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Propagation des ondes acoustiques dans les milieux bulleux

MSC : Valentin Leroy, Thierry Hocquet, Jean-Claude Bacri, Martin Devaud.

(05/11/2010)


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Les milieux bulleux ont des propriétés acoustiques surprenantes. Par exemple, il suffit d’une infime quantité de bulles d’air dans de l’eau pour que la vitesse effective du son dans le milieu soit grandement modifiée : ainsi, avec une fraction volumique d’air de 0,4%, la vitesse est de l’ordre de 200 m/s, c’est à dire non seulement inférieure à la vitesse du son dans l’eau (1500 m/s) mais également plus basse que la vitesse du son dans l’air (340 m/s). On a donc affaire à un milieu dont les propriétés sont très différentes de celles de ses constituants ! Chacun peut d’ailleurs quotidiennement apprécier l’ampleur du phénomène grâce à l’effet chocolat chaud.

Mais les bulles ont une autre particularité acoustique marquante : leur résonance basse fréquence (la résonance de Minnaert). De manière générale, quand une onde est diffusée par un objet, il ne se passe rien de particulier tant que la longueur d’onde est grande devant la taille du diffuseur. Pour les bulles et les ondes acoustiques, l’histoire est différente : une bulle d’air de 1 mm de rayon dans de l’eau interagit de manière résonnante avec une onde acoustique de fréquence 3 kHz, soit une longueur d’onde de 50 cm, c’est-à-dire 500 fois la taille de la bulle. Dans ces circonstances, on comprend que la présence de bulles dans un liquide affecte énormément la propagation acoustique : à résonance, non seulement chaque bulle engendre un champ acoustique important, mais comme de nombreuses bulles sont potentiellement excitées en phase, leurs contributions sont constructives et constituent donc une part majeure du champ acoustique total. Pour faire simple : les bulles font beaucoup de bruit (résonance), et elles le font collectivement (grande longueur d’onde).

Notre étude de l’acoustique des milieux bulleux recouvre trois thèmes :

1- Un système modèle pour la propagation des ondes en milieu complexe

La propagation des ondes dans les milieux complexes est un sujet qui touche tous les domaines de la physique : que l’on considère des ondes sismiques dans la croûte terrestre ou des ondes électromagnétiques dans un nuage d’atomes froids, le formalisme est le même et les problématiques souvent voisines. Quand il s’agit de décrire la propagation d’ondes cohérentes, on utilise généralement un modèle simple : l’approximation des diffusions indépendantes (ISA). Lorsque les diffuseurs sont résonnants, on s’attend à ce que cette approximation ne soit plus valide, notamment à cause de l’importance des boucles de diffusion (i.e., des passages successifs par le même diffuseur) et des corrélations de position. Les milieux bulleux permettent d’étudier ces questions avec un formalisme simple (une seule polarisation, diffusion isotrope) et offrent la possibilité de validations expérimentales sur des systèmes bien contrôlés.

2- De nouveaux matériaux acoustiques

Les propriétés acoustiques extraordinaires des milieux bulleux peuvent être mises à profit pour créer de nouveaux matériaux acoustiques. Un atout majeur pour cette recherche est la persistance de la résonance basse fréquence des bulles lorsqu’elles ne sont plus dans un liquide, mais dans un milieu élastique mou (i.e., avec un module élastique relativement faible, inférieur à 10 MPa). On peut donc obtenir des matériaux bulleux stables ayant des propriétés acoustiques inédites. Nous avons par exemple réalisé des cristaux phononiques de bulles.

3- Spectroscopie acoustique des bulles

Les bulles interviennent dans de nombreuses applications pratiques. Que l’on cherche à les éliminer (industrie verrière) ou à les favoriser (boulangerie), être capable de les détecter et de les caractériser (taille, concentration) est un enjeu important. Comme les bulles ont une signature acoustique forte, les méthodes ultrasonores constituent un outil de choix pour déterminer, par exemple, la distribution en taille de bulles dans un milieu visco-élastique opaque. Nous développons une technique de spectroscopie dont le principe repose sur la mesure de la vitesse et de l’atténuation effectives des ultrasons sur une large gamme de fréquences dans le milieu bulleux à caractériser.


COLLABORATIONS:
- Ultrasonics Research Laboratory, Winnipeg, Canada (A. Strybulevych, J. H. Page)
- Food Science Department, Winnipeg, Canada (M. G. Scanlon)
- Institut Langevin, Paris, France (A. Bretagne, M. Fink, A. Tourin)
- Laboratoire MMN, Paris, France (P. Tabeling, H. Willaime)


POUR EN SAVOIR PLUS


Nom des membres actuels ou anciens

LEROY Valentin, DEVAUD Martin, HOCQUET Thierry

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