associés : Vitalyi GUSEV (20%), PR au Laboratoire de Physique de l'État Condensé (LPEC, UMR-CNRS 6087).

Non Permanents : Vladislav ALESHIN (Post-doctorant, 2006), Alexei MOUSSATOV (Ing Valorisation, 2002-2004, CNRS et région), Xavier JACOB (Post-doctorant, depuis septembre 2006)

Thèses soutenues :Vincent TOURNAT, "Phénomène non linéaire d'auto-démodulation d'amplitude dans les milieux granulaires : théories et expériences", décembre 2003

Doctorants : Laurent FILLINGER (Doctorant 100%, DGA-CNRS, 2003-2006), Claude INSERRA (Doctorant 100%, MENRT, 2004-2007).

Bilan chiffré : 1 thèse soutenue, 2 thèses en cours, 28 RCL, 24 CCI, 13 CCN, 3 contributions dans ouvrages, 1 brevet.

I Contexte et objectifsLes premières expériences d'acoustique non linéaire dans les milieux dits « mésoscopiques » ou micro-inhomogènes ont été menées il y a plus de 25 ans en géophysique. Plus récemment, des équipes russes et nord-américaines ont débuté des travaux dans le domaine du contrôle non destructif de matériaux par des méthodes d'acoustique non linéaire. Ces méthodes commencent actuellement à être utilisées dans l'industrie et présentent un potentiel important en raison de leur sensibilité à l'apparition de défauts de faible taille ou en faible quantité dans les matériaux. Les progrès dans la compréhension des phénomènes mis en jeu ont été importants ces dernières années mais restent insuffisants. En particulier, les non linéarités "non classiques" qui apparaissent au niveau des contacts (dissipation, adhésion, clappement, frottement) sont à modéliser plus en détail. A l'aide d'expériences, les relations entre ces non linéarités non classiques et les effets non linéaires observés régulièrement (dissipation induite, comportement chaotique, dynamique lente) restent à établir afin d'émettre des conclusions plus quantitatives sur les défauts que celles émises actuellement. D'autres travaux d'acoustique non linéaire dans les milieux complexes tels que les milieux granulaires par exemple, apparaissent depuis peu et offrent des possibilités de caractérisation ou de compréhension nouvelles. Les milieux granulaires sont de plus étudiés spécifiquement pour leurs propriétés particulières qui en font des milieux d'études dans le cadre de recherches fondamentales impliquant des domaines différents (physique statistique, mécanique des contacts, ondes, matière molle, mécanique des fluides, etc.).

I.1- Axe 1. Conception et optimisation de méthodes expérimentales de contrôle non destructif basées sur des effets d'acoustique non linéaire dans les solides endommagés, modélisation en acoustique non linéaire "non classique"

Vitalyi GUSEV, Vincent TOURNAT, Bernard CASTAGNÈDE, Rachid EL GUERJOUMA, Laurent FILLINGER

Cet axe de recherche a pour but une meilleure compréhension des effets macroscopiques d'acoustique non

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linéaire sur la base de modèles microscopiques de comportement mécanique des fissures et des contacts. Ces modèles microscopiques doivent en particulier prendre en compte la dissipation acoustique au niveau des lèvres des fissures et des contacts [P37,P117,P130], les non linéarités de contacts comme le clappement ou l'hystérésis. Pour cela, des défauts individuels sont réalisés (fissures individuelles produites par choc thermique, surfaces rugueuses en contact, billes sphériques en contact, etc.), et leurs comportements étudiés. Afin de se rapprocher de la réalité des micro-fissures, la réalisation maîtrisée de micro-contacts par micro-technologies en vue d'une caractérisation fine et quantitative de leurs propriétés non linéaires est en cours. La modélisation d'effets acoustiques non linéaires dans les milieux comportant de l'hystéresis [P25, P26, P28, P29, P86, P87, P88, P119] permet d'interpréter certaines observations de propagation non linéaire dans les roches ou les solides endommagés [P27, P32, P76, P125]. Une approche numérique est utilisée le cas échéant pour les problèmes difficiles à résoudre analytiquement [P40, P41]. Les applications visées concernent principalement le contrôle et l'évaluation non destructifs des matériaux endommagés [P146].

Mots clefs : contrôle non destructif quantitatif, comportement élastique non linéaire des fissures ou contacts individuels, défauts artificiels, endommagement.

I.2- Axe 2. Acoustique non linéaire dans les milieux granulaires ordonnés ou désordonnés, statiques ou en évolution

Vincent TOURNAT, Vitalyi GUSEV, Bernard CASTAGNÈDE, Philippe BÉQUIN, Claude INSERRA

Cet axe de recherche bénéficie depuis 2006 d'un financement de l'agence nationale de la recherche, de type projet non thématique. Parmi les aspects étudiés de l'acoustique non linéaire dans ces milieux composés de grains élastiques en contacts non cohésifs, l'équipe s'attache à observer des manifestations dites "non classiques", c'est-à-dire difficile ou impossibles à observer dans des milieux homogènes comme l'eau ou un solide idéal. Ces manifestations non classiques comportent souvent des informations intéressantes pour la caractérisation de l'état du milieu granulaire en terme de statistique des contacts, chaînes de forces, chargement mécanique des contacts [P36, P64, P66, P68, P114]. A l'aide de modèles, ces effets non linéaires sont utilisés pour caractériser les milieux granulaires en évolution [P115, P118], au cours d'un processus de compaction ou d'une avalanche par exemple. Des arrangements particuliers de grains sont aussi étudiés

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Expérience d'évaluation non destructive de milieux granulaires (billes de verre de 2 mm de diamètre) en cours d'avalanche. Le moteur en rotation, contrôlable par ordinateur, permet d'effectuer un sondage ultrasonore de chaque étape de l'avalanche : signe précurseurs, avalanche, retour à l'équilibre.

(réseaux 1D, 2D ou 3D) pour leurs propriétés à la fois non linéaires et dispersives [P65], ainsi que la transition vers ces arrangements réguliers (phénomène de cristallisation en fin de compaction). Plus récemment, une attention particulière a été portée sur les ondes élastiques qui se propagent à la surface libre des milieux granulaires non consolidés [P131]. Les contraintes mécaniques entre grains dues à l'action de la gravité s'annulant à la surface, des problèmes expérimentaux se posent pour la détection de ces ondes. En revanche, cela ouvre la possibilité d'une étude fondamentale des milieux granulaires dans la limite d'une contrainte mécanique nulle entre grains ou de façon équivalente dans la limite de modules élastiques nuls pour le milieu granulaire.

Mots clefs : effets non linéaires non classiques, caractérisation acoustique non linéaire, compaction, avalanches, ondes de surfaces, chaînes de force

II Bilan scientifique des 4 dernières années :Sur la période 2003-2006, cette activité du LAUM est passée d'un statut de thématique émergente à un statut de thématique à part entière, prenant la forme d'une opération de recherche. Les résultats scientifiques les plus significatifs obtenus sur cette période sont d'ordre fondamentaux mais aussi appliqués. Les études fondamentales réalisées sur les matériaux comportant des fissures individuelles ont permis de mettre en évidence et d'expliquer des manifestations expérimentales observées dans les roches naturelles, comme la dynamique lente ou l'hystérésis dynamique [P10, P26, P27, P32, P37]. Un effet non linéaire de transfert de modulation a été mis en évidence pour les ondes élastiques, l'effet "Luxembourg-Gorky", à la fois pour des ondes stationnaires dans un barreau fissuré et pour des ondes propagatives dans un milieu granulaire [P114, P118]. Le processus physique impliqué n'est pas dans ce cas une non linéarité du comportement élastique, mais une dissipation acoustique non linéaire. De nouvelles manifestations (non classiques) d'effets non linéaires ont été observées et modélisées dans les milieux granulaires [P64, P66, P68]. La compréhension des processus non linéaires de base de ces milieux a fortement progressé, par le biais d'expériences et de modélisations. Les premières utilisations de ces résultats à des fins de contrôle non destructif ont débuté [P115, P146].

De manière plus générale, l'équipe, en plus de la reconnaissance au sein du laboratoire, a acquis une reconnaissance internationale qui se traduit par des invitations récentes à des conférences internationales ou à des comités scientifiques internationaux. Les travaux effectués sur les milieux granulaires ont permis de communiquer et d'échanger avec la communauté étendue de physiciens des milieux granulaires, et ainsi de débuter des travaux en marge des activités traditionnelles du laboratoire.

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Sensibilité de l'effet acoustique non linéaire "Luxembourg-Gorky" [P118] à de faibles perturbations mécaniques d'un milieu granulaire non-cohésif sous contrainte statique (~50 kPa). La composante fondamentale de l'onde de sonde, qui décrit une propagation linéaire dans le milieu, n'est pratiquement pas affectée par les perturbations du milieu. En revanche, le premier lobe de l'onde sonde, qui apparaît en raison de la non linéarité du milieu, est très sensible aux perturbations. Cet effet non linéaire de transfert de modulation s'avère intéressant pour le suivit des faibles changements dans l'état des milieux granulaires.

III Mouvement de personnel :Recrutements de V. TOURNAT (CR CNRS) en octobre 2004 et de R. EL GUERJOUMA (Pr.) en septembre 2004.

IV Collaborations :Les collaborations se font entre autres à travers des accords de collaboration PAI (2004-2005) ou PECO-NEI (2006-2007, projet n°1319 du CNRS) avec la Russie, ou des visites de chercheurs étrangers sur des financements de l'université du Maine.

Visites de scientifiques étrangers : V. Zaitsev (6 mois cumulés sur la période 2003-2006), A. Sutin (1 mois), V. Mozhaev (1 mois).

Institute of Applied Physics, Nizhny Novgorod, Russie (V. Zaitsev)

Université d'État de Moscou, Moscou, Russie (Mozhaev)

Groupe de la Matière Condensée et des Matériaux, UMR-CNRS 8888, Rennes (matériaux granulaires)

Université Catholique de Louvain, département d'acoustique, Belgique (ondes de surface)

Participation aux manifestations du GDR MiDi (Milieux divisés) et du GDR Ultrasons

V Contrats : Contrat de recherche avec la DGA (2000-2003, 50 k€) sur l'acoustique non linéaire des milieux solides en vue de leur contrôle.

Contrat de collaboration de recherche avec Framatome (2005-2006 40 k€), sur le contrôle et l'évaluation non destructifs de compacts par acoustique non linéaire.

Contrat de valorisation (2005-2006, ~150 k€), en rapport avec le brevet déposé en 2003.

Projet blanc ANR “grANuLar” (2006-2008, 170 k€),

VI Perspectives :L'orientation générale qui est visée à moyen terme concerne les aspects fondamentaux de l'interaction d'ondes acoustiques avec les défauts de structure dans les matériaux solides, les fissures. Une tendance actuelle des équipes spécialisées dans le contrôle non destructif par effets acoustiques non linéaires au niveau international est de mettre en oeuvre la technique du renversement temporel en utilisant l'effet non linéaire de génération d'harmoniques par exemple. Cette technique et son application au contrôle non destructif, apparaissent comme très prometteurs. Au moins quatre équipes, dont deux équipes nord-américaines, se sont lancées dans cette approche à notre connaissance. Afin de se positionner favorablement vis-à-vis de ces équipes, nous décidons de mettre l'accent pour les prochaines années sur les expériences “modèles”, qui sont nécessaires afin d'apporter, en parallèle avec des développements théoriques, les explications physiques des phénomènes observés lors de l'interaction non linéaire d'une onde acoustique avec une fissure, un contact, une délamination. Ces expériences “modèles” sont réalisées en vue du contrôle non destructif des matériaux de l'ingénieur, mais aussi sur des matériaux “modèles” comme les milieux granulaires. L'extension de nos collaborations avec des équipes spécialisées dans la physique et la mécanique des milieux granulaires est en cours afin de mener des études fondamentales et appliquées sur les problématiques liées aux milieux granulaires. Ceci se fera dans le cadre du projet blanc ANR "grANuLar" en cours (2006-2008), en particulier à travers l'étude de la propagation acoustique dans les réseaux granulaires. Les processus de compaction et d'avalanche granulaire vont être étudiés par des moyens acoustiques en vue de mieux comprendre leur développement et leur comportement.

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1.4 OR Opto-acoustique laserResponsable : Vitalyi GUSEV

Permanents : Vincent TOURNAT (CR CNRS, 20%), Pascal PICART (PR, 20%)

Chercheurs associés : Vitalyi GUSEV (20%), PR au Laboratoire de Physique de l'État Condensé (LPEC, UMR-CNRS 6087).

Bilan chiffré : 3 RCL, 4 CCI, 2 CCN, 1 brevet, 1 enveloppe Soleau

I Contexte et objectifsLes études menées en opto-acoustique ont pour but de mettre au point des méthodes innovantes de génération et détection laser d'ondes acoustiques en vue du contrôle et de l'évaluation non destructifs des matériaux. Le rôle de génération acoustique, assuré par un transducteur piézo-électrique dans les mesures ultrasonores traditionnelles, est ici joué par un laser, à distance et sans contact avec le matériau. Si nécessaire, la génération du son peut être locale (jusqu'à la largeur de la tache focale micrométrique du faisceau laser) ou, à l'inverse, peut permettre de balayer des grandes surfaces rapidement (jusqu'à quelques mètres). L'opto-acoustique permet de plus d'accéder à des fréquences acoustiques bien supérieures à celles des méthodes traditionnelles, les fréquences hypersoniques (au-dessus de 1 GHz). En particulier, les longueurs d'ondes associées aux ondes de fréquences supérieures à 100 GHz dans les solides sont inférieures à quelques dizaines de nanomètres. Ceci s'avère très intéressant pour l'utilisation des hypersons générés et détectés par laser en vue de l'évaluation non destructive des nanomatériaux et des nanostructures. La perspective de cet axe de recherche est de passer de la détection acoustique des défauts microscopiques à la détection des défauts nanoscopiques dans les nanomatériaux.

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Partie du montage expérimental récemment mis en place pour la génération laser d'ultrasons non linéaires dans les solides micro-fissurés. Deux diodes de puissance délivrant des impulsions de type sinus modulé par une Gaussienne sont utilisées pour la génération opto-acoustique.

L'utilisation des effets non linéaires, tant au cours du processus de génération opto-thermo-acoustique qu'au cours de la propagation acoustique pour la détection et l'imagerie de défauts est une approche qui est actuellement testée à bien plus basses fréquences d'excitations de l'ordre de quelques dizaines de kHz.

II Bilan scientifique des 4 dernières annéesCette OR a été créée en 2005, au moment de la discussion qui s'est tenue au sein du laboratoire sur la réorganisation des équipes. Cette thématique initiée par le LPEC sous l'impulsion de Vitalyi GUSEV, n'apparaissait pas dans l'ancienne organisation en raison de la très faible implication des membres du laboratoire alors présents. Depuis, cette implication s'est affirmée, entre autres par le recrutement de Vincent TOURNAT comme chargé de recherche au CNRS en octobre 2004, sur un projet de recherche comportant des actions en opto-acoustique pour le contrôle non destructif. En conséquence, les résultats quantifiables et imputables à cette seule OR, indépendamment des travaux menés dans l'équipe correspondante au LPEC sont peu nombreux et relativement récents.

Une première partie des résultats concerne la génération d'ondes transverses picosecondes dans les couches minces, dans la continuité des activités du LPEC [P103, P109] et dans le cadre d'une collaboration avec un laboratoire japonais [P144]. Plus récemment, la mise en place d'un système tout optique pour le diagnostic de matériaux fissurés ou comportant des contacts internes et des interfaces a été effectuée dans le cadre d'un stage de master. La méthode de contrôle utilisée est basée sur l'observation d'effets non linéaires résultants de vibrations non linéaires de la structure, des ondes acoustiques ou des ondes thermiques non linéaires.

Il faut enfin noter que le LAUM contribue financièrement à l'achat d'un second système opto-acoustique, qui va être localisé dans la salle d'optique de l'ENSIM.

III Mouvement de personnelRecrutement de Vincent TOURNAT comme chargé de recherche au CNRS en octobre 2004 sur un projet de recherche comportant des travaux en opto-acoustique pour le contrôle non destructif de matériaux.

Depuis deux ans, le LAUM classe dans ses demandes prioritaires un poste d'ingénieur de recherche en opto-acoustique pour travailler sur le développement des expériences décrites ci-dessus. Cette année 2006, cette demande a été classée en première position à l'Université du Maine et peut donc mener à un recrutement pour 2007.

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Spectres de signaux obtenus par génération laser, avec une focalisation en dehors de la fissure artificielle (en haut) et sur la fissure (en bas). Sur la fissure, les deux composantes émises à 33 et 42 kHz intéragissent de façon non linéaire (non linéarités thermique et acoustique) et produisent d'autres composantes fréquentielles.

IV CollaborationsUne collaboration forte et naturelle existe avec le LPEC, tant dans les moyens humains, financiers et matériels.

En 2006, le projet ANR « Transducteurs piézoélectriques GHz contrôlés optiquement » a été déposé en collaboration avec le LPEC (Vitali Goussev 40%, Pascal Picart 20%, Pierrick Lotton 20%) et vient d'être accepté.

University of Hokkaido (Sapporo, Japon), 1 publication commune acceptée

V Contrats Projet ANR « Transducteurs piézoélectriques GHz contrôlés optiquement » en collaboration avec le LPEC (Vitalyi Gusev 40%, Pascal Picart 20%, Pierrick Lotton 20%)

Un projet qui sera soumis à l'ANR en 2007 est en cours d'élaboration sur “la caractérisation opto-acousto-optique de fissures par effets non linéaires acoustiques et thermiques”.

VI PerspectivesL'efficacité des conversions opto-acoustiques et acousto-optiques est faible. La conséquence en est que seuls les endommagements importants dans les matériaux peuvent être détectés, sans une optimisation poussée des systèmes optiques. Pour ce qui est de la détection des endommagements faibles, des lasers de forte puissance sont nécessaires dans le cas où ce sont les propriétés acoustiques linéaires qui sont utilisées comme indicateurs d'endommagement.

Il a été confirmé expérimentalement et interprété théoriquement ces dernières années le fait que les méthodes utilisant les changements de propriétés acoustiques non linéaires comme indicateurs d'endommagement peuvent être bien plus sensibles que les méthodes linéaires. Sous leur forme classique, ces méthodes non linéaires de contrôle sont basées sur l'observation des nouvelles composantes spectrales du champ acoustique ou vibratoire apparaissant à cause de la non linéarité du matériau.

L'évolution future des travaux est de combiner l'opto-acoustique, l'acousto-optique et l'acoustique non linéaire pour proposer et tester de nouvelles méthodes de contrôle non destructif sans contact.

Dans ce contexte, il est prévu qu'en raison de la forte sensibilité des méthodes acoustiques non linéaires, les petits lasers de haute technologie récemment développés (lasers à semiconducteur par exemple) puissent être utilisés de manière efficace.

Parmi les enjeux majeurs actuels en recherche fondamentale comme appliquée, l’inspection des propriétés à des échelles spatiales et de temps de plus en plus petites constitue toujours un défi. L’application des méthodes acoustiques pour l’évaluation et le contrôle non-destructif des nanomatériaux et des films liquides ou solides submicroniques requière le développement de méthodes de génération et de détection d’ondes acoustiques dans la bande 10GHz-1THz (correspondant à des longueurs d’ondes de 1µm-1nm). Le but de ce projet est d’ouvrir une voie vers la création de générateurs acoustiques continus et impulsionnels, efficaces et accordables sur une large gamme de fréquences. Il est proposé de réaliser des transducteurs piézoélectriques GHz contrôlés optiquement (GHzOCPETs). Le but de ce projet ANR tout récemment accepté sera atteint grâce à l’étude des processus fondamentaux qui entrent en jeu dans les semiconducteurs piézoélectriques soumis simultanément à un champ électrique statique et une excitation électromagnétique impulsionnelle (femtoseconde-picoseconde) ou continue (modulée à 10GHz-1THz).

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2 Équipe TSMA (Transducteurs, Signal, Méthodes et Applications)

L'Equipe TSMA ( Transducteurs, Signal, Méthodes et Applications ) accueille les 5 opérations de recherche suivantes: Thermoacoustique et Microcapteurs (OR TherMic), Vélocimétrie Laser Doppler (OR VLD), Transducteurs Acoustiques et Métrologie (OR TAM), Traitement du Signal (OR TS), Mesure Optique des Vibrations (OR MOV).

D'un point de vue général, les recherches menées dans l'Equipe TSMA portent sur la modélisation (approches analytiques et développement de méthodes numériques) et l'étude expérimentale de transducteurs « acoustiques » (capteurs et actionneurs, électro-, thermo-, opto-, et/ou iono- acoustiques), ainsi que sur le développement du traitement du signal associé. Les travaux menés dans ce cadre abordent à la fois des aspects fondamentaux (acoustique en cavité et en fluide dissipatif, interactions acousto-thermiques, interactions acousto-optiques, non linéarités acoustiques, traitement du signal avancé, ...) et des aspects technologiques (développement et caractérisation de transducteurs, développement d'outils de mesure, mise en place de process de micro-fabrication en salle blanche, implémentation d'outil de traitement du signal, ...).

Bien que l'Opération de Recherche « Traitement du Signal » soit hébergée dans l'Equipe TSMA, les travaux qui y sont menés (traitement et représentation de l'information, interaction entre modèles physiques et méthodes de traitement du signal, non-stationnaire, non-linéaire, séparation et identification d'ondes) trouvent de nombreuses applications en dehors du simple champ des transducteurs, et confèrent à cette Opération de Recherche un caractère transverse et commun aux trois équipes du LAUM.

Les noms des quatre autres Opérations de Recherche font référence aux applications visées : machines thermoacoustiques (OR TherMic), capteurs optiques de vibrations mécaniques (OR MOV) et acoustiques (OR VLD), microcapteurs acoustiques et thermiques et transducteurs divers (OR TAM). En ce sens, l'Equipe TSMA joue son rôle d'incubateur de projets; favorisant leur émergence et permettant leur développement. La création, l'évolution ou l'arrêt des Opérations de Recherche hébergées dans l'Equipe sont directement liés à l'existence de ces projets. Ainsi, l'OR VLD, dont l'activité à permis le développement et la caractérisation d'un capteur de vitesse particulaire aujourd'hui maîtrisé, est amenée à disparaître dès 2007 et à s'intégrer en totalité dans l'OR « Transducteurs Acoustiques et Métrologie ». Par ailleurs, l'essor de l'activité « Acoustique en cavité pour la métrologie fine », actuellement hébergée dans l'OR « Transducteurs Acoustiques et Métrologie », sera vraisemblablement amenée à se constituer en OR spécifique de l'équipe dans les années à venir.

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2.1 OR Thermoacoustique et microcapteursResponsable : Pierrick LOTTON

Permanents : Michel Bruneau (PR Emérite, 30%), Stéphane Durand (MCF, 70%), Etienne Gaviot (PR, 100%), Vitaly Gusev (PR, 10%), Nicolas Joly (MCF, 20%), Pierrick Lotton (CR CNRS, 60%), Guillaume Pénelet (MCF, 100%), Frederic Polet (MCF, 100%), Najat TAHANI (MCF, 30%).

Autres personnels : Lionel Camberlein (IGE,50%)

Non Permanents : Gaelle POIGNAND (ATER, 2005-2006), Qiu TU (PostDoc, 2005–2006)

Thèses soutenues : Mohamed AMARI "Etude des écoulements redressés en régime transitoire dans des résonateurs annulaires à ondes progressives et stationnaires" (mars 2004), Guillaume PENELET "Etude expérimentale et théorique des processus non linéaires de saturation dans un générateur d'ondes thermoacoustique annulaire" (Novembre 2004), Gaelle POIGNAND " Réfrigérateur thermoacoustique : étude du système compact et du comportement transitoire" (juillet 2006)

Doctorants : Nicolas PELLETIER "Microcapteurs à base de photonique intégrée sur matériaux polymères pour le développement de dispositifs dédiés aux mesures de pression et aux mesures de flux thermiques" (soutenance prévue en septembre 2006), Nicolas GIORDANI "Microsystèmes pour les mesures hygrométriques au sein de machines thermoacoustiques " (soutenance prévue en septembre 2007)

Bilan chiffré : 3 thèses soutenues, 2 thèses en cours, 17 RCL, 15 CCI, 15 CCN, 2 brevets, 1 enveloppe Soleau.

I Contexte et objectifsC'est en 1995 que des études analytiques et expérimentales sur la réfrigération acoustique sont entreprises au Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine, en collaboration, dès 1996, avec le Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique (LMFA) de l'Ecole Centrale de Lyon. Depuis 1999, les travaux sont menés suivant deux axes : d'une part l'étude des phénomènes transitoires et non-linéaires (acoustiques et thermiques) qui se développent dans les systèmes thermoacoustiques et, d'autre part, la miniaturisation de ces systèmes et le développement de capteurs miniatures qui en permettent la caractérisation et le contrôle.

L'ensemble des travaux de l'opération de recherche « thermoacoustique » a fait l'objet de 6 thèses (dont 3 soutenues au cours des 4 dernières années), de 29 articles dans des revues internationales à comité de lecture (17 au cours des 4 dernières années), du dépôt de 2 brevets et de nombreuses présentations dans des congrès d'acoustique, de physique non-linéaire, de microfluidique et de thermique.

Les travaux de l'opération de recherche « thermoacoustique » concernent aujourd'hui 9 permanents et 2 doctorants, et constituent, d’une part, un axe du Contrat de Plan Etat-Région "systèmes d’acquisition" du LAUM (développement de bancs de mesure spécifiques dédiés à des applications innovantes), et, d’autre part, une action prioritaire du Contrat de Plan Etat-Région "M3_18024 Micro_Cap_Ouest" sur le site de l'Université du Maine (réalisation de micro-machines et de micro-capteurs par technologie MEMS). En décembre 2005, un financement sur trois ans a été obtenu dans le cadre d'un contrat ANR (« MicroThermAc : Transports non linéaires de masse et de chaleur par effets thermo-acoustiques dans les micro-systèmes »).

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II.1- Effets non linéaires et transitoiresL'estimation des performances des systèmes thermoacoustiques repose essentiellement sur la théorie linéaire en régime stationnaire de la thermoacoustique, établie depuis plus d'une décennie, qui éclaire largement les processus mis en jeu dans ces machines, mais dont les résultats ne permettent pas de traduire réellement ceux qui résultent de l'observation en laboratoire. Des investigations sont poursuivies au LAUM pour tenter d'améliorer cette modélisation en usage, en introduisant, en particulier, les effets non linéaires associés aux niveaux sonores élevés, les effets de bord qui sont à l'origine de mouvements particulaires complexes (turbulences) et de non linéarités thermiques, ainsi que les conséquences des gradients thermiques non uniformes et de leur évolution dans le temps.

II.1.1- Générateur thermoacoustique annulaire

G. Penelet, V. Gusev [P30, P101, P102, P140, C53, C88, N5, N30, N31, N87]

Une partie des travaux concerne plus particulièrement l'étude des processus non linéaires responsables de la saturation en amplitude de l'onde acoustique générée dans un moteur thermoacoustique annulaire (les observations expérimentales restant, à l'époque à laquelle ces travaux ont été initiés, non seulement mal maîtrisées et limitées, mais encore inexpliquées en raison de l'absence de modèles pertinents en regard de la complexité des phénomènes). C'est ainsi que l'objet des travaux effectués ces 4 dernières années a été de répertorier expérimentalement, de classifier, d'interpréter de façon analytique et de modéliser les différents régimes transitoires dans un moteur thermoacoustique annulaire.

Les résultats expérimentaux, obtenus sous diverses conditions de chauffage, montrent des régimes transitoires complexes: régime périodique de déclenchement-arrêt de l'onde acoustique, oscillations basse-fréquence de l'amplitude de l'onde, double déclenchement de l'instabilité thermoacoustique... Ces observations, auxquelles sont associées des évolutions significatives du champ de température, indiquent qu'en plus des processus classiques de cascade harmonique ou de pertes de charge (génération de vortex) aux extrémités de l'empilement de plaques (stack) qui constitue le coeur des machines thermoacoustiques, les effets non linéaires d'interaction entre champ acoustique et champ de température jouent un rôle important sur la dynamique des régimes transitoires observés. En particulier, le développement d'un champ acoustique de niveau élevé est source d'un flux d'enthalpie thermoacoustique (équivalent à une augmentation acoustiquement induite de la conductivité thermique des parois du stack), et d'un vent acoustique modifiant la forme du champ de température.

Une étude analytique de l'influence de la forme du champ de température sur l'amplification thermoacoustique a été proposée, qui montre que la distribution du champ acoustique (pression, vitesse et phase), et par suite l'amplification thermoacoustique du son, dépendent de façon critique de la forme du champ de température. Une description analytique des effets non linéaires précédemment cités et de l'interaction en régime transitoire entre champ acoustique et champ de température a été également menée. Elle mène à des résultats de simulations très proches des résultats expérimentaux, confirmant ainsi le rôle majeur joué par la conductivité acoustiquement induite et le vent acoustique. De plus, cette étude a permis de démontrer, sous certaines circonstances, que l’effet de la convection forcée d’origine acoustique peut mener à une augmentation d’un facteur 2 du rendement d’un générateur d’ondes thermoacoustique annulaire (car la modification acoustiquement induite de la forme du champ de température a pour effet de modifier la phase entre les oscillations acoustiques et thermiques au sein du stack, et par là même de modifier le “cycle moteur” suivi par une particule de fluide oscillant au sein du stack).

Ces travaux ont été poursuivis par une étude expérimentale et analytique sur l’effet de l’ajout d’une membrane élastique dans le dispositif expérimental pour contrôler les effets du vent acoustique et tendre vers une optimisation du rendement de cette machine. Les résultats ont mis en évidence l’importance du choix de l’emplacement de la membrane, mais également l’apparition de nouveaux effets non linéaires (génération d’harmoniques impairs) dus à la membrane elle-même.

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II.1.2- Acoustitron

N. Joly, V. Gusev, M. Amari [P3, P42, C3, C4, N1]

La structure annulaire d'une machine thermoacoustique est particulièrement propice au développement d'un écoulement d'ensemble, encore appelé 'vent acoustique' ou 'streaming'. Cette mise en mouvement est provoquée par les phénomènes non linéaires essentiellement localisés dans les couches limites acoustiques, et peut à son tour modifier par effet convectif le champ thermique et le fonctionnement du système thermoacoustique.

Après une mise en équations des phénomènes non-linéaires sous une forme générale, le développement de l'écoulement moyen a été étudié en régime transitoire dans un résonateur acoustique de géométrie toroïdale en l'absence de stack, ce guide d'onde annulaire étant appelé 'acoustitron'. Le champ acoustique en présence de couches limites thermique et visqueuse étant la solution d'un modèle analytique, la mise en mouvement de l'écoulement a été étudiée analytiquement et numériquement, mettant en évidence un processus de diffusion de la quantité de mouvement depuis les couches limites acoustiques , siège des phénomènes non-linéaires à l'origine de l'excitation du mouvement moyen, qui aboutit à un écoulement stationnaire dans le tube annulaire. Le temps caractéristique de ce phénomène transitoire a été étudié en fonction des différents paramètres du système.

La modélisation de ces phénomènes par une méthode numérique a permi d'apprécier l'effet de l'introduction d'un stack dans l'anneau fluide. Outre l'étude de machines thermoacoustiques annulaires, cette modélisation présente un intérêt pour des applications en micro-fluidique.

II.1.3- Comportement transitoire d’un réfrigérateur à ondes stationnaires

P. Lotton, M.Bruneau, G. Poignand, V. Gusev [C56, N35, N36, N70]

La différence de température atteinte en régime établi dans un réfrigérateur thermoacoustique peut être estimée à partir de la théorie linéaire classique de la thermoacoustique, en faisant l’hypothèse qu’en régime établi le flux de chaleur créé par le processus thermoacoustique le long de l’empilement est entièrement compensé par le flux de chaleur du à la conduction thermique retour dans les plaques de l’empilement et dans le fluide compris entre ces plaques. La valeur théorique obtenue est généralement surestimée, et son expression doit alors être corrigée d’un coefficient phénoménologique pour correspondre aux résultats expérimentaux. Les causes de cette différence doivent certainement être recherchées dans les processus complexes d’échanges thermiques qui prennent place au niveau de l’empilement d’un système thermoacoustique. Ainsi, un modèle analytique du comportement en régime transitoire d’un réfrigérateur thermoacoustique a été mis en place, dans le cadre d’une théorie linéaire, qui, associé aux données expérimentales et numériques disponibles dans la littérature, permet d'apporter des éléments de réponse.

Ce comportement thermique transitoire est considéré ici comme l’effet résultant de la superposition de cinq phénomènes de transport de chaleur (le flux de chaleur du à l’effet thermoacoustique, la conduction retour dans l’empilement, la quantité de chaleur générée par les pertes visqueuses dans l’empilement, les fuites thermiques à travers les parois du résonateur et celles aux extrémités de l’empilement). Une équation de diffusion thermique est écrite, qui prend en compte l'ensemble de ces phénomènes. L'expression de l'évolution temporelle du profil de température le long de l'empilement est solution du problème constitué de cette équation de diffusion, associée aux conditions aux interfaces (aux extrémités de l'empilement et au niveau des parois du résonateur), et s'écrit sous la forme d'un développement sur la base des fonctions propres solutions du problème aux valeurs propres associé.

L'accord entre les résultats expérimentaux et ceux issus du modèle analytique est obtenu en ajustant les coefficients d'échange thermique apparaissant dans les équations de départ, et dont les valeurs pour le système étudié sont inaccessibles à l'expérience (seuls les ordres de grandeurs sont connus et respectés ici). Le modèle analytique ainsi ajusté permet alors de décrire l'évolution temporelle de la distribution de la température, et les rôles respectifs des différents phénomènes physiques mis en jeu sont clairement identifiés.

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II.2- Miniaturisation des systèmes thermoacoustiquesLa réduction de l’encombrement des systèmes thermoacoustiques (générateurs et réfrigérateurs, couplés ou non) a fait l’objet d’études qui restent pour l’heure le plus souvent limitées à des systèmes "décimétriques", réalisés suivant des procédés classiques. Des travaux sont menés au LAUM et au LMFA ayant pour objet d’entreprendre des études plus avancées, qui sont de nature à aborder directement les problèmes posés par l’extrême miniaturisation et à prendre éventuellement avantage de nouvelles possibilités que pourraient offrir les dimensions microscopiques du cœur actif de ces micro-systèmes.

En termes d’applications dans le domaine de l’évacuation de la chaleur des composants électroniques (notamment) et de la régulation en température sur des composants optoélectroniques, le procédé thermoacoustique interviendrait a priori en complément de ceux (micro-échangeurs à micro-canaux, micro-caloducs,…) en usage ou en cours d’étude. L’association des ces différents procédés, et leurs actions conjointes, devraient permettre l’accélération du transfert thermique entre le composant à refroidir et le micro-échangeur, et conduire finalement à un micro-échangeur thermoacoustique performant (en particulier moins consommateur d’énergie que le système à effet Peltier).

Ainsi, une partie des activités de l'Opération de Recherche « Thermoacoustique et Microcapteurs », amorce aujourd’hui une orientation vers l'extrême miniaturisation des systèmes thermoacoustiques. C'est l'objet du contrat ANR "MicroThermAc" obtenu en décembre 2005 dont les objectifs sont résumés ci dessous :

1. mener des investigations et faire des choix d’architecture adaptés à la miniaturisation et aux exigences des applications,

2. reprendre à ces échelles les études sur les phénomènes non linéaires , les couplages acousto-thermique, les effets de bord et autres phénomènes complexes qui apparaissent,

3. explorer de nouvelles voies concernant chacun des éléments constitutif d’une machine thermoacoustique : source acoustique, fluide de travail, stack et échangeurs,

4. adapter et réaliser une instrumentation spécifique à la « micro-thermo-acoustique ».Ces quatre actions de recherche sont détaillées ci-dessous.

II.2.1- Architectures adaptées à la miniaturisation

M. Bruneau, P. Lotton, E. Gaviot, V. Gusev, G. Poignand [P116, P145, C18, N4, N27, N78, B1]

Les réfrigérateurs thermoacoustiques classiques à ondes stationnaires, généralement constitués d’un résonateur demi-onde (ou quart d’onde) à l’intérieur duquel est disposé un empilement de plaques de longueur très inférieure à celle du résonateur, fonctionnent à leur première fréquence de résonance. Ainsi, l’amplitude relative et la phase relative de la pression acoustique et de la vitesse particulaire sont essentiellement imposées par la condition de résonance et ne correspondent pas nécessairement à une configuration optimale pour le processus thermoacoustique (le seul degré de liberté laissé à l’expérimentateur restant le niveau d’excitation de la source acoustique).

Par ailleurs, l'utilisation d'un résonateur implique la présence d'un volume “perdu”, correspondant au volume du résonateur inoccupé par le stack, qu’il conviendrait de supprimer dès lors qu’une réduction de l’encombrement des systèmes est recherchée.

Afin de s’affranchir de ces inconvénients (champ acoustique imposé par la condition de résonance, encombrement du au volume du résonateur), une solution est proposée qui consiste à remplacer le résonateur par une cavité dont les dimensions intérieures sont ramenées à celles du stack et dans laquelle les champs de pression et de vitesse particulaire sont créés de manière indépendante par un jeu de haut-parleurs (entre deux et quatre) placés et alimentés de manière à optimiser le processus thermoacoustique. La souplesse du processus de contrôle des amplitudes et phases des grandeurs acoustiques dans un tel réfrigérateur, dit «compact », doit pouvoir compenser largement les inconvénients liés à l’usage de plusieurs sources.

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L'étude théorique et expérimentale de ce système compact a été menée au LAUM. En particulier, un modèle analytique du comportement d'un tel système a été développé, et l'existence d'un champ acoustique optimal pour le processus thermoacoustique a été mis en évidence expérimentalement.

II.2.2- Phénomènes non linéaires aux micros échelles

G. Penelet, V. Gusev, N. Joly, P. Lotton, M. Bruneau

Outre l'adaptation aux micro-échelles des résultats obtenus lors de l'étude des phénomènes non linéaires dans les systèmes de grandes dimensions, des études ont débuté sur l’écoulement de fluide (compressible ou non) généré au moyen d’ondes acoustique de surface. Ces travaux préliminaires consistent à estimer la faisabilité et l’efficacité du transport de masse et/ou de chaleur induit par effet non linéaire à proximité d’une paroi solide soumise à une onde acoustique de surface et, par exemple, à un gradient de température (ou tout autre inhomogénéité nécessaire au développement de l’écoulement redressé). L’objectif visé concerne là encore l’évacuation de la chaleur des composants électroniques, mais aussi le développement de micro-pompes en vue d'application en micro-fluidique.

II.2.3- Miniaturisation des éléments constitutifs d'une machine thermoacoustique

L. Camberlein, E. Gaviot, S. Durand [C67]

Divers prototypes, essentiellement basés sur des configurations de stacks polymères, aux dimensions de plus en plus réduites ont été réalisés depuis 2002. De fait, en terme d'approche expérimentale, l'élément essentiel, à pourvoir d'une instrumentation de mesure thermique, est le stack, dont le comportement influence les performances globales de tout dispositif thermoacoustique de façon significative. Ainsi, la nature des matériaux et le dimensionnement font l'objet d'une expérimentation systématique au sein de divers prototypes dont la taille minimale est actuellement de quelques millimètres. La cartographie en temps réel du champ thermique est assurée à l'aide de microthermopiles intégrées au sein du stack, en vue d'étudier les régimes d'écoulement de la chaleur au cours du fonctionnement du système. Vis à vis de toute application thermoacoustique, la maîtrise du comportement de l'association "stack + échangeurs + charges thermiques" demande la caractérisation exhaustive de l'ensemble des paramètres (matériels et dimensionnels) mis en jeu. A cet effet, l'analyse des couplages, notamment entre stack et échangeurs, fait l'objet de développement d'une instrumentation dédiée à la mesure des flux thermiques mis en jeu.

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Prototype décimétrique de réfrigérateur thermoacoustique compact

II.2.4- Etude et développement de micro-capteurs

E. Gaviot, S. Durand, F. Polet, L. Camberlein, N. Giordani, N. Pelletier

II.2.4.1- Micro capteurs à base de photonique intégrée

E. Gaviot, B. Bêche, N. Pelletier [P6, P7, P46, P47, P74, P75, P124, P139, C5, C8, N51, C52, C63, C64, C86, C101, N29, B4, B7]

La photonique moléculaire a pour objet la conception, l'élaboration, la caractérisation et la mise en oeuvre de nouveaux matériaux, composants et systèmes à finalités capteurs et mesures, constitués de matériaux moléculaires et de polymères fonctionnalisés. Le travail réalisé au LAUM dans ce cadre porte sur des micro-composants intégrés, sur substrats hybrides polymères et siliciums, appliqués à la mesure des transferts thermiques et de pression.

Micro capteur de flux thermique

E. Gaviot, L. Camberlein, F. Polet, N. Giordani

l a d'abord été montré que, parmi différents polymères pouvant être utilisés pour la réalisation de micro-composants sur substrat polymères, le polymère SU-8 s'avère être un matériau des plus adaptés (simplicité de fabrication, pertes optiques faibles). C'est ce matériau qui est alors utilisé dans la réalisation des microcapteurs de flux thermique dont le principe repose sur la modulation d'intensité optique en sortie d'un interféromètre à deux ondes de type Mach-Zehnder (MZ), en relation avec le comportement thermique différentiel de ses deux bras.Une analyse préalable et approfondie de la propagation des ondes électromagnétiques dans des guides courbes et des structures complexes a tout d'abord été réalisée, permettant le dimensionnement des guides courbes, des S-bends et des jonctions Y qui assurent respectivement une séparation puis une recombinaison optimale des modes optiques.

Un premier micro-capteur thermo-optique a été ensuite conçu et réalisé sur la base de guides rubans monomodes TE00-TM00 sur substrat polymère SU-8. Tous les processus de fabrication en salle blanche de ces structures interférométriques ont été établis.

Ce micro capteur a été caractérisé à partir de la mesure des variations d'intensité en sortie de dispositif au regard des perturbations thermiques radiatives extérieures et en fonction du déphasage induit par ces dernières. Cette étude expérimentale a permis de montrer que la puissance optique en sortie évolue suivant une loi d'interférométrie à deux ondes subissant un déphasage de π radians dans la gamme des valeurs de sollicitations étudiée. Ainsi, ce travail de recherche ouvre la voie au développement d'une nouvelle approche de mesure de transferts thermiques par la voie utilisant la photonique intégrée.

Micro-capteur de pression

E. Gaviot, B. Beche, N. Tahani, N. Pelletier

L'étude d'un micro capteur opto-mécanique dédié à la mesure de pression a également été bmenée. Ce capteur est constitué d'un interféromètre de Mach-Zhender comportant deux bras dont l'un est soumis à un environnement sous pression, l'autre, non sollicité, étant considéré comme référence. Le bras dit sensible est positionné sur une micro-membrane usinée. La pression appliquée crée une déformation de cette membrane et donc du guide qui lui est solidaire, ce qui provoque une variation de chemin optique par rapport au chemin de référence. Cette différence de chemin optique entraîne la formation d’interférences en sortie du composant.

La variation de chemin optique dépend de la déformation de la membrane, c’est-à-dire de ses caractéristiques géométriques (largeur, longueur, épaisseur) puis des propriétés des matériaux. Il faut donc définir les dimensions adéquates de la plaque de manière à obtenir une variation d’intensité lumineuse optimale sur l’étendue de mesure de la pression recherchée. Pour cela, des modélisations analytiques puis des simulations

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numériques ont été effectuées. Sur la base des résultats issus de ces modélisations, de premiers prototypes ont été réalisés en salle blanche. Ces prototypes ont été caractérisés expérimentalement sur un banc de micro-positionnement optique : le micro-système est placé entre deux objectifs de microscope et est soumis à une différence de pression. Une variation de pression de 3 bars fait apparaître un déphasage de π radians entre les deux modes optiques se propageant respectivement dans les deux bras de l'interféromètre de Mach-Zehnder. La puissance optique mesurée en sortie de notre dispositif évolue donc en accord avec la théorie de l'interférométrie à deux ondes.

II.2.4.2- Micro systèmes thermoélectriques

E. Gaviot, L. Camberlein, N. Giordani, F. Polet, B. Bêche [P73, C75, C76, N49]

La caractérisation des échanges thermiques impliqués au sein des machines thermoacoustiques a conduit à développer une famille de dispositifs adaptés à la mesure des paramètres thermophysiques. Les premiers résultats concrets sont exploités dans le cadre des travaux de collaboration entre le LAUM et l'ECL de Lyon (ANR "05-BLAN-0016-02"). En premier lieu, depuis 2001, divers prototypes de fluxmètres thermiques (mesure des transferts par conduction) ont été réalisés, basés sur l'exploitation de structures de thermopiles planaires miniaturisées. Ces capteurs peuvent être élaborés sur des substrats composés soit de céramiques, de verre, ou de polymères (polyimide Kapton), et leur fabrication repose sur les procédés standards des microtechnologies disponibles au sein de la salle blanche de l'ENSIM. D'autre part, des capteurs d'humidité relative sont développés sur la base des principes psychrométriques, avec des résultats significatifs en terme de précision et de constante de temps. Une nouvelle approche basée sur la détermination du point de rosée est en cours d'étude. Au cours de l'année 2005, l'optimisation des structures de thermopiles, et leur aptitude intrinsèque à la mesure des échanges énergétiques, nous ont conduit à développer un microsystème original dédié au monitoring en continu de réactions biochimiques entre fluides interagissant à faible débits. Ce microsystème a fait l'objet d'un dépôt de brevet. Enfin, les mécanismes thermoélectriques (notamment les effets Seebeck et Peltier) peuvent être couplés aux microsystèmes à base de photonique intégrée ($ 4.1), pour le contrôle thermique de la propagation optique guidée. Le développement d'une nouvelle famille de capteurs fait l'objet d'une collaboration active entre l'IMN de Nantes (LPCM, UMR CNRS 6502) et le LAUM.

II.2.4.3- Microphones subminiatures

S. Durand, M. Bruneau, P. Lotton

Les activités se rapportant à cet axe du contrat ANR "05-BLAN-0016-02" apparaissent dans le rapport d'activité de l'Opération de Recherche « Transducteurs ».

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Capteur optique de pression (interféromètre de Mach-Zehnder)

III Mouvement de personnelOctobre 2004: Mutation de B. Bêche à l'IMN de Nantes, et montage de la collaboration LPCM-LAUM.

Septembre 2005 : recrutement de G. Pénelet sur un poste de Maître de Conférence

IV CollaborationsLMFA (ECL),

TREFLE (Bordeaux),

SRI (Irlande),

CVUT (Prague),

IMN (Nantes),

LPEC (Le Mans),

V ContratsCER SYSAC

CER Micro_Cap_Ouest

ANR MicroThermAc (ANR "05-BLAN-0016-02")

VI Perspectives L'étude des effets non linéaires se développant dans les systèmes thermoacoustiques de dimensions classiques (de l'ordre du mètre) reste un axe de recherche prioritaire. A titre d'exemple, une étude est actuellement en cours, qui vise à caractériser expérimentalement (par Anémométrie Laser Doppler) la structure du vent acoustique dans un résonateur annulaire où le champ acoustique est généré au moyen de deux haut-parleurs, permettant ainsi une validation des travaux théorique menés sur l'acoustitron.

Cependant, une large part des activités de recherche s'oriente clairement aujourd'hui vers l'extrème miniaturisation des systèmes, abordant ainsi des problématiques liées à la « micro-acoustique » et la micro-thermique, mais aussi à la micro-optique et la micro-fluidique.

Le savoir faire acquis au LAUM sur les plans théoriques et expérimentaux constituent une base solide quant au développement de méthodes de mesure et de systèmes innovants. Les équipements disponibles en salle blanche constituent une aide significative en terme d'approche expérimentale de l'optimisation des machines thermoacoustiques. Enfin, les résultats des collaborations mises en place depuis 2002, assurent le bien fondé des stratégies de recherche développées au LAUM visant à l'optimisation et la miniaturisation des dispositifs thermoacoustiques.

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2.2 OR Vélocimétrie Laser DopplerResponsable : Bruno GAZENGEL

Permanents : Bruno GAZENGEL (MCF, 60%), Olivier RICHOUX (MCF, 60%), Silvio MONTRESOR (MCF, 50%), Laurent SIMON (PR, 10%).

Non Permanents : Bertrand Leroux, Jean-Charles Geslin, David Chapalain (Ingénieurs d'étude CDD)

Thèses soutenues : A LE DUFF, Contribution à l'estimation paramétrique de signaux à variation sinusoïdale de la fréquence instantanée et à amplitude variable : application à l'anémométrie laser Doppler pour l'acoustique (juillet 2003), P ROUQUIER, Mesure de vitesses particulaires acoustiques en champ libre par vélocimétrie laser doppler : développement du banc de mesure et évaluation des performances (septembre 2004)

Doctorant : A DEGROOT, Détection de bouffées doppler par ondelettes. Application à l'étalonnage de microphones par Vélocimétrie Laser Doppler, soutenance prévue en octobre 2007.

Bilan chiffré : 2 thèses soutenues, 1 thèses en cours, 6 RCL, 4 CCI, 7 CCN..

I Contexte et objectifsL’anémométrie Laser à effet Doppler (ALD) ou Vélocimétrie Laser à effet Doppler (VLD) est un outil de mesure de la vitesse d’écoulement utilisé dans le domaine de la mécanique des fluides. Disponible dans ce domaine depuis une vingtaine d’années, cet outil est aujourd’hui appliqué à l’estimation de la vitesse acoustique et offre une alternative parfois incontournable dans de nombreuses situations aux systèmes classiques de mesure.

Le principe de la VLD consiste à estimer la fréquence d’un signal optique (dit signal Doppler) diffusé par des traceurs (particules) placés dans le milieu à caractériser, la vitesse des traceurs étant supposée identique à celle du fluide environnant. La fréquence du signal étant proportionnelle à la vitesse des traceurs, une analyse fréquentielle conduit à estimer la vitesse. De façon analogue, le déplacement particulaire peut être évalué en estimant la phase du signal optique recueilli par le système VLD.

Les travaux réalisés pour mesurer la vitesse particulaire acoustique par ALD portent en général sur trois aspects principaux.

1. La vitesse particulaire acoustique est mesurée dans le cas de grands déplacements particulaires et en présence d’un écoulement important. Ces travaux concernent les problèmes liés à l’aéroacoustique et à l’acoustique « fort niveau » en présence d’écoulement.

Les applications potentielles sont la caractérisation des sources aéroacoustiques et les propriétés acoustiques d’interfaces en présence d’écoulement.

2. La vitesse particulaire acoustique est estimée dans le cas de grands déplacements particulaires et en présence d’un écoulement faible. Dans ce cas, l’estimation de la vitesse permet la caractérisation de systèmes acoustiques fonctionnant un fort niveau (systèmes quasi non linéaires ou non-linéaires). Les applications sont par exemple la thermoacoustique, l’étude des écoulements redressés ou l’étude du rayonnement acoustique à fort niveau. Une partie des travaux du LAUM s’inscrit dans cette problématique.

3. La vitesse particulaire acoustique est estimée dans le cas de petits déplacements particulaires et en présence d’un écoulement faible, l’amplitude de la vitesse d’écoulement étant du même ordre de grandeur que celle de la vitesse acoustique. Cette problématique est liée à l’acoustique linéaire, notamment dans des cas nécessitant l’exploration de vitesses acoustiques particulaires en condition

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de champ libre. Les applications potentielles sont les mesures d’impédance, d’intensité ou l’holographie acoustique. Les travaux du LAUM s’inscrivent en grande partie dans cette thématique.

Dans ce cadre, l'objectif des travaux menés au sein de l'opération de recherche est de disposer d'un outil de mesure de la vitesse particulaire acoustique simple d'utilisation et dont la précision est connue. Les applications potentielles sont l'étude du rayonnement en champ libre (proche ou très proche) de structures vibrantes, l'étude de la propagation en conduit et notamment en présence d'écoulement faible (quelques metres par seconde) permettant de caractériser des discontinuités ou des traitements acoustique placés en paroi. Cet objectif implique le developpement d'un système qui puisse mesurer plusieurs composantes de la vitesse acoustique.

En outre ce système de mesure devra devenir à terme un outil accessible à l'ensemble des chercheurs du Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine et d'autres laboratoires.

II Bilan scientifique des 4 dernières annéeses activités menées au LAUM portent sur l’optimisation et la maîtrise du système optique, la mise en place d’outils de traitement du signal, la caractérisation du système de mesure, les applications à des problèmes d’acoustique intéressant des chercheurs du LAUM et d’autres laboratoires et la valorisation de l'outil de mesure.

II.1- Travaux d'Ingénierie

II.1.1- Système optique Les travaux menés sur le système optique ont permis la mise en place de la sonde à deux composantes par un ingénieur d'étude en CDD (financement CER systèmes d'acquisition). En outre, différentes méthodes d'étalonnage de la sonde ont été comparées pour estimer leurs précisions et facilité de mise en oeuvre. Ces méthodes sont aujourd'hui mises en oeuvre lors des expérimentations.

II.1.2- Système d'acquisition et de traitement Un nouveau système d'acquisition à haute fréquence d'échantillonnage est utilisé pour acquérir simultanément et de façon parfaitement synchrone le signal Doppler et d'autres signaux (pression, température, ...). Ce système est directement relié à un système de stockage des données de mesure. Les traitement de signaux développés dans les thèses de V. Valeau, S. Poggi, A. Le Duff [T3] et Ph. Rouquier [T13] sont disponibles sous forme d'un logiciel de traitement robuste utilisable par les expérimentateurs. Le travail de recherche portant sur la détection de signaux Doppler [C104] à partir d'une transformée en ondelettes est en cours d'implantation sur cette plateforme par un ingénieur financé par la région Pays de Loire (contrat état région Systèmes d'acquisition).

II.2- Traitement du signal Le traitement du signal doppler comprend trois étapes distinctes. La première étape consiste à détecter le passage des particules (bouffées) dans le volume de mesure pour des temps aléatoires. Dans un deuxième temps, le signal Doppler est démodulé (en fréquence) pour obtenir la fréquence instantanée. Enfin, l'amplitude de la vitesse d'écoulement et les caractéristiques (amplitude, phase) de la vitesse acoustique sont estimées.

II.2.1- Détection Le travail de thèse de A. Degroot [C103, C104] a permis de mettre en oeuvre une méthode de détection des signaux Doppler basée sur la transformée en ondelettes (en collaboration avec l'Opération de Recherche Signal). La transformée en ondelettes du signal doppler permet de localiser dans le plan temps-échelle les temps centraux et les temps de vol des bouffées doppler ainsi que les vitesses d'écoulement bouffée par bouffée.

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II.2.2- Démodulation, estimation. Le travail de thèse d'A. Le Duff [T3, N9, N40] a porté sur le développement d'un système de traitement de signal Doppler utilisant d'une part une approche temps-fréquence (dérivée de la phase du signal Doppler), d'autre part une approche paramétrique (filtrage de Kalman). Les performances de ces estimateurs sont évaluées à l'aide des bornes de Cramer Rao obtenues analytiquement dans le cas d'un signal doppler obtenu en présence d'écoulement et pour une excitation acoustique sinuoïdale. Les résultats obtenus sont très prometteurs dans le cas d'expériences réalisées avec un faible écoulement. Les méthodes développées pourraient assez rapidement être implantées sous forme d'un système temps-réel.

Une collaboration avec l'Ecole Supérieure d'Electronique de l'Ouest (ESEO, Angers) actuellement en cours permet d'étudier la faisabilité de la méthode de filtrage particulaire pour estimer des vitesses acoustiques avec des excitations acoustiques quelconques (shirp, bruit, ... ). Enfin une approche paramétrique a été développée pour estimer conjointement la vitesse d'écoulement et les caractéristiques de la vitesse acoustique (amplitude, phase) dans le cas d'une excitation sinusoïdale. Cette méthode permet d'élargir la dynamique de mesure en estimant des amplitudes de vitesses acoustiques de l'ordre du mm/s dans un écoulement de l'ordre de quelques m/s.

II.2.3- Signaux échantillonnés aléatoirement Un travail portant sur l'analyse de signaux échantillonnés aléatoirement (c'est le cas de signaux Doppler) est réalisé dans le cadre d'une collaboration entre le LAUM et le Trinity College de Dublin et a fait l'objet de deux publications [P63, P83].

II.3- Métrologie, instrumentation : Caractérisation de la sonde VLD.L'objectif de ces travaux consiste à déterminer la gamme de mesure de la sonde VLD pour mesurer des vitesses acoustiques en présence d'écoulement. Dans un premier temps, les performances du traitement du signal (biais et variance des estimateurs) sont évaluées à l'aide de méthodes numériques, dans un deuxième temps les caractéristiques (gammes de mesure, incertitudes) de la sonde sont étudiées expérimentalement.

Les performances de la démodulation (Transformée de Fourier à Court Terme) et de l'estimation des caractéristiques de la vitesse particulaire (détection synchrone) ont été évaluées à l'aide de simulations numériques (Monte Carlo) pour des configurations sans écoulement [P23] et avec écoulement faible [T13]. Il apparait qu'un travail plus complet prenant en compte toutes les étapes du traitement du signal (détection, démodulation de fréquence, estimation paramétrique) doit être mené. Ce travail est en cours dans le cadre de la délégation CNRS de B Gazengel, ce qui permettra de choisir une méthode de traitement possédant une erreur minimale.

La gamme de mesure et les incertitudes de la sonde VLD ont été étudiées en champ clos et sans écoulement en utilisant un traitement de signal alliant la TFCT et la détection synchrone. Dans ce cas, la gamme fréquentielle s'étend de 50 à 2000 Hz et la gamme d'amplitude est, pour les faibles niveaux, limitée à 1 mm/s.

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Caractérisation de la sonde VLD en présence d'écoulement faible.

L'incertitude est de l'ordre de 10 pourcent à 2000 Hz [P84]. Ce traitement du signal nécessitant au moins une période acoustique par bouffée, la présence d'un écoulement de faible amplitude (< 100 mm/s) en limite fortement Les performances aux basses fréquences [N40].

Ces premiers résultats montrent l'intérêt de développer un traitement du signal plus adapté (cf. § II.2.2) et de l'éprouver expérimentalement. Ces travaux vont être réalisés à l'aide d'un banc à faible écoulement permettant des mesures pour une gamme de vitesse d'écoulement allant de 50 mm/s à 4 m/s.

II.4- Application à l'acoustique

II.4.1- Caractérisation de systèmes thermoacoustiques Une collaboration récurrente existe entre les opérations de recherche VLD et "thermoacoustique et microcapteurs". Dans ce cadre, divers systèmes thermoacoustiques ont été caractérisés à l'aide de la VLD. D'une part, le champ de vitesses acoustiques a été mesuré en deux dimensions dans un réfrégirateur à quatre sources dans le cadre de la thèse de G Poignand. Les résultats obtenus montrent une bonne concordance avec le modèle théorique. D'autre part, les premiers travaux portant sur la caractérisation d'un moteur annulaire thermoacoustique ont été effectués en collaboration avec G Huelsz (CIE, Université du Mexique) lors de son séjour en tant que professeur invitée (septembre 2005). Les premiers résultats obtenus sont encourageants. Ils montrent qu'il est possible de mesurer la vitesse acoustique dans le moteur, l'amplitude de la vitesse mesurée étant en accord avec celle calculée dans le cadre de la thèse de G Penelet. Néanmoins, les conditions expérimentales (géométrie du moteur à section circulaire ne favorisant pas un alignement optique précis des faisceaux laser, présence d'un empilement obstruant le passage des particules utilisées comme traceurs, fonctionnement en auto-oscillations ne permettant pas une synchronisation stable dans le temps) ne permettent pas à l'heure actuelle d'estimer la vitesse d'écoulement avec suffisamment de précision.

II.4.2- Étude de rayonnement de structures Les premiers travaux concernant l'étude du rayonnement en champ libre de structures vibrantes par VLD ont porté sur l'étude du rayonnement d'un haut-parleur dans le cadre de la thèse de P. Rouquier [T13] et a fait l'objet d'une publication soumise à Acta Acustica. D'autre part le rayonnement d'un dipole acoustique et d'une plaque vibrante a été étudié. Ces travaux ont fait l'objet de deux congrès [N39, N53].

Dans la continuité de ces premiers travaux, un projet portant sur l'étalonnage de microphones par VLD est en cours de réalisation grâce à une collaboration effectuée avec l'université d'Edimbourg dans le cadre d'un PAI (Programme d'Action Intégrée). L'objectif de ce projet est d'étudier la faisabilité de l'étalonnage de microphones par VLD en estimant la pression acoustique au voisinage de la membrane grâce à des mesures de vitesses acoustiques. Les premiers résultats sont encourageants. Ils montrent qu'il est possible de

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Etalonnage de microphone en guide d'onde

caractériser par Vélocimétrie à Image de Particules (PIV) le champ de vitesse acoustique au voisinage de la membrane d'un microphone placé au sein d'un guide d'onde. En outre, les mesures réalisées à l'aide de la VLD au voisinage d'un microphone monté en paroi d'un guide d'onde montrent qu'il est possible d'estimer la pression agissant sur la membrane avec un biais de 0.08 dB par rapport à une mesure obtenue à l'aide d'un microphone de référence. Ces résultats ont fait l'objet d'une présentation orale au congrès français d'Acoustique [N55].

II.5- ValorisationUne action de valorisation est engagée dans le cadre du contrat Etat Région Systèmes d'Acquisition. Elle vise à développer un système de traitement du signal en temps réel pour à terme réaliser une sonde portable autonome permettant la mesure de vitesses acoustiques. Ce travail est effectué en collaboration avec l'ESEO et a fait l'objet d'une présentation à un congrès [N85].

III Mouvement de personnelBertrand Leroux : ingénieur d'étude CDD 1 an juin 2004- juin 2005.

Jean Charles Geslin : ingénieur d'étude CDD 2 mois septembre 2004- octobre 2004.

David Chapalain : ingénieur d'étude CDD 6 mois mars 2006- août 2006.

Délégation CNRS de B. Gazengel 2005-2007

IV CollaborationsEcole Supérieure d'Electronique de l'Ouest (ESEO), Angers : études de nouveaux traitements de signaux, valorisation de la sonde VLD (système temps réel)

"Acoustics and Fluid Dynamics Group" de l'université d'Edimbourg : Etalonnage de microphones : collaboration dans le cadre d'un Plan d'Action Intégrées "Alliance".

V ContratsContrat Etat Région "Systèmes d'acquisition", Région Pays de la Loire 2000-2006.

VI PerspectivesLa caractérisation et la finalisation de la sonde VLD est prévue pour la fin de l'année 2007, date à laquelle l'opération de recherche VLD prendra fin. A partir de cette date, la sonde VLD deviendra un outil dédié à l'ensemble des chercheurs du laboratoire.

L'étude du champ acoustique au voisinage d'une membrane de microphone par VLD sera poursuivie dans le cadre de l'opération de recherche "Transducteurs Acoustiques et Métrologie". Elle devra permettre d'estimer précisément la pression acoustique au voisinage d'un microphone et ainsi de procéder à un étalonnage en champ libre, ce qui permettrait de compléter les méthodes existantes.

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2.3 OR Transducteurs Acoustiques et MétrologieResponsable : Philippe BÉQUIN

Permanents : Ph. BÉQUIN (MCF, 80%), A.-M. BRUNEAU (PR émérite, 40%), M. BRUNEAU (PR émérite, 60%), S. DURAND (MCF, 30%), B. GAZENGEL (MCF, 20%), N. JOLY (MCF, 30%), G. LEMARQUAND (PR, 90%), P. LOTTON (CR CNRS, 30%).

Non Permanents : C. GUIANVARC'H (ATER, 2005–2006), V. JOLY (ATER, 2005–2006).

Thèses soutenues : G. LEMAÎTRE (CIFRE SCE Klaxon) «Etude perceptive et acoustique de nouveaux avertisseurs sonores automobiles (Avril 2004) ; C. GUIANVARC'H (CIFRE LNE) «la cavité de couplage acoustique dans la méthode de réciprocité : modèles analytiques pour l'étalonnage des microphones et la mesure d'impédances de petits composants" (Septembre 2005) ; V. JOLY (MENSR) «Etude de capteurs acoustiques à gaz ionisé» (Septembre 2006).

Doctorants : A RITTY (CIFRE ISL) «Etude d'une antenne paramétrique à cellules piézopolymères (PVDF)» (soutenance prévue début 2007) ; P. HONZIK (co-tutelle CVUT-Prague) «Microphones miniatures sur puce silicium» (soutenance prévue courant 2007) ; D. RODRIGUES (CIFRE LNE) «Méthode de réciprocité pour l'étalonnage absolu de composants électroacoustiques : applications aux microphones et aux petits éléments acoustiques des transducteurs audiométriques» (début novembre 2005). T. LE VAN SUU (BDI-CNRS-Région) «Etude et réalisations de microphones miniatures» (début novembre 2005).

Bilan chiffré : 3 thèses soutenues, 4 thèses en cours, 7 RCL, 4 CCI, 7 CCN, 2 brevets.

I Contexte et objectifsLes thèmes de recherche portent sur l'étude analytique, la modélisation (en faisant usage de méthodes numériques entre autres) ainsi que le développement et la caractérisation de capteurs et actionneurs de diverses natures (piézoélectriques, électrodynamiques, électrostatiques, ioniques, etc.). Ces travaux nécessitent, notamment, des études approfondies en fluides légers dissipatifs, qui prennent en compte divers effets "actifs", en particulier ceux des couches limites visqueuses, des couches limites thermiques, des gaz ionisés, et des couplages champs/parois. Les études fondamentales menées visent à décrire, de manière adaptée aux problèmes posés, des champs acoustiques en espaces infinis, en petites cavités et en résonateurs, des effets de non linéarités (de diverses natures), des effets thermiques, des effets de bord ...

Les applications touchent aux domaines de la métrologie fine (étalonnage de capteurs acoustiques, mesure de paramètres acoustiques), des capteurs spécifiques et des sources sonores (antennes, réfrigération acoustique, audio, gyromètres).

Le choix de ces thèmes, leur orientation et les travaux menés sont liés, en grande partie, aux transferts technologiques auxquels sont associés des organismes de recherche appliquée (CTTM, ISL, LNE, INM), aux collaborations extérieures (IEMN, IRCAM, LMA, Univ. de Prague) et aux collaborations internes (OR Thermoacoustique et microcapteurs, OR Traitement du signal, OR Vélocimétrie Laser Doppler, ...).

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II.1- Acoustique en cavité

II.1.1- Méthode de réciprocité pour l'étalonnage absolu de composants électroacoustiques : application aux microphones et aux petits éléments acoustiques des transducteurs.

M. Bruneau, A.-M. Bruneau, J.-N. Durocher (responsable du projet - Laboratoire National de Métrologie et d'Essais, LNE – Paris), C. Guianvarc'h (doctorante CIFRE 2002-2005, ATER 2005-2006, Post-Doc INM-CNAM, Paris 2006-2007), D. Rodrigues (doctorant CIFRE nov. 2005 -...). [P132, C77, N25, N81]

L'étalonnage primaire des capteurs acoustiques capacitifs (microphones) est assuré à l'heure actuelle par la méthode de réciprocité, retenue dans les normes en raison de la grande précision qu'elle autorise : par permutation circulaire de trois capteurs montés deux à deux en paroi d'une cavité, la seule mesure d'impédances électriques de transfert donne l'accès directe à l'étalonnage absolu de chacun des capteurs (qui servent alors d'étalons primaires). Cet “ absolu ” repose dans les faits sur le modèle d'ensemble “ cavité-microphone-électronique de conditionnement ”, dont la précision doit être compatible avec la précision des résultats de la mesure électrique directe. Ce n’est pas aujourd'hui le cas, qu'il s'agisse des modèles retenus pour les composants acoustiques du montage ou de ceux en usage pour les composants mécano-acoustiques (capsules microphoniques).

C'est ainsi que le LAUM et le LNE ont commencé des travaux qui ont pour objet d'apporter à terme des solutions au manque de précision actuel des modèles utilisés ; des modèles de champs acoustiques en fluides dissipatifs confinés qui améliorent largement ceux en usage ont été proposés dans le cadre de la thèse de C. Guianvarc'h ([P132] et [C. Guianvarch et coll. « Microphone reciprocity calibration: acoustic field in the coupler, quasi plane wave approximation », Acta-Acustica, Vol. 92 (2006), 345-354]. Ces travaux ont aussi pour objet d'apporter des solutions aux insuffisances en générale des modélisations des petits composants de l'acoustique et bientôt de la micro-acoustique (micro-composants et micro-capteurs MEMS). En particulier doivent être pris en compte dans les modèles les déformées des membranes des capteurs et leurs conséquences sur les comportements électroacoustiques (ce qui implique une modélisation nouvelle non locale), les phénomènes complexes aux discontinuités géométriques (tourbillons, pertes mineures, ...), les effets non linéaires, les couplages de modes si faibles soient-ils, ...

Par ailleurs, des techniques de mesure de propriétés acoustiques et géométriques des composants et mini-composants acoustiques ont été mises en place pour caractériser ces éléments qui entrent dans les systèmes de mesures acoustiques ; la méthode de réciprocité est adaptée à ces fins, ouvrant de la sorte la voie à des informations inaccessibles jusqu’à présent.

Ces travaux initiés dans le cadre de la thèse de C. Guianvarc'h, sont poursuivis dans le cadre de celle de D. Rodrigues (une publication soumise au J.Sound Vib.).

II.1.2- Modélisation numérique en fluide thermovisqueux

N. Joly, M. Bruneau [P09, P133, N68]

En complément des études analytiques sur l'acoustique des fluides thermovisqueux [P09], une formulation de l'acoustique linéaire a été établie sous une forme adaptée à une résolution numérique [P133]. Son utilisation permet de s'affranchir des simplifications habituellement nécessaires (géométrie simple, systèmes de grandes dimensions devant les épaisseurs de couches limites,...), et par suite elle permet d'envisager la modélisation des géométries complexes telles celles utilisées en micro-technologies, la description des conditions de couplage thermique ou vibroacoustique avec les parois, etc.

De premières applications numériques ont vu le jour [N68] et une collaboration est en cours sur ce sujet avec l'IEMN. Les solutions obtenues, notamment en couches limites, peuvent être utilisées pour étudier les

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phénomènes non-linéaires de transferts thermiques ou de quantité de mouvement pour des applications en thermoacoustique ou en micro-fluidique.

II.2- Capteurs acoustiques

II.2.1- Microphones miniatures sur puce silicium

S. Durand, P. Lotton, M. Bruneau, Z. Skvor (CVUT Prague), P. Honzik, T. Le Van Suu, C. Tellier (LCEP, Besançon). [N57]

Ce thème de recherche porte sur l'étude et la réalisation de maquettes de microphones miniatures pour la mesure de pression acoustique. Les applications industrielles visées couvrent un large spectre, depuis la métrologie fine jusqu'à l'équipement de terminaux mobiles. Ces capteurs font également l'objet d'études en vue de faciliter leur intégration dans les machines acoustiques miniatures en cours d'étude au laboratoire notamment dans le cadre du CER Micro_Cap_Ouest M3-18024 et de l'OR Thermoacoustique et microcapteurs.

L'étude des microphones à détection piézorésistive en silicium monocristallin a abouti à un modèle qui prend en compte les effets de l'orientation cristallographique des tranches choisies pour la réalisation de la membrane, les effets de l'orientation des éléments sensibles sur chaque tranche ainsi que ceux du couplage entre la membrane et la cavité arrière. Ceci a conduit à proposer une architecture à base d'éléments sensibles quadripolaires qui permettent de gagner un facteur de 30% sur la sensibilité par rapport à celles des éléments dipolaires classiques.

L'étude de nouvelles architectures pour les microphones miniatures capacitifs doit permettre d'en étendre la bande passante sans pour autant en dégrader la sensibilité. L'architecture retenue à l'heure actuelle est caractérisée par une électrode arrière parabolique et une cavité périphérique. Des modèles analytiques qui prennent en compte les effets de couches limites visqueuses et thermiques ont permis de dimensionner des maquettes de laboratoire. Des démonstrateurs de microphones à cavités périphériques et à électrode arrière plane (servant de référence) ainsi qu'à électrode arrière parabolique ont été réalisés dans le cadre de la thèse de Petr Honzik (co-tutelle de thèse Université du Maine – CVUT Prague). Une thèse est actuellement engagée (Thierry Le Van Suu – BDI CNRS – Région Pays de Loire) sur la poursuite de ces travaux en vue d'étudier de façon plus appronfondie et de réaliser des prototypes de ce type de microphones capacitifs, en vue de leur miniaturisation sur puce silicium en particulier.

II.2.2- Transduction ionique – capteurs à gaz ionisé

Ph. Béquin, Ph. Herzog (LMA) et V. Joly. [P08]

Ce thème de recherche, qui a débuté au laboratoire en 1991, traite de l'interaction réciproque entre un gaz ionisé et l'air environnant, en vue d'application à la transduction électroacoustique. Les études menées jusqu'en 2002 dans ce domaine (thèses Ph. Béquin [Sept. 94], V. Montembault [Déc. 97] et K. Castor [Sept. 01]) ont porté essentiellement sur la modélisation électrique et acoustique de haut-parleurs à gaz ionisé et sur la mise en place de dispositifs expérimentaux permettant la mesure fine de leurs caractéristiques électriques et acoustiques.

En octobre 2002 a commencé, avec la thèse de Vincent Joly, l'étude de capteurs ioniques (réciproques des transducteurs précédents) pour lesquels le gaz ionisé, créé au moyen de décharges électriques obtenues par application d'une haute tension entre une pointe et un plan, est utilisé comme un corps d'épreuve sensible aux perturbations acoustiques. Ces dernières modifient les comportements mécanique et électrique de l'air ionisé, entraînant une variation du courant électrique s'écoulant dans le montage. La mesure de la pression ou de la vitesse particulaire acoustique est obtenue en adaptant les configurations électrique et géométrique de la décharge au phénomène physique à observer, ainsi que le circuit de mesure du courant électrique.

Des capteurs de pression et de vitesse particulaire acoustiques ont été conçus et réalisés ; pour chacun d'eux des études analytiques ont conduit à un premier modèle décrivant leur comportement électroacoustique. Un banc de mesure instrumenté adapté à la caractérisation électrique et acoustique de ces nouveaux capteurs a

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été conçu et mis au point. Le potentiel important que présente ces capteurs dans les domaines de la mesure acoustique nous a amenés à prévoir une protection industrielle : un dossier de valorisation est actuellement en cours d'élaboration, ce qui implique de retarder la publication des résultats obtenus à ce jour.

II.2.3- Etude d'un capteur d'impédance compact pour caractérisation de matériaux aux basses fréquences

B. Gazengel et J.-P. Dalmont.

Dans le cadre d’un Programme de Recherche et d'Innovation dans les Transports Terrestres (PREDIT) portant sur le traitement acoustique des systèmes de motorisation automobiles, un capteur d’impédance acoustique a été développé au Centre de Transfert de Technologie du Mans (CTTM) puis au LAUM pour caractériser l’absorption acoustique de matériaux aux basses fréquences. L’avantage principal de ce capteur est de pouvoir caractériser l’impédance acoustique de matériaux aux basses fréquences bien qu'étant de petites dimensions, ce que ne permet pas le tube de Kundt. Un modèle physique a été établi et un prototype de capteur a été réalisé. Le travail à venir portera sur l’amélioration du modèle physique développé et de la technique d’étalonnage, et sur la caractérisation des erreurs et incertitudes de mesures liées aux propriétés du capteur.

II.3- Actionneurs acoustiques

II.3.1- Étude perceptive et acoustique de nouveaux avertisseurs sonores automobiles

B. Gazengel et G. Lemaître.

Ce travail a été réalisé dans le cadre d'une thèse CIFRE réalisée entre le LAUM, l'IRCAM et un industriel (SCE Klaxon) concevant et produisant des avertisseurs sonores électrodynamiques. Ce type d'avertisseur apparaît comme un nouveau produit dans le domaine de l'automobile puisqu'il permet de générer des sons préenregistrés et ainsi de personnaliser les avertisseurs pour les différents constructeurs. La première partie du travail, réalisée à l'IRCAM a porté sur l'étude psychoacoustique des sons d'avertisseurs et a permis de concevoir de nouveaux sons.

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Antenne paramétrique constituée de cellules émettrices en PVDF (dimensions : 210mm/297mm).

La deuxième partie, réalisée au LAUM, a porté sur le développement d'un modèle électroacoustique de l'avertisseur permettant de prédire la pression acoustique rayonnée par l'avertisseur en fonction des paramètres pertinents du système. Une méthode de mesure de ces paramètres (haut-parleur et charges acoustiques) a été développée et le modèle, prenant en considération des aspects de filtrage du haut-parleur et de perception en vue de restituer le signal sonore initialement conçu, a été validé pour des fréquences inférieures à 3000 Hz environ. Ce travail a fait l'objet d'une publication (G. Lemaître, B. Letinturier, B. Gazengel, “Electroacoustical model of an electrodynamic horn loudspeaker used as a new car horn”, Applied Acoustics, acceptée sous réserve de modifications mineures).

La société SCE Klaxon a ainsi pu finaliser un nouveau produit qui a obtenu une étoile du design décernée par l'Agence pour la Promotion de la Création Industrielle en novembre 2005.

II.3.2- Etude d'une antenne paramétrique constituée de cellules émettrices en PVDF

B. Gazengel, P. Lotton, P. Hamery (ISL) et A Ritty.

Dans le cadre d'un contrat entre l'Institut Franco-Allemand de Saint-Louis (ISL) et le LAUM, une étude portant sur une antenne paramétrique utilisant des transducteurs PVDF fait l'objet d'un travail de thèse. Cette étude porte sur la compréhension du fonctionnement électroacoustique d'une antenne constituée de plusieurs cellules émettrices. Ces cellules sont réalisées à l'aide d'un film PVDF placé devant une cavité mise en dépression. Le film PVDF forme alors une calotte hémisphérique et, sous l'action d'une tension électrique variant dans le temps, rayonne une pression acoustique. Le travail en cours consiste d'une part à développer et valider un modèle électroacoustique d'une cellule unique puis de l'antenne, et d'autre part à réaliser et caractériser une antenne paramétrique complète comprenant le traitement de signal adapté et le système électroacoustique.

II.3.3- Transducteurs électrodynamiques

G. Lemarquand [B5, B6]

Les activités consacrées aux transducteurs électrodynamiques ont été relancées avec l'arrivée, en juin 2005, de Guy Lemarquand. Ces études portent principalement sur les différentes non-linéarités associées au fonctionnement des haut-parleurs (non-linéarités magnéto-mécaniques, non-linéarités mécaniques de l'équipage mobile). Des études analytiques et expérimentales relevant des domaines de l'électromagnétisme et de l'acoustique ont conduit à la réalisation de structures originales de transducteurs électrodynamiques: moteurs sans fer, équipage mobile guidé par un ferrofluide, moteurs à grandes vitesses de déplacement (ces transducteurs ont fait l'objet de deux brevets).

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Haut-parleur avec moteur sans fer et équipage mobile guidé par un ferrofluide.

III Mouvement de personneljuin 2005 Arrivée de G. Lemarquand

septembre 2005 délégation CNRS B. Gazengel (2 ans)

IV CollaborationsLe Centre de Transfert de Technologie du Mans (CTTM).

Laboratoire d'Acoustique de l'Université Technique de Prague (CVUT).

L'Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN).

Institut National de Métrologie (INM).L'IRCAM.

L’Institut franco-allemand de Saint Louis (ISL).

Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique (LMA - Marseille).

Laboratoire National de Métrologie et d’Essais (LNE),

V Contrats1. Contrat d'accompagnement de la thèse G. Lemaître (IRCAM, SCE Klaxon), octobre 2000 – avril

2004 (B. Gazengel).

2. Contrat d'étude : sous traitant du CTTM pour un contrat avec SCE Klaxon, groupe FIAMM en 2005 (B Gazengel, J Gilbert).

Part I : Prediction of the acoustic pressure radiated by electromagnetic car horns : feasibility study.

Part II : Prediction de la pression acoustique rayonnée par un avertisseur électromagnétique : logiciel de simulation.

3. Contrat d'accompagnement de la thèse de C. Guianvarc'h (LNE), décembre 2002- novembre 2005 (M et A-M Bruneau).

4. Contrat d'accompagnement de la thèse de D. Rodrigues (LNE), novembre 2005- octobre 2008 (M et A-M Bruneau).

5. Contrat d'accompagnement de la thèse A. Ritty (ISL), octobre 2003 – mars 2007 (B. Gazengel, P. Lotton).

VI PerspectivesL'acoustique des cavités continue son essor sous l'impulsion de M. et A.-M. Bruneau (Professeurs Emérites) avec la poursuite de l'activité liée à l'étalonnage des transducteurs (thèse CIFRE - LNE, D. Rodrigues) et l'activité associée à la mesure de la constante de Boltzmann (post-doc C. Guianvarc'h, INM-CNAM) ainsi qu'un projet de transfert de technologie en gyrométrie acoustique (ces trois projets sont présentés ci-dessous). Dans chacun de ces projets, la complexité des phénomènes mis en jeu nécessite de mener des études analytiques, numériques (N. Joly) et expérimentales, et nécessite de prévoir diverses collaborations internes (OR thermoacoustique et microcapteurs, OR vibroacoustique des structures) et externes (IEMN, LNE, INM-CNAM, CTTM) en fonction des compétences recherchées.

L'étude de haut-parleurs spécifiques pour les avertisseurs sonores (B. Gazengel) est prolongée (thèse CIFRE - société SCE Klaxon, LAUM) ; l'intégration d'un nouveau collègue (G. Lemarquand) compétent dans les domaines relevant de l'électromagnétisme permet de relancer les activités liées aux transducteurs électrodynamiques (thèse CIFRE). Les capteurs à gaz ionisés (Ph. Béquin) devraient s'ouvrir au monde industriel avec la demande de valorisation en cours mais aussi évoluer et être intégrés dans un microsystème

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qui soit à la fois actionneur et capteur (pression et vitesse particulaire acoustiques). Les actions d'optimisation et de miniaturisation des transducteurs (S. Durand) faisant usage de procédés relevant des microtechnologies se poursuivent ; elles comptent parmi les objectifs affichés des différents domaines développés dans cette opération de recherche. Ces divers projets sont décrits ci-dessous.

VI.1- Méthode de réciprocité pour l'étalonnage absolu de composants électroacoustiques : application aux microphones et aux petits éléments acoustiques des transducteurs.

M. Bruneau, A.-M. Bruneau, J.-N. Durocher (responsable du projet, LNE, Paris), C. Guianvarc'h, D. Rodrigues (thèse CIFRE).

Le projet de recherche proposé porte sur l’amélioration des méthodes analytiques en usage, la mise en place de méthodes numériques inexistantes à l’heure actuelle, l’adaptation des techniques de mesure utilisées et l’évolution des méthodes de traitement des signaux de mesures pour la caractérisation fine des capteurs acoustiques (étalons primaires absolus) et celle des éléments acoustiques miniatures omniprésents, en prévision en particulier de l’extrême miniaturisation par procédés MEMS attendue dans un avenir proche. Les enjeux industriels et par-delà économiques de ce projet sont importants car liés à la normalisation internationale et à la place dans la décennie qui vient de la métrologie française.

VI.2- Vers une redéfinition du kelvin : nouvelle mesure de la constante de Boltzmann par études des résonances acoustiques des gaz en domaine sphérique.

M. Bruneau, A.-M. Bruneau, L. Pitre (responsable du projet, INM-CNAM, Paris), C. Guianvarc'h (Post-Doc INM-CNAM).

Ce projet de recherche porte sur l’amélioration des méthodes analytiques en usage, la mise en place de méthodes numériques inexistantes à l’heure actuelle, pour la mesure des paramètres de propagation acoustique dans les gaz confinés en vue de l'accès aux propriétés thermophysiques de ces gaz. Il porte plus particulièrement ici sur la mesure de la célérité acoustique en résonateur sphérique en vue d’améliorer la précision sur la valeur de la constante de Boltzmann et consécutivement de redéfinir l’échelle de température absolue (à horizon 2011).

VI.3- Gyrométrie acoustique : projet de transfert de technologie.M. Bruneau, N. Tahani. (en discussion avec un constructeur automobile et le CTTM).

Un projet de développement est envisagé par un constructeur automobile, qui doit passer par le CTTM et qui s'appuiera sur l'expertise du laboratoire. Un article (2 pages) sera publié en 2007 dans les Techniques de l'Ingénieur.

VI.4- Microphones miniatures.S. Durand.

Dans le cadre de la création d'une fédération de recherche entre le LAUM, le CVUT, le LEA et l'IEMN, trois projets portant sur l'acoustique en petite cavité et les microphones miniatures sont engagés : (i) création d'un code de calcul numérique prenant en compte les effets thermiques et visqueux dans les couches limites (attendu en acoustique miniature et microfluidique), (ii) modélisation et réalisation de microphones à électrode arrière de forme parabolique (microphones miniatures en silicium), (iii) modélisation et réalisation de microphones à membrane polymère électroactive.

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VI.5- Capteurs d'impédance aux basses fréquences pour matériaux acoustiques.

B. Gazengel, J.-P. Dalmont.

Les travaux entrepris sur le capteur d'impédance compact seront poursuivis pour aboutir à un capteur fonctionnel. Le capteur sera optimisé pour la mesure d'impédance en basses fréquences (20 – 100 Hz). La validité des mesures obtenues à l'aide de ce capteur sur des matériaux absorbants de natures diverses sera établie par comparaison avec des mesures de référence obtenues à l'aide de techniques classiques (tube de Kundt). En fonction des résultats obtenus, une valorisation du capteur pourrait être envisagée en partenariat avec le Centre de Transfert de Technologie du Mans (CTTM). Une étude sera menée sur les performances en basses fréquences d'un capteur d'impédance intégrant une sonde de Vélocimétrie Laser Doppler (développée dans le cadre de l'OR VLD) en vue de disposer d'un capteur de taille réduite en comparaison des dimensions des moyens d'essais actuels pour les mesures d'impédance de matériaux en basses fréquences.

VI.6- Capteurs acoustiques à gaz ionisé.Ph. Béquin, Ph. Herzog (LMA).

Au terme de l'étape sur l'étude des capteurs à gaz ionisé (pression et vitesse particulaire acoustiques) des outils théoriques et expérimentaux rudimentaires sont disponibles. La poursuite de ce projet de recherche prévoit plusieurs étapes : (i) un travail analytique sur la modélisation électroacoustique des décharges électriques devra être mené afin de prendre en considération une plus grande complexité des phénomènes physiques mis en jeu (interactions entre l'air et le gaz ionisé, réciprocité des phénomènes), (ii) les configurations électrique et géométrique des décharges devront faire l'objet d'une optimisation de manière à élargir la gamme de mesure et la dynamique des capteurs, (iii) développer une configuration de transducteur ionique qui puisse être capteur ou actionneur pour des applications en cavité ; (iv) la miniaturisation de ces transducteurs doit aboutir, dans le cadre d'une collaboration avec nos collègues des micro technologies, sur le développement de systèmes à micropointes pour la génération du gaz ionisé.

VI.7- Avertisseurs sonores pour automobile.B. Gazengel, J. Gilbert.

Le travail (thèse CIFRE) mené dans le cadre du contrat avec la société SCE Klaxon sur la modélisation des avertisseurs sonores sera divisé en deux parties : (i) comprendre et modéliser les phénomènes particuliers qui régissent les comportements mécanique et électrique des avertisseurs excités par une tension à moyenne non nulle ; (ii) estimer le mouvement de la membrane de l'avertisseur fonctionnant en auto-oscillations en faisant usage de la méthode de l'équilibrage harmonique développée dans le cadre de l'OR Physique des Instruments de Musique. Ces travaux doivent aboutir à terme à la réalisation par l'entreprise d'un système d'optimisation permettant de réduire l'encombrement, la masse et le coût des avertisseurs.

VI.8- Haut-parleurs électrodynamiques.G. Lemarquand, L. Simon, P. Lotton, Ph. Béquin, B. Merit (thèse CIFRE).

Le projet de recherche porte sur l'amélioration des haut-parleurs électrodynamiques à moteur sans fer et à suspensions ferrofluides pour lesquels deux brevets ont été déposés : (i) dans le cadre d'une collaboration avec un fabricant d'enceinte (thèse CIFRE) des travaux analytiques et expérimentaux seront menés sur des structures de moteurs sans fer et des équipages mobiles ultra légers en vue de concevoir des haut-parleurs de grave ayant un fort rendement et un faible taux de distorsion, (ii) l'optimisation de ces transducteurs électrodynamiques implique de réduire les sources de non linéarité et de rechercher des protocoles de caractérisation des sources de non linéarités en faisant usage d'outils de description adaptés issus du traitement du signal (L. Simon) ; (iii) en collaboration avec l'ENSTA (N. Quaegebeur et A. Chaigne), des études analytiques et numériques sur le comportement des surfaces émissives associées aux haut-parleurs seront conduites afin de maîtriser leur comportement non linéaire et d'améliorer leur rendement électroacoustique.

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2.4 OR Traitement du signalResponsable : Laurent SIMON

Permanents : C. DEPOLLIER (PR, 30%), S. MONTRÉSOR (MCF, 40%), L. SIMON (PR, 80%), J.H. THOMAS (MCF, 30%)

Thèses soutenues : A LE DUFF, Contribution à l'estimation paramétrique de signaux à variation sinusoïdale de la fréquence instantanée et à amplitude variable : application à l'anémométrie laser Doppler pour l'acoustique (juillet 2003), J. BERNARD, Représentations temps-fréquence adaptées pour la caractérisation de la dispersion d'ondes acoustiques propagées à travers les matériaux poreux (2005), B. TEYSSANDIER Analyse dans l'espace des phases de champs acoustiques. Application aux guides d'onde de section variable et espaces clos (Septembre 2004).

Doctorants : J. Cuenca (coll. OR VS, MENR, début 2006), A. Degroot (coll. OR VLD, MENR, début 2004), M. Khelil (co-tutelle CRST en Soudage et Contrôle, Alger, et coll. OR ECND, début 2006), A. Novak (co-tutelle CVUT, Prague, et coll. OR TAM, début 2006), A. Marec (coll. OR ECND, MENR, début 2005), A. Roux (coll. OR CND, MENR, début 2004).

Bilan chiffré : 3 thèses soutenues, 6 thèses en cours, 4 RCL, 5 CCI, 1 CCN

I Contexte et collaborationsLes recherches menées en traitement du signal s'inscrivent, depuis l'origine de ce thème scientifique au LAUM, dans un contexte de collaborations internes et externes au LAUM. Les actions développées en interne sont naturellement à l'interface de plusieurs opérations de recherche (OR).

En interne, l'objectif essentiel de l'OR « Traitement du Signal » est de fournir aux membres du laboratoire des outils performants de traitement du signal, outils incluant dans la mesure du possible les connaissances physiques à disposition.

En externe, les membres de l'OR collaborent soit pour développer de nouvelles compétences, soit pour transférer – dans le cadre de nouvelles applications – des compétences existantes. L'essentiel des travaux s'inscrit dans un contexte expérimental, contexte dans lequel il est possible d'injecter dans le traitement du signal dédié des a priori physiques issus du modèle physique sous-jacent.

Les activités de l'OR « Traitement du Signal », en lien avec d'autres OR du LAUM, sont présentées ci-après par Equipe, puis par OR. L'objectif est de synthétiser les nombreux projets développés au LAUM, en présentant le titre du projet, ses mots-clés, le contexte, les participants et la situation en 2006.

Une grille de lecture complémentaire permet de distinguer trois niveaux d'investissement de l'OR Signal dans chacun des thèmes décrits ci-dessous:

1. un niveau «développement » (acquisition de compétences dans un domaine nouveau, thèmes 1A et 2A),

2. un niveau « confirmation » (adaptation d'outils connus à de nouveaux problèmes à fort potentiel, thèmes 2B, 2C, 3B, 3C),

3. un niveau « transfert » (application d'outils maîtrisés à des problèmes spécifiques, thèmes 2D et 3A).

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I.1- Equipe « transducteurs, méthodes, signal et applications ».

I.1.1- Coll. OR TAM Thème 1A : évaluation objective de systèmes non-linéaires : applications au multimedia, à l'audio et aux systèmes électroacoustiques

Mots-clés : séries de Volterra, systèmes MISO directs ou inversés (direct or reverse path), modèles EM équivalents

Contexte : thèse A. Novak (début : 09/2006), co-tutelle Prague (CVUT) – Le Mans

Participants : (encadrement thèse Novak) A. Kadlec (CVUT), L. Husnik (CVUT), L. Simon, P. Lotton,

Situation : travaux ayant débuté en 09/2006, en cours.

I.1.2- Coll. OR VLD Thème 1B : estimation de paramètres acoustiques et d'écoulement en contexte harmonique

Mots-clés : détection par ondelettes, temps-fréquence, Kalman, algorithme LMS

Contexte : thèse A. Le Duff (soutenue 07/2003), thèse A. Degroot (début : 10/2004)

Participants : (encadrement thèse Le Duff) J.Ch. Valière (LEA Poitiers), B. Gazengel, G. Plantier (ESEO Angers) ; (encadrement thèse Degroot) B. Gazengel, O. Richoux ; (autres participants au projet) S. Montrésor, L. Simon,

Situation : travaux prolongeant des études antérieures, en cours.

Thème 1C : estimation de paramètres acoustiques et d'écoulement en contexte non harmonique

Mots-clés : filtrage particulaire, échantillonnage aléatoire

Contexte : extensions du projet VLD (partie traitement du signal)

Participants : J. Fitzpatrick (TCD Dublin), G. Plantier (ESEO), L. Simon,

Situation : travaux ayant débuté en 06/2006, en cours.

I.2- Equipe « Acoustique et mécanique des matériaux ».

I.2.1- Coll. OR ECND Thème 2A : identification et séparation d'ondes en CND par des méthodes de déconvolution

Mots-clés : déconvolution impulsionnelle

Contexte : thèse A. Roux (début : 10/2004)

Participants : C. Potel, L. Simon, J. Idier (IRCCyN)

Situation : travaux ayant débuté en 2004, en cours.

Thème 2B : descripteurs optimaux pour l'émission acoustique

Mots-clés : temps-fréquence, temps-échelle

Contexte : thèse A. Marec (début : 10/2005)

Participants : R. El Guerjouma, J.H. Thomas

Situation : travaux ayant débuté en 2005, en cours.

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I.2.2- Coll. OR CAMMP Thème 2C : propagation dans les matériaux poreux à partir de représentations temps-fréquence

Mots-clés : temps-fréquence, Power Classe, entropie

Contexte : thèse J. Bernard (thèse soutenue 06/2005)

Participants : C. Depollier, S. Montrésor, J.H. Thomas

Situation : travaux en cours de publication.

Thème 2D : Fourier fractionnaire

Mots-clés : Fourier fractionnaire

Contexte : suite des travaux post-doctoraux G. Gonon,

Participants : C. Depollier

Situation : travaux publiés.

I.3- Equipe « Ondes et propagation ».

I.3.1- Coll. OR PIM Thème 3A : Vibrato du saxophone

Mots-clés : Temps-fréquence, modèle physique

Contexte : stage DEA J. Terroir

Participants : J. Gilbert, L. Simon


I.3.2- Coll. OR ACTE Thème 3B : Analyse dans l'espace des phases de champs acoustiques

Mots-clés :Transformées espace-nombre d'ondes, espace des phases

Contexte : thèse B. Teyssandier (soutenue 09/2004)

Participants : V. Pagneux, L. Simon


I.3.3- Coll. OR Vibroacoustique Thème 3C : Analyse dans l'espace des phases de champs vibratoires

Mots-clés : analyse de Birkhoff, sources images

Contexte : thèse J. Cuenca (début : 10/2006)

Participants : F. Gautier, L. Simon

Situation : travaux prolongeant les recherches du thème 3B, en cours.

I.4- Collaborations nationales et internationales (hors LAUM)IRCCyN, Nantes (J. Idier)

LISA (D. Rousseau)

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CVUT, Prague (F. Kadlec, L. Husnik)

TCD, Dublin (J. Fitzpatrick)

ESEO, Angers (G. Plantier)

LEA, Poitiers (J.Ch. Valière)

CRST en Soudage et Contrôle, Alger (Mme M. Boudraa)

II Bilan des activitésLes activités sont ici décrites thématiquement suivant : II.1 Non-stationnaire, II.2. Non-linéaire, II.3 Echantillonnages non réguliers, II.4 Autres thématiques : Détection, séparation, diagnostic, Fourier fractionnaire, en termes de besoins, d'outils et d'applications.

II.1- Approches « non-stationnaires » pour la caractérisation de signaux en acoustique et en vibrations

II.1.1- « non-stationnaire » en temps-fréquence Besoins liés à la caractérisation fine de signaux dont certains paramètres évoluent dans le temps. Ce type d'approches est d'un intérêt tout particulier lorsque le modèle d'évolution (temporelle) de ces paramètres est disponible. Les méthodes développées (ou appliquées) dans l'OR permettent d'estimer la fréquence instantanée, paramètre qui concentre l'essentiel de l'information à estimer. Pour l'outil, il convient de distinguer les développements autour des méthodes « temps-fréquence » classiques (classe de Cohen et autres classes) et les approches dites paramétriques (filtrage de Kalman par exemple).

Outils : Méthodes « temps-fréquence » non-paramétriques (classe de Cohen, Power Class, ...) et paramétriques (Kalman étendu, filtrage particulaire).

Applications : VLD [Thème 1B, P31, P69, T3] (estimation de fréquence instantanée de forme sinusoidale, sur des intervalles de temps pouvant être « courts » au regard des périodes acoustiques mises en jeu), apport des représentations temps-fréquence pour la mesure de loi de dispersion dans des milieux complexes de propagation [Thème 2C, N3, N16, C35, C66, T18] (matériaux poreux par exemple), estimation des lois de variation de signaux de type vibrato [Thème 3A, P85] (modulations harmoniques d'amplitude et de phase).

Exemple : Les travaux de thèse de J. Bernard [T18] ont porté sur la caractérisation de la propagation des ondes acoustiques dans les matériaux poreux à partir de représentations temps-fréquence adaptées aux propriétés de ces matériaux. L’objectif est d’estimer la loi de dispersion ou loi de retard de groupe mise en jeu permettant ainsi d’affiner un modèle de propagation développé au laboratoire. J. Bernard a proposé une méthode basée sur une classe de représentations temps-fréquence paramétrables suivant les caractéristiques

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Transformée temps-fréquence d'un signal de sortie expérimental au travers d'un matériau dispersif (poreux)

du milieu dispersif : la classe des distributions en puissance (Power-class). La méthode est appliquée à un signal issu de la propagation d’une impulsion dans un matériau dispersif. Après obtention de plusieurs représentations temps-fréquence du signal par la classe en puissance, en faisant varier le paramètre de phase, la représentation la plus pertinente est sélectionnée à partir d’une mesure d’entropie. Finalement la représentation choisie permet de déterminer la loi de retard de groupe du signal transmis dans le matériau poreux.

II.1.2- « non-stationnaire » en espace–nombre d'onde Besoins liés à la caractérisation « locale » (analyse dans l'espace des phases) de champs acoustiques ou vibratoires par des outils dérivés des outils d'analyse temps-fréquence.

Outil : transformée de Fourier à court terme appliquée localement sur une surface de l'espace (Fourier local) ou sur une courbe de l'espace (analyse de Birkhoff).

Applications : propagation guidée [Thème 3B, P112, T11], estimation de lois de dispersion dans des guides [Thème 3B, T11], dynamique des structures [Thème 3C].

Exemple : Le travail de thèse de B. Teyssandier [T11] a consisté à étudier le caractère local de champs acoustiques bidimensionnels, en régime harmonique, au moyen de représentations conjointes (espace – nombre d'onde). Trois applications relevant de la propagation guidée ont été développées. Dans l'étude de guides droits ou à changement brusque de section, des approches « spectre local » et « analyse de Birkhoff » ont été comparées, permettant par exemple d'illustrer des phénomènes de type « galerie d'écho » ou « ondes diffractées ». Dans un second temps, le principe de la réallocation a été développé pour l'étude de champs dans des structures closes ou billards. La réallocation permet alors une localisation fine dans l'espace des phases, de caractéristiques « locales » de champs comme les cicatrices. Enfin, l'analyse locale de guides à section variable par de tels outils a permis d'estimer les lois de dispersion de chacun des modes présents dans le guide.

II.2- Systèmes non-linéaires

II.2.1- Pour l'identification de systèmes Besoins liés à l'analyse de systèmes non-linéaires. Soit on cherche à identifier des paramètres attendus (non-linéarités en puissance 2 par exemple), soit on ne connaît rien (ou presque) des non-linéarités du système sous analyse. Intérêt tout particulier quand on dispose d'un modèle physique.

Outils : séries de Volterra, configurations MISO directes ou inverses (direct/reverse path).

Applications : identification de systèmes non-linéaires électroacoustiques et multimedia [Thème 1A].

Exemple : les systèmes électroacoustiques sont composés d'éléments qui rendent leur comportement non-linéaire. Certains de ces éléments ont fait l'objet d'études qui ont permis de modéliser leurs non-linéarités. L'objet du travail de la thèse de A. Novak est d'analyser le potentiel des méthodes d'identification de systèmes non-linéaires sur des systèmes à complexité croissante.

II.2.2- Pour l'analyse de signaux Besoins : un signal est analysé au travers d'un système (par exemple de mesure) connu qui en effectue une opération non-linéaire. Comment à partir du signal mesuré déduire le signal original ?

Outils : formalisme d'état, Kalman étendu, filtrage particulaire.

Applications : ALD en contexte non harmonique [Thème 1C].

II.3- Signaux non-régulièrement échantillonnésBesoins liés au fait que les signaux d'acquisition peuvent être échantillonnés irrégulièrement. Comment

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estimer les paramètres du signal, à partir de données échantillonnées irrégulièrement ? Dans le cadre de l'identification de systèmes linéaires, comment, en accédant à 2 signaux échantillonnés irrégulièrement, estimer les interdépendances (interspectres, cohérence, etc...) ?

Outils : reconstruction et compensation (point de vue discret), déconvolution.

Applications : ALD en contexte « écoulement pur » [Thème 1C, P63, P83].

II.4- Autres thématiques

II.4.1- Partie « détection » Besoin : Des signaux de mesure à support temporel court et à temps d’arrivée inconnu sont noyés dans un bruit de fond à caractéristique stationnaire. On cherche à déterminer avec précision et selon un degré fixé les caractéristiques temporelles de leur distribution d’énergie. Un processus de décision permet de sélectionner les différents types d’évènements d’après leurs caractéristiques temps-fréquence.

Outil : L’outil retenu est la transformée en ondelettes pour ses propriétés bien connues de bonne localisation temporelle. La détection est réalisée par la comparaison de scalogrammes de bruit seul et de signal bruité.

Application : détection de bouffées dans le cadre de la VLD [Thème 1B, C103, C104].

Exemple : Dans le cadre de la thèse d’Anne Degroot, un détecteur a été réalisé pour analyser les signaux doppler issus du banc de vélocimétrie laser. L’objectif est de pouvoir identifier les bouffées de particules traversant le volume de mesure de façon à optimiser l’estimation des paramètres reliés à la vitesse acoustique des particules détectées. Côté détection, un test d’hypothèses à 3 niveaux permet la sélection des évènements de bruit seul, monoparticule et multiparticules.

II.4.2- Partie « séparation » Besoins liés à la séparation d'ondes se recouvrant en temps et en fréquence.

Outil : approches temps-fréquence, déconvolution impulsionnelle.

Application : CND, évaluation des temps de propagation [Thème 2A, N82].

Exemple : Dans le cadre du CND, lorsque les matériaux sont de faible épaisseur au regard des longueurs d'onde mises en jeu, les échos se recouvrent temporellement et fréquentiellement. Les techniques habituelles, à base de moindres carrés (corrléation, Hilbert), ne suffisent alors pas à séparer les différentes contributions

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Signatures acoustiques de la microfissuration matricielle et de la décohésion fibres-matrice, image temps-échelle obtenue par transformée en ondelettes de ces deux signaux

du signal. Des approches de type déconvolution impulsionnelle, basées sur des algorithmes de moindres carrés pénalisés offrent alors la possibilité de séparer ces échos, sous réserve que les signatures temporelles de chacun des échos sont « proches » les unes des autres.

II.4.3- Partie « diagnostic » Besoins liés à l'analyse d'un système (mode de fonctionnement ou état) à partir de signaux enregistrés en sortie de système, en vue d'extraire les paramètres pertinents du signal.

Outil : Les techniques employées pour arriver à un diagnostic appartiennent à la reconnaissance des formes.

Application : Emission acoustique [Thème 2B, N71].

Exemple : Les travaux concernant la reconnaissance de types d’endommagement dans les matériaux se prêtent bien à cette approche et A. Marec s’attache à chercher des paramètres dans l’image temps-échelle obtenue par analyse en ondelettes continues de salves d’émission acoustique. Une collaboration avec la SNCF sous la forme d’un projet d’étudiant de troisième année de l’Ecole Nationale Supérieure d’Ingénieurs du Mans en 2005/06 a également reposé sur l’extraction de caractéristiques dans le plan temps-échelle afin de reconnaître des défauts d’essieux sur les trains.

II.4.4- Partie « Fourier fractionnaire » Besoins : filtrage des signaux dans le plan temps-fréquence

Application : La Transformée de Fourier Fractionaire (TFFrac) est une généralisation de la Transformée de Fourier (TF) classique à l'aide d'un paramètre a réel de l'intervalle [0, 4] (l'ordre de la TFFrac) qui est la puissance a-ième de la TF. Cette transformation est une représentation temps-fréquence des signaux et est intimement reliée à la representation de Wigner-Ville : la densité d'énergie du signal transformé est la transformée de Radon de sa transformée de Wigner-ville. Par ailleurs, la transformée d'un chirp de pente a*pi dans le plan temps-fréquence est une fonction de Dirac. La TFFrac est particulièrement bien adaptée pour le filtrage des signaux dans le plan temps-fréquence : il est possible de séparer les différents composantes d'un signal qui se superposent dans les domaines temps et fréquence mais ont des supports disjoints sur un des axes radiaux du plan temps-fréquence.

Exemple : Une application de cette propriété a été développée pour analyser les effets non linéaires d'un réseau de résonnateurs de Helmholtz sur une onde acoustique. Lorsqu'un chirp se propage dans un tel réseau, les effets non linéaires génèrent des chirps dont les pentes sont multiples de celle du chirp incident. Les propriétes de la TFFrac permettent alors de séparer très facilement et d'estimer l'énergie de ces composantes du signal.

III Synthèse et perspectivesLes activités de l'OR Signal s'étendent sur un champ d'outils de la communauté « signal » intégrant essentiellement l'analyse de non-propriétés (non-stationnaire, non-linéaire, échantillonnages non-réguliers) de signaux et/ou de systèmes. Au regard des activités du bilan quadriennal précédent, les collaborations extérieures avec des chercheurs relevant de la communauté « signal » se sont accrues, tout particulièrement dans un cadre de proximité régional (IRCCyN Nantes, ESEO Angers). Les thématiques à fort potentiel qui seront développées prioritairement dans l'OR « Signal » dans les années à venir sont

1. l'interaction avec l'ECND (cadre régional de la création d'un pôle de compétences en ECND, en Pays-de-Loire, pôle dans lequel le traitement du signal occupe une place privilégiée),

2. l'interaction avec la dynamique des structures,

3. l'analyse de systèmes non-linéaires.

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2.5 OR Mesure optique des vibrations Responsable : Pascal PICART

Permanents : J.-C. PASCAL (PR, 10%), P. PICART (PR, 60 %)

Thèses en cours : J. LEVAL (2003-2006) Développement de méthodes optiques pour l’analyse des vibrations

Bilan chiffré : 0 thèse soutenue, 1 thèses en cours, 6 RCL, 4 CCI, 5 CCN

I Contexte et objectifs« Mesures optiques des vibrations » est une des 5 opérations de recherche de l’équipe « Transducteurs, Signal, Méthodes et Applications ». Ce thème concerne le développement de la métrologie optique pour la mécanique et les vibrations. L’approche suivie repose principalement sur le développement de moyens expérimentaux innovants et performants pour la métrologie fine de champs cinématiques en mécanique et vibrations et l’étude de la corrélation des résultats expérimentaux avec les modèles analytiques ou numériques développés par ailleurs. Les outils développés ces dernières années sont basés sur l’holographie numérique de Fresnel hors d’axe. En effet, cette méthode est d’un intérêt certain pour les mesures sans contacts et non invasives. Il apparaît possible d’étudier des structures soumises à des sollicitations pneumatiques, thermiques, mécaniques, en régime statique, stationnaire ou transitoire, les capteurs holographiques numériques permettant une évaluation globale qualitative et quantitative. Son avantage réside principalement dans la richesse de l’information extraite d’hologrammes numériques à partir d’un nombre restreint d’enregistrements ; en effet la configuration « off axis » permet de reconstruire directement par transformée de Fresnel discrète l’amplitude et la phase de l’objet étudié, la phase optique étant le paramètre pertinent pour la mesure de champs cinématiques (champs des déplacements ou amplitude/phase vibratoire). Couplée à la versatilité du calcul numérique, l’interférométrie holographique numérique est un outil puissant qui permet l’étude de champs des déplacements mécaniques ou vibratoires mono ou multi-composante simultanément. Les études menées au LAUM ont été rendus possibles grâce aux avancées technologiques du milieu des années 90 liées aux capteurs d’images à couplage de charges et à la puissance de calcul croissante des ordinateurs. En effet, les capteurs matriciels CCD offrent maintenant des tailles et résolutions compatibles avec les contraintes liées à l’enregistrement holographique avec par exemple des matrices de 1636×1238 pixels chacun de taille 3,9×3,9 microns2. La résolution spatiale en holographie numérique est imposée par l’état de l’art actuel de la technologie des capteurs matriciels. Pour fixer les ordres de grandeurs, avec une matrice 1360×1024 et des pixels de taille 4,6×4,6 microns2, le diamètre maximum enregistrable est de l’ordre de 45 mm à une distance de 1 mètre, ceci conduisant à un maillage fin de plus de 250 000 points. On constate donc que la méthode est parfaitement adaptée à des objets de petite taille comme les microphones, par exemple, ou autres objets d’intérêt au LAUM.

Ce thème de la métrologie optique pour la mécanique et les vibrations constitue une originalité au LAUM de par son positionnement local et national. En effet, on constate que, sur le plan national, l’Université du Maine est la seule à allier, sur un même site, mesures optiques et acoustique/vibrations/mécanique avec une mixité entre cultures « optique » et « mécanique ». Nous avons donc une opportunité unique de développer dans le futur une activité avec une forte synergie de groupes.

II Bilan scientifique des 4 dernières annéesLes activités réalisées dans le cadre de cette thématique se sont articulées selon deux axes. Le premier a porté sur le développement de méthodes optiques appliquées à l’étude de matériaux denses hétérogènes soumis à essais de flexion 3 points, le second sur le développement de méthodes d’analyse vibratoire plein champ.

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II.1- Développement de méthodes optiques d’étude de champs cinématiques multi-composante

Ce premier point a fait suite à une collaboration engagée avec le GCSM (Groupe Composite et Structure mécanique, qui a maintenant disparu) sur une problématique liée au comportement mécaniques de bétons de résine. Les mécaniciens sont souvent confrontés à la nécessité d’une mesure multi-composante du champ des déplacements. Nous avons proposé en 2003 une technique utilisant le multiplexage/démultiplexage spatial d’hologrammes numériques. L’objet est éclairé selon deux directions qui produisent deux vecteurs sensibilités et ainsi une mesure double composante. Les deux hologrammes numériques multiplexés incohérents sont ensuite reconstruits numériquement par une transformée de Fresnel discrète. Le démultiplexage numérique nécessite une connaissance précise des fréquences spatiales des porteuses des hologrammes pour établir la correspondance pixel à pixel entre les deux hologrammes. On utilise alors un estimateur de position basé sur l’autocorrélation spatiale des hologrammes. Le démultiplexage réalisé, on peut ainsi obtenir simultanément la composante hors du plan et une des composantes planaires du vecteur déplacement de l’objet soumis à une contrainte. Dans le cadre de la thèse de B. Diouf (doctorant GCSM), le dispositif a été appliqué à l’étude du comportement mécanique de bétons synthétiques. L’essai est poussé jusqu’à la fracture du matériau. L’étude des champs des déplacements partiels permet de voir s’initier la fissure puis sa propagation sur l’éprouvette, jusqu’à la rupture. Par rotation de l’éprouvette de 90°, nous pouvons également étudier la seconde composante planaire. A partir de ces résultats expérimentaux, il est possible de suivre l’évolution non linéaire de la fracture jusqu’à la rupture du matériau puis d’effectuer une comparaison entre les résultats expérimentaux et la modélisation numérique par éléments finis. Les résultats expérimentaux ont permis d’optimiser le modèle de comportement numérique en particulier au niveau des choix de répartition des contraintes, de sorte à ce que le modèle reproduise fidèlement ce qui est observé par holographie : faces d’initiation des fissures, propagation non linéaire et rupture.

Ces travaux ont fait l’objet de 2 publications en revue internationale à comité de lecture, de 1 conférence internationale et de 1 conférence nationale.

II.2- Développement de méthodes optiques pour l’analyse des vibrationsSuite à la fin de la collaboration avec le GCSM, l’activité de l’équipe de métrologie optique s’est fortement recentrée sur les applications « vibrations », qui constituent le second axe. Les travaux synthétisés dans ce paragraphe ont fait l’objet de la thèse de J. Leval (doctorant LAUM) dont la soutenance est envisageable pour la fin de l’année 2006. La thèse de J. Leval a été financée par les collectivités locales (Communauté Urbaine du Mans et Conseil Général 72) au titre des technologies émergentes. Nous nous sommes intéressés à étudier le processus de formation des images d’objets à partir de l’enregistrement d’hologrammes numériques « off axis ». La modélisation du processus de formation des images inclue les effets de dimension finie du capteur matriciel, de surface active des pixels, d’aberration de surface d’onde de référence et de défaut résiduel de mise au point numérique. Il est trouvé que la résolution spatiale d’un

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Défaut d’un mode de dome de haut-parleur à 16 kHz

hologramme numérique est une fonction s’écrivant sous la forme d’un produit de convolution entre les fonction d’élargissements propres aux contributeurs du processus de formation des images. Particulièrement : la résolution spatiale est très sensible à la surface active des pixels et la dégradation de son contraste ne peut être contrée que par l’ajustement de la distance de reconstruction ; l’aberration du front d’onde contribue essentiellement à une variation de la porteuse spatiale de l’hologramme dans la configuration « off axis » mais ne dégrade pas significativement la fonction de résolution. Le processus de formation des images étudié en régime d’intégration temporelle fait apparaître une modulation de l’amplitude par une fonction de Bessel, la phase de l’hologramme incluant la phase de « zero crossing » de cette fonction. Ceci ce traduit par l’apparition de franges sombres dans l’ordre +1 reconstruit et donne une information qualitative de la structure en vibration stationaire. Dans le cas de fortes amplitudes de vibration, l’extraction de la phase de zéro-crossing permet une détection précise des franges et une cartographie de l’amplitude en terme de lignes de contour. Cette technique d’holographie numérique de Fresnel en temps moyenné a été appliquée à l’évaluation non destructive sans contact de défauts de mode de dôme et à l’étude du comportement vibratoire d’une anche de clarinette en oscillation forcée. La méthode de temps moyenné ne conserve pas directement la phase du mouvement de structure. Cependant, la méthode de vibrométrie plein champ développée au LAUM permet d’extraire simultanément l’amplitude et la phase de la vibration en tout point du champ de mesure. Particulièrement, cette méthode a été étendue à l’architecture de multiplexage spatial des hologrammes pour extraire simultanément l’amplitude et la phase de la vibration dans deux composantes, en l’occurrence la composante normale et la composante tangentielle à la surface de l’objet. La validation de la technique a montré que l’extraction est possible avec un bon rapport signal/bruit si les amplitudes sont dans un rapport supérieur à 1/10. Cette nouvelle architecture a été appliquée à l’étude d’une structure élastomère constituant un joint de portière automobile dans la bande de fréquences 200Hz-1000Hz, la structure ayant une taille de 80mm×15mm.

L’équipe a récemment développé une technique d’holographie numérique de Fresnel pulsée pour étudier le comportement vibratoire de l’anche de clarinette dans des conditions de jeu, i.e. placée dans des conditions d’oscillations libres dans une bouche artificielle. Les premiers résultats sont extrêmement encourageants bien que le banc demande une minutie dans les réglages et un volume conséquents d’hologrammes à traiter. Pour fixer les ordres de grandeurs, la reconstruction d’une période du mouvement nécessite l’acquisition de 3000 hologrammes numériques, la résolution temporelle étant de 2 µs, le volume de données à stocker étant supérieur à 10Gbits ! Cependant, la puissance de la méthode permet d’obtenir les déplacements de l’anche avec une résolution spatiale excellente (plus de 100000 points non corrélés) et l’analyse fine du comportement de l’anche aux instants de fermeture (claquage sur le bec) et d’ouverture est désormais possible. Les données sont actuellement en cours de traitement numérique. Ces travaux ont fait l’objet de 4 publications, 3 conférences internationales et de 4 conférences nationales.

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Déformée de l'anche de clarinette en condition de jeu en phase de fermeture

III Collaborations

III.1- Interne au LAUMOR Physique des instruments de musique : J.P. Dalmont, Th. Guimezanes

III.2- Collaboration intra-Université :J.P. Boileau (ENSIM), F. Piquet (IUT GMP), J.M. Berthelot (en retraite, ex-GCSM), B. Diouf (doctorant, ex-GCSM), D. Mounier (LPEC), S. Gougeon (LPEC)

III.3- Collaboration Hors-Université :J.M. Desse, ONERA, Centre de Lille

III.4- Collaboration industrielle :CF Gomma (Rennes), Harman (Château du Loir)

IV PerspectivesDepuis 2003, l’équipe a renforcé un savoir faire en métrologie optique qui avait été acquis depuis 1998 avec les applications en mécanique et elle a développé des compétences pour l’analyse des vibrations. L’équipe doit veiller à renforcer sa collaboration avec les autres thématiques du LAUM pour lesquelles des applications de ces méthodes sont envisageables. Ce renforcement nécessitera une mise à profit effective et efficace des ressources optiques expérimentales pour la confrontation modélisations/expériences afin d’enrichir la connaissance théorique sur les phénomènes étudiés. Les interactions entre simulations et expériences sont donc amenés à fortement se développer dans le futur. Par exemple, les méthodes optiques développées au LAUM apparaissent d’excellentes candidates pour l’étude des microphones, en particulier pour étudier expérimentalement le mouvement non uniforme de leur membrane. Les résultats expérimentaux pourraient être exploités dans la modélisation (maillage fin de plus de 100000 points, résolution spatiale excellente et résolution nanométrique en amplitude) afin d’étudier finement les répercussions du mouvement sur le champ acoustique dans la cavité ainsi que sur la transduction électro-mécano-acoustique. Par ailleurs, il est aussi envisageable de développer les méthodes optiques pour le contrôle non destructifs des structures, surtout en ce qui concerne l’évaluation non destructive par ondes de surface ou de cisaillement. Les mesures optiques pourraient s’avérer extrêmement complémentaires aux capteurs ponctuels utilisés classiquement.

Une collaboration avec l’ONERA (Centre de Lille), est actuellement en cours de développement. L’objectif est de développer une sonde holographique numérique couleur pour les études en mécanique des fluides. L’intérêt de ces travaux réside dans la possibilité offerte par l’holographie numérique de pouvoir reconstruire un champ diffracté à dans un volume par ajustage de la mise au point numérique. L’association de 3 longueurs d’ondes captées simultanément permettrait d’accéder aux excédents fractionnaires des franges d’interférences et ainsi d’étudier des écoulements. Il serait alors possible d’appliquer cette méthode à l’étude d’un résonateur thermo-acoustique afin d’enrichir le maillage expérimental dans le volume de mesure. Une demande de thèse ONERA-LAUM est actuellement en cours.

Dans le cadre de l’appel à projet 2006 du LNE, « Développement de systèmes optiques pour la caractérisation de microphones » le LAUM a répondu par une proposition mixant modélisation et mesures optiques par ALD et holographie numérique, le challenge étant d’évaluer les déformées de membrane en cavité et en champ libre.

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3 Équipe VAGUE (Vibrations, Acoustique GUidée et Ecoulement)

L’équipe VAGuE (Vibration, Acoustique Guidée, et Ecoulements) réunit 5 opérations de recherche portant sur des problèmes de vibration et d’acoustique : physique des instruments de musique (OR PIM), vibroacoustique des structures (OR VAS), acoustique urbaine (OR AU), acoustique des conduits traités avec écoulement (OR ACTE) et acoustique hautes fréquences (OR AHF). La plupart des OR de l’équipe se définissent du point de vue de leur domaine d’application. Cela ne signifie pas pour autant que les travaux menés relèvent uniquement de la recherche appliquée. En effet les thématiques abordées amènent souvent à aborder des problèmes fondamentaux : interaction acoustique - écoulement pour l’OR ACTE, non linéarité aéro-acoustique à travers un orifice pour l’OR PIM, caractérisation des jonctions mécaniques pour l’OR VAS, ou encore, par exemple, la propagation en conduit semi ouverts (quasi-modes) pour l’OR AU. Une démarche commune aux différentes OR est la recherche de formalismes différents de ceux habituellement utilisés dans les domaines considérés : utilisation du formalisme guide en acoustique urbaine, domaine dans lequel la méthode des rayons est la plus couramment employée ; utilisation de rayons vibratoires ou théories écrites en terme de flux d'énergie pour les vibrations de structure, là où l’approche modale est d’un usage courant ; théorie modale en guide d’onde avec écoulement alors que l’influence de l’écoulement pourrait sembler s’intégrer plus naturellement dans les vecteurs d’ondes. Le passage d’un formalisme à un autre est une préoccupation commune aux différentes OR de l’équipe, cette réflexion étant menée plus particulièrement dans l’OR Acoustique hautes fréquences, OR dans laquelle est menée une réflexion sur la façon d’aborder différents problèmes inhomogènes ou irréguliers.

Si on évalue les forces vives de chaque OR, l’OR Acoustique des conduits traités arrive en tête avec 2,3 chercheurs équivalents appartenant tous au CNRS. Cette OR à une importante activité contractuelle notamment dans le domaine de l’aéronautique. La difficulté des problèmes posés amène les chercheurs de cette équipe à aborder le sujet d’un point de vue à la fois fondamental et appliqué. L’acuité des problèmes de bruit en aéronautique assure une pérennité certaine de l’OR pour les années à venir.

L’OR Physique des instruments de musique regroupe 2,20 chercheurs équivalents qui pour la plupart émargent également dans d’autres OR. Ceci est tout à fait logique puisque les thématiques de l’OR relèvent des ondes guidées pour les instruments à vent, de la vibro acoustique pour les instruments à cordes, voire de l’électroacoustique pour les instruments électrifiés. Cette OR est essentielle pour le rayonnement et l’attractivité de l’acoustique Mancelle (en particulier avec l’ITEMM) et fait l’objet de nombreuses collaborations. Les recherches contractuelles ne sont pas négligeables et sont amenées à se développer dans les années à venir car le milieu de la facture instrumentale est de moins en moins hostile à une approche scientifique de la facture.

L’OR Vibroacoustique regroupe 1,60 chercheurs équivalents, tous enseignants–chercheurs à l’ENSIM (école nationale supérieure d’ingénieurs du Mans). Ceci s’explique par le fait que cette OR regroupe l’essentiel des activités de ce qui fut le Groupe Transfert Vibratoire dans l’ancien organigramme du laboratoire et dont les activités étaient localisées à l’ENSIM. Les activités de cette OR concernent aussi bien la modélisation que le développement d’outils d’analyse.

L’OR Acoustique urbaine regroupe 1,45 chercheurs équivalents. Cette thématique, qui est le fruit d’une collaboration avec le LCPC de Nantes et qui répond à des préoccupations sociétales de maîtrise du bruit, a été quelque peu en sommeil ces dernières années (jusqu’en 2004). C’est grâce à une volonté forte du laboratoire que l’équipe s’est vu renforcée cette année par deux chercheurs, S. Félix (CR à 50% sur cette activité) et B. Lihoreau (MCF à 100% sur cette activité).

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Enfin la plus petite OR de l’équipe est l’OR Acoustique hautes fréquences qui regroupe 1,40 chercheurs équivalents. Cette équipe est avant tout un lieu de réflexion sur des aspects transversaux et fondamentaux : passage des basses aux hautes fréquence, diffusion multiple. L’avenir dira si les activités de cette OR doivent se poursuivre dans ce cadre.

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3.1 OR Physique des instruments de musiqueResponsable : Joël GILBERT

Permanents : J-P. DALMONT (Pr UFR, 90%), N. DAUCHEZ (MdC ENSIM, 33%), F. GAUTIER (MdC ENSIM, 70%), B. GAZENGEL (MdC UFR, 20%), J. GILBERT (CR CNRS, 95%), P. LOTTON (CR CNRS, 10%), G. LEMARQUAND (Pr université de Bourgogne, 20%), L. SIMON (Pr UFR, %).

Thèses soutenues : R. PICO VILA, Vibroacoustique des conduits cylindriques faiblement distordus, étude de l’influence des vibrations de paroi sur les oscillations des instruments de musique à vent. (Thèse en cotutelle entre l’Université Polytechnique de Valence (Espagne) et l’Université du Maine, septembre 2004), M. ATIG, Non linéarités acoustiques localisées à l’extrémité ouverte d’un tube. Mesure, modélisation et application aux instruments à vent (décembre 2004), E. POIRSON, Prise en compte de critères subjectifs en conception de produit : application aux instruments de musique de type cuivre (décembre 2005).

Thèses en cours : J-L. LE CARROU (2003-2006), Vibroacoustique de la harpe, T. GUIMEZANES (2004-2007), Sujet confidentiel (thématique physique des instruments à vent), L. BAILLY (2005-2008), Exploration et modélisation physique de la voix chantée (collaboration avec l’ICP de Grenoble), G. NIEF (2005-2008), Couplage fluide interne – structure mécanique, application aux instruments à vent

Bilan chiffré : 3 thèses soutenues, 4 thèses en cours, 13 RCL, 11 CCI, 6 CCN

I Contexte et objectifsUne OR peut être définie par un “champ scientifique” (une thématique) ou par un “champ d’application”. La présente OR entre clairement dans la seconde catégorie, et regroupe toutes les activités en relation avec les instruments de musique. Les membres qui la composent, sont rattachés à d’autres OR thématiques d’où un fort métissage des compétences scientifiques (acoustique guidée et oscillations non linéaires, vibroacoustique, électro-acoustique, traitement du signal). Le mot clé “physique” apparaît dans le titre de l’OR pour insister sur la prépondérance des approches de modélisation et expérimentale, et pour un affichage clair vis à vis de la communauté acoustique musicale où les spécialités de “psycho acoustique” et de “synthèse numérique” sont en général très présentes. Ces dernières spécialités ne sont pas ignorées par les membres de l’OR, elles sont abordées par le biais de collaborations.

L’objectif de l’OR est de contribuer au développement des connaissances liées au fonctionnement intime des instruments de musique, les applications étant le jeu instrumental, l’aide à la facture instrumentale et dans une moindre mesure l’organologie. Une mission importante est également la diffusion de cette culture scientifique et technique auprès des facteurs, musiciens et mélomanes. Celle-ci est remplie à partir de séminaires invités ponctuels, ou dans le cadre de la Société Française d’Acoustique, ou bien encore par le relais du Pôle d’innovation des métiers de la musique de l’ITEMM (Le Mans).


II.1- Modèles physiques et oscillationsIl y a plusieurs étapes dans l’étude de la physique des instruments de musique. Dans un premier temps il s’agit de modéliser les différents éléments constitutifs du système complet « musicien – instrument de musique ». Dans un second temps, il faut analyser les solutions du système d’équations qui en résulte en vue de les comparer aux signaux musicaux, que ce soit des oscillations autoentretenues pour les instruments à vent, ou des oscillations libres pour les instrument à corde pincée. Ainsi le présent chapitre est organisé en deux sous-chapitres comme suit : « Modélisation physique » (II.1.1) et « Oscillations » (II.1.2).

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II.1.1- Modélisation physique Les instruments de musique à vent sont des guides d’ondes mono dimensionnels complexes (trous latéraux, section variable, …). Des effets non linéaires cumulatifs et localisés d’une part, des couplages vibroacoustiques entre la paroi du guide et son fluide interne d’autre part, en compliquent singulièrement la compréhension. La source sonore localisée à l’embouchure de l’instrument est de type « valve aéroélastique » (anche de clarinette ou lèvres vibrantes du tromboniste). Les travaux correspondant sont décrits à la fin de ce chapitre II.1.1.

II.1.1.1- Effets non linéaires localisés

M. Atig, J.P. Dalmont, J. Gilbert

Les instruments à vent de type cuivre joués fortissimo exhibent des comportements typiques de l’acoustique non linéaire : la distorsion spectaculaire du signal acoustique entraînant la perception de « sons cuivrés » est la conséquence de la propagation non linéaire à l’intérieur de l’instrument. Des phénomènes non linéaires localisés au niveau de l’extrémité de trous latéraux d’instruments à anche ont été observés. Les conséquences sont moins spectaculaires sur le son musical que dans le cas des « sons cuivrés », néanmoins elles existent. Elles correspondent à des pertes supplémentaires qui contrôlent la dynamique de jeu du clarinettiste par exemple. Ceci a fait l’objet du travail de thèse de Mérouane Atig : « Non-linéarité acoustique localisée à l’extrémité ouverte d’un tube : mesure, modélisation et application aux instruments à vent » (thèse soutenue en décembre 2004). Si ces travaux en acoustique non linéaire sont nés de préoccupations « musicales », les problématiques abordées et les résultats obtenus concernent d’autres domaines d’applications que les instruments à vent.

Plus précisément, il s’est agi d’analyser l’influence de la géométrie interne de l’extrémité de tubes sur les pertes non linéaires induites par le décollement de couches limites, pertes pouvant être prédominantes devant les pertes par rayonnement. Des embouts présentant des rayons de courbure internes différents peuvent être emboîtés à l’extrémité du tube afin de générer différents cas de figure à étudier. La grandeur physique retenue pour caractériser le phénomène est la partie réelle de l’impédance terminale du tube ; elle a été mesurée indirectement à partir de la méthode dite « à deux microphones ». Il apparaît et c’était attendu, que la partie réelle de l’impédance de rayonnement n’est pas indépendante du niveau sonore, ce qui traduit la présence de phénomènes non linéaires. L’analyse de la partie réelle de l’impédance terminale a permis de vérifier que les pertes non linéaires dépendent fortement des détails géométriques de la terminaison du tube : plus le rayon de courbure interne de l’embout est petit, plus les pertes sont importantes. De plus, la partie réelle de l’impédance terminale présente parfois une discontinuité marquée [P43, P44]. Cette discontinuité a été reliée à un changement de comportement de l’écoulement en sortie de tube : transition d’un régime type « tourbillon localisé » vers un régime type « tourbillon éjecté ». Ces deux régimes ont été visualisés par PIV par des collègues de l’Université d’Edimbourg, avec qui nous avons collaboré sur le sujet. De plus, les résultats expérimentaux ont été discutés au regard de résultats d’une méthode numérique directe (méthode des gaz sur réseaux de Boltzmann, collaboration avec J.Buick, Université de la Nouvelle Angleterre, Australie), et au regard d’un modèle théorique élémentaire à un tourbillon.

II.1.1.2- Vibroacoustique des conduits cylindriques, application aux instruments à vent

J.P. Dalmont, F. Gautier, J. Gilbert, G. Nief, R. Pico Vila

Si l’effet des vibrations de paroi n’est pas primordial pour décrire le fonctionnement des instruments à vent, c’est un effet du second ordre qu’il est intéressant d’étudier. De nombreuses questions sont en effet posées. Est-ce que les parois mises en vibration modifient significativement le champ acoustique interne, et le champ rayonné qui en résulte ? Est-ce que le champ directement émis par les vibrations de parois est significatif, au moins dans certaines plages fréquentielles ? On imagine bien que le matériau constitutif du guide d’onde par ses propriétés mécaniques, son épaisseur, puisse être critique [P57]. Si cette conviction est largement partagée dans le milieu musical, avant d’appréhender les phénomènes sur des instruments réels il faut commencer par quantifier les effets des vibrations de paroi dans des configurations simples et maîtrisées.

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Ceci a fait l’objet du travail de thèse de Ruben Pico Vila : « Vibroacoustique des conduits cylindriques faiblement distordus, étude de l’influence des vibrations de paroi sur les oscillations des instruments de musique à vent » (thèse en cotutelle avec l’Université de Valence, Espagne, soutenue en septembre 2004). Le travail est poursuivi dans le cadre de la thèse de Guillaume Nief (depuis octobre 2005).

Nous nous sommes limités dans un premier temps à étudier le cas suivant : la géométrie de l’instrument est simplifiée et est constituée d’un cylindre simplement appuyé, les conditions aux limites acoustiques correspondant à une pression nulle en sortie, et à une vitesse connue à l’entrée du tube. Le modèle vibroacoustique développé prend en compte le couplage de la colonne d’air interne au tuyau sonore avec ses parois vibrantes. Ce modèle est traité par résolution exacte des équations de coque mince (théorie de Donnel) couplées à celle régissant les oscillations d’un fluide interne dans le cadre de l’acoustique linéaire (équation de Helmholtz). La méthode de résolution choisie est la méthode intégro-modale, mise en œuvre en régime forcé dans le domaine fréquentiel. La quantité à calculer in fine est l’impédance d’entrée du tuyau vibrant, car c’est cette quantité qui est utilisée dans un modèle global d’instrument à vent en situation de jeu (voir le chapitre 3 qui suit). L’impédance d’entrée de tuyaux vibrants, présentant ou non une faible ovalisation, a été étudiée. Dans tous les cas, l’impédance perturbée par les vibrations est exprimée à partir de l’impédance du tuyau rigide au moyen d’un facteur de correction adimensionnelle. Dans le cas du tube parfaitement circulaire, l’étude montre que la perturbation due aux vibrations est négligeable (facteur de correction très petit devant 1 dans la plage de fréquences considérées) pour des valeurs de paramètres géométriques et mécaniques réalistes. Par contre, si un défaut de circularité du tube est pris en compte, des couplages tels que celui entre le mode acoustique plan et le premier mode de flexion, provoquent une perturbation significative de l’impédance d’entrée. Une dispositif expérimental type « clarinette artificielle » est en cours de dimensionnement afin d’exhiber des comportements oscillatoires spectaculaires provenant du couplage fluide interne – structure.

II.1.1.3- Sources aéroélastiques de type valve (anches, lèvres vibrantes)

L. Bailly, J.P. Dalmont, B. Gazengel, J. Gilbert, T. Guimezanes

Les instruments à vent à anches fonctionnent grâce au couplage d’un résonateur (l’instrument) et d’une valve, appelée embouchure, dont l’instabilité provoque l’oscillation. Dans les instruments à anche simple cette embouchure est constituée d’un bec sur lequel on vient fixer l’anche simple. Le comportement de ce type de valve est extrêmement complexe puisqu’il fait intervenir l’aérodynamique du jet entrant et la mécanique de l’anche et du contact anche table (sans parler de l’interaction avec les lèvres). Malgré cette grande complexité les mesures de la caractéristique non linéaire de l’embouchure (relation pression-débit) par une méthode mise au point dans le cadre de la thèse de Sébastien Ollivier ("Contribution à l'étude des oscillations des instruments à vent à anche simple, validation d'un modèle élémentaire", thèse soutenue en septembre 2002), montre que l’embouchure peut être modélisée de façon relativement précise avec un modèle simple [P12]. Il n’en reste pas moins qu’une compréhension plus fine de la mécanique de l’anche est nécessaire pour modéliser plus précisément le fonctionnement de l’instrument et de mieux appréhender le rôle de l’anche dans le jeu et le timbre de l’instrument. Les recherches actuelles concernent donc l’étude et la

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Analyse vibroacoustique d'une clarinette à parois minces.

modélisation du comportement mécanique de l’anche simple, travail qui a pour objectif, en particulier, de déterminer les paramètres qui déterminent la qualité d’une anche simple (Thèse Thomas Guimezanes, depuis octobre 2004).

Après les anches, les lèvres vibrantes sont le second type de source aéroélastique étudiées au laboratoire, sources associées aux instruments à vent de type cuivre (trompette, trombone, ...). Cette activité, effectuée en collaboration étroite avec M.Campbell (Université d’Edimbourg) et les doctorants se son équipe, est maintenant essentiellement localisée en Ecosse.

La voix chantée est un autre instrument de la modélisation physique qui a de nombreux points communs avec celle des instruments de musique de type cuivre. Nous venons d’engager une collaboration sur ce thème avec X. Pelorson et N. Henrich (ICP – UMR CNRS, Grenoble) ceci dans le cadre de la thèse de Lucie Bailly (depuis octobre 2005).

II.1.1.4- Vibroacoustique de la harpe

N. Dauchez, F. Gautier, J. Gilbert, J.L. Le Carrou

La harpe de concert est un instrument de musique à cordes dont les propriétés acoustiques et vibratoires ont fait l'objet de peu d'étude. Le travail qui est actuellement mené au laboratoire sous cet thématique (thèse JL Le Carrou BDI CNRS-Région commencé en Décembre 2003) a pour but de comprendre et de modéliser le comportement vibro-acoustique de cet instrument. L'intérêt final de l'étude est de proposer une aide à la facture instrumentale permettant de répondre aux attentes des facteurs et des musiciens. Cette activité a été initiée par Vincent Doutaut, du pôle d'innovation de l'ITEMM, en collaboration avec la société CAMAC harps, située à Mouzeil (44).

L'étude s'articule autour de trois axes: l'interaction entre le doigt du musicien et la corde de la harpe, le couplage entre la corde et la table d'harmonie et le couplage entre la table d'harmonie et le résonateur. Le couplage entre la corde et la table d'harmonie sera développé dans le chapitre II.1.2.2.

Le rôle joué par le musicien lors de la mise en vibration de la corde est prépondérant dans le rendu sonore de l'instrument. Cet aspect est étudié en détail par l'intermédiaire d'un modèle d'interaction où le doigt est un système masse-ressort-amortissement et où la caractéristique de friction entre le doigt et la corde est supposée linéaire. Les paramètres de ce modèle peuvent être obtenus à l'aide de mesures par caméra rapide. Cette étude fait l'objet d'une collaboration étroite avec l'université d'Edimbourg (Ecosse).

Le rayonnement acoustique de l'instrument [P55], quant à lui, met en jeu de multiples couplages entre la table d'harmonie et la cavité arrière munie d'évents. Dans un premier temps, ces couplages sont étudiés par une analyse modale de la structure, par la mesure de la vitesse acoustique en sortie des évents et par une analyse de la réponse d'un instrument modifié. Les résultats permettent d'identifier deux modes couplés caractéristiques du comportement vibro-acoustique de l'instrument en basses fréquences. Ces deux modes mettent en jeu le premier mode de flexion de la table d'harmonie et le premier mode acoustique de la cavité. Un modèle à 2 degrés de liberté décrivant le comportement vibro-acoustique de l'instrument peut ainsi être obtenu. Les deux modes couplées étant des modes complexes, l'identification des paramètres du modèle ne peut être effectuée que par des méthodes non standard d'analyse modale telle que l'appropriation par le calcul. Une collaboration étroite sur cette thématique est actuellement en cours avec E. Foltête et M. Ouisse du laboratoire Femto-st de Besancon. Dans un second temps, le rayonnement acoustique en champ lointain est étudié à l'aide d'une antenne de microphones. Les sources acoustiques élémentaires de la harpe de concert peuvent ainsi être obtenus afin de situer l'origine du son. Ce modèle permet de confirmer le fait que l'instrument peut être modélisé, en basses fréquences, par 2 sources l'une placée sur la table d'harmonie et l'autre au niveau des évents de la cavité arrière. Une collaboration étroite sur cette thématique est actuellement en cours avec J.R.F. Arruda du Laboratoire de vibroacoustique de l'université de Campinas (Sao Paulo, Brésil).

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II.1.2- Oscillations

II.1.2.1- Instruments à vent et oscillations auto-entretenues

M. Atig, J.P. Dalmont, J. Gilbert, L. Simon

La recherche de solutions oscillantes à partir d’un modèle physique, se fait le plus souvent numériquement (simulation temporelle, équilibrage harmonique…). Des solutions analytiques ne peuvent être trouvées qu’avec des modèles extrêmement simplifiés [P58, P100] qui peuvent parfois aboutir à des résultats erronés. Ainsi en est-il d’un modèle dans lequel la clarinette est modélisée comme un tuyau cylindrique sans pertes et pour lequel on observe que la pression acoustique croît indéfiniment lorsque la pression d’alimentation augmente ! Nous avons pu résoudre analytiquement un modèle un peu plus complet dans lequel les pertes dans le résonateur sont considérées indépendantes de la fréquence (modèle dit de Raman, puisque développé initialement par Raman pour la corde frottée). La résolution de ce modèle permet de trouver les différents seuils d’oscillation et notamment la pression au-delà de laquelle il n’y a pas d’oscillation possible. On montre en particulier que pour que l’instrument soit jouable, les paramètres de l’embouchure doivent être adaptés au résonateur (en particulier en fonction du coefficient de perte). Les expériences montrent que malgré sa grande simplicité, le modèle de Raman pourvu qu’on y inclue des pertes non linéaires en bout de tube est capable de prévoir de manière précise la valeur des seuils qui déterminent la dynamique de jeu de l’instrument [P78].

Les travaux précédents sont liés à l'analyse des régimes périodiques associés à des jeux de paramètres de contrôle constant dans le temps. Certains modes de jeu sont mis en oeuvre grâce à la variation lente de certains paramètres de contrôle. C'est le cas du jeu « vibrato » où il y a variation lente des paramètres d'embouchure du musicien [P85].

II.1.2.2- Harpe et oscillations sympathiques

N. Dauchez, F. Gautier, J. Gilbert, J.L. Le Carrou

La harpe de concert est un instrument de musique composé d'une table d'harmonie, d'un résonateur munie d'évents et de 47 cordes. Lorsqu'une corde est jouée, de multiples couplages entre cordes se produisent,

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Rayonnement d'une harpe de concert (diagrammes de directivité pour deux configurations, évents ouverts et évents fermés).

donnant lieu à des signaux vibratoires et acoustiques présentant un grand nombre de composantes spectrales, dont les fréquences sont parfois très proches. L'identification de ces composantes ne peut pas être effectuées par des méthodes spectrales classiques du traitement du signal. Des algorithmes particuliers de calcul doivent donc être implémentés pour séparer et obtenir les paramètres des diverses composantes. Ces méthodes, dites à haute résolution, permettent d'identifier les différents modes de cordes couplées de l'instrument. Son application à des signaux vibratoires mesurées sur la table d'harmonie d'une harpe de concert, dont certaines cordes sont amorties ou désaccordées, permet l'analyse des vibrations par sympathie caractéristiques de l'instrument [P93]. Ce travail est mené en étroite collaboration avec M. R. Badeau de Télécom Paris.

II.2- Application à la facture et au jeu instrumentalA coté des travaux de modélisation décrits plus haut, l’activité de recherche appliquée en vue de la facture instrumentale et d’une meilleure connaissance du jeu instrumental est essentielle. Elle est appliquée à la fois aux « Instruments de musique à vent » (§II.2.1) et aux « Instruments à corde » (§II.2.2).

II.2.1- Instruments de musique à vent

J.P. Dalmont, J. Gilbert

Un modèle physique simplifié de clarinette tel que celui décrit plus haut (modèle de Raman), autorise une analyse poussée de ses régimes d’oscillations contrôlés par un petit nombre de paramètres adimensionnés. Il est remarquable que des diagrammes de bifurcation qui en résultent, puissent être reliés directement à la « dynamique de jeu » des clarinettistes. Plus généralement des solutions approchées de modèle physique d’instrument à vent, anches ou cuivres, sont comparées avec les instruments de musique en situation de jeu soit avec des musiciens, soit avec des « bouches artificielles » [P33], ceci en collaboration étroite avec M. Campbell de l’Université d’Edimbourg, et J-F. Petiot de l’IRCCyN (Nantes). Par ailleurs un mode de jeu spécifique, « le vibrato », a été étudié en détail dans le cas du saxophone classique.

L’aspect perceptif est incontournable en acoustique musicale. Nous nous sommes impliqués dans un travail où il s’agissait d’intégrer « la perception utilisateur » du musicien dans la définition des caractéristiques acoustiques de trompettes (travail dirigé par J-F. Petiot dans le cadre de la thèse de E. Poirson soutenue en 2005 à l’IRCCyN – UMR CNRS, Nantes) [P107]. Pour finir, une collaboration contractuelle avec une entreprise leader de la facture instrumentale est en cours dans le cadre de la thèse de Th. Guimezanes (sujet confidentiel).

II.2.2- Instruments à corde

II.2.2.1- Banc test pour guitare

N. Dauchez, F. Gautier, J.L. Le Carrou

Le comportement vibroacoustique de la guitare est bien connu à basses fréquences : un modèle classique décrit la réponse de l’instrument comme celle d’un résonateur de Helmholtz à parois élastiques. La détermination des paramètres du modèle (amortissements, masses et raideurs) est possible grâce à un banc test spécifique. Ce dispositif permet de réaliser des mesures in situ sur des tables d’harmonie d’épaisseur et de barrages différents. Jumelé avec un outil prédictif de type simulation sonore, il sera un outil d’aide à la conception des guitares utile aux luthiers.

II.2.2.2- Archets de violons

N. Dauchez

Les archets modernes haut de gamme sont fabriqués dans un bois exotique, le pernambouc. Le coût et la rareté de cette essence font qu'un matériau de substitution est actuellement recherché. L’objectif des travaux effectués est de déterminer les paramètres physiques permettant de juger de la qualité d’un archet, de sorte

p 102

que toute modification de matériau ou de géométrie pourra se faire en améliorant ces paramètres. Des essais en jeu (sauté, attaque, notes longues, etc.) ont été effectués sur huit archets dont quatre sont des copies d’un archet haut de gamme dans d’autres essences. Parallèlement des mesures mécaniques, vibratoires et acoustiques (géométrie de la baguette, centre de gravité, raideur de la baguette, modes vibratoires, sonorité produite sur un violon, …) ont été réalisées. Les corrélations mettent en relief l’influence de plusieurs facteurs : la position du centre d’inertie, la tension du crin, la raideur de la baguette et la distance entre la force de précontrainte crée par le crin et la première force critique de flambement. Au niveau de la sonorité, l’analyse des sons produits montre des variations sensibles de la « rugosité » au niveau de l’attaque et du contenu spectral.

Ces travaux ont été initiés par une collaboration avec le pôle innovation l’ITEMM. Ils ont reçu le soutien de l’Ecole Nationale Supérieurs d’Ingénieurs du Mans (ENSIM) au travers de projets d’étudiants de 2003 à 2006. Ils sont menés avec l’appui de Nelly Poidevin, archetière spécialisée dans les archets anciens et Iris Brémaud, étudiante en thèse sur le caractérisation des bois d’archet au Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC - UMR CNRS 5508). Un sujet de thèse a été proposé pour développer cette recherche.

II.2.2.3- Transducteurs de guitare électrique

G. Lemarquand, P. Lotton

Les microphones de guitare électrique sont des transducteurs magnétodynamiques qui comportent un ou plusieurs aimants permanents et un ou deux bobinages, les cordes métalliques faisant partie du circuit magnétique. Les dimensions relatives des cordes et la distance entre celles-ci et le microphone rendent difficiles la description analytique de ces capteurs, et les modélisations par éléments finis sont inopérantes. En conséquence, la totalité des micros existants est aujourd'hui le fruit d'une conception empirique. L’objectif des travaux est de remédier à cette situation, par la modélisation analytique de ces microphones, leur caractérisation expérimentale et leur optimisation.

La caractérisation des microphones de guitare électrique se limite le plus souvent, à notre connaissance, à une mesure de l'évolution de leur impédance électrique de sortie en fonction de la fréquence. Si les informations issues de ces mesures sont nécessaires à la caractérisation des microphones, elles ne sont pas suffisantes. En particulier, elles ne rendent pas compte du comportement très non linéaire de ces microphones (comme pour de nombreux instruments de musique, le spectre du signal de sortie est très dépendant de l’amplitude de l'excitation). Une mesure de la tension électrique générée en fonction du déplacement de la corde doit pouvoir apporter des informations intéressantes concernant le comportement non linéaire des capteurs, leur sensibilité, leur comportement en fréquence, leur timbre, etc. Elle permettrait également l'étude expérimentale de l'influence de différents paramètres (composants, géométries, emplacements, styles de jeu, …) sur la réponse d'un microphone. Un banc expérimental a été réalisé qui permet une première caractérisation de différents microphones du commerce et leur comparaison objective.

Parallèlement, une étude analytique est en cours qui doit permettre de comprendre et quantifier l’influence de divers paramètres.

III CollaborationsDoutaut et F. Teissier (Pôle d'innovation des métiers de la musique de l’ITEMM, Le Mans) [depuis 2000],

R. Badeau (Télécom Paris, UMR CNSR) [depuis 2005] ,

E. Foltête et M. Ouisse (Institut Femto, UMR CNSR, Besançon) [depuis 2005],

N. Henrich et X. Pelorson (ICP, UMR CNSR, Grenoble) [depuis 2005],

J. Kergomard (LMA, UMR CNSR, Marseille) [depuis 1985],

J-F. Petiot (IRCCyN, UMR CNSR, Nantes) [depuis 1995],

A. Hirschberg (Univ Eindhoven) [depuis 1989],

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K. Nederveen (Pays-Bas) [depuis 1995],

M. Campbell (Univ. Edimbourg) [depuis 1997],

R. Pico Vila et J.Redondo (Ecole d’ingénieur de Gandia, Espagne) [depuis 2002],

R.Arruda (Univ Campinas, Brésil) [depuis 2003].

IV ContratsContrat d’accompagnement de thèse Thomas Guimezanes (2004-2007).

Mesure de l’impédance multimodale dans une section de tuyau avec écoulement (ministère de la recherche, appel d’offre “Supersonique”, 2002-2003) [30%].

Modèle de générateur sonore pour chambre à bruit (Sereme, 2004).

Avertisseurs sonores (SCE-Klaxon, 2004-2005) [30%].

V Conclusion et perspectivesAu cours de ces dernières années, les travaux sur la physique des instruments de musique se sont diversifiés, et ont entraîné de nouvelles collaborations nationale et internationale. L’activité « historique » sur les instruments à vent reste un axe fort de l’OR, un nouveau sujet étant l’influence des vibrations de paroi sur le fonctionnement des instruments. Les instruments à cordes sont maintenant l’objet de travaux importants, qu’il s’agisse de problèmes de rayonnement, ou de problèmes de couplages complexes (vibrations « par sympathie »). Par ailleurs, des travaux moins ambitieux a priori émergent régulièrement (activité en cours sur les transducteurs de guitare électrique par exemple).

A coté des travaux de modélisation, les recherches appliquées à la facture et au jeu instrumental sont une motivation forte des chercheurs de l’OR. Elles sont favorisées par la proximité géographique du « Pôle d’innovation des métiers de la musique » de l’ITEMM (Le Mans) et se concrétisent par des stages proposés en commun et des opérations de formation ou de diffusion auprès des musiciens et facteurs. Par ailleurs, l’acoustique musicale reste une thématique attractive auprès des étudiants (nombreux stages courts à encadrer au laboratoire), et propice à des opérations de communication vers le grand public.

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3.2 OR Vibroacoustique des structuresResponsable : François GAUTIER

Permanents : N. DAUCHEZ (MdC ENSIM, 40%), F. GAUTIER(MdC ENSIM, 40%), J.-M. GENEVAUX (Pr ENSIM, 100%), N. JOLY (MdC ENSIM, 50%), J.-C. PASCAL (Pr ENSIM, 90%), J.-H. THOMAS (MdC ENSIM, 50%).Thèses soutenues : M.H. MOULET, Les jonctions en mécanique vibratoire : représentation par matrice de diffusion et caractérisation expérimentale pour des poutres assemblées (2003). R. PICO VILA, Vibroacoustique des conduits cylindriques faiblement distordus, étude de l’influence des vibrations de paroi sur les oscillations des instruments de musique à vent. (Thèse en cotutelle entre l’Université Polytechnique de Valence (Espagne) et l’Université du Maine, septembre 2004). V. GRULIER, Propagation directe et inverse dans l'espace temps-nombre d'onde : application à une méthode d'holographie acoustique de champ proche pour les sources non stationnaires, (2005). C. RENARD, Atténuation de structure et bruit de combustion sur les moteurs Diesel , (Thèse Ciffre avec Renault, 2005)

Thèses en cours : J-L. LE CARROU (2003-2006), Vibroacoustique de la harpe, G. NIEF (2005-2008), Couplage fluide interne – structure mécanique, application aux instruments à vent. O. DOUTRES (2004-2007), Rayonnement acoustique de structures revêtues, C. DEVAUX, (2003-2006), Modélisation des flux d'énergie en acoustique et dans les structures. S. PAILLASSEUR (Allocation ministère, 2004-2007), Holographie acoustique temps-réel, J. CUENCA (Allocation ministère, thèse débutant en octobre 2006), Modélisation des vibrations hautes fréquences des structures basée sur des rayons vibratoires. Thèse partagée à 50% avec l’OR Signal.

Bilan chiffré : 4 thèses soutenues, 6 thèses en cours, 14 RCL (3 publiées, 4 acceptées, 7 soumises), 20 CCI, 13 CCN

I Contexte et objectifsLa thématique de travail aujourd’hui regroupée dans l’OR ‘Vibroacoustique’, anciennement appelé ‘Groupe Transfert Vibratoires’ a été créée en 1997, faisant suite à la création en 1995 de l’Ecole Nationale Supérieure d’Ingénieurs du Mans (ENSIM). Le rattachement à l’UMR CNRS s’est effectué en 2000. Les activités de l’OR concernent pour l’essentiel les enseignants-chercheurs impliqués dans l’option vibration-acoustique de l’École.

L’objectif principal des activités de l'OR est de développer des méthodes de modélisation, de simulation et de caractérisation expérimentale de systèmes dans lesquelles sont mis en jeu des couplages entre vibrations mécaniques et champ acoustique. Les activités de l'OR sont structurées selon trois axes : vibrations à hautes fréquences, couplages fluide-structures, développement d’outils d’analyse pour la vibroacoustique. Les publications associées à ces activités sont au nombre de 14. L'activité de l'équipe étant croissante depuis sa création, la situation fin 2006 est la suivante : trois publications sont parues et citées dans la liste bibliographie de ce document, 4 sont acceptées, et 7 sont soumises.

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II.1- Modélisation des vibrations à hautes fréquences

II.1.1- Méthodes énergétiques

N. Joly, J.-C. Pascal, C. Devaux

II.1.1.1- Modélisation des flux d'énergie en acoustique et dans les structures La modélisation des vibrations de structure sous l’aspect de transferts énergétiques a été développée depuis les années 1990. L’utilisation de quantités quadratiques comme les variables énergétiques permet de travailler sur des moyennes (temporelle, spatiale ou fréquentielle). Ce sujet a été abordé au LAUM en moyenne temporelle pour des systèmes excités en régime harmonique. La recherche de relations linéaires entre différentes variables quadratiques dans les solides isotropes a conduit à une formulation quadratique exacte dans des systèmes unidimensionnels. Cependant, une telle formulation “quadratique exacte“ en structure s’avère plus complexe que la formulation usuelle en déplacement, et ne présente un intérêt que si une autre moyenne est appliquée. Un raisonnement sur les nombres d’ondes permet d’effectuer une modélisation à partir de moyennes temporelle et spatiale pour des système unidimensionnels, l’extension d’une telle approche à des systèmes 2D ou 3D étant rendue difficile en raison des combinaisons entre vecteurs d’onde. La modélisation 1D en acoustique ou en vibrations, basée sur l’intégration d’une équation locale bien établie dans la littérature, est menée à bien d’après une analyse précise des conditions aux limites à vérifier aux frontières par les quantités énergétiques moyennes. Ces modèles, utilisant des variables lissées par l’opération de moyenne spatiale, ne rencontrent pas aux moyennes fréquences les difficultés de discrétisation rencontrées usuellement pour les formulations en déplacement ou en pression, et permettent néanmoins de décrire, par des conditions d’impédance aux frontières, le caractère résonant des systèmes.

II.1.1.2- Caractérisation des structures par mesure des flux d'énergieParallèlement à la modélisation du comportement dynamique des structures basée sur des grandeurs énergétiques, une approche expérimentale utilisant l'intensité de structure pour les caractériser a été poursuivie avec le CETIM. Les grandeurs énergétiques utilisées dans les applications visant à déterminer les paramètres de jonctions ou les constantes mécaniques des matériaux on été calculées à partir de mesures de vitesses vibratoires à l'aide d'un vibromètre laser à balayage par le CETIM. Le traitement dans le domaine des nombres d'onde, qui présente des aspects communs avec ceux de l'holographie acoustique, a permis de résoudre les principaux problème de distorsions liés à l'obtention des dérivées d'ordre élevées nécessaires au calcul de l'intensité de structure et de sa divergence. Une collaboration ponctuelle avec HOLO3 à permis de vérifier l'adaptation de cette technique à des mesures d'interférométrie de speckle. En utilisant ces acquis, une méthode estimant la dissipation apportée par un joint reliant deux structures à été développée en utilisant des mesures et un modèle simple de conservation de l'énergie. Une autre application a consisté à valider une méthode de détermination de la raideur dynamique d'une structure et de son facteur de perte par une approche énergétique (basée sur la détermination expérimentale d'estimateurs liés à la divergence). Les bons résultats obtenus avec une structure isotrope, conduisent à adapter cette technique pour caractériser les structures orthotropes et répondre à des demandes industrielles pour la caractérisation des composites.

II.1.2- Vibrations des structures assemblées

F. Gautier, J.-C. Pascal

II.1.2.1- Caractérisation de jonctions mécaniquesDans de nombreuses applications industrielles, les structures utilisées sont constituées de l’assemblage de sous structures simples (poutres, plaques ou coques ) reliées entre elles par des jonctions mécaniques. La

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méconnaissance des caractéristiques des liaisons entre ces sous structures (assemblages par collage, soudure, rivets, boulons) est une limite à la modélisation du comportement vibratoire des structures. Si les caractéristiques de ces jonctions peuvent être idéalisées à basses fréquences, il n’en est pas de même pour les plages moyennes et hautes fréquences dans lesquelles ces caractéristiques jouent un rôle important. La caractérisation de jonctions de poutre a constitué le sujet de thèse de M. H. Moulet. Pour de telles structures monodimensionnelles, une méthode expérimentale a été développée pour mesurer les coefficients de réflexion, de transmission des ondes de flexion et de traction compression ainsi que le coefficient de couplage entre ces deux types d’ondes. Ces coefficients sont obtenus grâce à des mesures optiques du champ de vitesse vibratoire en amont et aval de la jonction. La technique de caractérisation utilise une approche ondulatoire adaptée à la méthode des rayons (voir paragraphe 1-2-2) .

La méthode de caractérisation a été étendue à une configuration bidimensionnelle : les coefficients de réflexion et de transmission d’une onde de flexion, fonction de l’angle d’incidence ont pu être mesurés pour un raidisseur de plaque. Pour ce faire, la discontinuité à caractériser est insérée dans un guide d’onde mécanique. La connaissance des modes transverses de ce guide permettent la maîtrise de l’angle d’incidence des ondes sur la discontinuité. Simulations et premiers résultats expérimentaux associés à cette configuration bidimensionnelle font l’objet d’une collaboration avec R. Arruda.

II.1.2.2- Modèles basés sur des rayons vibratoires.Les méthodes numériques de modélisation du comportement des structures mécaniques ne sont pas adaptées à l'analyse dynamique à hautes fréquences (au-delà des premières dizaines de modes propres), car l’augmentation nécessaire du nombre de degrés de liberté donne lieu à des temps de calcul rédhibitoires, même avec les moyens informatiques les plus performants. En outre, le calcul déterministe du comportement des structures en hautes fréquences n’est pas adapté, puisque celui-ci devient statistique dans le sens où de petites variations des paramètres géométriques et des matériaux font varier significativement la réponse dynamique modale. Il existe des méthodes telles l'Analyse Statistique d'Energie (SEA), qui permettent une analyse du comportement approximatif moyen par sous-domaine, et par plage de fréquences, mais elles ne donnent pas de bons résultats quand il y a des forts couplages dynamiques entre sous-structures. La méthode des ‘rayons vibratoires’ constitue une alternative à fort potentiel. Cette approche est usuelle en acoustique pour l'analyse des champs sonores dans les salles. Elle l’est beaucoup moins en mécanique vibratoire (vibrations d’assemblages de plaques raidies par exemple). Cette méthode est basée sur une représentation du champ à l’aide d’ondes planes se propageant dans toutes les directions et interagissant au niveau des conditions aux limites en donnant lieu à des phénomènes de réflexion et de transmission d’ondes. L’utilisation de méthodes d’images permet le calcul des champs vibratoires. La techniques a été validée dans le cas de poutres, de plaques rectangulaires et triangulaires simplement appuyée.

Parallèlement, des méthodes issues du traitement du signal, et destinées à décrire le comportement local de champs ont été développées au LAUM [travaux de B. Teyssandier, OR Signal]. Ces méthodes sont basées sur l'usage de transformées espace - nombre d'onde, qui, à l'instar des méthodes temps-fréquence, permettent

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Champ vibratoire d’une plaque infinie raidie excitée ponctuellement

dans certains cas d'identifier qualitativement des comportements que les analyses classiques (en espace ou en nombre d'onde) ne permettent pas de révéler. En particulier, l’identification de rayons traversant des segments d’analyse peut être effectuée au moyen d’analyse espace-nombre d’onde adaptée (analyse de Birkhoff par exemple). Ce sujet constitue le cadre de la thèse de J. Cuenca, débutée en octobre 2006.

Ce travail s’inscrit dans une collaboration avec l’Université de Campinas (Brésil) depuis 2004 : séjour à Campinas de F. Gautier (15 jours), séjours au LAUM de L. Donadon (post doc, 15jours), N. Campos (post doc 15 jours puis 5 mois), R. Arruda (professeur invité, 6 mois. Des premiers contactés ont également été pris avec Pr. Krylov, de l’université de Lougborough (UK).

II.2- Couplages fluide-structure

II.2.1- Vibroacoustique des conduits et cavités

F. Gautier, J.L. Le Carrou, G. Nief

Les couplages vibroacoustiques en conduit et cavités font partie des thèmes de l’OR. Pour ce qui concerne la vibroacoustique des cavités, l’activité concerne l’étude du fonctionnement de la harpe de concert [P55]. Ce thème de travail, qui est partagé avec l’OR ‘Physique des Instruments de musique’ est présenté dans le chapitre descriptif de cette OR. Il correspond au travail de thèse de J.L . Le Carrou [P93] dans le cadre duquel des collaborations avec l'Université de Franche Comté (Institut Femto ST, UMR CNRS 6174, E. Foltete et M. Ouisse) et avec Telecom Paris (R. Badeau) ont été développées.

La vibroacoustique des conduits est par ailleurs un sujet dont les applications industrielles sont nombreuses. La modélisation de l’interaction fluide interne/conduit a fait l’objet de la thèse de R.Pico soutenue en 2004 puis de la thèse de G. Nief. Ce thème de travail fait l'objet d'une collaboration avec l'Université de Valence en Espagne, avec qui la thèse de R. Pico a été effectuée en cotutelle. Dans ces travaux, l’application visée est musicale : il s’agit d’évaluer l’importance des vibrations de parois d’un instrument de musique sur le son qu’il produit. Le détail de la problématique est rapporté dans le descriptif de l’OR ‘Physique des instruments de musique’ produit par l’instrument. Indépendamment de cette application musicale, le couplage vibroacoustique entre un guide d’onde membranaire et un fluide interne a fait l’objet d’une étude particulière. Dans ce type de guide d’onde, à parois très souple, le fort couplage donne lieu à une bande d’arrêt pour l’onde acoustique. Celle-ci est appelée onde de Korteweg et correspond à une onde quasi plane, perturbée par les vibrations de paroi. Modélisation et mesure de la courbe de dispersion de cette onde ont été effectuées. L'étude des caractéristiques viscoélastiques de la membrane utilisée ont fait l'objet d'une collaboration avec L. Benhayia, Laboratoire PCI, UMR CNRS 6120, Université du Maine.

II.2.2- Rayonnement acoustique des structures revêtues

N. Dauchez, O. Doutres, J.M. Genevaux

II.2.2.1- Traitement acoustique de parois vibrantesLa maîtrise de la qualité sonore dans des domaines tels que les transports, le bâtiment fait largement appel aux solutions passives et en particulier aux matériaux poreux pour leurs qualité d’absorption phonique, de légèreté et de souplesse. Cette dernière qualité, essentielle dans les applications d’isolation acoustique où le matériau est placé entre deux parois, permet de réduire la conduction des vibrations par le squelette. L’objectif de ces travaux est de déterminer l’influence de la couche poreuse sur le rayonnement d’une structure vibrante afin d’en optimiser les caractéristiques en fonction du problème posé : rayonnement, isolation, absorption acoustique. Les premiers travaux ont consisté à observer expérimentalement et à modéliser l’effet d’une couche poreuse sur le rayonnement d’une plaque à l’aide d’une impédance, dite de transfert, calculée à partir du modèle de Biot-Allard. On observe une augmentation du facteur de rayonnement en moyennes fréquences dû à une résonance du poreux et une diminution en hautes fréquences.

Les matériaux fibreux étant les plus performant en terme de diminution du facteur de rayonnement une étude

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spécifique est menée afin de déterminer dans quelle mesure la rigidité de ces matériaux, difficile d’accès par les moyens de caractérisation habituels, intervient dans le réponse. Une étude visant à simplifier le modèle de Biot-Allard pour les matériaux fibreux est en cours.

II.2.2.2- Atténuation acoustique à l'aide d'un film fluide en paroi présentant une instabilité de Faraday.

La projection de gouttelettes d'eau dans des échappements industriels permet non seulement un refroidissement de ceux-ci, mais aussi de diminuer le bruit par échange de quantité de mouvement et dissipation aux interfaces goutte-air. Les conditions aux limites des gouttes impliquent qu'elles agissent principalement par leur masse ajoutée. Si par contre, un film fluide est en contact avec une paroi vibrante, une instabilité de Faraday peut se déclencher, faisant apparaître des ondes à l'interface fluide-air, et les conditions d'adhérence à la paroi font naître de forts gradient de vitesse dans le film qui permettent ainsi de dissiper de l'énergie.

L'objet de cette étude est de montrer la faisabilité de ce procédé et d'en quantifier l'efficacité pour diminuer le bruit à la sortie de l'échappement. A terme, par une maîtrise des paramètres du modèle associé, cela vise à optimiser le film de fluide lourd pour une efficacité accrue. Deux bancs expérimentaux ont été mis en oeuvre, un modèle a été élaboré puis confronté aux résultats expérimentaux.

Le premier banc expérimental est constitué d'une cavité cylindrique d'axe vertical, de section circulaire, dont les parois sont rigides exceptée l'une des extrémités fermée par une plaque en aluminium recouverte ou non un film de fluide lourd. L'excitation est faite sur cette plaque par un pot vibrant. Les réponses du système sont quantifiées par une mesure du mouvement de la plaque (accéléromètre), la pression acoustique dans la cavité (microphone), le mouvement de la surface libre (vibromètre laser). Cette expérience a permis de montrer l'aspect non-linéaire du comportement du film fluide, l'existence d'un seuil d'accélération à partir duquel les ondes à l'interface fluide lourd – air sont présentes, la possibilité de tripler la dissipation dans le système. La mesure de dissipation se fait aux fréquences de résonance de ce système couplé.

Le second banc expérimental, plus ressemblant à un échappement, est constitué d'un cylindre de section rectangulaire, posé horizontalement, dont les parois sont rigides sauf la face inférieure constituée d'une plaque en aluminium. L'une des extrémités est ouverte, l'autre extrémité est fermée par un haut parleur qui constitue la source d'excitation du système. Les réponses considérées sont le mouvement de la plaque (accéléromètre), la pression acoustique dans la cavité (microphone), les ondes des surface libre (vibromètre laser). Les résultats montrent la possibilité de déclencher l'instabilité de Faraday à l'aide de l'excitation acoustique. La modification des niveaux acoustiques à la sortie de la cavité dépendent de la fréquence. Pour celle à proximité du premier mode de résonance de la cavité à parois rigides, une diminution de -4dB est mesurée si l'instabilité de Faraday est déclenchée. Cette atténuation est moindre en absence d'instabilité.

Un modèle basé sur l'équation de Matthieu a été repris pour le déclenchement de l'instabilité, et le choix d'un écoulement potentiel pour le mouvement relatif du fluide par rapport à la plaque a été fait en considérant une cellule périodique carrée. Ce modèle permet de quantifier la dissipation ajoutée dans chaque cellule de fluide, puis en prenant un critère local de déclenchement de l'instabilité sur la structure (l'accélération locale de la plaque est supérieure à une accélération seuil) et une forme propre de plaque sèche à la résonance, on définit l'aire où l'instabilité est présente. Ceci permet de quantifier masse, amortissement et rigidité ajoutée par la présence de la lame fluide. A l'heure d'aujourd'hui, le modèle surestime l'amortissement ajouté mesuré.

II.3- Développement d’outils d’analyse pour la vibroacoustique

V. Grulier, S. Paillasseur, J.-C. Pascal, J.H. Thomas

II.3.1- Holographie acoustique pour le diagnostic de systèmes L'holographie acoustique de champ proche, technique d’identification et de localisation de sources sonores, a montré son intérêt en fournissant une image du comportement vibroacoustique de sources. La technique est bien maîtrisée aujourd’hui pour des bruits stationnaires. Cependant, beaucoup de sources industrielles ne

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sont pas stables dans le temps. Les méthodes d'analyse actuellement employées pour identifier et localiser des sources acoustiques stationnaires utilisant un balayage de microphones ne sont plus adaptées face à des sources fluctuantes dans le temps. Dans des secteurs comme celui de l'automobile, des données lors de montées en vitesse de moteur sont recherchées pour analyser les phénomènes et réaliser des diagnostics. L’activité développée par l’équipe vise à améliorer la technique de l’holographie pour l’adapter aux difficultés émanant des problèmes réels. L’axe de recherche se scinde en deux actions : (i) le développement d'une méthode d'holographie acoustique en temps réel pour l'analyse des sources non stationnaires, (ii) le traitement des distorsions dues aux effets de troncature du champ acoustique à partir d’une analyse par ondelettes.

La maîtrise de la méthode d’holographie pour les sources stationnaires a également permis une collaboration locale sur l’étude du rayonnement d’une harpe de concert [N18].

II.3.1.1- Holographie acoustique temps-réel Cette action se développe au travers de deux thèses, celle de V. Grulier, soutenue en juillet 2005 et celle de S. Paillasseur, débutée en septembre 2004. [N24, N76, C44, C45, C94, C107, C110]

(Cette action se développe au travers de deux thèses, celle de V. Grulier, soutenue en juillet 2005 et celle de Sébastien Paillasseur, débutée en septembre 2004.

V. Grulier au cours de son travail, mené en convention CIFRE avec le Centre de Transfert de Technologie du Mans (CTTM), a proposé une méthode (RT NAH) permettant la reconstruction en temps-réel des sources fluctuantes en disposant en chaque point du plan source d’un signal temporel continu. Cette représentation sélective dans le temps et dans l’espace peut être exploitée pour assurer le suivi du fonctionnement d’un système acoustique en terme de diagnostic.

La méthode est basée sur une formulation du problème de rayonnement (en s’éloignant des sources) dans l’espace temps-nombre d’onde qui fait intervenir une réponse impulsionnelle décrite par un filtre numérique. Le calcul du filtre inverse conduit à la reconstruction des sources au cours du temps sur le plan d’émission. Mais le calcul est délicat car le problème est dit mal posé et nécessite par conséquent l’emploi de méthodes de régularisation. Il s’agit de la problématique de la thèse de S. Paillasseur.

La collaboration avec le CTTM s’est poursuivi après la thèse de V. Grulier notamment par une période post-doctorale de quatre mois (printemps 2006) pendant laquelle V. Grulier a réalisé un logiciel à partir de ses travaux.

En parallèle, des travaux sont menés au cours de projets d’étudiants de l’Ecole Nationale Supérieure d’Ingénieurs du Mans (ENSIM) afin de réaliser une antenne de microphones à multiplexage local, permettant l'acquisition en parallèle de nombreuses voies de mesure à moindre coût. L’analyse de sources fluctuantes nécessite en effet une acquisition simultanée des signaux de pression à l’aide d’une antenne de plusieurs

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Champ de pression obtenue à un instant t par holographie acoustique temps-réel

centaines de microphones. Le coût prohibitif des voies de mesures motive ce travail qui doit conduire à une antenne comportant un nombre restreint de voies d’acquisition numériques. Une collaboration avec l’Ecole Polytechnique de Nantes est imminente.

II.3.1.2- Réduction des effets de troncature par ondelettes

[N12, C28, P113]

L’étude a pour objectif la réduction des effets de troncature due à l’acquisition du champ de pression acoustique par une antenne de microphones de taille finie. Le champ tronqué de l’hologramme provoque en effet des distorsions importantes sur le spectre de nombre d’onde qui altèrent le processus de reconstruction des sources. L’approche utilisée dans cette étude fait intervenir une analyse par ondelettes dont le but est de mettre en évidence les effets de la troncature. Un filtrage spatial sélectif permet ensuite de réduire ces effets et conduit à l’obtention d’une meilleure image des sources.

II.3.2- Traitement d’antenne de microphones par formation de voies

[C21, C108]

La tendance actuelle est d'associer holographie acoustique et traitement par formation de voies. Une première approche a permis d'étudier, sur un réseau de microphones disposés en double couche, une approche bayesienne permettant d'optimiser le vecteur de pilotage (steeling vector) pour un domaine de scrutation de l'espace source. Ce traitement permet une amélioration sensible de la résolution en basse fréquence et un facteur de robustesse permet d'adapter le traitement à l'augmentation du bruit de fond. Ainsi cette approche se situe à mi-chemin entre les méthodes de formation de voie conventionnelle et les méthodes hautes résolutions adaptatives basées sur l'analyse de la matrice de covariance des signaux d'entrée. L'application étudiée propose également un traitement double couche robuste pour séparer les contributions de chaque coté de l'antenne dans un habitacle. Des journées de sensibilisation et participation à des cours ont été faites sur cette thématique.

III CollaborationsV. Doutaut et F. Teissier (Atelier de recherche appliquée de l’ITEMM, Le Mans) [depuis 2000],

R. Badeau (Télécom Paris) [depuis 2005] ,

E. Foltete et M. Ouisse (institut Femto, Besançon) [depuis 2005],

R. Pico Vila et J.Redondo (Ecole d’ingénieur de Gandia, Espagne) [depuis 2002],

R. Arruda (Univ Campinas, Brésil) [depuis 2003],

L. Benhayia, (Laboratoire CI Université du Maine, 2005)

Participation au réseau européen Lavinya (mesures optiques pour les vibrations)

IV ContratsL'OR est impliquée dans trois contrats.

Un contrat d'étude « Etude de l'influence de la présence de joints dans le comportement thermo-mécanique de piedroits de fours à coke » a été réalisé par JM Génevaux. Contrat de prestation de service, février 2004, 3 000 euros TTC.

Un second contrat d'étude pour le même centre technique, d'implantation de jauges de déformations et de mesure, pour quantifier les forces de défournement d'un saumon de coke a été réalisé par JM Génevaux et S Durand : « Mise en oeuvre d'une mesure de la force de poussée d'un bélier de four à coke par jauges de déformation placées sur le palier d'axe moteur. » Contrat de prestation de service, juin 2005, 10 367 euros TTC.

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L'OR (N. Dauchez) participe également au contrat européen Credo : Cabin noise Reduction by Experimental and numerical Design Optimization (CONTRACT No 030814 - AST5-CT-2006-030814 - Specific Targeted Research Project) Participants : Alenia Aeronautica, Brno University of Technology, Brüel & Kjær, DASSAULT AVIATION, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., EADS Deutschland GmbH, Ecole Centrale de Lyon, EUROCOPTER DEUTSCHLAND GmbH, Free Field Technologies, Université du Maine - Laboratoire d'Acoustique, Ødegaard & Danneskiold-Samsøe A/S, Politecnico di Milano, Università di Napoli Federico II , AGUSTA. L’objectif du projet est d’assurer une meilleure maîtrise tant expérimentale que prédictive du bruit dans les cabines d’aéronefs. La contribution du LAUM consiste à mieux connaître le comportement des matériaux poreux dans le contexte aéronautique pour des problèmes d’isolation, d’absorption et de rayonnement. Un budget de 122 k€ a été allouée pour une période de 3 ans à partir du 1er juillet 2006, dont une partie financera un chercheur post-doctoral sur une durée d’un an. Le projet, géré par N. Dauchez, se fera en collaboration étroite avec Dassault Aviation et mettra en œuvre les moyens expérimentaux du Centre de Transfert de Technologie du Mans (CTTM).

V Conclusion et perspectivesCes dernières années ont été marquées par une montée en compétence des trois axes de recherche de l'OR : vibrations hautes fréquences, couplages fluide-structures, outils d'analyse pour la vibroacoustique. Les approches par des méthodes énergétiques et de rayons vibratoires, utilisées pour modéliser les vibrations en hautes sont amenées à se développer, notamment dans le cadre de la thèse de J. Cuenca, menée en collaboration avec l'OR Traitement de signal. L'axe couplage fluide-structure concerne pour partie des activités partagés avec l'OR Physique des instruments de musique, qui donne lieu à des collaborations locale (ITEMM), nationale (Université de Franche Comté, Institut FEMTO ST) et internationale (Université de Campinas, Brésil).

A titre d'exemples de prolongement des études :pour le traitement acoustique de structures revêtues par un matériau poreux : proposer un critère permettant d’utiliser un modèle de Biot-Allard simplifié pour les fibreux connectés à une structure et développer une méthode de caractérisation de leur rigidité basée sur une méthode vibro-acoustique.

pour le traitement acoustique de structures revêtues par un film fluide : 1/ l'amélioration du modèle pour la première expérience pour le rendre prédictif en terme de niveaux atteints, 2/ l'application de ce modèle à la configuration expérimentale avec excitation acoustique, 3/ le test de la seconde cavité par une détermination classique de perte par insertion (Transmission Loss).

Plusieurs collaborations internationales sont engagées et contribuent au développement des activités de l'OR. Les thèmes de recherche de l'équipe donnent lieu à des applications où la demande industrielle est forte. Les membres de l'équipe sont tous enseignants chercheur à l'Ecole Nationale Supérieure d'Ingénieurs du Mans et sont de ce fait en prise directe avec les préoccupations industrielles, via les multiples projets et stages d'élèves ingénieurs.

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3.3 OR Acoustique UrbaineResponsable : Christophe AYRAULT

Permanents : C. AYRAULT (MdC UFR, 50 %), L. SIMON (PR UFR, 5 %), O. RICHOUX (MdC UFR, 10%), Thèses en cours : F. GOLAY (2005-2008), Modélisation de l'émission sonore des véhicules de transports terrestres étendus, LRPC de Strasbourg, thèse de l'Université du Maine co-encadrée par le LAUM ; A. PELAT (2006-2009), Propagation basse-fréquence en milieu urbain (thèse BDI CNRS – région Pays de la Loire)

Bilan chiffré : 1 thèse en co-encadrement avec contrat, 1 thèse en cours, 2 contrats

I Contexte et objectifsLes recherches menées en acoustique urbaine au LAUM depuis 1994 l'ont été au travers de la thèse de J. Picaut (1994-1998) et du post-doctorat de C. Ayrault (2000-2001). Outre ces recherches, aucun travail significatif n'a été mené depuis faute de moyens humains. Seul chercheur impliqué concrètement dans l'acoustique urbaine, le responsable de l'équipe n'a en effet consacré que très peu de temps à ce projet jusqu'à septembre 2005, en raison de fonctions administratives lourdes liées à la gestion de formations professionnelles et d'une seconde thématique de recherche déjà active (caractérisation des matériaux poreux). L'activité de recherche acoustique urbaine a concrètement repris en avril 2004 et donné lieu à la mise en place d'une Opération de Recherche (OR) en 2005. L'objectif a tout d'abord été la création d'une équipe de recherche autour de cette thématique et la définition de ses axes. Cette équipe, actuellement constituée de deux Maîtres de Conférences et d'un Professeur, se verra renforcée dès la rentrée 2006 par l'arrivée d'un Maître de Conférences, d'un Chargé de Recherche et d'un doctorant.

Les objectifs de ces travaux sont doubles. D'un point de vue scientifique, l'objectif est de développer des modèles de propagation en milieu urbain tenant compte de la spécificité de ce milieu. En termes d'application, ces travaux sont destinés à fournir aux acteurs de la ville (architectes, urbanistes, élus ...) des outils d'aide à l'aménagement urbain intégrant les ambiances sonores urbaines. Ces recherches se sont déclinées en deux axes :

la caractérisation des sources en milieu urbain,

la propagation suivant trois items :

le développement d'un outil de validation (maquette),

l'influence de la diffusion par les façades sur le champ sonore,

la propagation des basses fréquences en milieu urbain.

II Bilan des activités

II.1- Caractérisation des sources sonores

Cadre : co-encadrement de la thèse de F. Golay, "Modélisation de l'émission sonore des véhicules de transports terrestres étendus", Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées (LRPC) de Strasbourg, Université du Maine, 2005-2008 ; directeur de thèse : L. Simon (LAUM), co-directeurs : C. Ayrault (LAUM) et G. Dutilleux (LRPC Strasbourg). Cette thèse fait l'objet d'un contrat d'encadrement (9kE).

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Le LRPC de Strasbourg s'est associé depuis septembre 2005 avec le LAUM pour ses compétences en instrumentation et traitement du signal pour assurer le co-encadrement d'une thèse sur la modélisation de l'émission sonore des véhicules de transport terrestres étendus.

On s’intéresse ici à l’émission acoustique de poids-lourds, autobus et tramways que l’on peut regrouper sous l’appellation « véhicules étendus », étant donné qu'une seule source sonore équivalente ne suffit pas à représenter leur émission acoustique à proximité d'une voirie. Il s'avère par ailleurs que ces véhicules sont relativement mal connus en tant que sources acoustiques.

Le premier objectif de cette thèse est de parvenir pour ce type de véhicules à un modèle d’émission de type champ lointain qui soit réaliste tout en étant fondé sur un nombre restreint de sources ponctuelles. Ce modèle doit prendre en compte la dépendance des niveaux de puissance en fonction de la cinématique du véhicule et doit être d'implantation informatique simple, car la perspective est la fourniture de données fiables pour les logiciels de prévision employés dans les études d'impacts de projets d'infrastructures.

Le deuxième objectif est de définir des moyens expérimentaux d'identification des paramètres du modèle ci-dessus, des moyens qui soient à la fois robustes et d'application simple in situ sur des véhicules du flot. La préférence est donnée ici à des méthodes nécessitant peu de capteurs (acoustiques ou vibratoires a priori) et n'exigeant pas d'intervention sur les véhicules ou sur la voirie. Sur ce point, les travaux conduits au LRPC ces dernières années montrent que deux microphones suffisent pour extraire un niveau de puissance et une hauteur de source pour une ligne de sources ponctuelles parallèle au sol, grâce à une approche inverse. Il semble que la contrainte de hauteur uniforme puisse être relachée. En outre, la mesure de paramètres cinématiques doit pouvoir être abordée par des moyens acoustiques. Si une solution de ce type existe pour la vitesse, les mesures de l'accélération et du positionnement latéral des véhicules non guidés restent à traiter. Le développement de ces méthodes nécessitera le recours à l'antennerie acoustique.

Ce travail a débuté par un état de l'art sur le sujet, via une recherche bibliographique et auprès des constructeurs de véhicules. Sur cette base, il s'agit désormais d'inventorier les paramètres à mesurer, de définir pour chaque paramètre la méthode de mesurage pertinente et d'avoir une vue d'ensemble du parc de véhicules.

Les méthodes de mesurage alimenteront une base de données expérimentales conséquente, qui servira à la définition et l’ajustement d’un modèle d'émission.

Compte tenu de la diversité du matériel roulant, il est plutôt envisagé l’introduction de plusieurs classes de véhicules, chacune associée à un modèle d’émission spécifique. Dans un deuxième temps, un modèle d’ensemble pourrait éventuellement être déduit à partir de ces modèles particuliers, sur la base de la composition moyenne du parc national de véhicules.

La vocation des modèles d'émission développés impose qu'ils fournissent au moins une signature temporelle énergétique (type leq court). Selon l'avancement du travail, on pourra s'intéresser à une signature de pression et au calcul d'indicateurs psycho-acoustiques.

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Influence de l'espace inter-électrodes de la source sur le spectre de l'impulsion acoustique créée

Photo de la maquette de rue

II.2- Propagation

II.2.1- Développement d'un outil de validation (maquette de rue) La validation des modèles de propagation peut être effectuée in situ mais est généralement réalisée à l'aide de maquettes pour des raisons de facilité de mise en oeuvre. La salle semi-anéchoïque du LAUM accueillant une maquette de rue (figure a) ci-dessous), est actuellement en cours de rénovation et sera disponible début 2007.

Afin de procéder aux mesures sur maquette, il est nécessaire de disposer d'une source ponctuelle et puissante, en particulier en hautes fréquences (problématique exposée au GDR Bruit des Transports de Marseille en janvier 2004). Une telle source, similaire à celle utilisée au LMFA de Lyon pour l'étude du bang sonique, a été fabriquée au LAUM en 2005. Il s'agit d'un éclateur électrostatique délivrant une impulsion pouvant atteindre 200 Pa crête. Le travail a consisté à caractériser expérimentalement cette source pour définir l'ensemble des paramètres pertinents pour son réglage.

Une première étude a été réalisée au LAUM lors d'un stage de Master, en collaboration avec l'OR transducteurs. Ces travaux ont mis en évidence l'influence de l'espace inter-électrodes sur la forme du spectre (figure b) ci-dessous). D'autres travaux ont montré l'influence du niveau de charge de l'éclateur mais aussi l'absence d'influence de la nature du matériau, du diamètre et de la forme des électrodes. Le LAUM dispose ainsi désormais d'une source impulsionnelle puissante aux caractéristiques spectrales variables. L'usage d'une source puissante dans la maquette soulève toutefois de nouveaux problèmes liés à une part de propagation non linéaire. Cette source, modulable, peut trouver également d'autres applications :

• génération d'impulsions magnétiques pour l'étude de l'effet Branly dans les matériaux granulaires (P. Béquin, transducteurs) : en cours.

• génération de solitons dans un réseau unidimensionnel de résonateurs de Helmholtz (O. Richoux, Ondes guidées) : perspective

Elle équipera enfin la future salle des maquettes du LCPC à Nantes (contrat de 3 kE).

II.2.2- Influence de la diffusion par les façades en acoustique urbaine. Ces travaux ont été réalisés dans le cadre d'un stage de DEA en 2004 et d'un stage de Master en 2005.

Les modèles de propagation prennent en compte de manière très simplifiée la diffusion au niveau de la façade. La loi généralement utilisée, de type Lambert, n'est pas vérifiée expérimentalement et doit probablement varier d'une surface à l'autre. Enfin, l''effet réel d'une variation de l'état de surface sur le champ sonore dans la rue n'est pas bien connu. Dans cette optique, l'étude expérimentale menée sur la maquette du LAUM a montré que l'état de surface a une influence sur le champ sonore dans la rue. Dans le cas d'une distribution de surface aléatoire (cas étudié ici), la diffusion par les façades joue un rôle important en basses et moyennes fréquences, diminuant nettement le niveau sonore pour une taille de diffuseur minimale. Un minimum de désordre surfacique semble nécessaire pour voir cet effet, mais une augmentation de ce désordre n'apporte pas de changement notable. Une valeur particulière de la taille des diffuseurs, pour une distribution donnée, crée parfois une atténuation spectaculaire. A plus hautes fréquences (f>1500Hz), l'effet de la diffusion devient cependant plus faible. Les critères les plus pertinents pour observer ces effets sont le niveau sonore, le temps de réverbération et le critère énergétique de définition. De tels effets ont également été observés lors d'études numériques au LCPC.

Le modèle de la maquette a été ensuite reproduit sous le logiciel d'acoustique des salles Catt Acoustics. Les simulations réalisées n'ont cependant pas confirmé les tendances expérimentales observées. Ce logiciel utilise en effet une loi de diffusion de type Lambert pour simuler la diffusion par des façades ou la diffraction par des arêtes. Dans la maquette, la diffusion n'est cependant pas créée par la rugosité de surface mais par les arêtes des éléments diffractants (des cubes). Il n'est donc pas possible de reproduire sous Catt Acoustics les mêmes phénomènes physiques que sur la maquette. La variation des coefficients de diffusion ne permet pas non plus d'ajuster les résultats numériques sur les mesures. Cela montre tout l'intérêt de développer des programmes prenant en compte des lois de réflexion variables et mieux adaptées que la loi de Lambert,, et de

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définir plus précisément ces lois. Ce travail fera l'objet d'une thèse au LCPC de Nantes à partir d'octobre 2006 : G. Guillaume, Détermination numérique des lois de réflexions des façades urbaines. Le LAUM participe au comité de suivi.

II.2.3- Propagation basses fréquences en milieu urbain Les futurs travaux s'orienteront progressivement dans cette voie. Plusieurs modèles de propagation ont été développés depuis quelques dizaines d'années pour simuler le champ sonore dans une rue. La plupart des modèles sont basés sur la théorie des rayons et des sources images. Un autre modèle plus récent décrit quant à lui la propagation du son à l'aide d'une équation de diffusion prenant en compte la diffusion par les façades. Ces modèles sont cependant des modèles moyennes et hautes fréquences (de quelques centaines de Hertz jusqu'à 5 kHz). Or, la problématique du bruit urbain concerne une bande de fréquences s'étendant de 100 Hz à 5 kHz environ. Les bruits basses fréquences en particulier sont gênants, moins atténués et se propagent plus facilement à travers les habitats. D'autre part, l'aspect ondulatoire n'apparaît pas dans ces modèles, alors que le rapport de la longueur d'onde à la taille des structures diffusantes est fondamental pour comprendre l'influence sur la propagation de la diffusion par les façades qui est traitée de manière statistique dans ces modèles.

En basses fréquences, l'étude de la propagation des modes devient alors pertinente. Quelques modèles ont été développés sur cette base, en considérant la rue comme un guide d'ondes rectangulaire, non ouvert sur sa surface supérieure, comme deux plans infinis parallèles, ou encore comme une rue en U rayonnant dans un espace semi-infini (cas réel) mais en 2D (c'est-à-dire en coupe). Ces modèles ont montré certaines différences avec des mesures in situ ou sur maquette et ont été peu développés et utilisés par la suite.

Nous reprenons actuellement ces travaux en commençant par une étude de raccordement modal dans un guide d'onde à deux dimensions. Se pose ici la question de savoir combien de modes il est utile de conserver pour décrire correctement le champ sonore en fonction de la taille de la discontinuité, alors que les travaux précédents simplifient le problème en ne considérant qu'un seul mode. On s'intéressera ensuite au cas d'une rue 2D en périodisant et désymétrisant la cellule élémentaire.

III CollaborationsIRSTV (Institut de Recherche des Sciences et Techniques de la Ville), Nantes

GDR Bruit des Transports, thème 4

LAUM : transducteurs (P. Béquin, MC), ondes guidées, V. Pagneux (CR))

Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC), Nantes : J. Picaut (CR),

Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique (LMFA), ECL, Lyon : S. Ollivier (MC).

Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées (LRPC), Strasbourg : G. Dutilleux (CR).

IV ContratsContrat d'encadrement de la thèse de F. Golay, LRPC de Strasbourg : 9 kE.

Contrat LCPC, réalisation d'une source à étincelles : 3 kE.

V Synthèse et perspectives : Les travaux en acoustique urbaine, repris depuis peu, ont surtout consisté à mettre en place une équipe de recherche. L'équipe sera renforcée à la rentrée 2006 par l'arrivée de deux permanents : un nouveau Maître de Conférences (B. Lihoreau) , ainsi qu'un Chargé de Recherche CNRS (S. Felix) intervenant notamment sur l'acoustique de l'environnement, de l'énergie et des transports.

En parallèle aux travaux menés sur les sources et les aspects expérimentaux, les travaux à venir porteront principalement sur la propagation basse fréquence. Un financement de thèse BDI CNRS - région a ainsi été

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obtenu sur ce sujet : A. Pelat, "Propagation basse fréquence en milieu urbain", LAUM, Université du Maine, 2006 – 2009, direction : L. Simon (PR), co-direction : C. Ayrault (MC), O. Richoux (MC).

Dans ce travail de thèse, on se propose d'étudier la propagation de modes dans un guide d'ondes rectangulaire semi-ouvert (sur sa face supérieure) représentant une rue en 3D. Dans un premier temps, les façades seront parfaitement rigides. On étudiera ensuite l'influence de l'absorption par les parois et le sol, puis de la diffusion par les façades sur la propagation des modes. L'impact de la structure des façades sur ce comportement modal pourra ainsi faire l'objet d'une étude particulière, en s'intéressant notamment aux lois de diffusion par les façades, en relation avec le LCPC de Nantes (thèse 2006-2009). A l'échelle supérieure, on s'intéressera ensuite à la propagation de ces modes dans un réseau de rues, régulier ou non. Les modèles développés seront confrontés à des mesures réalisées sur une maquette de rue en chambre semi-anéchoïque (au LAUM et au LCPC de Nantes) et seront comparés à d'autres modèles existants (diffusion, sources images ...). A terme, l'objectif de ce travail est de compléter, dans le domaine des basses fréquences, les modèles existants, et d'alimenter les logiciels de prédiction d'acoustique urbaine.

Bien évidemment, le renforcement récent de l'équipe, ainsi que l'environnement scientifique au sein du LAUM donne l'opportunité d'aborder le problème de la propagation en milieu urbain sous d'autres angles : cohérence et incohérence du champ sonore, problèmes de localisation de l'énergie dans l'espace urbain, équation parabolique pour la prise en compte des effets météorologiques, description temporelle du champ à l'aide des dérivées fractionnaires ...

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3.4 OR Acoustique hautes fréquencesResponsable : Luc LEVIANDIER

Permanents : Y. AURÉGAN (CR CNRS, 10%) C. DEPOLLIER (PR, X%), D LAFARGE (CR CNRS, 50%), L LEVIANDIER (PAST, 100%), Vincent PAGNEUX (CR CNRS, 10%), Vincent TOURNAT(CR CNRS, 10%)

Non Permanents : W. BI (PostDoc, 2004–2008)

Doctorants : Aroune DUCLOS (Doctorant 2002-2007, 100%)

Bilan chiffré : 0 thèses soutenue, 1 thèses en cours, 3 RCL, 5 CCI, 1 CCN

I Contexte et objectifsCette Opération de Recherche rassemble les thématiques du laboratoire dans lesquelles est étudiée la propagation acoustique dans les situations où la longueur d'onde devient petite devant une ou plusieurs échelles caractéristiques de variation du milieu. On s'intéresse en particulier à la transition entre basses et hautes fréquences, dans le but de développer des modèles rendant compte au mieux de la physique du problème tout en nécessitant, le cas échéant, un effort de calcul contenu. L’approche est essentiellement théorique et numérique. Les applications principales concernent la propagation acoustique atmosphérique ou sous-marine, la propagation en guide inhomogène, la propagation dans les poreux ainsi que la vibro-acoustique.

II Bilan scientifique de la période 2003-2006Trois axes d’étude se sont développés au cours de la période. Le premier concerne la diffusion multiple dans les milieux poreux (en liaison avec l’OR Caractérisation acoustique et mécanique des matériaux poreux). Le second traite de la propagation en guide d’onde inhomogène ou irrégulier (en liaison avec l’OR Conduits traités). Le troisième concerne l’analyse dans l’espace des phases de champs acoustiques dans les guides (en liaison avec l’OR Traitement du signal).

II.1- Propagation dans les milieux poreux et diffusion multipleLa propagation dans les milieux complexes est un domaine fondamental de recherche ayant de nombreuses applications. Nous nous intéressons ici plus particulièrement à la propagation dans un milieu fluide avec inclusions solides rigides immobiles. C’est le cas notamment de nombreux matériaux poreux utilisés pour l’absorption du son. Il existe différents régimes de propagation, selon le rapport entre longueur d’onde d’une part, et dimensions caractéristiques du milieu d’autre part.

1. Lorsque la longueur d’onde est assez grande, il existe un milieu macroscopique équivalent: quelles en sont les propriétés ?

2. Lorsque la longueur d’onde se réduit, il existe encore un milieu macroscopique équivalent (qui dépend des phénomènes de diffusion multiple) : quelles en sont les nouvelles propriétés ?

3. Lorsque la longueur d’onde se réduit encore, toute description purement macroscopique de la propagation devient impossible.

Dans notre découpage quelque peu arbitraire en OR différentes, l’OR Caractérisation acoustique et mécanique des matériaux poreux est concernée par le domaine physique du régime 1. La présente OR Hautes fréquences s’intéresse quant à elle plus particulièrement à la transition 2 entre les régimes 1 et 3, transition

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dans laquelle les phénomènes de diffusion multiple interviennent.

Pour aborder ces derniers, un premier travail a consisté à introduire les pertes visco-thermiques dans le modèle classique de l’ISA, ”Independent scattering approximation”. Nous l’avons fait dans le cas simple de diffuseurs de forme cylindrique dans une limite haute fréquence qui suppose les épaisseurs de couches limites petites vis-à-vis de la taille des pores. Expérimentalement, le modèle développé s’applique aux matériaux poreux ordinaires utilisés pour l’absorption du son. Il s'est montré apte à reproduire avec très peu de paramètres les propriétés acoustiques de matériaux poreux avec ou sans diffuseurs supplémentaires.

Par nature, l’ISA est limitée dans son application aux milieux ayant une faible concentration de diffuseurs. Pour traiter de la situation plus générale où la concentration des diffuseurs n’est pas nécessairement faible, nous nous sommes intéressés au cas d’un milieu périodique formé de cylindres solides régulièrement disposés en un réseau carré et plongés dans un fluide. Un calcul analytique détaillé de la propagation dans un tel réseau, tenant compte de tous les effets, diffusion multiple et pertes visco-thermiques, a été développé dans le cadre de la thèse d’Aroune Duclos. Pour illustration, nous donnons ci-dessous une comparaison théorie/expérience pour le coefficient de transmission d’une onde plane en incidence normale, au travers d’un réseau carré formé de 2 rangées de cylindres de 1mm de rayon et 2.5mm de paramètre de maille. Les coefficients de transmission mesurés et calculés en tenant compte, ou pas, des pertes visco-thermiques, sont reportés en fonction de la fréquence. Ils montrent un bon accord entre l’expérience et le calcul de diffusion multiple avec pertes viscothermiques.

Dans le cas général d’une microgéométrie arbitraire, on ne sait pas mener à bien le calcul de diffusion multiple. Mais, tant que les longueurs d’ondes restent assez grandes, on peut envisager mener à bien le passage micro-macro nécessaire pour déduire les propriétés macroscopiques du milieu, au moyen de la « théorie de l’Homogénéisation » connue du cas 1. Il faut ici pousser les développements à un ordre supérieur pour tenir compte des effets de diffusion multiple. Ce travail est en cours.

II.2- Propagation en guide d’onde inhomogène ou irrégulier

II.2.1- Modélisation La propagation dans les guides d’onde irréguliers (guides homogènes de section variable) ou dans les guides inhomogènes (célérité variable) dont l’indice varie dans l’axe du guide (cas des propagations atmosphériques et sous-marine) induit un couplage entre les ondes se propageant « vers l’avant » et « vers l’arrière » par rapport à la direction privilégiée de propagation. Dans le cas des guides irréguliers l’approche multimodale développée au LAUM permet de calculer le champ de pression acoustique de façon directe. Cette méthode

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coefficient de transmission au travers de 2 rangées de cylindres

consiste à rétro-propager jusqu'à la source la matrice impédance, définie sur les modes locaux, depuis une distance à cette source où une condition de rayonnement peut être appliquée. Dans le cas des guides inhomogènes, on a généralement recours à un découplage entre les ondes « aller » et « retour ». On obtient soit un système différentiel du 1er ordre dans la direction de propagation (méthodes des modes couplés « vers l’avant »), soit une EDP du 1er ordre (méthode de l’équation parabolique, obtenue par factorisation de l’équation de Helmholtz). Le gain en place mémoire et en effort de calcul est considérable en haute fréquence (en N2 au lieu de N3, N étant le nombre de modes). Il est à noter cependant que nombre d’auteurs (e.g. Brekhovskikh et Godin) considèrent que la décomposition « aller/retour » en milieu inhomogène est arbitraire.

Dans ce contexte nous avons reconsidéré l’approche connue dans la littérature sous le nom de « splitting ». Nous avons ainsi mis en évidence que parmi l’infinité d’opérateurs de décomposition admissibles, deux présentaient un intérêt majeur.

Le premier opérateur, issu d’une démarche analogue à celle de Bremmer mais en dimension supérieure à 1, permet de décomposer sur des bases physiques le champ de pression de façon unique. En particulier on obtient l’équation parabolique (ou plutôt unidirectionnelle, l’approximation paraxiale n’étant pas nécessaire) exacte régissant l’onde « aller ». Un résultat extrêmement intéressant est que cette équation ne conserve le flux d’énergie qu’à la limite haute fréquence. Ceci est du à la présence d’un terme de l’équation qui n’apparaît pas dans la factorisation de l’équation de Helmholtz et analogue au terme d’amplitude de l’approximation WKB en dimension 1. De plus, à une fréquence quelconque, il existe un invariant de propagation, que l’on peut interpréter comme une généralisation aux milieux complètement inhomogènes de l’invariant de Snell-Descartes pour les milieux stratifiés (article en préparation)

Le second opérateur, basé sur un découplage a priori des deux ondes et non sur des considérations physiques, permet d’obtenir une équation du 1er ordre pour le champ global ainsi qu’une équation du 1er ordre pour l’opérateur de propagation intervenant dans l’équation précédente. En projetant sur les modes locaux on obtient le pendant en milieu inhomogène de l’approche multimodale décrite plus haut.

II.2.2- Correspondance modes-rayons La méthode multimodale a pu être appliquée à haute fréquence (plusieurs centaines de modes) dans le cas de guides d'onde courbes de section et courbure constantes par morceaux, en utilisant le fait que les calculs peuvent alors être menés algébriquement. La matrice de diffusion modale doit présenter la propriété d'unitarité associée à la conservation de l'énergie pour le champ global (Pagneux et Maurel) ce qui a été vérifié et permet de valider ce calcul haute fréquence. Par ailleurs, en se basant sur les travaux de Luna-Acosta et al. sur la correspondance entre dynamiques classique et quantique, une matrice de diffusion a été construite à partir de la densité de rayons. Une grande similitude est observée, pour différentes géométries de guides courbes, entre cette matrice de diffusion de rayons et la matrice de diffusion modale. Ainsi une matrice construite dans la limite géométrique permet d'anticiper et de comprendre les propriétés de la matrice de diffusion ondulatoire.

II.3- Analyse du champ acoustique dans l’espace des phasesLe champ acoustique peut être analysé dans l'espace des phases de différentes façons. Par exemple pour un champ bidimensionnel, on peut représenter pour tout point (x, y), un spectre local fonction de (kx, ky). On peut aussi, en s'inspirant de ce qui est parfois réalisé en mécanique quantique pour l'étude des billards, restreindre la représentation à la frontière du domaine et utiliser comme variables d'espace des phases (s, cosϕ) ou s est l'abscisse curviligne le long de la frontière et cosϕ la composante normalisée du vecteur d'onde le long de cette frontière (représentation de Birkhoff, ou section de Poincaré). Différentes méthodes ont été utilisées et comparées pour obtenir des distributions quadratiques dans l'espace des phases (Distributions de Husimi, pseudo-Wigner-Ville, pseudo-Wigner-Ville lissé, ..). Des simulations ont montré que la concentration de l'énergie dans certaines régions de l'espace des phases s'interprète en terme de rayonnement géométrique et de diffraction dans le cas d'un guide à section discontinue (chambre d'expansion) ou d'ondes

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rampantes et d'effet de "voûte acoustique" dans le cas d'un billard ouvert.

III CollaborationDans le cadre de la thématique diffusion multiple une collaboration a été établie avec Andrea Cortis (Berkeley, USA) pour la fourniture de résultats de simulation du modèle classique de fluide équivalent (cylindres en réseau carré).

IV PerspectivesConcernant la diffusion multiple nos dernières réflexions nous amènent à reconnaître que la théorie de l’Homogénéisation n’est pas applicable pour construire la théorie macroscopique la plus générale du régime 1 (cf. les trois régimes cités au §II.1). Ainsi, c’est à tort que l’on a considéré jusqu’à présent le modèle de fluide équivalent comme étant le modèle le plus général du cas 1. La théorie macroscopique la plus générale de la propagation dans le milieu, que nous sommes en train de développer, fait apparaître l’ingrédient qui manque dans les descriptions de « fluide équivalent » déduites de la théorie de l’Homogénéisation, à savoir les effets de dispersion spatiale pour reprendre la terminologie utilisée en électrodynamique des milieux continus. Ces effets se manifestent lorsqu’on n’a plus le droit de considérer que le champ des vitesses est incompressible à l’échelle des pores. C’est automatiquement le cas pour le régime 2, du fait que la longueur d’onde n’est pas très grande. Cela pourra être aussi le cas pour le régime 1, en présence de « cavités » dans le milieu jouant le rôle de résonateurs de Helmholtz.

Dans le domaine de la modélisation de la propagation en milieu inhomogène une extension des résultats obtenus aux milieux élastiques est envisagée (application à la sismique ou à la propagation acoustique sous-marine en présence de sédiments élastiques). Par ailleurs dans le cas fluide des travaux sont en cours pour déterminer, à partir de l'équation de propagation unidirectionnelle, un opérateur de propagation pour une tranche du milieu non stratifiée, par exemple en termes de modes globaux. Ceci permettrait l'intégration de l'équation de propagation du 1er ordre sur un pas très supérieur à la longueur d'onde et autoriserait en outre un gain important en effort de calcul des modèles de propagation.

Concernant la correspondance modes-rayons, on peut s'attendre à améliorer quantitativement la correspondance entre matrices de diffusion modale et de rayons en prenant en compte l'information de phase des rayons.

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3.5 OR Acoustique des conduits traités avec écoulementResponsable : Vincent PAGNEUX

Permanents : Y. AURÉGAN (CR CNRS, 90%), S. FÉLIX (CR CNRS 50 %), D LAFARGE (CR CNRS, 30%), Vincent PAGNEUX (CR CNRS, 60%)

Non Permanents : W. BI (PostDoc, 2004–2008), D. MARX (PostDoc CNRS 2005-2007)

Thèses Soutenues : Maud LEROUX, Propagation acoustique en conduit traité, Influence de l'écoulement sur l'impédance de paroi et effet des modes hydrodynamiques, Sept 2005.

Doctorants : Loïc BAREAU (2004-2007), Philippe TESTUD (2003-2006, 100%)

Bilan chiffré : 2,3 ETP, 1 thèse soutenue, 2 thèses en cours, 6 RCL, 5 CCI, 4 CCN

I Contexte et objectifsCette OR, regroupant des activités de recherche issues du groupe Ondes Guidés, se concentre sur les études de propagation guidée dans les conduits avec traitement aux parois et avec écoulement. Les activités au « cœur de l’OR » concernent, d’une part, la modélisation de la propagation des les conduits tapissés de traitement de façon inhomogène, du type réacteurs d’avion, et, d’autre part, l’interaction entre un écoulement et la propagation acoustique en présence d’une paroi traitée. Les « activités satellites » sont qualifiées comme telles car elles ont des connexions potentielles avec les thèmes précédents ; elles regroupent l’étude des effets de couches limites viscothermiques dans les conduits, la propagation guidé avec écoulement dans les guides à section variable, la propagation dans les coudes et l’interaction couche limite acoustique-couche limite turbulente.

II Bilan scientifique de la période 2003-2006

II.1- Modélisation dans les conduits avec traitement inhomogène

Y. Aurégan, W.P. Bi, D. Lafarge, V. Pagneux

La méthode de la matrice impédance est utilisée pour l’étude de la propagation dans un conduit traité non-uniformément. Le début de ce travail s’est effectué dans le cadre d’un contrat avec la SNECMA qui a financé la thèse sur ce sujet de Weng Ping Bi entre 2001 et 2004. L’objectif est de pouvoir prévoir des configurations de traitements réduisant à la fois les bruits de soufflantes et les bruits de raies dans les réacteurs d’avion. Un des avantages de la méthode que nous utilisons est de pouvoir poursuivre l’étude efficacement dans des plages de hautes fréquences typiques pour les applications pour lesquelles des centaines de modes sont propagatifs. Weng Ping Bi poursuit actuellement son séjour au LAUM dans le cadre d’un post-doc (contrat AIRBUS) pour améliorer la méthode précédente, ce qui permettra d’atteindre des fréquences encore plus élevées.

II.2- Interaction acoustique - écoulement proche d’une paroi traitée

Y. Aurégan, V. Pagneux, M. Leroux, D. Marx

Cette thématique concerne les problèmes d’interactions entre un écoulement et une onde acoustique au voisinage d’un traitement (impédance au mur). Au dessus d'un matériau poreux, la couche de cisaillement qu'est la couche limite de l'écoulement peut devenir instable (instabilité convective de type Kelvin-Helmholtz). Cette instabilité peut être amplifiée par une éventuelle résonance du matériau poreux et se

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synchroniser, soit sur une onde acoustique présente au dessus du matériau, soit par une perturbation de vorticité dans la couche limite. L'efficacité acoustique des traitements peut être modifié par la présence de cette instabilité. De plus, dans certaines configurations, ce mode hydrodynamique instable couplé aux modes acoustiques peut induire de forte variation des propriétés de l'écoulement porteur (augmentation significative du frottement turbulent à la paroi). Cette activité a été initiée dans le cadre de la thèse de Maud Leroux, des contrats « Supersonique » et se continue actuellement dans le cadre du post-doctorat CNRS de David Marx (2005-2007, commun LAUM-LEA) et sera poursuivie dans le contrat « COMATEC » qui vient d'être accordé par la Fondation de Recherche Aéronautique et Espace.

II.3- Propagation dans les conduits de section variable avec écoulement

Y. Aurégan, V. Pagneux, Philippe Testud

En présence d’un écoulement cisaillé les modes en conduits sont scindés en trois familles : les modes acoustiques aller (spectre discret), les modes acoustiques retour (spectre discret) et les modes hydrodynamiques (spectre continu). Ainsi l’effet d’un écoulement non uniforme en conduit est très difficile à traiter théoriquement à cause de ce spectre continu qui, notamment, rend délicate la mise en place de conditions de sortie anéchoïques. Il apparaît qu’une méthode multimodale numérique peut être mise en place pour étudier ce problème. L’idée principale est de discrétiser transversalement les équations de départ puis d’utiliser les notions de modes allers et retours sur les modes numériques obtenus. Cette approche est pour l’instant utilisée dans le cas d’une expansion brusque et pour des conduits traités avec écoulement. Philippe Testud (Doctorant EDF) a utilisé ces techniques dans le but d'étudier la potentialité de sifflement de diaphragmes. L'application visée est la prédiction de sifflement dans les conduits de centrales nucléaires.

II.4- Effets des couches limites visqueuses et thermiques

Loïc Bareau, V. Pagneux

Ce travail a été initié en début d’année 2002, et il a pour objectif de rendre compte des effets de rugosité des parois sur les couches limites acoustiques et thermiques. La technique employée est fondée sur une transformation conforme de la géométrie rugueuse en une géométrie à paroi plane. Ensuite, un problème de couche limite avec coefficients variables est résolu par la méthode de la matrice impédance (ici aussi des modes évanescents sont présents puisque la vorticité est évanescente lorsque l’on s’éloigne de la paroi). Les premiers résultats obtenus permettent de mettre en évidence l’accumulation de vorticité de la couche limite

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Variation de la pression le long de l’axe d’un conduit avec « splice »

visqueuse près des parties a forte courbure. La suite de ce travail concernera les effets non-linéaires, les effets d’écoulement et les effets de faible nombre de Knudsen sur les conditions limites. L. Bareau effectue une thèse sur ce sujet (modes visqueux et thermiques dans un conduit circulaire) depuis octobre 2002.

II.5- Propagation dans les coudes

V. Pagneux, Simon Félix

La technique multimodale, utilisée dans les conduits à section variable, a été étendue aux géométries coudés (axe non rectiligne) bidimensionnelle. Entre 1999 et 2002 (thèse de S.Félix), le code numérique nécessaire à la résolution des équations modales a été mis en place. Les résultats sont très satisfaisants et ont été validés par rapport à des résultats obtenus par une méthode d’éléments finis. Par la suite, la méthode a été appliquée aux guides coudés tridimensionnels et aux coudes traités qui sont d’une grande importance pratique pour une application aux problèmes de propagation dans les canalisations. Les derniers travaux portent sur l’étude de la propagation dans les coudes à très haute fréquence, c’est-à-dire avec environ un millier de modes propagatifs.

II.6- Interaction couche limite acoustique – couche limite turbulente

Y. Aurégan, V. Pagneux, M. Leroux

La théorie modale acoustique en conduit s'étend naturellement au cas où un écoulement est présent, mais elle fait apparaître des nouveaux modes que l'on peut qualifier d’"hydrodynamiques". Ces derniers ont pour origine des zones de résonance où la vitesse de phase du mode est égale à la vitesse du fluide, et ils sont tributaires de la condition de fluide parfait. Il apparaît donc que pour comprendre ces facteurs essentiels il faut analyser le rôle joué par les pertes acoustiques. C'est pourquoi un travail a été initié pour étudier les effets viscothermiques en acoustique avec écoulement. En outre, il s'avère que ces effets doivent être pris en compte pour permettre l'analyse fine des résultats expérimentaux.

Tout d’abord, nous avons mis en évidence des modes de conduits hydrodynamique et entropique avec écoulement uniforme et nous avons étudié l'effet de l'interaction de la couche limite acoustique avec la couche limite d'un écoulement rasant. Ensuite, un développement en perturbation a été utilisé pour modéliser l'acoustique avec écoulement cisaillé et pertes viscothermiques. Ces résultats théoriques seront comparés aux mesures fournies par les expériences que nous nous commençons à réaliser sur le banc à écoulement du LAUM.

Cette théorie ne permet de modéliser que partiellement les résultats expérimentaux, ce qui montre l’importance des effets des fluctuations turbulentes de l’écoulement. Ainsi dans une seconde étape, une étude sur l’interaction entre une onde acoustique et un écoulement turbulent a été initiée dans le cadre d’un contrat « Sciences et Technologies pour le Transport Supersonique » en collaboration avec l’équipe « Instabilité-

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Calcul d'un champ de pression au dessus d'un matériau poreux avec écoulement

Turbulence-Diphasique » de Institut de Mécanique des Fluides et des Solides de Strasbourg (UMR 7507). Cette étude s’intéresse à l’atténuation en conduit droit d’un point de vue numérique et expérimental. L’IMFS fait des calculs dans un canal droit pulsé par les méthodes de simulation numérique directe et de simulation des grandes échelles (la thèse de M. Haberkorn soutenue en décembre 2004 porte sur ce sujet). Ces résultats seront comparés à ceux obtenus sur un nouveau banc de mesure de section rectangulaire en cours de mise au point au LAUM.

III Contratscontrat SNECMA « Modélisation de traitements acoustiques réactifs/passifs à réaction nonlocale dans les conduits, et optimisation en vue de la réduction du bruit rayonné par les nacelles » (contrat de 150 k€, 2000-2004)

contrat du Ministère de la Recherche (Supersonique) «Propagation acoustique dans les conduits traités : influence de la température et de l’écoulement sur l’impédance de paroi » (contrat de 170 k€, 2001-2005)

contrat européén « Silencer » (contrat de 133 k€, 2001-2006)

contrats AIRBUS (2005-2007)

IV PerspectivesDe nombreuses perspectives existent dans cette OR, notamment grâce aux différents contrats et collaborations déjà engagés. Tout d’abord, l’attribution l’année dernière d’un financement post-doc CNRS (David Marx) pour une étude couplée entre le LAUM et le LEA de Poitiers a permis d’entamer une collaboration concernant cette OR entre les deux laboratoires. David Marx a effectué une campagne de mesure par PIV des champs acoustiques proche des coins, ce qui a permis de mettre en évidence des détachements tourbillonnaires acoustiques. Dans l’année qui vient, toujours grâce à la PIV, il va mesures les champs de vitesses acoustiques proche des traitements afin de mieux comprendre la nature de l’interaction acoustique-écoulement dans cette configuration. D’autre part, pour étudier les mécanismes d’instabilité d’une couche limite d’écoulement en présence d’une résonance acoustique, un financement par la COMATEC va permettre de mettre en place une expérience sur l’interaction entre des micro-jets pulsés (produit par la société FLOWDIT) et un écoulement rasant. Enfin, dans le cadre du contrat avec EADS sur la modélisation de l’effet des traitement inhomogènes sur la propagation dans les réacteurs d’avion (post-doc de Weng-Ping Bi), deux codes de calculs vont être réalisés ; le premier sera destiné à EADS qui pourra l’utiliser pour optimiser la répartition du traitement, le second sera plus un code de recherche en évolution vers une prise en compte réaliste de l’écoulement.

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Perspectives

1 Organisation du Laboratoire

La nouvelle structuration du laboratoire demande à être pérennisée et éventuellement adaptée. Il faut maintenant que les équipes deviennent des structures scientifiques vivantes par l'organisation de séminaires scientifiques et de reflexions sur les thématiques émergentes. Il faudra veiller à éviter tous les cloisonnements qui peuvent apparaître avec ces nouvelles structures. La culture communautaire qui règne au LAUM depuis sa création doit largement permettre d'éviter cet écueil. La gestion commune des ressources restera la règle au sein de l'Unité. Il faudra réfléchir à l'articulation de cette règle avec les nouveaux moyens de financement de la recherche (crédits ANR, CPER, ...).

2 Le Laboratoire dans son environnement

Les relations entre le LAUM et la « direction » de l'Université du Maine n'ont pas toujours été simples (non prise en compte des priorité de recherche dans l'affichage des postes, problème de gestion de contrat, ...). C'est pourquoi le LAUM souhaite que, pour le prochain quadriennal, le CNRS soit le gestionnaire principal du LAUM.

Pour le quadriennal précédent, le LAUM était rattaché à l'École Doctorale de l’Université du Maine (EDUM, ED 360, directeur B. Castagnède). Cette ED est amenée à disparaître, comme toutes les ED multi-disciplinaires. Pour le prochain quadriennal, nous ne pouvons pas encore dire quelle sera la nouvelle ED de rattachement. Deux alternatives sont envisagées :

la création d'une ED scientifique entre Angers et Le Mans (cette solution a la préférence du président de l'Université du Maine mais les laboratoires du Mans impliqués ont peu de synergies scientifiques avec ceux d'Angers),

le rattachement du LAUM à l'ED 367 « Mécanique, Thermique et Génie Civil » dont le centre de gravité est à l'École Centrale de Nantes.

Les relations régionales du LAUM se développent. Le LAUM est membre de la fédération de recherche IRSTV (Institut de Recherche en Sciences et Techniques de la Ville, FR CNRS 2488) pour ses recherches en acoustique urbaine. Le Laboratoire est le leader dans le montage d'un pôle de compétence régional en Évaluation et en Contrôle Non Destructifs (des recherches amont qui pourront être utilisées par le pôle de compétitivité EMC2), qui est lié à une demande conjointe du LAUM et de SUBATECH (Nantes, UMR 6457) pour le prochain CPER. Il est nécessaire pour le laboratoire de développer ces relations régionales tout en gardant à l'esprit qu'il y a peu de recherche en acoustique, hors du laboratoire, dans les Pays de la Loire.

C'est la raison pour laquelle nous nous sommes engagés dans la création d'une fédération de recherche intitulée : « FANO » pour Fédération Acoustique du Nord-Ouest qui comprend les laboratoires CNRS suivants :

Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN, Lille, UMR 8520),

Laboratoire d’Acoustique Ultrasonore et d’Electronique (LAUE, Le Havre, UMR 6068),

Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine (LAUM, Le Mans, UMR 6613),

Laboratoire d’Etudes Aérodynamique (LEA, Poitiers, UMR 6609),

Laboratoire UltrasonS Signaux et Instrumentation (LUSSI, Tours, FRE 2448).

La demande de création de cette fédération correspond à la volonté de renforcer contractuellement les collaborations déjà existantes entre les différents partenaires. Ceci permettra de faire avancer plus efficacement un certain nombre de projets où sont impliqués plusieurs membres de cette fédération. Les

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premiers projets émergents sont : l'END/CND, les matériaux poreux, les micro-systèmes, les cristaux phononiques et l'aéroacoustique.

3 Politique scientifique

3.1 Méthodes acoustiques innovantes pour le contrôle non destructif des micro-systèmes, des matériaux et des structures complexes

L'équipe « Acoustique et Mécanique des Matériaux » est sûrement celle dont les thématiques ont le plus évolué ces dernières années. Cette évolution est une des priorités scientifique du LAUM.

L'arrivée de nouveaux chercheurs ainsi que la reconversion de chercheurs présents au LAUM ont permis de faire émerger les actions significatives dans les méthodes acoustiques innovantes pour le contrôle non destructif des microsystèmes, des matériaux et des structures complexes

On peut distinguer 5 axes principaux :

1. ECND des matériaux complexes par méthodes ultrasonores linéaires

Une des originalités du Mans sur ce sujet est de coupler des modélisations avancées avec des méthodes innovantes de traitement du signal. Cette activité est appelée à se développer en collaboration avec le LAUE et l'IEMN dans le cadre de la fédération FANO, avec IRCCyn (UMR CNRS 6597, Nantes) et du GDR 2501.

2. CND par acoustique ultrasonore non linéaire

Le LAUM est une des seules équipes au niveau mondial qui étudie expérimentalement les effets acoustiques non linéaires, notamment de transfert de modulation, à des fins de CND. Les idées développées dans ce thème sont très novatrices. Les premiers résultats obtenus sont très prometteurs en termes de résultats fondamentaux et de potentiel de valorisation.

3. Contrôle de Santé par émission acoustique et estimation de durée de vie restante

Bien que très importantes pour la caractérisation de l’endommagement des matériaux complexes, les études en émission acoustique sont peu nombreuses en France. Le développement de cette thématique, en réussissant à y associer les collègues MCF de l'IUT qui travaillent sur l'endommagement des composites et des bétons, est un objectif important du LAUM.

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Carte de la fédération de recherche FANO

4. Les micro-technologies acoustiques

Le CPER 2000-2006 a permis l'implantation d'une plate forme de micro-technologie à l'Université du Maine. Ces installations permettent le développement de prototypes de micro-systèmes. Les applications du CND peuvent avantageusement bénéficier de la réduction dimensionnelle des divers éléments mis en œuvre, permise par les micro-technologies. Cette activité bénéficiera de la collaboration avec l'IEMN dans le cadre de la fédération FANO.

5. L’opto-acoustique

Il est possible de combiner l'opto-acoustique, l'acousto-optique et l'acoustique non linéaire pour proposer et tester de nouvelles méthodes de contrôle non destructif sans contact. D'autre part, l’inspection des propriétés à des échelles spatiales et de temps de plus en plus petites constitue toujours un défi. L’application visée est l’évaluation et le contrôle non-destructif des nano-matériaux et des films liquides ou solides submicroniques. Cette activité sera développée en collaboration avec le LPEC (Le Mans).

Le développement de cette activité CND nécessitera une mobilisation forte des moyens du LAUM en création de poste d'enseignants-chercheurs, de chercheurs, de personnels techniques, de doctorants et de post-doctorants. Des moyens financiers ont déjà été demandés dans le prochain CPER et d'autres sources de financement seront envisagées.

3.2 Maintien des domaines d'excellence du LAUMLes évolutions thématiques du LAUM, notamment le développement des activités de CND, ne doivent pas se faire au détriment d'autres thématiques plus « anciennes » et bien reconnues. Parmi celles-ci, on peut citer :

dans l'équipe « Acoustique et Mécanique des Matériaux »

le développement de nouveaux modèles pour les matériaux poreux qui est et doit rester un point fort du LAUM,

l'optimisation de structures poro-élastiques pour l'absorption sonore et vibratoire qui fait l'objet d'un contrat européen (CREDO),

dans l'équipe « Transducteurs, Signal, Méthodes et Applications »

la thermoacoustique et les micro-capteurs qui bénéficient d'une ANR et ouvrent sur des champs scientifiques très intéressants,

la métrologie fine, les capteurs spécifiques et les sources sonores qui sont porteurs de nombreuses applications potentielles,

les méthodes innovantes de traitement du signal qui, bien qu'en sous effectif chronique, sont en interaction avec de nombreuses autres actions du LAUM,

la mesure optique des vibrations qui voit ses collaborations avec les autres thèmes du LAUM se développer,

dans l'équipe « Vibrations, Acoustique GUidée et Ecoulement »

l'acoustique des conduits traités avec écoulement qui est source de nombreux contrats dans le domaine aéronautique et dont la thématique est incluse dans la fédération FANO,

la physique des instruments de musique qui en plus de son intérêt scientifique évident assure un fort rayonnement et une forte attractivité du laboratoire,

la vibroacoustique qui est potentiellement porteuse de nombreuses applications industrielles,

l'acoustique urbaine qui doit continuer d'être soutenue.

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Production Scientifique

1 Revues à comité de lecture

2003

[P 0] ALLARD J.F., GARETON V., HENRY M., JANSENS G., LAURIKS W. Impedance Evaluation from Pressure Measurements near Grazing Incidence for Non Locally reacting Porous Layers, Acta Acustica-Acustica, 2003, 89,.595-603,

[P 1] ALLARD J.-F., HENRY M., GARETON V., JANSENS F., LAURIKC W. Impedance measurements around grazing incidence for nonlocally reacting thin porous layers. J. Acoust. Soc. Am. 2003, 113 (3), 1210-15.

[P 2] ALLARD J.-F., HENRY M., GLORIEUX C., PETILLON S., LAURIKS W. Laser-induced surface modes at an air-porous medium interface. J. Applied Physics, 2003., 93(2), 1298-304.

[P 3] AMARI M., GUSEV V., JOLY N. Temporal Dynamics of the Sound Wind in Acoustitron Acta Acustica-Acustica, 2003, 89, 1008-24.

[P 4] AUREGAN Y., LEROUX M. Failures in the discrete models for flow duct with perforations : an experimental investigation. J. Sound and Vibration, 2003, 265(1), 109-121.

[P 5] BAUER R., LOTTON P., HAMERY P., BRUNEAU A.-M. An active noise reduction earplug using a piezoelectric laterally radiating loudspeaker. Applied acoustics, 2003, 64, 591-609.

[P 6] BECHE B., GAVIOT E. Matrix formalism to enhance the concept of effective dielectric constant. Optics Communications, 2003, 219, 15-19.

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2006 (incomplet)

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3 Conférences nationales avec actes

2003

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[N 2] BEDRICI N., GATIGNOL Ph., POTEL C. Méthodes de Kirchhoff directe et itérative pour le calcul du champ diffusé par un défaut d'interface dans une couche élastique. 2ème journée du GDR Etude de la propagation ultrasonore en milieux inhomogènes en vue du contrôle non destructif". Aussois, 8-12 déc. 2003.

[N 3] BERNARD J., MONTRESOR S., THOMAS J.–H., DEPOLLIER, Caractérisation de matériaux dispersifs à l’aide de représentations temps-fréquence, Proceedings du Gretsi 03, Paris (France), 8-11 Septembre 2003, vol I, 285-288.

[N 4] BRUNEAU M., LOTTON P., LIHOREAU B., GAVIOT E., POIGNAND G., GUSEV V. Réfrigérateur thermoacoustique compact. 16ème Congrès Français de Mécanique, Nice, 1-5 septembre 2003.

[N 5] PENELET G., GUSEV V., LOTTON P., Bruneau M. Etude des processus non linéaires de saturation dans un moteur thermoacoustique annulaire en régime transitoire, 16ème Congrès Français de Mécanique, Nice, septembre 2003.

[N 6] DEVERGE M., ETCHESSAHAR M., DAUCHEZ N., SAHRAOUI S. Etude expérimentale des propriétés mécaniques d'une mousse acoustique. 16ème Congrès français de Mécanique, Nice, 1-5 septembre 2003.

[N 7] GENEVAUX J.-M., LAZHAR B. Vibroacoustique avec une lame de fluide en contact avec une paroi vibrante. Congrès français de Mécanique, Nice, 1-5 septembre 2003

[N 8] HABERKORN M., PAGNEUX V., BOUCHET G., AURÉGAN Y., COMTE P. Propagation acoustique en simulation des grandes échelles dans un écoulement de canal plan turbulent. In CFM 2003, XVI ème Congrès Français de Mécanique, Nice, Septembre 2003.

[N 9] LE DUFF A., PLANTIER G., VALIERE J.C., GAZENGEL B. Mesure de vitesse acoustique particulaire en champ libre par anémométrie Laser Doppler, 19ème colloque Gretsi sur le Traitement du Signal et des Images, Paris, septembre 2003.

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[N 12] THOMAS J.–H. , PASCAL J.-C., Etude d’une méthode utilisant les ondelettes pour la reduction des effets de troncature en holographie acoustique, Proceedings du Gretsi 03, Paris (France), 8-11 Septembre 2003, vol I, 277-280.

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2004

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[N 15] AURÉGAN Y., PAGNEUX V. .Attenuation of acoustical waves in duct with flow. In Joint congress CFA/DAGA’04, Strasbourg, Mars 2004

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2005

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[N 51] PELLETIER N., BECHE B., TAHANI N., GAVIOT E., CAMBERLEIN L., POLET F., GOULLET A., LANDESMAN J.-P., ZYSS J. Micro-capteurs à base de photonique intégrée sur matériau polymère pour le développement de dispositifs destinés aux mesures de flux thermique et de pression, Journées Nationales de l'Optique Guidée, JNOG 2005, Chambéry, 8-10 novembre 2005.

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p 156

[N 53] RAIMBAULT V., RICHOUX O., GAZENGEL B. Caractérisation du rayonnement acoustique d'une plaque en champ proche par Vélocimétrie Laser Doppler (VLD), XVII congrès français de mécanique CFM, 29 aout- 2 septembre 2005, Troyes.

2006 (incomplet)

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[N 68] JOLY N., BRUNEAU M. Modélisation de l’acoustique linéaire en fluide thermovisqueux, 8ème Congrès français d’Acoustique, Tours, Avril 2006.

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[N 76] PAILLASSEUR S., THOMAS J.-H., PASCAL J.-C., Méthodes de régularisation appliquées à la déconvolution de signaux dans le cadre de l’holographie acoustique temps-réel, 8ème Congrès de la Société Française d’Acoustique, CFA 06, Tours, 24-27 Avril 2006.

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[N 78] POIGNAND G., LOTTON P., BRUNEAU M., GAVIOT E. Etudes analytiques et expérimentales d’un réfrigérateur thermoacoustique compact, Tours, Avril 2006.

[N 79] POTEL C., BRUNEAU M., HLADKY-HENNION A.-C., MORVAN B., IZBICKI J.-L., DEPOLLIER C. Modal couplings in a rough fluid plate, Acte (en anglais) des 4èmes journées du GDR, « Modal Couplings in a rough fluid plate », 14-19 mai 2006, Gien.

[N 80] POTEL C. , BRUNEAU M., HLADKY-HENNION A.C., MORVAN B., IZBICKI J.L., DEPOLLIER C., "Modèle analytique de propagation dans une plaque fluide rugueuse, par décomposition modale", 8ème Congrès Français d'Acoustique, 24-27 avril 2006, Tours, Collected papers on CD-ROM, 135-138

[N 81] RODRIGUES D., GUIANVARCH C., DUROCHER J.-N., BRUNEAU M., BRUNEAU A.-M. Méthode de mesure d’impédance de petits éléments acoustiques. 8ème Congrès français d’Acoustique, Tours, Avril 2006.

p 158

[N 82] ROUX A., SIMON L., IDIER J., DEPOLLIER C., POTEL C., "Méthodes bayésiennes pour la séparation d’ondes appliquées à la propagation acoustique dans les matériaux complexes", 8ème Congrès Français d'Acoustique, 24-27 avril 2006, Tours, Collected papers on CD-ROM, 801-804

[N 83] RICHOUX 0. , TOURNAT V.,LE VAN SUU T., Comportement non linéaire des bandes interdites dans un réseau acoustique unidimensionnel, Congrès Français d'Acoustique, Tours, France, April 2006.

[N 84] SILVA F. , GUILLEMAIN P., KERGOMARD J., DALMONT J.-P., Synthèse sonore de clarinette avec modèle de résonateur à trous latéraux, 8ème Congrès Français d'Acoustique, Tours (2006), pp. 395-398.

[N 85] SOURICE A , LE DUFF A, LEBON S, BLONDEAU J, GAZENGEL B , Mesures de vitesses acoustiques en temps-réel par LDV, Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2006, Toulouse, 19 - 22 septembre 2006.

[N 86] TOURNAT V. , GUSEV V., Observation of nonlinear scattering, nonlinear diffusion and nonlinear propagation of elastic waves in unconsolidated granular structures, Dygram2006, Rennes, France, 2006.

[N 87] TU Q. , PENELET G., GUSEV V., GAZENGEL B., Etude et contrôle du vent acoustique dans les générateurs d'ondes thermoacoustiques annulaires, Congrès Français d'Acoustique, 24-27 avril 2006, Tours.

4 Brevet, Enveloppe Soleau

Brevet

[B 1] BRUNEAU M. LOTTON P., GUSEV V., BLANC-BENON Ph., GAVIOT E. DURAND S. Réfrigérateur thermoacoustique. Brevet n°120434 déposé à l'INPI (mai 2003).

[B 2] CASTAGNEDE B. (36%), TOURNAT V. (36%), MOUSSATOV A. (18%), GUSEV V. (10%). Procédé et dispositif de mesure acoustique de propriétés physiques de matériaux poroélastiques. Brevet français n°0303913, (28 mars 2003).

[B 3] WRIGHT O.B., TOURNAT V., MATSUDA O. Apparatus for the acoustic measurement of a sample, Japanese patent n°100089635, April 2004.

[B 4] GAVIOT E ; CAMBERLEIN L., POILET F. PELLETIER N., GIORDANI N., BËCHE B. Microcalorim7tre de lélange pour le suivi énergétique en continu des réactions chimiques et biochimiques. Dépôt Université-CNRS. Dépôt du 08 décembre 2005 : dossier INPI 11523.

[B 5] LEMARQUAND G., LEMARQUAND V., RICHOUX B. Transducteur électrodynamique, à dôme à suspension ferrofluide. Dépôt Université du Maine, B. Richoux, le 3 novembre 2005 n°0553330.

[B 6] LEMARQUAND G., LEMARQUAND V., RICHOUX B. Transducteur électrodynamique, applications aux hauts-parleurs et géopones. Dépôt Université du Maine, B. Richoux, le 3 novembre 2005 n°0553331.

p 159

Enveloppe Soleau[B 7] CAMBERLEIN L., GAVIOT E., POLET F., GIORDANI N., BECHE B. PELLETIER N.

Microréacteur calorimétrique, ES n°187591, déposée le 16 février 2004.

[B 8] GUSEV V.E., TOURNAT V ; Enveloppe soleau september 2005

5 Ouvrage, Chapitres d’ouvrages

[O 1] BROUARD B., CASTAGNEDE B., HENRY M., LAFARGE D., SAHRAOUI S . Mesure des propriétés acoustiques des matériaux poreux. Collection « Techniques de l’Ingénieur », 2003.

[O 2] BRUNEAU M., POTEL C. (coordinateurs, ouvrage collectif de 52 auteurs), Matériaux et Acoustique, Hermès, Paris, 1050 pages, 3 volumes, ISBN 2-7462-1450-4, 2006.

[O 3] BRUNEAU M., POTEL C. L’art de la formule expliqué aux scientifiques. Recommandations générales pour la rédaction de documents écrits et pour les présentations orales, CEPADUES éditions, 80 pages, ISBN 2-85428-741-x, 2006.

[O 4] BRUNEAU M., (author) SCELO T., (Translator and contributor), Fundamentals of Acoustics ISTE (UK, USA), 636p, ISBN 1-905209-25-8., 2006.

[O 5] GUSEV V.E., TOURNAT V., Thermally induced rate-dependence of hysteresis in nonclassical nonlinear acoustics, In "The universality of nonclassical nonlinearity, with applications to NDE and Ultrasonics", Edt. P.P. Delsanto, (springer, New-York), (2006).

[O 6] POTEL C., BRUNEAU M. Acoustique générale – équations différentielles et intégrales, solutions en milieux fluide et solide, applications. Ed. Ellipse collection Technosup, 352 p, ISBN 2-7298-2805-2, 2006.

[O 7] POTEL C. Principes et applications de Mécanique Analytique – Cours, exercices corrigés, planches de synthèse, CEPADUES éditions, 288 pages, ISBN 2-85428-742-8, 2006.

L'ouvrage [O2] résulte d'une commande des Editions Hermès au LAUM pour présenter de manière pédagogique, à destination des ingénieurs et élèves de masters, les matériaux vus du côté acoustique. Les 14 collègues concernés du LAUM ont souhaité faire de cet ouvrage une oeuvre collective, faisant intervenir les différents spécialistes des principaux laboratoires français. Les chapitres ou parties de chapitres écrits ou co-écrits par les membres du LAUM sont les suivants

Vol 1 : Matériaux et Acoustique : Propagation des ondes acoustiques 1

[O2-1] Collaboration de BELLEVAL J.F., GATIGNOL Ph., POTEL C., CASTAINGS M., "Chapitre 1, Milieux homogènes et homogènes stratifies - modèles linéaires de propagation", pages 17-141.

[O2-2] Collaboration ALLARD J.F., BROUARD B., DAUCHEZ N., DAZEL O., DEPOLLIER C., FELLAH Z.E.A., FELLAH M., HENRY M., LAFARGE D., "Chapitre 2, Milieux poreux et poreux stratifiés - Modèles linéaires de propagation", pages 144-326

Vol 2 : Matériaux et Acoustique : Propagation des ondes acoustiques 2

[O2-3] GUSEV V., TOURNAT V., CASTAGNEDE B., "Chapitre 2, Phénomènes d'acoustique non linéaire dans les milieux micro-inhomogènes", pages 103-144

p 160

[O2-4] Vol 3 : Matériaux et Acoustique : caractérisation non destructive et applications médicales

[O2-5] Collaboration de BELLEVAL J.F., GATIGNOL Ph., POTEL C., "Chapitre 1, Méthodes linéaires de contrôle et d'évaluation non destructifs par ultrasons", § 1.2 Interaction d'un champ ultrasonore avec une plaque composite et § 1.3 Détection de défauts par ondes de Lamb, pages 33-60

[O2-6] EL GUERJOUMA R., MAREC A., NECHAD H., THOMAS J.H., "Chapitre 1, Méthodes linéaires de contrôle et d'évaluation non destructifs par ultrasons", § 1.5 Evaluation et contrôle de santé des matériaux composites par ultrasons et émission acoustique, pages 97-117

[O2-7] TOURNAT V., GUSEV V., CASTAGNEDE B., "Chapitre 2, Evaluation non destructive des solides micro-inhomogènes par des méthodes non linéaires", pages 123-155

[O2-8] Collaboration AYRAULT C., BROUARD B., CASTAGNEDE B., DAUCHEZ N., DEPOLLIER C., FELLAH Z.E.A., FELLAH M., HENRY M., LAURIKS W., SAHRAOUI S., "Chapitre 3, Caractérisation des matériaux poro-élastiques", pages 157-236

[O2-9] SEBAA N., FELLAH Z.E.A., DEPOLLIER C., LAURIKS W., "Chapitre 4, Domaine biomédical", § 4.6 Caractérisation ultrasonore des tissus osseux par des théories poro-élastiques, pages 343-350

6 Habilitations à diriger des recherches.

2002M. BERENGIER, lundi 18 mars 2002

jury : P. BLANC-BENON, Ecole Centrale de Lyon LMFA, EcullyM. BRUNEAU, LAUM, Université du MaineB. CASTEGNEDE, LAUM, Université du MaineC. DEPOLLIER, LAUM, Université du MainePh. GATIGNOL, Université de Technologie de CompiègneD. HABAULT, CNRS LMA, MarseilleJ. KERGOMARD, CNRS LMA, MarseilleR. SANEJOUAND, Laboratoire Central Ponts et Chaussées de Nantes, Bouguenais

2003P. PICART, Mercredi 9 juillet 2003

jury : T. BOSCH, ToulouseP. JACQUOT, LausanneP. SMIGIELSKI, MulhouseA. BRUN, OrsayJ.-M. BRETEAU, Le MansJ.-C. PASCAL, Le MansM. ROUSSEAU, Le Mans

L. SIMON, Jeudi 4 décembre 2003

jury : M. BERENGIER, LCPC NantesC. DEPOLLIER, Université du Maine, Le MansJ.-J. EMBRECHTS, Université de Liège, BelgiqueJ. Fitzpatrick, Trinity Collège, Dublin, IrlandeP. FLANDRIN, CNRS LyonR. KRONLAND-MARTINET, LMA CNRS, MarseilleJ.-C. VALIERE, Université de Poitiers

p 161

2004P. LOTTON, lundi 20 décembre 2004

jury : P. BLANC-BENON, Ecole Centrale de Lyon LMFA, EcullyB. DUBUS, ISEN, LilleZ.SKVOR, CVUT, PragueD. ROYER, ESPCI, ParisV. GUSEV, LPEC, Université du Mainemembres invités : A.-M. BRUNEAU, LAUM, Université du MaineM. BRUNEAU, LAUM, Université du MaineE. GAVIOT, LAUM, Université du Maine

2005P. HERZOG, Vendredi 9 Septembre 2005

jury : A, CHAIGNE, ENSTA, PalaiseauB. DUBUS, IEMN – antenne ISEN LilleJ.-D. POLACK, Laboratoire Acoustique Musicale, ParisD. HABAULT, LMA CNRS, MarseilleM. BRUNEAU, LAUM, Université du MaineJ. KERGOMARD, LMA CNRS, MarseilleD. ROYER, ESPCI, ParisM. ROSSI, EPFL STI ITOP LEMA, Lausanne, SUISSE

G.PLANTIER, Mardi 13 Décembre 2005

jury : M. BRUNEAU, LAUM, Université du MaineJ.-P. L’HUILLIER, ENSAM, AngersO. PARRIAUX, LTSI, Université de St EtienneT. BOSCH, ENSEEIHT-LEN7, Toulouse L. SIMON, LAUM, Université du MaineJ.-C. VALIERE, ESI LEA-CNRS, Poitiers

7 Diplômes de Doctorat.

[T-1] Joël Bensoam, Représentation intégrale appliquée à la synthèse sonore par modèle physique., dirigée par M. Bruneau, R. Caussé, 2003

[T-2] Marie-Héléne Moullet, Représentation des jonctions mécaniques par matrice de diffusion & caractérisation expérimentale pour des poutres assemblées, dirigée par J.C. Pascal, F. Gautier, 2003

[T-3] Alain Le Duff, Contribution à l'estimation paramétrique de signaux à variation sinusoïdale de la fréquence instantanée et à amplitude variable, application à l'anémométrie laser Doppler pour l'acoustique, dirigée par J.C. Valière, G. Plantier, 2003

[T-4] Vincent Tournat, Effet non-linéaire d'auto-démodulation d'amplitude dans les milieux granulaires : Théorie et expériences, dirigée par B. Castagnède, V. Gusev, 2003

[T-5] Vincent Gareton, Contribution à l'acoustique de conduits traités avec un matériau poreux. Mesure de constantes élastiques et effets de température, dirigée par S. Sahraoui, D. Lafarge, 2003

[T-6] Luc Jaouen, Contribution à la caractérisation mécanique de matériaux poro-visco-élastique en vibroacoustique, dirigée par S. Sahraoui, B. Brouard, N. Atalla, 2003

[T-7] Mohammed Amari, Ecoulements redressés transitoires dans les résonateurs annulaires, dirigée par V. Gusev, N. Joly, 2004

p 162

[T-8] Guillaume Lemaître, Etude perceptive et acoustique de nouveaux avertisseurs sonores automobiles, dirigée par X. Meynial, S. McAdams, 2004

[T-9] Wenping Bi, Propagation acoustique dans les guides traités aux parois par une impédance non uniforme, dirigée par Y. Aurégan, V. Pagneux, D. Lafarge, 2004

[T-10] Sylvain Berger, Contribution à la caractérisation des milieux poreux par des méthodes acoustiques : Estimation des paramètres physiques, dirigée par B. Castagnède, C. Depollier, 2004

[T-11] Benoît Teyssandier, Analyse dans l'espace des phases de champs acoustiques. Application aux guides d'onde de section variable et espaces clos, dirigée par C. Depollier, V. Pagneux, L.Simon, 2004

[T-12] Ruben Pico Vila, Vibroacoustique des conduits cylindriques faiblement distordus, étude de l’influence des vibrations de paroi sur les oscillations des instruments de musique à vent, thèse en cotutelle entre l’Université Polytechnique de Valence (Espagne) et l’Université du Maine, dirigée par F.Gautier, J. Gilbert, 2004

[T-13] Philippe Rouquier, Mesures de vitesses acoustiques en champ libre par Vélocimétrie Laser Doppler : développement du banc de mesure et évaluation des performances, dirigée par M. Bruneau, B. Gazengel, O. Richoux, 2004

[T-14] Guillaume Penelet, Etude expérimentale et théorique des processus non linéaires de saturation dans un générateur d'ondes thermoacoustique annulaire, dirigée par M. Bruneau, V. Gusev, P. Lotton, 2004

[T-15] Merouane Atig, Non linéarité acoustique localisée à l'extrémité ouverte d'un tube. Mesure, modélisation et application aux instruments à vent, dirigée par J.P. Dalmont, J. Gilbert, 2004

[T-16] François Aballea, Propagation acoustique en milieu extérieur : Application de l'équation parabolique rapide au couplage d'effets météorologiques et de topographies complexes, dirigée par C. Depollier, 2004

[T-17] Cyril Renard, Atténuation de structure et bruit de combustion sur les moteurs Diesel, dirigée par S. Sahraoui et J.-C. Pascal, 2005

[T-18] Jérôme Bernard, Représentations temps-fréquence adaptées pour la caractérisation de la dispersion d'ondes acoustiques propagées à travers les matériaux poreux, dirigée par C. Depollier, J.-H. Thomas et S. Montrésor, 2005

[T-19] Vincent Grulier, Propagation directe et inverse dans l'espace temps-nombre d'onde : application à une méthode d'holographie acoustique de champ proche pour les sources non stationnaires, dirigée par J.-C. Pascal, J.-H. Thomas, 2005

[T-20] Maud Leroux, Propagation acoustique en conduit traité, Influence de l'écoulement sur l'impédance de paroi et effet des modes hydrodynamiques, dirigée par Y. Aurégan, 2005.

[T-21] Cécile Guianvarc'h, La cavité de couplage acoustique dans la méthode de réciprocité : modèles analytiques pour l'étalonnage des microphones et la mesure d'impédances de petits composants, dirigée par A.-M. Bruneau et M. Bruneau, 2005.

[T-22] Mohamed Saeid, Antennes paramétriques pour l'étude de la propagation acoustique dans les matériaux poroélastiques insonorisants, dirigée par B. Castagnède et V. Gusev, 2006.

[T-23] Gaëlle Poignand, Réfrigérateur thermoacoustique : étude du système compact et du comportement transitoire, dirigée par M. Bruneau et P. Lotton, 2006

[T-24] Vincent Joly, Étude de capteurs acoustiques a gaz ionise, dirigée par M. Bruneau et P. Bequin, 2006

p 163

Liste des contrats

1 Contrats avec des organismes publics et CEE

ORGANISME TITRE DU CONTRAT RESPONSABLE SCIENTIFIQUE

MONTANTEn k€ H.T. Date Début Date Fin

CNRS Couplage acoustique - vorticité V. Pagneux 26 k€ 27/06/00 26/06/03

Ministère de la Recherche

Contrat supersonique

Propagation acoustique en conduit traité : influence de la température et de l'écoulement sur l'impédance de paroi

Y. Aurégan 95 k€ 15/10/01 15/10/03



Modélisation, évaluation psycho-acoustique et contrôle du bruit de

soufflante

Jean-Pierre Dalmont 30 k€ 24/10/01 24/10/03

Contrat Européen SILENCE (R)

Contrat européen n°G4RD-CT-2001-00500 Y. Aurégan 74 k€ 01/12/01 31/05/03



Mesure et simulation numérique de la propagation acoustique en conduit

traité.Y. Aurégan 55 k€ 10/12/03 10/12/05

GIP ANR

Transports non linéaires de masse et de chaleur par effets thermo-acoustiques

dans les micro-systèmes : applications à la réfrigération.

P. Lotton 203 k€ 05/12/05 05/12/08

GIP ANR

Applications de processus acoustiques non linéaires (ANL) aux problèmes

fondamentaux desmilieux granulaires non consolidés

B CastagnèdeV. Tournat 170 k€ 05/12/05 05/12/08

Contrat Européen CREDO

Comportement des matériaux poreux dans le contexte aéronautique pour des problèmes d’isolation, d’absorption et

de rayonnement

N. Dauchez 122 k€ 01/07/06 01/07/09

GIP ANRProblématique multi-échelle de systèmes thermo-acoustiques

hétérogènes [SILENT WALL]B Castagnède 107 k€ 01/12/06 01/12/10

2 Contrats avec des entreprises publiques ou privées.



S C E KLAXON

Thèse CIFREEtude de la perception des sons

d'avertisseurs automobiles.X. Meynial 38 k€ 01/10/00 30/09/03

SNECMA Aérodynamique - Acoustique D. Lafarge 155 k€ 18/01/01 30/09/03

DGA Acoustique non linéaire pour la caractérisation de matériaux

M. Bruneau(B. Castagnède,

V. Gussev) 53 k€ 11/03/01 11/06/03

p 167



RENAULT Etude de la transparence acoustique d'un moteur Diesel à la combustion

S. SahraouiJ-C. Pascal 122 k€ 05/07/01 31/10/04

ANRT - ATTMConvention CIFRE

Méthode d'holographie acoustique instantanée.

J.-C. PascalJ.-H. Thomas 23 k€ 01/12/01 30/11/04

LAVIGNAContrat Européen G6RT-CT-2002-

05093 LAVINYALaser Vibrometry Network

J.-C. Pascal 15 k€ 01/06/02 01/06/05

LNEConvention CIFRE

Métrologie acoustique fine en cavités et en champ libre.

M. Bruneau 20 k€ 09/12/02 09/12/05

ISL Générateurs acoustiques à faisceau dirigé B. Castagnède 29 k€ 01/10/03 01/10/06

EDFEtudier les mécanismes de génération

de bruit dus aux diaphragmes et vannes dans des conduites industrielles.

Y. Aurégan 45 k€ 01/11/03 01/11/06

SEREME Modèle de générateur sonore à chambre de bruit J. Gilbert 3 k€ 25/02/04 25/03/04

Centre de Pyrolyse

Marienau

Etude de l'influence de la présence de joints dans le comportement thermo-

mécanique de piedroits de fours àcokeJ.-M. Génévaux 3 k€ 25/02/04 25/09/04

CSTB Optimisation des protections antibruit routières de forme complexe C. Depollier 9 ke 12/05/04 31/10/06

Confidentiel Thèse BDI J.-P. Dalmont 75 k€ 30/08/04 30/08/07

FRAMATOMEEtude de faisabilité pour le contrôle non destructif de compacts par des méthodes

d’acoustique non linéaire

V . Tournat,V. Goussev 30 k€ 26/05/05 26/05/06

S C E KLAXON

CTTM

Prédiction de la pression acoustique rayonnée par un avertisseur de voiture

électromagnétique

B. Gazengel, J. Gilbert 23 k€ 01/06/05 30/09/05

LRPC Co-encadrement de thèse L. Simon 9 k€ 01/09/05 01/09/08

LCPC Réalisation d'une source à étincelle C. Ayrault 3 k€ 01/01/06 30/12/06

Airbus france Confidentiel Y. Aurégan 136 k€ 01/01/06 31/12/07

LNEMéthode de réciprocité pour

l’étalonnage absolu de composants électroacoustiques

M. Bruneau 20 k€ 17/02/06 17/02/09

Fondation de Recherche pour

l'Aéronautique et l'Espace

COmportement Acoustique de MATériaux sous Écoulement Y. Aurégan 40 k€ 01/09/06 31/08/09

p 168

Formation permanente

Le correspondant formation de l'unité est Jean-Hugh Thomas.

1 Bilan formation 2003-2006

Au cours de la période 2003-2006, chaque année, les besoins de formation des membres du laboratoire ont été consignés dans un plan de formation d’unité du laboratoire (PFU) dans le but de faciliter et d’améliorer leur activité scientifique.

Sur la période visée, la majorité des formations concerne pourtant des disciplines non scientifiques, ce qui montre la nécessité pour certains membres du laboratoire de développer d’autres compétences dans leur environnement de travail :

Manager une équipe de travail, acquérir une méthodologie de gestion de projet sont les objectifs de trois formations suivies par deux personnes en 2003-2004.

Les formations permettant de perfectionner l’anglais écrit pour la rédaction d’articles scientifiques ont été suivies deux fois en 2003 et 2006, ce qui porte à onze personnes le nombre des membres du laboratoire formés dans cette discipline.

Une formation au logiciel libre de traitement de texte Latex a été suivie en 2004.

Ces formations sont toutes des offres de la Délégation Régionale. Il en est de même des formations institutionnelles accompagnant la prise de fonction des directeurs d’unités et du correspondant formation suivies respectivement en 2005 et 2004.

Des formations destinées à l’accompagnement des personnels CNRS dans leur parcours de carrière ont également concerné deux membres du laboratoire en 2005 et 2006 (préparation aux concours internes , gestion de son projet d’évolution professionnelle).

Trois formations à caractère scientifique, dont deux sur les thématiques liées aux mesures vibratoires et acoustiques et la dernière sur le logiciel de Conception Assistée par Ordinateur Solidworks ont été suivies en 2003 et 2005 pour renforcer la compétence des membres du laboratoire les plus confrontés à ces aspects.

Globalement sur l’ensemble de la période 2003-2006, 12 formations ont concerné 10 personnes du laboratoire, ce qui est très en deçà de la période précédente qui avait vu 32 formations pour 19 membres du laboratoire. Cette différence s’explique sans doute par la très faible part donnée aux formations à dominante scientifique. On peut présager un comblement de ce déficit dans les années à venir si les besoins de formation en instrumentation débouchent sur des actions concrètes de formation. On peut également ajouter que des formations ponctuelles en interne à destination des doctorants sur le logiciel Latex et sur la recherche bibliographique ont été organisées par quelques chercheurs et enseignant-chercheurs du laboratoire au cours de la période 2003-2006.

2 Plan de formation

Les membres du laboratoire disposent d’une formation continue par le biais des colloques et rencontres scientifiques internes ou externes. Toutefois une formation plus ciblée s’avère nécessaire pour la réalisation de certains projets du laboratoire.

Les membres du laboratoire sont particulièrement intéressés par les potentialités d’instrumentation virtuelle offertes par les langages telles que LabView et Vee Pro. Ils souhaitent être capables d’évaluer les apports de telle ou telle discipline dans leur travail notamment le langage formel. Ils veulent être capables de communiquer les résultats de leurs recherches en les mettant le mieux possible en valeur, ils souhaitent être compétents et efficaces dans la mise en œuvre de contrats industriels.

p 171

La préférence des membres du laboratoire va vers des stages de courte durée (un jour ou deux). Les actions de formation demandées par les chercheurs CNRS, les ITA CNRS et les enseignants-chercheurs sont :

2.1 Contrôle d’instrumentation

I ObjectifsDans le cadre de leurs travaux expérimentaux, la plupart des membres du laboratoire utilisent des instruments de mesure. Ils souhaiteraient pouvoir automatiser certaines expérimentations, faire du contrôle d’instrumentation. Ce besoin est récurrent au laboratoire depuis quelques années et touche plusieurs catégories de personnel : techniciens, assistant ingénieurs, chercheurs, enseignant-chercheurs. Etant donné le nombre de personnes intéressées, il serait judicieux d’organiser une formation sur site.

II Contenu de la formationLes chercheurs souhaiteraient être capables d’adapter à leurs applications les drivers Labview ou Vee Pro gratuitement proposés par les fabricants. Les mécanismes de Labview (par exemple Visa session et le traitement des erreurs) ainsi que le bus GPIB mériteraient d’être expliqués. Certaines personnes ont déjà reçu une formation d’ordre général au logiciel Labview.

III Population intéresséeUne consultation passée avait mis en évidence l’intérêt d’une dizaine de personnes du laboratoires pour ce thème avec un consensus vers deux programmes de formation : l’un plus basique sur l’utilisation d’un logiciel tel que LabView, l’autre axé sur les possibilités plus poussées du logiciel notamment pour l’ acquisition de données et le conditionnement du signal.

2.2 Traitement du signal pour l’instrumentation

I ObjectifsDans un laboratoire où les activités de recherche sont souvent liées à l’enregistrement d’un signal, les techniciens et assistant-ingénieurs ne se sentent pas assez compétents sur les possibilités de traitement et de conditionnement de ce signal.

II Formation possiblePlusieurs organismes proposent des formations (ENS Cachan, Bruël et Kjaer) avec parfois des tarifs académiques.

III Population intéresséeIl s’agit essentiellement de trois agents CNRS (technicien et assistant ingénieurs). La formation aurait pu apparaître dans un plan de formation individuel mais il est préférable d’envisager la formation comme une montée en compétence globale de toute l’équipe chargée de l’instrumentation au laboratoire.

2.3 Le Langage formel

I MotivationsNombreuses sont les personnes du laboratoire à manipuler des équations sur le papier. La pratique de certains outils informatiques (Mathematica, Maple, boîte à outil calcul symbolique de Matlab) pourrait leur être bénéfique.

p 172

II ObjectifsLa formation devrait permettre au personnel de juger lors d’un calcul de ce qui peut être mené sur ordinateur afin d’offrir un gain de temps.

III Contenu de la formationLa formation devrait s’attacher à démontrer l’utilité des logiciels de calcul formel à partir d’équations (par exemple empruntées à l’acoustique).

2.4 La rédaction de proposition de contrats

I MotivationsLes membres du laboratoire sont également tournés vers l’entreprise et souhaitent posséder tous les atouts leur permettant de mener à bien des contrats industriels, voire des contrats européens.

2.5 Autres besoins en rapport avec les offres de la DélégationAnglais : En raison des nouvelles arrivées et de l’excellente réputation de la formation à la rédaction scientifique présentée par G. Burkhart, deux ou trois demandes sont formulées (en dehors de septembre 2006). A noter que depuis 2000, 11 personnes du laboratoire ont eu accès à cette formation.

Management : Un enseignant-chercheur s’est déclaré intéressé.

Programmation en langage C : Ce besoin est formalisé par un enseignant-chercheur.

p 173

Documents

Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine Av. O ...perso.univ-lemans.fr/~jgilbert/ArticlesPageWeb/LAUM_rap2007_Vf_111006.pdf · Laboratoire d'Acoustique de l'Université