Réflexion et transmission des ondes acoustiques par un milieu poreux

La propagation des ondes acoustiques dans un milieu poreux est une méthode ultrasonore permettant d'accéder à plusieurs caractéristiques du milieu. Le dépôt de particules fines et le bouchage des pores de ce type de milieu est l'une des problématiques étudiées, la détermination des paramètres mécaniques du milieu en est une autre. Dans cette étude, on présente la propagation des ondes acoustiques dans le milieu poreux. Celle-ci obéit au modèle de Biot quand il s'agit d'un milieu à simple porosité. Afin de comprendre l'évolution de ces ondes à l'intérieur du milieu, Biot [1] a développé un modèle théorique qui prédit l'existence de trois ondes se propageant dans un tel milieu : deux ondes de compression et une onde de cisaillement. Afin d'être applicable à un milieu à porosité multiple, la théorie de Biot a été étendue par Berryman [2]. Ce dernier a mis en évidence une quatrième onde longitudinale se propageant dans le milieu et qui est due à la présence des pores dans les grains solides (pores microscopiques). On présente dans ce travail un modèle numérique programmé sous MATLAB, visant à simuler la propagation d'ondes acoustiques dans un milieu poreux réaliste. L'onde incidente est émise à partir d'un fluide. Son arrivée à l'interface fluide-poreux provoque l'apparition d'une onde réfléchie dans le fluide, et de quatre ondes se propageant dans la couche du milieu à double porosité. Celles-ci sont toutes converties en ondes longitudinales lors de la transmission dans le fluide de l'autre côté de la plaque. Un système d'équations est obtenu à partir des conditions de passage définies aux interfaces du modèle, ce qui permet d'obtenir les coefficients de réflexion et de transmission. Le calcul numérique de ces coefficients permet de suivre leur évolution en fonction de la fréquence à angle d'incidence fixé, ou encore en fonction de l'angle d'incidence à fréquence fixée.   Références [1] : Biot M. A., Theory of propagation of elastic waves in a fluid-saturated porous solid (I. Low frequency range), J. Acoust. Soc. Am., Vol. 28, No. 2, pp. 168-178, March,1956 [2] : Berryman J. G., and H. F. Wang, 1995, The elastic coefficients of double-porosity models for fluid transport in jointed rock: J. Geophys. Res., 100, 24611-24627

Development of ultrasonic methods for the characterization of multiple porosity media

L’objectif de cette thèse est d’étudier la propagation des ondes acoustiques dans un milieu à double porosité. La caractérisation analytique des modes de vibration d’une plaque à double porosité a été mise en évidence. L’étude théorique a été validée par des mesures ultrasonores expérimentales, sur deux matériaux granulaires à double porosité et des billes de verre à simple porosité, via la détermination d’un coefficient de comparaison théorie-expérience. Ces mesures ont également permis la détection des quatre ondes se propageant dans un matériau à double porosité. Un dispositif expérimental a été développé dans le but de caractériser le phénomène de colmatage qui affecte les milieux poreux lorsqu’ils sont traversés par un fluide chargé de matières en suspension. Ce phénomène affecte par exemple les filtres utilisés dans la clarification des eaux sales. La méthode ultrasonore non destructive a été combinée avec la méthode destructive généralement utilisée dans les laboratoires, pour le suivi du dépôt dans le temps et dans l’espace des trois milieux poreux soumis à l’injection de solutions turbides pendant une longue durée. Des corrélations entre les propriétés acoustiques (vitesse de phase et énergie du signal transmis) et la variation de la porosité du milieu en conséquence du dépôt sont obtenues. L’ensemble des résultats montre un bon accord entre les deux méthodes.The aim of this thesis is to study the propagation of acoustic waves in a double porosity medium. The analytical characterization of the vibration modes of a double porosity plate has been studied. The theoretical study was validated by experimental ultrasonic measurements, on two granular materials with double porosity and single porosity glass beads, by the determination of a theory-experiment comparison coefficient. These measurements also allowed the detection of the four waves propagating in a double porosity medium. An experimental device has been developed for the purpose of characterizing the clogging phenomenon which affects the porous media when traversed by a fluid loaded with suspended particles. This phenomenon affects for example the filters used in the clarification of dirty waters. The non-destructive ultrasonic method was combined with the destructive method generally used in laboratories, for monitoring the deposition in time and space of the three porous media subjected to the injection of turbid solutions for a long time. Correlations between the acoustic properties (phase velocity and energy of the transmitted signal) and the variation of the porosity of the medium as a consequence of the deposition are obtained. All results show a good agreement between the two methods

Développement de méthodes ultrasonores en vue de la caractérisation des milieux à porosité multiple

The aim of this thesis is to study the propagation of acoustic waves in a double porosity medium. The analytical characterization of the vibration modes of a double porosity plate has been studied. The theoretical study was validated by experimental ultrasonic measurements, on two granular materials with double porosity and single porosity glass beads, by the determination of a theory-experiment comparison coefficient. These measurements also allowed the detection of the four waves propagating in a double porosity medium. An experimental device has been developed for the purpose of characterizing the clogging phenomenon which affects the porous media when traversed by a fluid loaded with suspended particles. This phenomenon affects for example the filters used in the clarification of dirty waters. The non-destructive ultrasonic method was combined with the destructive method generally used in laboratories, for monitoring the deposition in time and space of the three porous media subjected to the injection of turbid solutions for a long time. Correlations between the acoustic properties (phase velocity and energy of the transmitted signal) and the variation of the porosity of the medium as a consequence of the deposition are obtained. All results show a good agreement between the two methods.L’objectif de cette thèse est d’étudier la propagation des ondes acoustiques dans un milieu à double porosité. La caractérisation analytique des modes de vibration d’une plaque à double porosité a été mise en évidence. L’étude théorique a été validée par des mesures ultrasonores expérimentales, sur deux matériaux granulaires à double porosité et des billes de verre à simple porosité, via la détermination d’un coefficient de comparaison théorie-expérience. Ces mesures ont également permis la détection des quatre ondes se propageant dans un matériau à double porosité. Un dispositif expérimental a été développé dans le but de caractériser le phénomène de colmatage qui affecte les milieux poreux lorsqu’ils sont traversés par un fluide chargé de matières en suspension. Ce phénomène affecte par exemple les filtres utilisés dans la clarification des eaux sales. La méthode ultrasonore non destructive a été combinée avec la méthode destructive généralement utilisée dans les laboratoires, pour le suivi du dépôt dans le temps et dans l’espace des trois milieux poreux soumis à l’injection de solutions turbides pendant une longue durée. Des corrélations entre les propriétés acoustiques (vitesse de phase et énergie du signal transmis) et la variation de la porosité du milieu en conséquence du dépôt sont obtenues. L’ensemble des résultats montre un bon accord entre les deux méthodes

The Rayleigh mode at the plane boundary between a liquid and a double porosity medium

International audienceThe Rayleigh mode (also called generalized Rayleigh wave) at the flat interface between a liquid and a double porosity medium saturated by the same liquid, is investigated. The double porosity medium obeys the phenomenological model of Berryman and Wang (2000). It allows the simultaneous propagation of three longitudinal waves and a transverse wave. Assuming open pore conditions at the interface, formulas are found for the coefficients of reflection in the liquid and of transmission in the double porosity medium. Considering only the angular variable in the study, numerical simulations based on data for Berea sandstone show the influence of frequency and the two types of porosity on the reflection coefficient and on the velocity of the generalized Rayleigh wave

Effects of clogging on ultrasonic transmission through saturated granular single and double porosity media

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Fatigue behavior of concrete: A literature review on the main relevant parameters

This paper contributes by summarizing knowledge on the fatigue behavior of concrete, discussing current standardization, and organizing previous contributions and prospecting future developments in experimental research. It describes classical laboratory fatigue tests and analysis (S-N curves, damage effects on modulus etc.), emphasizing differences expected for real loading (with variation in frequency and temperature, among other effects). Not only current standards diverge in results, but more fundamental effects were observed. Temperature has relevant impact on fatigue life, and during tests it may change due to self-heating. Specimen dimensions are relevant for this phenomenon. Loading frequency seems to influence fatigue, and since tests in laboratory need to be accelerated (high frequency) compared to the field (low frequency), this is a major concern. Other investigated effects include loading waveforms and moistur