The song of the Dunes - Collective motions in a Granular Flow

Le Chant des Dunes, Mouvements Collectifs dans un Écoulement Granulaire

Simon Dagois-Bohy (1)

1 MSC - Matière et Systèmes Complexes

The song of dunes is a natural phenomenon that have arisen men's curiosity for a long time, from Marco Polo to R.A. Bagnold. Scientific observations in the XXth century have shown that the sound is emitted by a coherent vibration of the free surface of a flow in these special singing grains, and that this sound is linked to a threshold effect that depends on many parameters. In order to understand the synchronization mechanism that links the movements of the grains, we have made two missions in Morocco and in Oman to study on field these singing dunes, from which we brought back many samples. On the basis of a study of their microscopic properties, we showed that these grains are covered by a varnish that increases their friction and adhesion properties. In an experiment with varying shear rate, we characterized the threshold dependency on relative humidity as well as on flow parameters. In an avalanche experiment, we reproduced with high fidelity the song of dunes that can be heard on field and our observations showed that the flow has a part at the surface where the velocity is homogeneous like a solid movement. This experiment also showed that the synchronization is not due to an acoustic wave propagating inside the granular layer. We then developed a model based on the interaction between the force chains in the shear part of the flow and the plug part of the flow. This model have a good quantitative agreement with the experiments, and it also explains all the qualitative observations that have been made on this subject.

Le chant des dunes est un phénomène naturel qui a longtemps éveillé la curiosité des hommes du désert, de Marco Polo à R.A. Bagnold. Les observations scientifiques du XXème siècle ont montré que le son est émis par la vibration cohérente de la surface libre d'un écoulement de ces grains chantants, et que ce son est soumis à un phénomène de seuil qui dépend de beaucoup de paramètres. Pour comprendre le mécanisme qui synchronise le mouvement des grains entre eux, nous avons effectué deux voyages au Maroc et à Oman pour observer les dunes chantantes sur le terrain, dont nous avons rapporté plusieurs échantillons de sable chantant. En étudiant leurs propriétés microscopiques, nous avons montré que ces sables sont recouverts d'un vernis qui augmente leurs propriétés d'adhésion et de frottement. Grâce à une expérience à cisaillement variable, nous avons caractérisé la dépendance du seuil avec l'humidité et les paramètres d'écoulement. Dans une expérience d'avalanches, nous avons réussi à reproduire le chant des dunes sur le terrain, et nos observations montrent qu'une partie de l'écoulement a une vitesse homogène, comme un bloc solide. De plus, cette expérience montre aussi que la synchronisation ne peut être due à une onde acoustique dans le milieu granulaire. Nous avons alors développé un modèle basé sur l'interaction entre les chaînes de forces dans l'écoulement de cisaillement et la partie où la vitesse est homogène. Ce modèle a un bon accord quantitatif avec les mesures, et il permet de rendre compte de toutes les observations qualitatives faites sur le chant des dunes.

Mots clés: singing; booming; acoustic; flow; granular

Mots clés: dune; avalanche; chant; acoustique; écoulement; granulaire; synchronisation; surface

Domaines: Acoustique [physics.class-ph]; Matière Molle [cond-mat.soft]; Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]; Acoustique [physics.class-ph]

Simon Dagois-Bohy. Le Chant des Dunes, Mouvements Collectifs dans un Écoulement Granulaire. Acoustique [physics.class-ph]. Université Paris-Diderot - Paris VII, 2010. Français. ⟨NNT : 2010PA077081⟩. ⟨tel-00770253⟩