Sound propagation in dense granular media

Propagation des ondes acoustiques dans les milieux granulaires confinés

Yougu Yang (1)

1 LPMDI - Laboratoire de Physique des Matériaux Divisés et des Interfaces

This experimental work describes sound propagation in dry granular media. These sound waves provide a non invasive method to probe the viscoelastic properties and the heterogeneous structure of the materials. They may also be served as controlled perturbation to study the nonlinear response due to the rearrangements of the contact force networks. In the first part, we investigate the coherent wave propagation both in the packings of glass beads and those of irregular grains such as sands. In the linear regime, measured compressional wave velocities are in good agreement with the effective medium theory, giving access to the coordination umber Z. In the nonlinear regime, we observe both softening and hardening of the sound velocity, likely stemming from the change in Z caused by the strong vibration. In the second part, we study the multiple scattering of short-wavelength elastic waves in granular media. It is shown that the wave transport can be well described by the approximation of diffusion. We determine the diffusion constant and the inelastic absorption time as a function of the confining pressure and the frequency of the incident wave. The plot of the mean transport free path versus the wavelength shows two distinct regimes of transport in low- and high-frequency. Moreover, we find time-resolved intensity profile of multiply scattered waves exhibit a non exponential decay in long time, thus deviated from the classic diffusive transport. A parametric study using the renormalized diffusion constant is performed in order to understand the underlying physics of such anomaly wave transport. Finally, we perform a first experimental study of the time-reversal of ultrasound in glass bead packings. In the linear regime, we obtain by time-reversal processes both a temporal recompression and a spatial refocusing at the source transducer of an ultrasonic pulse transmitting through the disordered force networks. However, in the nonlinear regime, we observe a breakdown of the time-reversal of ultrasound due to the structural change of the materials, i.e. sound-induced rearrangement of the force networks

Ce travail de thèse est l'étude expérimentale de la propagation des ondes acoustiques dans un milieu granulaire sec et confiné. Ces ondes permettent de sonder de manière non invasive les propriétés viscoélastiques et la structure hétérogène du milieu, mais peuvent aussi être utilisées comme perturbation contrôlée pour étudier le réarrangement des réseaux des forces. Dans une première partie, nous nous intéressons à la propagation des ondes cohérentes dans les empilements des billes de verre et aussi dans ceux des grains irréguliers (sable). En régime linéaire, un très bon accord est retrouvé entre les vitesses d'onde de compression mesurées et celles prédites par la théorie des milieux effectifs, ce qui permet d'accéder au nombre de coordinance Z. En régime non linéaire, nous observons à la fois un softening et un hardening de la vitesse d'onde de compression à cause du changement de Z induit pat la forte vibration. La deuxième partie étudie la propagation des ondes multiplement diffusées. Nous montrons que le transport de ces ondes dans un milieu granulaire peut être décrit par le modèle de diffusion. Le coefficient de diffusion et l'absorption inélastique sont déterminés en fonction de la contrainte de confinement et de la fréquence d'onde incidente. Le libre parcours moyen versus la longueur d'onde relèvent deux régimes distincts du transport des ondes diffusées à basse et à haute fréquence. De plus, une décroissance non exponentielle est observée sur le profile d'intensité des ondes diffusées à temps long lorsque la fréquence de l'onde incidente devient importante. Une étude paramétrique basée sur la renormalisation du coefficient de diffusion est effectuée pour comprendre l'origine de ce transport diffusif anomal. Enfin, nous développons un dispositif (MRT) pour effectuer l'opération du retournement temporel dans un milieu granulaire. En régime linéaire, la recompression temporelle et la refocalisation spatiale sont vérifiées. Cependant, en régime non linéaire, nous observons que le processus du retournement temporel est brisé par l'interaction irréversible onde-matière, dû au changement ou réarrangement des réseaux des forces

Mots clés: Physical acoustics; Granular media; Multiple scattering; Time reversal; Nonlinear acoustics

Mots clés: Acoustique physique; Milieu granulaire; Diffusion multiple; Retournement temporel; Acoustique non linéaire

Domaines: Autre [cond-mat.other]

Yougu Yang. Propagation des ondes acoustiques dans les milieux granulaires confinés. Autre [cond-mat.other]. Université Paris-Est, 2013. Français. ⟨NNT : 2013PEST1147⟩. ⟨tel-01037954⟩