Caractérisation de la compaction granulaire par des méthodes acoustiques linéaires et non linéaires

Recently, an increasing number of experimental observations and modelisations have been done in microinhomogeneous media, like rocks or granular media, using nonlinearacoustic methods. These methods have showed a huge sentivity to detect structures defects (fissures, inter-grain contacts) and are used for non-destructive testing of fisssured or damage materials. Granular media, cornposed of non-cohesive grains, contain contacts providing them a strong acoustic nonlinearity. They constitute then a interesting material with applications in rnany industrial branches. Particularly, compaction process, i.e. the diminishing of the total volume of the packing, is widely used practically : ground stabilization before construction, ballasts, .... Here ,we report first applications of the rnethods of nonlinear acoustics for the characterization of the compaction process of unconsolidated granular media. Firstly, an experirnental setup for the compaction process of a granular random packing is described, containing the measurement of the evolution of the total volume of the packing. The media is probed during compaction by mean of acoustic waves, allowing the measurement of linear acoustic parameter like sound velocity variation and linear attenuation. Secondly, nonlinear acoustic waves are used to probe the compaction process. Quadratic nonlinear parameter is extracted from the study of harmonic generation and frequency-mixing process. The relative role of nonlinear clasticity (diminishing of nonlinear clastic modulus) and nonlinear dissipative properties (increase of nonlinear attenuation) are analized by mean of nonlinear resonance methods. A simple qualitative theoretical model explaining the experimental observation of faster diminishing in the compaction process of the elastic nonlinearity in comparison with dissipative nonlinearity has been developped. The theoretical predictions confirm that nonlinear acoustic methods could become an attractive tool for compaction monitoring. Finally, in order to better understand the role of force chains (bead chains more pre-stressed than the average) on acoustic wave propagation, a cubic granular crystal is modelized. The opportunity of guiding acoustic waves between force chains or along them is highlighted.Récemment, un nombre croissant d'observations expérimentales et de modélisations ont été effectuées en acoustique non linéaire dans les matériaux micro-inhomogènes, comme les roches ou les milieux granulaires. Les méthodes d'acoustique non linéaire ont montré une forte sensibilité à la présence de défauts de la structure (fissures, contacts inter-grains), et sont notamment utilisées depuis peu pour le contrôle non destructif des matériaux fissurés ou endommagés. Les milieux granulaires, composés de grains non cohésifs, comportent. des contacts qui leur assurent une forte non linéarité acoustique. Ils constituent donc des matériaux d'étude intéressants qui présentent des applications dans de nombreuses branches de l'industrie. En particulier, le processus de compaction, qui consiste à diminuer le volume du milieu (par des vibrations extérieures le plus souvent) est très largement utilisé dans la pratique : stabilisation des sols avant construction, ballasts, industrie du béton, stockage de matériaux agroalimentaires, ... Dans ce travail de thèse, différents effets d'acoustique non linéaire sont étudiés au sein d'un milieu granulaire non consolidé au cours du processus de compaction. Dans un premier temps, un dispositif expérimental de compaction d'un assemblage de billes de verre a été mis au point, comprenant une mesure de l'évolution du volume du matériau. Le milieu est sondé à l'aide d'ondes acoustiques et permet la mesure de paramètres acoustiques tels que la variation de vitesse des ondes et l'atténuation linéaire. Dans un second temps, la compaction du milieu granulaire est suivie par des méthodes d'acoustique non linéaire. L'étude de la génération d'harmoniques et de la génération de fréquence différente permet de quantifier l'évolution du paramètre de non linéarité quadratique. Les rôles relatifs de l'élasticité non linéaire (diminution du module élastique non linéaire du milieu) et de la dissipation non linéaire (augmentation de l'atténutation non linéaire) peuvent être analysés à l'aide des résonances non linéaires du milieu. Un modèle, décrivant les observations effectuées, est développé et mène à la définition d'un nouveau paramètre non linéaire qui caractérise l'hystérésis du milieu. Cet indicateur fournit des informations sur l'évolution de la distribution de contacts au cours de la compaction granulaire. Dans le but de mieux comprendre le rôle des chaînes de force (chaînes de billes plus fortement précontraintes que la moyenne) sur la propagation acoustique, un réseau granulaire cubique est modélisé. La possibilité de guider les ondes acoustiques, soit entre les chaînes de force, soit le long de celles-ci, est mise en évidence

Subharmonic spherical bubble oscillations induced by parametric surface modes

International audienceA potential source of subharmonic bubble emissions is revealed experimentally by high-speed imaging. When an acoustic bubble is driven at sufficiently large pressure amplitudes, energy transfer from surface to volume oscillations can lead to the triggering of subharmonic spherical oscillations. This experimental evidence is in agreement with recent theoretical modeling of nonspherical bubble dynamics accounting for nonlinear mode coupling. Implications for the monitoring of stable cavitation activity are discussed

Hystérésis du niveau de cavitation inertielle en fonction de l'intensité acoustique : caractérisation expérimentale et numérique

L’implosion de bulles de cavitation (ou cavitation inertielle) est un mécanisme sous-jacent à de nombreuses applications thérapeutiques des ultrasons, telles que la sonoporation ou la délivrance de drogues. Le contrôle du niveau de cavitation inertielle au sein d’un tir ultrasonore est nécessaire à la reproductibilité des effets biologiques, mais est complexe : ce processus étant intrinsèquement aléatoire. Le niveau de cavitation inertielle dans des conditions ultrasonores pulsées est étudié ici expérimentalement et numériquement. Lors de tirs ultrasonores successifs avec une intensité acoustique croissante, nous avons observé que le niveau de cavitation inertielle, déterminé comme le niveau de bruit large bande sur le spectre, augmente brusquement autour du seuil de cavitation inertielle. La courbe du niveau de cavitation inertielle en fonction de l’intensité acoustique est différente lorsque celle-ci décroît : le seuil obtenu est plus faible. Cet effet, caractérisé par une boucle d’hystérésis, est attribué au changement de la distribution de bulles lors des tirs ultrasonores. Les résultats expérimentaux montrent que l’aire de la boucle d’hystérésis dépend fortement du seuil de cavitation, et décroît lorsque le temps d’arrêt entre deux tirs successifs augmente. Pour modéliser cet effet hystérétique, les principaux mécanismes responsables de l’évolution d’une distribution de bulles initiale ont été identifiés comme la diffusion rectifiée et la fragmentation durant les tirs ultrasonores, ainsi que la dissolution et la remontée des bulles entre chaque pulse. En appliquant ces mécanismes pour des tirs successifs à intensités croissantes et décroissantes, l’évolution de la distribution de bulles est obtenue. Au sein d’un tir ultrasonore, l’implémentation des spectres de pression rayonnée dans un modèle de dynamique de bulles en interactions permet de calculer le bruit large bande numérique. Ceci permet d’identifier un niveau de cavitation inertielle numérique à une intensité acoustique donnée et de comparer l’effet hystérétique numérique aux résultats expérimentaux

Interactions écoulement-nuage de bulles de cavitation acoustique

L'impact d'un écoulement bas débit sur la taille d'un nuage de bulles de cavitation acoustique est étudié expérimentalement et analytiquement. Expérimentalement, un nuage de bulles induites par une onde ultrasonore générée par un transducteur piézoélectrique annulaire a été soumis à un écoulement contrôlé à débit contrôlé. Il est observé, pour des débits d'écoulement croissants, une diminution de la taille du nuage de bulles. Analytiquement, il est montré que les positions d'équilibre d'une bulle unique sont impactées par l'écoulement, du fait de la compétition entre la force de Bjerknes de radiation acoustique et la force hydrodynamique due à l'écoulement. Cette compétition entre forces engendre une vitesse critique d'écoulement au delà de laquelle la bulle n'a plus de position d'équilibre et est emportée par l'écoulement

Comportement de bulles de cavitation dans un champ acoustique stationnaire

Ce travail porte sur l'étude expérimentale et numérique du comportement de bulles de cavitation induites par un champ acoustique stationnaire dans un guide d'onde rempli d'eau. Il est montré que la géométrie cylindrique du système utilisé dans cette étude permet aux bulles de cavitation de s'organiser en motifs particuliers. Pour de fortes amplitudes de pression acoustique, les bulles ont tendance à se regrouper en formes bien connues appelées « clusters ». Pour des amplitudes de pression acoustique modérées, des anneaux de bulles apparaissent. Cette étude met en évidence le fait que la forme de ces anneaux de bulles est directement liée à la distribution des forces de Bjerknes dans le résonateur. Il est également montré expérimentalement et numériquement que certaines bulles peuvent décrire une trajectoire orbitale autour de ces anneaux. Ce phénomène spiralant est étudié numériquement et les conditions pour lesquelles une bulle seule suit une trajectoire orbitale dans le guide d'onde sont établies. L'influence de l'amplitude de la pression acoustique et du rayon initial de la bulle est également examinée

Streaming acoustique dans un puits de culture cellulaire : application à la sonoporation

Le phénomène de sonoporation est intimement lié à l'interaction entre une cellule et une bulle de cavitation. Pour obtenir une information sur le caractère spatial de la cavitation ultrasonore générée, et en vue de la transfection de cellules adhérentes dans un puits de culture biologique, cette étude vise à caractériser le champ acoustique et le streaming dans une cavité non rectangulaire. Pour ce faire, des particules fluorescentes (3µm) sont utilisées sous microscope et permettent de quantifier le champ de déplacement au voisinage de la paroi

Interaction d'une bulle de cavitation ultrasonore avec une membrane bilipidique

Dans le contexte de la transfection ultrasonore, une investigation expérimentale a été menée pour étudier la formation de lésions créées par la cavitation ultrasonore sur une membrane bilipidique modèle déposée au fond d'un puits de culture cellulaire. Des visualisations microscopiques ont été réalisées pendant les tirs ultrasonores, ce qui a permis de révéler deux types de lésions intéressantes : des impacts de bulles et des fissures. A partir de mesures couplées en fluorescence et en champ clair, on a pu déduire un modèle de formation de chacun de ces deux types de lésions

Etude de la dynamique d'un nuage de bulles généré par ultrasons focalisés de forte intensité

Nous présentons une étude expérimentale sur la dynamique des nuages de bulles générés par ultrasons focalisés de forte intensité. En utilisant des mesures optiques en ombroscopie, on a pu suivre le développement de nuages de cavitation. Les images numériques sont numérisées et analysées. Les résultats mettent en évidence des variations du comportement du nuage de bulles en fonction des paramètres ultrasonores d'excitation. Ces variations apparaissent corrélées à l'efficacité destructrice de la cavitation ultrasonore dans les applications thérapeutiques

Identification of Periostin as a Critical Marker of Progression/Reversal of Hypertensive Nephropathy

Progression of chronic kidney disease (CKD) is a major health issue due to persistent accumulation of extracellular matrix in the injured kidney. However, our current understanding of fibrosis is limited, therapeutic options are lacking, and progressive degradation of renal function prevails in CKD patients. Uncovering novel therapeutic targets is therefore necessary

Contrast agent microbubble-jetting during initial interaction with 200 kHz focused ultrasound

The initial response of microbubbles flowing through a 500-μm polycarbonate capillary to a burst of 200-kHz focused ultrasound, at peak-negative pressure amplitudes from 0.7–1.5 MPa, was investigated with dual-perspective high-speed imaging. Directed jetting through the acoustic focus is demonstrated according to the pressure gradients acting across the cavitating microbubbles. At lower amplitudes, repeated microbubble-jetting is accompanied by sudden, intermittent translation. At higher amplitudes a rebound jet also forms, before disintegration into a cavitation cloud