Contribution à la caractérisation ultrasonore de matériaux poreux par variation de pression statique

Contribution to ultrasonic characterization of porous media with a static pressure variation method

• Auteur / Autrice : Stéphane Griffiths
• Direction : Claude Depollier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Le Mans

Mots clés

Mots clés contrôlés

Son -- Propagation

Ultrasons

Matériaux poreux

Résumé

La caractérisation par ultrasons de matériaux poreux, fortement utilisés comme absorbants sonore, est généralement bien maîtrisée. Cependant, la caractérisation en transmission de certains matériaux peut se montrer difficile, et, lorsque le phénomène de diffusion intervient, celle-ci s'avère problématique. Pour répondre à cette double problématique, une méthode de caractérisation ultrasonore basée sur la variation de la pression statique du fluide saturant a été développée. La transmission s'en trouve alors accrue à travers le milieu poreux. Elle autorise également théoriquement la séparation des pertes dues à la diffusion et aux effets viscothermiques selon les premières études de Nagy en 1995. Une première thèse sur le sujet, dont les travaux ont été repris dans le cadre de la présente thèse, a montré qu'il est effectivement possible de séparer les pertes par diffusion des pertes viscothermiques. Bien que le modèle de fluide équivalent décrive bien les comportements du coefficient de transmission et de la vitesse en présence de diffusion faible, il n'est plus valide lorsque la diffusion est plus élevée. Il reste cependant possible d'estimer la longueur caractéristique viscothermique. Il n'est donc pas nécessaire, avec cette méthode, de connaître les caractéristiques de la diffusion pour estimer les paramètres acoustiques du matériau. Le second axe de recherche portant sur la caractérisation de matériaux très atténuants, un nouveau système expérimental permettant d'opérer à des pressions plus élevées (jusqu'à 20 bars) a été développé au cours de cette thèse. Il est ainsi apparu que le comportement linéaire décrit par le modèle de fluide équivalent aux basses pressions (jusqu'à 6 bars) n'est plus respecté aux pressions élevées (atteignant 18 bars). Ce comportement varie avec la nature mécanique et résistive du matériau, et les mesures réalisées sont très sensibles aux variations de température. Un modèle analytique basé sur une simplification du modèle de Biot à été utilisé afin de décrire ces phénomènes en tenant compte de ces différentes variables. Les variations des mesures avec la température n'étant pas expliquées par ce modèle, il est supposé que les paramètres mécaniques varient avec elle. Connaissant les paramètres influents aux pressions et fréquences considérées, il est dès lors possible d'estimer par minimisation, sous certaines conditions, certains paramètres acoustiques et mécaniques. L'algorithme de minimisation doit être cependant encore optimisé pour mettre clairement en évidence la dépendance thermique des paramètres mécaniques.

Ultrasonic characterization of porous media, wildly used as acoustic absorbent, is generally well known. However, some materials are difficult to characterize in transmission, and, in the presence of scattering, characterization turns out problematic. It is to answer this double problem that a method of ultrasonic characterization by variation of the static pressure of the saturating fluid was developed. This technique indeed allows an increased transmission through the porous medium. It allows also in theory the separation of losses due to scattering and due to viscothermicity according to Nagy's first studies in 1995. A first Phd thesis on this subject, taken back within the framework of the present thesis, showed that it is effectively possible to separate scattering's losses of viscothermic losses. Although equivalent fluid model corresponds well to experimental data in the presence of weak scattering for the transmission's coefficient and the speed in the material, the model is not valid anymore in the presence of higher scattering. It is however possible to consider the characteristic length of viscothermic effects. It is not necessary, with this method, to know the characteristics of the scattering to estimate acoustical parameters of the material. The second area of research concerning the characterization of very damped materials, a new experimental system was developed during this thesis to realize measurements up to 20 bars. Thus it appeared that the linear behavior described by the equivalent fluid model observed for low pressures (up to 6 bars) is not any more respected for higher pressures (reaching 18 bars). This behavior varies with the mechanical nature and resistivity of the material, and the realized measurements are very sensitive to variations of temperature. An analytical model based on a simplification of Biot's model, taking these variables into account, was thus used to explain these phenomena. As variations of measurements with temperature are not explained with this model, it is then supposed that mechanical parameters vary with it. Knowing the influential parameters to the considered pressures and the frequencies, it is from then possible to estimate by minimization, under some conditions, some of acoustical and mechanical parameters. The algorithm of minimization must be however still optimized to bring to light clearly the thermal dependence of the mechanical parameters.