Propagation d’onde ultrasonore au travers d’une distribution aléatoire de particules solides dans un fluide visqueux

Acoustic wave propagation through a random dispersion of solid particles in a viscous fluid

• Auteur / Autrice : MB Mahbub Alam
• Direction : Francine Luppé, Valérie Pinfield
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 12/09/2019
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire ondes et milieux complexes (Le Havre, Seine-Maritime)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Vasseur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Maréchal, Arnaud Tourin, Tony Valier-Brasier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Brunet, Guy Feuillard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes sonores

Diffusion multiple (physique)

Ultrasons

Mots clés libres

Ultra sons

Diffusion multiple

Dispersion aléatoire

Propriétés efficaces

Fluide visqueux

Ultrasound

Multiple scattering

Random dispersion

Effective properties

Viscous fluid

Résumé

La propagation d’une onde ultrasonore de compression au travers d’une distribution de particules solides identiques localisées aléatoirement dans un liquide visqueux est étudiée. La longueur d’onde de l’onde de compression est supposée grande devant le rayon des particules, et les propriétés effectives dynamiques du milieu sont recherchées.Les coefficients de diffusion d’une sphère solide isolée sont étudiés pour différentes polarisations des ondes partielles de mode n incidentes et diffusées. Des expressions approchées en sont données pour tout n dans le régime de diffusion de Rayleigh.Dans le cas de particules sphériques, le milieu est modélisé par un noyau élastique, de même matériau et rayon que les particules, et entouré d’une coque emplie du fluide hôte. L’ensemble est insoné, dans le milieu effectif, par une onde de compression partielle de mode n. Les propriétés effectives sont recherchées par minimisation de la diffusion pour différentes valeurs de n. Le module d’élasticité volumique effectif et la masse volumique effective sont obtenus respectivement à partir des modes n=0 et n=1. Comparée à la formule d’Ament, fondée sur l’équilibre des forces hydrodynamiques et inertielle au niveau de chaque particule supposée rigide, celle obtenue ici fait apparaître un effet de la concentration sur la dépendance fréquentielle de la masse volumique similaire à celui observé, expérimentalement et dans des modèles de diffusion multiple, sur les propriétés effectives des ondes de compression. La méthode d’Ament est ensuite appliquée pour obtenir la masse volumique effective dans le cas de sphéroïdes rigides alignés.

A random dispersion of identical elastic solid particles in a viscous fluid is considered and effective properties, appropriate to the propagation through the medium of an ultrasonic compressional wave of large wavelength compared to the radius of the particles, is investigated.The scattering coefficients of a single spherical particle in a viscous medium are investigated for all combinations of incident and scattered wave types for use in multiple scattering models. Approximate formulae are obtained for the coefficients at n’th partial wave order in the Rayleigh limit. For spherical particles, a core-shell self-consistent model is used, in which the medium is modelled by an elastic core of the same material and radius as the particles, surrounded by a shell of the host fluid, and placed in the effective medium. The radius of the shell is such that the ratio of the core/shell volume is equal to the particle concentration. The dynamic properties of the effective medium are sought by minimising the scattering of the shell for different incident compressional partial wave orders (n).The effective bulk modulus is found from the monopole mode n=0 and the effective mass density from the dipole mode n=1. When compared to Ament’s formula based on local force balance at the particles (assumed rigid), the effective mass density obtained from the core-shell model shows a frequency-dependent effect of concentration similar to that observed in multiple scattering models and experimentally. Ament’s method is then applied to obtain the effective mass density in case of aligned rigid spheroids.