Signature acoustique d’évènements hydrodynamiques violents : l’éclatement de bulles capillaires à la surface d’un liquide

Acoustic signature of violent hydrodynamic events

• Auteur / Autrice : Mathis Poujol
• Direction : Arnaud Antkowiak, Juliette Pierre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 26/11/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert (Paris ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Régis Marchiano
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Duchemin, Henri Lhuissier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Emmanuelle Rio, Benjamin Dollet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Surfactants

Propriétés acoustiques

Films liquides (physique)

Émission acoustique

Bulles -- Dynamique

Mots clés libres

Éclatements de bulles capillaires

Signature acoustique

Résonateurs acoustiques

Tensioactifs

Film liquide

Singularité hydrodynamique

Bursting of capillary bubbles

Acoustic signature

Acoustic resonators

Surfactants

Résumé

La rupture d’une bulle millimétrique à la surface d’un liquide est un évènement hydrodynamique rapide et violent qui se déroule sur plusieurs échelles de temps et d’espace. Pour étudier ce type d’évènement hydrodynamique, l’outil usuel est la caméra rapide. Mais la rapidité des reconfigurations d’interfaces et leurs complexités limitent son utilisation. Nous avons donc cherché à utiliser des capteurs acoustiques pour compléter les informations fournies par l’imagerie rapide. Les écoulements et les champs de pression sous et au-dessus de la surface du liquide, générés par cet éclatement, ont été étudiés conjointement afin de comprendre le son et les processus hydrodynamiques mis en jeu. L’objectif étant d’observer comment les différents mécanismes se répondent et quels liens peuvent être faits entre eux. En étudiant l’émission dans l’air, nous avons mis en évidence qu’elle correspond à celle d’un oscillateur harmonique dont la fréquence de résonance est pilotée par la rétraction du film liquide. Cela nous a notamment permis d’expliquer l’origine du bruit de pétillement du champagne. Le signal de l’éclatement sous la surface de l’eau est très différent. Il commence par une chute de pression liée à la détente du gaz dans la bulle et qui peut être assimilée à l’inverse d’un impact sur un liquide. Le signal se poursuit par un pic de pression synchrone avec le moment où la cavité se retourne pour un jet liquide mince et rapide. Enfin, nous avons également identifié grâce à leur signature acoustique qu’à cet instant et dans certaines conditions de viscosité ou en présence de molécules tensioactives, des bulles micrométriques ou des amas de tensioactifs sont éjectés.

The bursting of a millimetre bubble at the surface of a liquid is a fast and violent hydrodynamic event enduring at several times and space scales. To study this type of hydrodynamic event fast camera is usually used. But the fast and complex interface reconfigurations allow some limitation. We sought to use acoustic sensors to complete the information provided by rapid imaging. The flow and pressure fields generated by the burst, below and above the surface of the fluid, have been studied jointly to understand the sound and the hydrodynamic processes involved. The goal is to observe how the different mechanisms respond to each other and what links can be found between them. By studying the emission in the air, we showed that it corresponds to a harmonic oscillator with a resonant frequency controlled by the retraction of the liquid film. In particular, it allowed us to explain the origin of the sound of the effervescence of champagne. The pressure signal under the water surface is very different. It begins with a pressure drop linked to the expansion of the gas inside the bubble and can be explained using a pressure impulse approach. Then, the pressure signal up to a maximum synchronised at the time where the cavity reverses and ejects a thin and fast liquid jet. Finally, we also identified, thanks to their acoustic signature, that at this time and for particular viscosity or in the presence of surfactant molecules, micrometric bubbles or clusters of surfactants are ejected.