Time-domain numerical simulations of multiple scattering to extract elastic effective wavenumbers

Elastic wave propagation is studied in a heterogeneous 2-D medium consisting of an elastic matrix containing randomly distributed circular elastic inclusions. The aim of this study is to determine the effective wavenumbers when the incident wavelength is similar to the radius of the inclusions. A purely numerical methodology is presented, with which the limitations usually associated with low scatterer concentrations can be avoided. The elastodynamic equations are integrated by a fourth-order time-domain numerical scheme. An immersed interface method is used to accurately discretize the interfaces on a Cartesian grid. The effective field is extracted from the simulated data, and signal-processing tools are used to obtain the complex effective wavenumbers. The numerical reference solution thus-obtained can be used to check the validity of multiple scattering analytical models. The method is applied to the case of concrete. A parametric study is performed on longitudinal and transverse incident plane waves at various scatterers concentrations. The phase velocities and attenuations determined numerically are compared with predictions obtained with multiple scattering models, such as the Independent Scattering Approximation model, the Waterman-Truell model, and the more recent Conoir-Norris model.Comment: Waves in Random and Complex Media (2012) XX

Mesure des courbes de dispersion des ondes guidées circonférentielles dans une coque elliptique par retournement temporel

Le retournement temporel permet de déterminer la position de sources acoustiques à partir du signal reçu sur un réseau de récepteurs. On s'intéresse au cas d'une source directive mobile, modélisant une onde guidée circonférentielle dans une coque, rayonnant dans le milieu extérieur. L'analyse de la forme des fronts d'onde aux récepteurs détermine la position de la source effective qui dépend de la vitesse de phase. Cette analyse a permis d'étendre au cas de sections elliptiques une méthode de mesure des courbes de dispersion déjà existante pour des sections circulaires

Comparison between a multiple scattering method and direct numerical simulations for elastic wave propagation in concrete

ISBN: 978-3-540-89104-8Numerical simulations are performed to study the propagation of elastic waves in a 2-D random heterogeneous medium such as concrete. To reduce spurious numerical artefacts to a negligible level, a fourth-order time-domain numerical scheme and an immersed interface method are used together. Effective properties of the equivalent homogeneous medium are extracted and compared to the predictions of a multiple scattering method (ISA), to evaluate the validity of this latter

Caractérisation mécanique des premiers centimètres du béton avec des ondes de surface

Cover concrete is the part of concrete structures directly in contact with the outside. Its thickness is a few centimetres and its main role is to protect reinforcement bars. Surface waves with wavelength varying from a few millimetres to a few centimetres are used to characterise this cover concrete. An estimation of the properties of the propagation of waves (phase and group velocities, damping factor) may allow us to evaluate mechanical properties and to detect possible damages. However, these waves will interact strongly with the numerous heterogeneities of the concrete (sand, aggregates, . . .) which dimensions are close to the wavelength. Waves will propagate in a multiple scattering regime. These eects have to be quantied in order to separate them from other effects linked to mechanical properties. And analytical and numerical study present theories of effective mediums to describe coherent wave propagation in an elastic matrix with random elastic inclusions. These models are then extended to take into account the viscoelasticity of the materials and the granulometry. We quantify with such model the importance of multiple scattering on surface wave propagation in concrete. Experimental measurements are carried on, using a specic protocol and ecient signal processing methods, allowing precise evaluation of phase and group velocity and of the damping factor of coherent surface waves on concrete or mortar slabs. The results show that these three parameters can provide complementary information on concrete properties (water to cement ratio, aggregate distribution, . . .), but also on other phenomenon like varying effective properties with depth. Effects of multiple scattering predicted by the model are experimentally observed, which opens interesting perspectives for the inverse problem.Le béton d'enrobage, dont le rôle essentiel est de protéger les armatures d'acier, est la partie du béton épaisse de quelques centimètres en contact direct avec le milieu extérieur et donc soumise aux attaques d'agents agressifs (eau, chlorures, ...). Des ondes de surface de longueurs d'onde millimétriques à centimétriques sont utilisées pour le caractériser. L'estimation des paramètres de propagation de ces ondes (vitesses de phase, de groupe, facteur d'amortissement) peut nous permettre d'évaluer des propriétés mécaniques et de déceler d'éventuels endommagements. Cependant ces ondes interagissent fortement avec les nombreuses hétérogénéités du béton (sable, granulats, ...) dont les dimensions sont comparables aux longueurs d'ondes. La propagation se fait alors en régime de diffusion multiple. Ces effets doivent être quantifiés afin de pouvoir être dissociés des effets liés aux propriétés mécaniques recherchées. Une étude analytique puis numérique présente les théories des milieux effectifs décrivant la propagation d'ondes de volume cohérentes dans le cas d'inclusions élastiques dans une matrice élastique. Ces modèles sont ensuite étendus pour prendre en compte la iscoélasticité et la distribution de taille de granulats. L'importance des effets de la diffusion multiple sur la propagation des ondes de surface est ainsi quantifiée. Parallèlement, un protocole expérimental associé à des méthodes de traitement du signal adaptées est mis en place pour évaluer de manière précise les vitesses de phase, de groupe, et l'atténuation des ondes de surface cohérentes sur des dalles de béton ou de mortier. Les résultats obtenus montrent que les variations de ces trois observables donnent des informations complémentaires sur différentes propriétés du béton (rapport eau sur ciment, distribution de granulats,...) mais aussi sur la présence de variations de propriétés avec la profondeur. Les effets de la diffusion multiple prédits par le modèle sont observés expérimentalement ce qui ouvre une perspective intéressante en vue de poser le problème inverse

Caractérisation mécanique des premiers centimètres du béton avec des ondes de surface

Cover concrete is the part of concrete structures directly in contact with the outside. Its thickness is a few centimetres and its main role is to protect reinforcement bars. Surface waves with wavelength varying from a few millimetres to a few centimetres are used to characterise this cover concrete. An estimation of the properties of the propagation of waves (phase and group velocities, damping factor) may allow us to evaluate mechanical properties and to detect possible damages. However, these waves will interact strongly with the numerous heterogeneities of the concrete (sand, aggregates, . . .) which dimensions are close to the wavelength. Waves will propagate in a multiple scattering regime. These eects have to be quantied in order to separate them from other effects linked to mechanical properties. And analytical and numerical study present theories of effective mediums to describe coherent wave propagation in an elastic matrix with random elastic inclusions. These models are then extended to take into account the viscoelasticity of the materials and the granulometry. We quantify with such model the importance of multiple scattering on surface wave propagation in concrete. Experimental measurements are carried on, using a specic protocol and ecient signal processing methods, allowing precise evaluation of phase and group velocity and of the damping factor of coherent surface waves on concrete or mortar slabs. The results show that these three parameters can provide complementary information on concrete properties (water to cement ratio, aggregate distribution, . . .), but also on other phenomenon like varying effective properties with depth. Effects of multiple scattering predicted by the model are experimentally observed, which opens interesting perspectives for the inverse problem.Le béton d'enrobage, dont le rôle essentiel est de protéger les armatures d'acier, est la partie du béton épaisse de quelques centimètres en contact direct avec le milieu extérieur et donc soumise aux attaques d'agents agressifs (eau, chlorures, ...). Des ondes de surface de longueurs d'onde millimétriques à centimétriques sont utilisées pour le caractériser. L'estimation des paramètres de propagation de ces ondes (vitesses de phase, de groupe, facteur d'amortissement) peut nous permettre d'évaluer des propriétés mécaniques et de déceler d'éventuels endommagements. Cependant ces ondes interagissent fortement avec les nombreuses hétérogénéités du béton (sable, granulats, ...) dont les dimensions sont comparables aux longueurs d'ondes. La propagation se fait alors en régime de diffusion multiple. Ces effets doivent être quantifiés afin de pouvoir être dissociés des effets liés aux propriétés mécaniques recherchées. Une étude analytique puis numérique présente les théories des milieux effectifs décrivant la propagation d'ondes de volume cohérentes dans le cas d'inclusions élastiques dans une matrice élastique. Ces modèles sont ensuite étendus pour prendre en compte la iscoélasticité et la distribution de taille de granulats. L'importance des effets de la diffusion multiple sur la propagation des ondes de surface est ainsi quantifiée. Parallèlement, un protocole expérimental associé à des méthodes de traitement du signal adaptées est mis en place pour évaluer de manière précise les vitesses de phase, de groupe, et l'atténuation des ondes de surface cohérentes sur des dalles de béton ou de mortier. Les résultats obtenus montrent que les variations de ces trois observables donnent des informations complémentaires sur différentes propriétés du béton (rapport eau sur ciment, distribution de granulats,...) mais aussi sur la présence de variations de propriétés avec la profondeur. Les effets de la diffusion multiple prédits par le modèle sont observés expérimentalement ce qui ouvre une perspective intéressante en vue de poser le problème inverse

Seismic Metashielding by a Line of Resonators Over a Granular Layer

Seismic metamaterials have been the subject of much recent interest, with notable conceptual advances and the demonstration of possible full-scale effectiveness in earthquake protection. Here, through a fine analysis of the dispersion properties and behavior of resonators introduced in a laboratory scale setup, we propose a strategy for the design of an efficient metaseismic barrier. When positioned onto an unconsolidated granular layer, rigid masses of nontrivial shape become elastic resonators by coupling with the relatively soft propagation medium. Additionally, they affect the mechanical boundary conditions and subsurface medium properties through the added weight. We demonstrate that all these ingredients can be rationally combined to improve the shielding effect and control the seismic waves

Interaction of surface waves with an array of subwavelength resonators in a granular medium

International audienceWe study experimentally the transmission, reflection and conversion of P-SV waves propagating at the surface of an unconsolidated granular half-space when scatterers are placed on their way. To design the scatterers we take advantage of the softness and consolidating property of the substrate; the scatterers consist in masses which, combined with the locally consolidating medium act as a mass-spring system on both vertical and longitudinal directions. The achieved effect is a Neumann to Dirichlet transition at high frequencies. The lowest order guided modes, whose energy is principally localized at the surface, are efficiently affected by an array of such resonators. The higher order waves, whose energy is more spread in the depth, are only slightly affected and partly mode-converted to the lowest order modes

Fine structure of the (A0 X) complex in InP

We present stress-dependent photoluminescence measurements on exciton bound to neutral acceptor in InP. We analyse the experimental results in two theoretical schemes : the j-j coupling scheme and the crystal field scheme. We find that the triplet structure of the (A0 X) complex results from hole-hole coupling in the cubic crystal field. We show that the three bound-exciton states correspond to Γ8, Γ7,8, Γ 6 in order of increasing energies, the electron-hole exchange energy being found to be vanishingly small