Les activités de recherche que je mène au sein de l'équipe MPIA (Modélisation, Propagation et Imagerie Acoustique) de l'Institut Jean le Rond d'Alembert  ont pour objet central l'acoustique et particulièrement les phénomènes non linéaires. Les manifestations des phénomènes non linéaires en acoustique sont nombreuses et diverses. Je m’intéresse particulièrement à trois types de non-linéarités : (i) les non-linéarités apparaissant lors de la propagation (de la génération d’harmoniques à la formation d’ondes de choc acoustique), (ii) la génération et la propagation d’ondes acoustiques dans les écoulements (notamment le problème de la localisation des sources aéroacoustiques), (iii) les interactions non-linéaires des ondes élastiques avec le milieu (pression de radiation, écoulements induits, diffusion multiple non-linéaire).

J’aborde à la fois des problèmes fondamentaux et appliqués. Les domaines d’application sont très variés : l’aéronautique pour la propagation d’ondes de choc (bang sonique généré par les avions supersoniques), la réduction des nuisances sonores dues aux transports aériens et automobiles (pour l’imagerie des sources aéroacoustiques), ou encore la manipulation sans contact (réalisation d’une pince acoustique par pression de radiation), etc …

D’un point de vue méthodologique, j’ai recours principalement à la modélisation et à la simulation numérique mais avec le plus de confrontation possible avec l’expérimentation.

Propagation d'ondes de choc acoustiques

La propagation des ondes acoustiques de forte amplitude est non linéaire. En effet, lors de la propagation, on observe l’apparition d’harmoniques des fréquences présentes dans le signal source. Cela engendre une déformation du signal temporel qui peut conduire à l’apparition d’ondes de choc. Le mécanisme physique est bien connu mais sa simulation numérique est encore difficile dans des configurations où le milieu de propagation est hétérogène (célérité du son variable ou écoulements) et la distance de propagation est grande. Je m'intéresse plus particulièrement à la propagation d’ondes de choc dans les écoulements. Cela se produit lorsque des sources d’ondes sonores intenses existent dans des milieux en mouvement. Ces sources peuvent être anthropiques, comme la détonation balistique produite par les avions supersoniques (bang sonique) ou le Buzz Saw Noise, ou naturelles comme le tonnerre. Après un premier modèle 2D développé par L. Gallin pendant sa thèse (soutenue en 2014), une version 3D a été développée dans le cadre de la thèse de D. Luquet (soutenue en 2016) financée par le contrat européen ATTLAS II et une demi bourse DGA. Il s’agit du code FLHOWARD (FLow and Heterogeneous One Way equation for the AppRoximation of Diffraction).

Aéro-acoustique

Mes activités de recherche en aéroacoustique se déclinent en deux activités principales : le développement de modèles numériques pour simuler la propagation d’ondes acoustiques dans des écoulements (il y a donc une continuité avec la partie précédente sur la propagation non linéaire) et la résolution de problèmes inverses, consistant essentiellement à retrouver des sources acoustiques à travers des écoulements.

La localisation de sources est un des problèmes ouverts majeurs en aéro-acoustique. Nous avons mis au point une méthode numérique permettant de localiser les sources aéro-acoustiques produites par un écoulement turbulent. Pour cela nous avons utilisé un code de calcul basé sur les équations d'Euler (approche directe) en conjonction avec le retournement temporel et la différentiation complexe. Nous avons ainsi montré qu'il est possible de localiser les zones de génération de son dans différentes configurations comme l'injection de masse volumique au sein d'un écoulement cisaillé ou comme la production de son au sein d'une couche de mélange plane.

MegaMicros: système protéiforme de 1000 microphones

Nous avons développé une antenne de 1000 microphones et de son système d’acquisition et de traitement a été réalisé. Ce développement a été un élément structurant de l’équipe ces dernières années. Il s'agit d'un dispositif unique par ces capacités et sa souplesse. Il permet d’envisager la résolution de différents problèmes inverses. Ainsi, plusieurs projets ont vu le jour grâce à cette technologie : imagerie en milieu urbain (Chaire d’excellence Mouvie - thèse de R. Leiba), imagerie dans les écoulements (cf ci-dessus), calibration géométrique automatique (thèse de C. Vanwynsberghe), etc ...

Interactions non linéaires ondes/milieu

Nous avons récemment démontré théoriquement et expérimentalement la faisabilité d’une pince acoustique mono-faisceau tri-dimensionnelle. Le principe de base est l’utilisation d’un réseau de transducteurs qui émet un faisceau « sculpté » de façon à emprisonner un objet à sa focale. La sculpture du front d’onde consiste à synthétiser un vortex acoustique très focalisé. Un vortex acoustique possède un front d’onde hélicoïdal.  Cette structure particulière du front d’onde implique des propriétés intéressantes comme l’existence d’une quantité quantifiée (la charge topologique) et la présence d’un pseudo-moment angulaire.  
Cette première mondiale a été publiée dans Physical Review Letters et saluée par de nombreux confrères (cf viewpoint dans Physics today http://physics.aps.org/articles/v9/3). Cette étude principalement réalisée dans le cadre de la thèse de D. Baresch (soutenue en 2014) a par ailleurs obtenu le prix de la Chancellerie en 2015. Ces recherches se poursuivent actuellement grâce au soutien du labex MATISSE, qui finance la thèse de D. Zhao (soutenance prévue en 2019),..