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Thèse Année : 2000

Interaction son-vorticité et retournement temporel, des outils pour la caractérisation acoustique d'écoulements tourbillonnaires

Résumé

Sound-flow interaction constitutes a non-invasive measurement tool in hydro-dynamics. For instance, an acoustic wave crossing a vortex undergoes advection, refraction, and sometimes scattering. The analysis of the wavefront distortion yields the main characteristics of the vortex (position, size, and circulation). In the first part of this work, we show how time-reversal allows to artificially amplify the effect of a vortex on an ultrasonic wave. The use of two transducer arrays leads to a measurement which is both spatial and dynamic. This transmission technique is tested on three model experiments in water. We first locate and quantify the origins of noise and uncertainties. We then validate our technique by studying the precession motion and instabilities of a stretched vortex. Finally, in the case of a vorticity filament, we clearly unveil the presence of sound scattering. The second part is devoted to numerical simulations of our experiments. Three radically different methods are investigated: acoutic ray tracing, a parabolic equation and a finite-difference scheme. We numerically explore the validity of various classical approximations for sound propagation in moving media as well as the effects of the finite aperture of the incident wave. Moreover, taking scattering into account leads to a very good modelling of the experimental data and to an estimation of the vortex size. We eventually propose a numerical study of the field scattered from a vortex core. To conclude, we present a new 2D imaging technique for fluid flows: the acoustic speckle intercorrelation. This ultra-fast technique relies on the analysis of backscattering from suspended particles in the flow. Our first results are promising and add to the transmission technique.
L'interaction son-écoulement représente une source d'information non intrusive en hydrodynamique. Par exemple, en traversant un tourbillon, une onde acoustique est advectée, réfractée, et éventuellement diffusée. L'analyse des déformations du front d'onde conduit alors à une mesure des principales caractéristiques du vortex (position, taille et circulation). Dans une première partie expérimentale, nous montrons comment le retournement temporel permet d'amplifier l'effet d'un vortex sur une onde ultrasonore. L'utilisation de réseaux de transducteurs autorise une mesure à la fois spatiale et dynamique. Cette technique en transmission est testée sur trois écoulements modèles dans l'eau. Après avoir identifié et quantifié les différentes sources de bruit ou d'incertitude, nous validons notre technique par l'étude de la précession et de l'instabilité d'un vortex étiré. Nous mettons clairement en évidence la diffusion du son par un filament de vorticité. La seconde partie vise à simuler numériquement nos expériences. L'interaction son-écoulement est traitée par trois méthodes complètement différentes: tracé de rayons acoustiques, équation parabolique et différences finies. Ces simulations permettent d'étudier la validité de diverses approximations classiques pour la propagation du son en milieu mobile ainsi que l'influence de l'ouverture finie du faisceau incident. De plus, la prise en compte de la diffusion permet une très bonne modélisation des données expérimentales et conduit à une estimation de la taille du vortex. Enfin, nous proposons une étude numérique de l'onde diffusée par un tourbillon. Nous concluons ce travail en décrivant une nouvelle technique d'imagerie 2D d'un écoulement: l'inter-corrélation de "speckle" acoustique. Cette technique ultra-rapide est basée sur l'analyse du champ de pression rétro-diffusé par un fluide ensemencé de particules. Nous présentons des résultats préliminaires prometteurs qui viennent compléter ceux obtenus en transmission.
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Dates et versions

tel-00002952 , version 1 (04-06-2003)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00002952 , version 1

Citer

Sébastien Manneville. Interaction son-vorticité et retournement temporel, des outils pour la caractérisation acoustique d'écoulements tourbillonnaires. Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]. Université Paris-Diderot - Paris VII, 2000. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00002952⟩
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