Acoustique et hydrodynamique d’impact d’une goutte d’eau à la surface de liquides complexes

Acoustics and hydrodynamics of a water drop impact on the surface of complex liquids

• Auteur / Autrice : Gautier Gillot
• Direction : Lazhar Benyahia, Jean-Michel Genevaux, Laurent Simon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 07/12/2021
• Etablissement(s) : Le Mans
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'acoustique de l'Université du Mans - Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Mans / LAUM
• Jury : Président / Présidente : Laurence Ramos
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lazhar Benyahia, Jean-Michel Genevaux, Laurent Simon, Laurence Ramos, Christophe Josserand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Manneville, Philippe Marmottant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Fluides complexes

Émission acoustique

Son -- Mesure

Impact

Gouttes

Mots clés libres

Impact

Goutte d’eau

Acoustique

Hydrodynamique

Bulle

Tension de surface

Physico-chimie

Traitement du signal

Impact

Water drop

Acoustics

Hydrodynamics

Bubble

Surface tension

Physico-chemistry

Signal processing

Résumé

Une goutte impactant une surface liquide produit un son particulier. Ce son est dû principalement à la vibration de bulles d’air emprisonnées dans le liquide durant une succession d’événements hydrodynamiques engendrés par l’impact. Bien que l’influence des conditions initiales de l’impact sur le déroulement des événements hydrodynamiques soit bien décrite dans le cas de l’eau pure, le rôle des propriétés du liquide reste encore à définir. Si une modification des propriétés du liquide engendre des changements dans le déroulement des événements hydrodynamiques menant à l’emprisonnement de bulles, le son émis peut être modifié. La mise en évidence de paramètres du signal acoustique variant avec certaines propriétés du liquide permettrait ainsi le développement de méthodes acoustiques de mesure de ces propriétés.Ces travaux ont pour objectif de comprendre l’influence de la tension de surface d’un liquide sur le son produit par l’impact d’une goutte d’eau pure sur la surface de ce liquide. Le signal acoustique est mesuré simultanément dans l’eau et dans l’air, et une caméra rapide permet d’enregistrer des images de l’interface à haute fréquence d’acquisition. La synchronisation des mesures vidéo et acoustiques permet l’identification des événements hydrodynamiques responsables des différentes émissions acoustiques. Divers outils de traitement du signal et vidéo sont développés pour analyser l’hydrodynamique de l’interface et les sons générés dans l’eau et dans l’air.En premier lieu, un régime d’impact particulier, dit “irregular entrainement”, est étudié pour l’eau pure. Un mécanisme inédit a été mis en évidence pour la première fois. Il s’apparente à une fermeture de la cavité dans un mouvement de zip liquide conduisant à l’emprisonnement d’une bulle d’aire par une goutte secondaire détachée du jet de Rayleigh. L’étude détaillée du signal acoustique permet de révéler des incohérences entre les mesures et les modèles classiques de la littérature pour décrire le son des bulles formées. Ces incohérences sont explicitées et des modèles plus complets sont proposés.Ce régime d’impact est ensuite étudié dans le cas de solutions aqueuses présentant des tensions de surface variées, soit par dilution d’un autre liquide, soit par ajout de substances tensioactives. Les principaux changements dans le signal acoustique sont présentés et explicités via l’analyse de l’hydrodynamique de l’impact. Dans le cas d’ajout d’un liquide miscible dans l’eau, le développement de la couronne de liquide formée lors des premiers instants de l’impact est modifié. Ces modifications mènent à un retard dans son effondrement, qui se traduit sur le signal acoustique par un retard dans l’apparition d’un pic de pression sur le signal hydrophonique. Le temps d’apparition de ce pic de pression est relié directement à la tension de surface de la solution.Dans le cas de l’ajout de tensioactifs, une comportement universel, indépendant de la nature ou la dynamique du tensioactif est mis en évidence. Il se traduit par un maximum du temps d’apparition des événements acoustiques aux alentours de la concentration micellaire critique (CMC) du tensioactif accompagnée par un élargissement de leur fenêtre temporelle et sa légère réduction au delà de la CMC. Ce comportement est relié à l’apparition d’écoulements de Marangoni et à des effets de viscosité avec l’augmentation de la concentration en tensioactifs. Il ressort que l’estimation de l’évolution caractéristique de ces temps d’apparition peut permettre d’accéder à la CMC du tensioactif utilisé.Enfin, la variation de tension de surface a permis d’observer l’apparition de différents mécanismes d’emprisonnement de bulle. Il est mis en évidence que chacun de ces mécanismes présente une signature acoustique particulière aussi bien dans l’eau que dans l’air...

A drop impacting a liquid surface produces a particular sound. This sound is mainly due to the vibration of air bubbles entrapped in the liquid during the succession of hydrodynamic events generated by the impact. Although the influence of the initial conditions of the impact on the unfolding of the hydrodynamic events is well descibed in the case of pure water, the role of the liquid properties is still to be defined. If a change in the liquid properties leads to changes in the hydrodynamic events leading to bubble entrapment, the sound emitted may be modified. The identification of parameters of the acoustic signal varying with certain properties of the liquid would allow the development of acoustic methods to measure these properties.The objective of this work is to understand the influence of the surface tension of a liquid on the sound produced by the impact of a drop of pure water on the surface of this liquid. The acoustic signal is measured simultaneously in water and in air, and a fast camera allows to record images of the interface at a high acquisition frequency. The synchronization of the video and acoustic measurements allows the identification of the hydrodynamic events responsible for the different acoustic emissions. Various signal processing and video tools are developed to analyze the hydrodynamics of the interface and the sounds generated in the water and in the air.First, a particular impact regime, called "irregular entrainment", is studied for pure water. A new mechanism has been highlighted for the first time. It is similar to a closure of the cavity in a liquid zip-like flow leading to the entrapement of an air bubble by a secondary droplet detached from the Rayleigh jet. The detailed study of the acoustic signal reveals inconsistencies between the measurements and the classical models in the literature to describe the sound of the formed bubbles. These inconsistencies are explained and more complete models are proposed.This impact regime is then studied in the case of aqueous solutions with varying surface tensions, either by dilution of another liquid or by addition of surface- active substances. The main changes in the acoustic signal are presented and explained through the analysis of the hydrodynamics of the impact. In the case of addition of a miscible liquid in water, the development of the liquid crown formed during the first moments of the impact is modified. These modifications lead to a delay in its collapse, which is translated on the acoustic signal by a delay in the appearance of a pressure peak on the hydrophone signal. The time of appearance of this pressure peak is directly related to the surface tension of the solution.In the case of the addition of surfactants, a universal behavior, independent of the nature or the dynamics of the surfactant is highlighted. It reads in a maximum of the appearance time of the acoustic events around the critical micellar concentration (CMC) of the surfactant accompanied by a widening of their temporal window and its slight reduction beyond the CMC. This behavior is related to the appearance of Marangoni flows and viscosity effects with the increase of the surfactant concentration. It appears that the estimation of the characteristic evolution of these appearance times can allow access to the CMC of the used surfactant.Finally, the variation of surface tension allowed to observe the appearance of different mechanisms of bubble entrapment. It is highlighted that each of these mechanisms presents a particular acoustic signature in water as well as in air. Thus, with the help of a classification algorithm, a method of detection and identification of bubble entrapment mechanisms from their acoustic signals in water and in air is developed. The results obtained allow us to consider a method for analysing the hydrodynamics of drop impact using acoustic signals alone.