Sound propagation in dry and wet granular materials
Etude des milieux granulaires secs et mouillés à l'aide des ondes ultrasonores
Résumé
This work deals with the sound propagation in a stressed dense granular medium. Elastic
waves offer a non invasive method for probing the structure, the viscoelastic properties and non linear
behaviours of force networks in the material. First of all, we briefly describe some results about
small-amplitude ultrasound propagation in granular materials (effective coherent modes, multiply
scattered waves). After then, we show how to infer elastic modulii and characterize the internal
dissipation by using coherent waves and multiply scattered waves, respectively. By studying the
influence of small amount of added liquid in the medium (< 0,1%) or the surface state of beads,
on the viscoelastic properties of dry and wet granular media, we are able to identify two different
origins of dissipation : frictionnal and viscous mechanisms. Finally, we study the non linear behaviour
of large-amplitude sound propagation in a granular medium. More precisely, we characterize
experimentally the reversible hertzian non linear elasticity of the granular medium via harmonic
generation. And then we discuss an original experimental finding which concerns irreversible interaction
process between elastic waves and granular medium. The underlying physics is related to the
Mindlin hysteretic non linearity which causes a softening of the elastic modulus of granular medium
accompagnied by micro-rearrangements at the grain asperity scale.
waves offer a non invasive method for probing the structure, the viscoelastic properties and non linear
behaviours of force networks in the material. First of all, we briefly describe some results about
small-amplitude ultrasound propagation in granular materials (effective coherent modes, multiply
scattered waves). After then, we show how to infer elastic modulii and characterize the internal
dissipation by using coherent waves and multiply scattered waves, respectively. By studying the
influence of small amount of added liquid in the medium (< 0,1%) or the surface state of beads,
on the viscoelastic properties of dry and wet granular media, we are able to identify two different
origins of dissipation : frictionnal and viscous mechanisms. Finally, we study the non linear behaviour
of large-amplitude sound propagation in a granular medium. More precisely, we characterize
experimentally the reversible hertzian non linear elasticity of the granular medium via harmonic
generation. And then we discuss an original experimental finding which concerns irreversible interaction
process between elastic waves and granular medium. The underlying physics is related to the
Mindlin hysteretic non linearity which causes a softening of the elastic modulus of granular medium
accompagnied by micro-rearrangements at the grain asperity scale.
Ce travail de thèse traite de la propagation des ondes élastiques dans les milieux granulaires
denses sous contrainte. Elles permettent de sonder de manière non invasive la structure, les
propriétés viscoélastiques et les comportements non linéaires des réseaux de forces de contact dans
un tel milieu. Dans une première partie, nous rappelons quelques résultats concernant la propagation
linéaire d'ondes ultrasonores dans les matériaux granulaires (modes effectifs cohérents, diffusion
multiple des ondes élastiques). Nous montrons alors comment extraire les modules élastiques à l'aide
des ondes cohérentes et la dissipation interne à l'aide des ondes multiplement diffusées. En particulier,
l'étude de l'influence de la présence d'un fluide interstitiel en très faible quantité (< 0,1%)
et l'influence de l'état de surface des billes, sur les propriétés viscoélastiques de milieux granulaires
secs et mouillés, nous permet d'identifier deux mécanismes de dissipation : frictionnelle et visqueuse.
Enfin, nous nous intéressons au régime de propagation non linéaire des ondes élastiques dans les
milieux granulaires. Après avoir caractérisé expérimentalement l'élasticité non linéaire hertzienne
réversible du matériau granulaire par la génération d'harmoniques supérieures, nous discutons un
résultat original sur les processus d'interaction irréversibles onde-matière granulaire liés aux non
linéarités hystérétiques de type Mindlin entraînant une nette diminution du module élastique du
matériau granulaire et des micro-réarrangement à l'échelle des aspérités de grains.
denses sous contrainte. Elles permettent de sonder de manière non invasive la structure, les
propriétés viscoélastiques et les comportements non linéaires des réseaux de forces de contact dans
un tel milieu. Dans une première partie, nous rappelons quelques résultats concernant la propagation
linéaire d'ondes ultrasonores dans les matériaux granulaires (modes effectifs cohérents, diffusion
multiple des ondes élastiques). Nous montrons alors comment extraire les modules élastiques à l'aide
des ondes cohérentes et la dissipation interne à l'aide des ondes multiplement diffusées. En particulier,
l'étude de l'influence de la présence d'un fluide interstitiel en très faible quantité (< 0,1%)
et l'influence de l'état de surface des billes, sur les propriétés viscoélastiques de milieux granulaires
secs et mouillés, nous permet d'identifier deux mécanismes de dissipation : frictionnelle et visqueuse.
Enfin, nous nous intéressons au régime de propagation non linéaire des ondes élastiques dans les
milieux granulaires. Après avoir caractérisé expérimentalement l'élasticité non linéaire hertzienne
réversible du matériau granulaire par la génération d'harmoniques supérieures, nous discutons un
résultat original sur les processus d'interaction irréversibles onde-matière granulaire liés aux non
linéarités hystérétiques de type Mindlin entraînant une nette diminution du module élastique du
matériau granulaire et des micro-réarrangement à l'échelle des aspérités de grains.