Search

The internal structure of Mars is key for understanding the formation and evolution of terrestrial planets, including Earth. Most of the Earth’s interior information comes from seismology. Thus, Mars seismic exploration is expected to play an equally important role in internal structure investigations. To acquire and analyze seismic data on Mars, noise reduction, and seismic signal modeling are critical. This Ph.D. has therefore a first part related to experimental aspects of Mars seismology and the three others related to modeling aspects.First, I designed, in the frame of the Japan effort to explore Mars with a future Mars lander, an efficient wind shield for wind noise reduc- tion. This was made through wind tunnel tests and CFD (computation fluid dynamics) simulations. The design is significantly lighter than the Wind Shield of InSight. Wind tunnel tests under a similar environment to Mars (low pressure and high wind speed) have especially shown that torque more critical than lift force for seismic noise generation. Torque also changed dramatically with the shape of wind shield. I designed a torque-less wind shield by CFD and demonstrate an efficiency of about 8 times better than a simple wind shield. The torque-less wind shield might be proposed for future missions and is strongly optimizing the mass allocation as compared to InSight.In the modeling section, I provide the estimation of the amplitude of MBFs (Mars Background Free oscillations) as excited by GCMs (Gene- ral Circular Models). The modeling has been made with two different approaches. The first one is considering pressure forces at the surface of Mars, while the second one is better considering the solid-atmosphere coupling by accounting for compressible waves (acoustic waves) in the atmosphere. The resulting MBF seismograms are then compared with the self-noise of the InSight VBB instrument. Signals are estimated to about 5 × 10−11m/s2/Hz1/2 , which are smaller than the seismometer instrumental noise and thermal noise. The MBFs might not be detected at this level without stacking. Martian weather is however dominated by solar flux and local time. I, therefore, analyze the periodicity of the excitation force of MBFs and conclude that the MBFs signals might be detected with several months of the stack due to its periodicity. The MBFs sensitivity to the shallow and middle mantle is finally studied. Finally, I calculate the Love numbers of Mars to study their sensitivity to the lower mantle and core. Although not yet used for Mars, this part has been used for Moon data and I have analyzed the impact of the extended Burgers model on constraints on the Lunar deep interior temperature, with implication on the deep moonquake seismicity., La structure interne de Mars est essentielle pour comprendre la formation et l’évolution des planètes tellurique, y compris la Terre. La plupart des informations sur l’intérieur de la Terre proviennent de la sismologie. Ainsi, l’exploration sismique de Mars devrait jouer un rôle tout aussi important dans les études de structure interne. Pour acquérir et analyser des données sismiques sur Mars, la réduction du bruit et la modélisation du signal sismique sont essentielles. Cette thèse comporte donc une première partie liée aux aspects expérimentaux de la sismologie martienne et les trois autres liées aux aspects de modélisation. Tout d’abord, j’ai conçu, dans le cadre de l’effort japonais pour explorer Mars avec un futur lander martien, un pare-vent efficace pour la réduction du bruit du vent. Cela a été réalisé grâce à des tests en soufflerie et des simulations CFD (calcul en dynamique des fluides). Le design est nettement plus léger que le parevent d’InSight. Les tests en soufflerie dans un environnement similaire à Mars (basse pression et vitesse du vent élevé) ont particulièrement montré que le couple est plus critique que la force de portance pour la génération du bruit sismique. Le couple a en outre changé radicalement avec la forme du pare-vent. Nous avons conçu un pare-vent sans couple par CFD et démontrons une efficacité environ 8 fois meilleure qu’un simple pare-vent. Le pare- vent sans couple pourrait être proposé pour une future mission et optimise fortement l’allocation de masse par rapport à InSight. Dans la section modélisation, je propose une estimation de l’amplitude des MBF (oscillations du bruit de fond sismique de Mars) excitées par les GCM (General Circular Models). La modélisation a été réalisée avec deux approches différentes. Le premier considère les forces de pression à la surface de Mars, tandis que le second considère mieux le couplage solide-atmosphère en tenant compte des ondes compressibles (ondes acoustiques) dans l’atmosphère. Les sismogrammes MBF résultants sont ensuite comparés au bruit propre de l’instrument InSight VBB. Les signaux sont estimés à environ 5 × 10−11m/s2/Hz1/2, qui sont plus petits que le bruit instrumental et le bruit thermique du sismomètre. Les MBF peuvent ne pas être détectés à ce niveau sans stacking. La météorologie martienne est cependant dominée par le flux solaire et l’heure locale. Nous analysons donc la périodicité de la force d’excitation des MBF et concluons que les signaux des MBF pourraient être détectés avec plusieurs mois de stacking en raison de sa périodicité. La sensibilité des MBF au manteau peu profond et moyen est également étudiée. Enfin, je calcule les nombres de Love de Mars pour étudier leur sensibilité au manteau inférieur et au noyau, car on ne s’attend pas à des détections d’oscillations libres sensibles à grande profondeur. Bien qu’elle ne soit pas encore utilisée pour Mars, cette partie a été utilisée pour les données lunaires et nous avons analysé l’impact du modèle de Burgers étendu sur les contraintes sur la température de l’intérieur profond lunaire avec une implication sur la sismicité du tremblement de lune profond.

We have revisited and developed an analytical model of the interaction between the gravitational waves and the Earth in terms of normal modes excitation. We have first reevaluated the induced response for a spherical, radially heterogeneous and non-rotating model to monochromatic gravitational wave sources in terms of radial displacement at the Earth’s surface. Then we have developed a new analytical solution for a rotating elliptical model with lateral heterogeneities. We have considered sources of the gravitational waves that are the double white-dwarf binary systems. We have shown that for both models the only normal modes that are being excited are the quadrupole ones. The final responses highly depend on the gravitational wave frequencies, the largest response being at resonance with a normal mode. However, the detection of these elusive signals in gravimetric and seismological data is very difficult due to large environmental noise present in the data, even after using some signal processing techniques like the matched filtering. There are ten orders of magnitude difference between the calculated Earth’s normal modes response and the ambient noise level. Finally, we have highlighted some limitation of the signal processing techniques used for the search and analysis of the weak signals. In particular, some biases can be introduced when using different station distributions at the surface of the globe in the frame of normal mode studies.; Nous avons révisé et développé une modélisation analytique de l’interaction des ondes gravitationnelles avec la Terre en termes d’excitation des modes propres. Nous avons, dans un premier temps, réévalué la réponse d’une Terre sphérique, sans rotation et radialement stratifiée à des sources d’ondes gravitationnelles monochromatiques en termes de déplacement radial induit à la surface. Nous avons ensuite développé une nouvelle solution pour une Terre en rotation, ellipsoïdale et latéralement hétérogène. Nous avons considéré comme sources d’ondes gravitationnelles les systèmes binaires de naines blanches. Dans les deux cas, les seuls modes propres qui sont excités sont les modes quadripolaires. La réponse finale dépend fortement de la fréquence de l’onde gravitationnelle, la plus grande excitation étant à résonance avec des modes propres. Cependant, la détection de ces faibles signaux dans des données gravimétriques ou sismologiques est très difficile de par la présence d’un bruit trop élevé dans ces observations et ce même après l’utilisation de techniques de traitement du signal, comme le filtrage adaptatif. La réponse de la Terre en termes d’excitation des modes propres est dix ordres de grandeur plus faible que le niveau de bruit ambiant sur Terre. Finalement, nous avons mis en évidence certaines limites d’outils de traitement du signal utilisés pour la recherche et l’analyse de petits signaux. En particulier, la distribution des stations à la surface du globe peut introduire des biais dans l’étude des modes propres.

International audience; Sur les 6 premiers modes propres, la corrélation calculs-essais, en configuration libre-libre, montre un écart fréquentiel généralement inférieur à 5% sur d es composants de pompe, et inférieur à 20% sur un sous-assemblage de 4 composants boulonnés. Concernant la pompe entière, châssis enchâssé dans le béton, cet écart se monte à 37% sur les seuls modes 2 et 3 qui ont pu être corrélés. En revanche, la difficulté d’appairage des modes propres, via le critère de MAC, ne permet pas de quantifier la corrélation calculs-essais sur la pompe dans son environnement industriel complet.

The observation and analysis of Earth’s normal modes bring some information on the deep Earth’s interior and dynamics. We can cite the Earth’s rotational and seismic modes. In the search of the signature of some elusive signals associated with the Earth’s inner core oscillations (the « Slichter modes ») that have never been detected, we have theoretically computed their expected amplitudes for various geophysical processes : the surface atmospheric masses, the earthquakes and the pressure flows in the fluid outer core. We have also briefly looked at the possible effect of the kinetics of phase changes on the Slichter mode. For that, we have used a simple model of dendritic growth at the ICB and shown that the phase changes do not disturb the Slichter motion. Besides, we have reconciled the gravimetric and geodetic VLBI nutation observations of the Earth’s response to the lunisolar tides by inverting the resonance parameters associated with the free core nutation. The free inner-core nutation has not yet been detected, either in VLBI nutation data, or in surface gravimetric records. Finally, we consider the interactions of gravitational waves with the Earth through their coupling with seismic modes.; L’observation et l’analyse des modes propres de la Terre apportent des contraintes fondamentales sur la structure et sur la dynamique interne de notre planète. On peut ainsi citer les modes de rotation et les modes sismiques. Dans le cadre de la recherche de petits signaux venant de la Terre profonde et induits par les modes oscillatoires de la graine (les « modes de Slichter ») qui n’ont jamais été détectés, nous avons modélisé leur excitation par plusieurs sources possibles : les masses atmosphériques, les séismes et des variations de pressions fluides dans le noyau liquide. Nous avons également abordé le problème de la cinématique des changements de phase des cristaux de fer qui existent à ces conditions élevées de température et de pression. Ce problème de transition de phase durant un déplacement de l’interface noyau liquide - graine solide pourrait rendre ces modes d’oscillation de la graine inexistants. Une première estimation reposant sur un modèle simple de croissance dendritique à l’ICB a montré que les changements de phase ne perturbent pas les modes de Slichter. En outre, nous avons réconcilié les observables gravimétriques et géodésiques VLBI des marées luni-solaires et leurs effets en termes de réponse de la Terre en déformation (marées gravimétriques) et en rotation (nutations astronomiques), en inversant les paramètres de la résonance associée à la nutation propre du noyau. La nutation propre de la graine n’a cependant pas encore été détectée, ni dans les données de nutation VLBI, ni dans les données gravimétriques de surface. Finalement, nous nous intéressons à l’interaction des ondes gravitationnelles avec la Terre, en particulier via leur couplage avec les modes propres sismiques.

The observation and analysis of Earth’s normal modes bring some information on the deep Earth’s interior and dynamics. We can cite the Earth’s rotational and seismic modes. In the search of the signature of some elusive signals associated with the Earth’s inner core oscillations (the « Slichter modes ») that have never been detected, we have theoretically computed their expected amplitudes for various geophysical processes : the surface atmospheric masses, the earthquakes and the pressure flows in the fluid outer core. We have also briefly looked at the possible effect of the kinetics of phase changes on the Slichter mode. For that, we have used a simple model of dendritic growth at the ICB and shown that the phase changes do not disturb the Slichter motion. Besides, we have reconciled the gravimetric and geodetic VLBI nutation observations of the Earth’s response to the lunisolar tides by inverting the resonance parameters associated with the free core nutation. The free inner-core nutation has not yet been detected, either in VLBI nutation data, or in surface gravimetric records. Finally, we consider the interactions of gravitational waves with the Earth through their coupling with seismic modes., L’observation et l’analyse des modes propres de la Terre apportent des contraintes fondamentales sur la structure et sur la dynamique interne de notre planète. On peut ainsi citer les modes de rotation et les modes sismiques. Dans le cadre de la recherche de petits signaux venant de la Terre profonde et induits par les modes oscillatoires de la graine (les « modes de Slichter ») qui n’ont jamais été détectés, nous avons modélisé leur excitation par plusieurs sources possibles : les masses atmosphériques, les séismes et des variations de pressions fluides dans le noyau liquide. Nous avons également abordé le problème de la cinématique des changements de phase des cristaux de fer qui existent à ces conditions élevées de température et de pression. Ce problème de transition de phase durant un déplacement de l’interface noyau liquide - graine solide pourrait rendre ces modes d’oscillation de la graine inexistants. Une première estimation reposant sur un modèle simple de croissance dendritique à l’ICB a montré que les changements de phase ne perturbent pas les modes de Slichter. En outre, nous avons réconcilié les observables gravimétriques et géodésiques VLBI des marées luni-solaires et leurs effets en termes de réponse de la Terre en déformation (marées gravimétriques) et en rotation (nutations astronomiques), en inversant les paramètres de la résonance associée à la nutation propre du noyau. La nutation propre de la graine n’a cependant pas encore été détectée, ni dans les données de nutation VLBI, ni dans les données gravimétriques de surface. Finalement, nous nous intéressons à l’interaction des ondes gravitationnelles avec la Terre, en particulier via leur couplage avec les modes propres sismiques.

For repeated transient solutions of geometrically nonlinear structures the numerical effort often poses a major obstacle. Thus, the introduction of a reduced order model, which takes the nonlinear effects into account and accelerates the calculations considerably, is often necessary.This work yields a method that allows for rapid, accurate and parameterisable solutions by means of a reduced model of the original structure. The structure is discretised and its dynamic equilibrium described by a matrix equation. The projection on a reduced basis is introduced to obtain the reduced model. A comprehensive numerical study on several common reduced bases shows that the simple introduction of a constant basis is not sufficient to account for the nonlinear behaviour. Three requirements for an rapid, accurate and parameterisable solution are derived. The solution algorithm has to take into account the nonlinear evolution of the solution, the solution has to be independent of the nonlinear finite element terms and the basis has to be adapted to external parameters.Three approaches are provided, each responding to one requirement. These approaches are assembled to the integrated method. The approaches are the update and augmentation of the basis, the polynomial formulation of the nonlinear terms and the interpolation of the basis. A Newmark-type time-marching algorithm provides the frame of the integrated method. The application of the integrated method on test-cases with geometrically nonlinear finite elements confirms that this method leads to the initial aim of a rapid, accurate and parameterisable transient solution., Pour les solutions transitoires répétées des structures géométriquement nonlinéaires l’effort numérique présente souvent une contrainte importante. Ainsi, l’introduction d’un modèle d’ordre réduit, qui prend en compte les effets nonlinéaires et qui accélère considérablement les calculs, s’avère souvent nécessaire.Ce travail aboutit à une méthode qui permet des solutions transitoires accélérées, fidèles et paramétrables, à travers d’un modèle réduit de la structure initiale. La structure est discrétisée et son équilibre dynamique décrit par une équation matricielle. La projection sur une base réduite est introduite afin d’obtenir un modèle réduit. Une étude numérique complète sur plusieurs bases communes démontre que la simple introduction d’une base constante ne suffit pas pour prendre en compte le comportement nonlinéaire. Trois exigences sont déduites pour une solution transitoire accélérée, fidèle et paramétrable. L’algorithme de solution doit permettre un suivi de l’évolution nonlinéaire de la solution transitoire, la solution doit être autonome des termes nonlinéaires en éléments finis et la base doit être adaptée à des paramètres externes.Trois approches sont mises en place, chacune répondant à une exigence. Ces approches sont assemblées dans la méthode intégrée. Les approches sont la mise-à-jour et augmentation de la base , la formulation polynomiale des termes nonlinéaires et l’interpolation de la base. Un algorithme de type Newmark forme le cadre de la méthode intégrée. L’application de la méthode intégrée sur des cas test en élément finis géométriquement nonlinéaires confirme qu’elle répond au but initial d’obtenir des solutions transitoires accélérées, fidèles et paramétrables.

Within the quick nano-fabrication techniques evolution and the increasing needs in low space and energy opto-electronic functions on-chip integration, studies and control of electromagnetic resonances of sub-micrometric objects are crucial issues. One aim of this work was then to improve our knowledge of the light-matter interaction. To this end, optical near-field experiments and complementary numerical development of models have been performed to study electromagnetic resonances due to light-matter interaction in sub-micrometric resonators. As an introduction, the first part of the manuscript presents the main phenomena involved in near-field optical microscopy and the used SNOM operation. The second part is dedicated to nearfield tip/Fabry-Perot micro-resonator interaction in the non-linear regime. In this part, we first present the study of high-Q/small volume Silicon nano-cavity non-linearities, showing possible bistable operation at very low incident power. We then demonstrate the cavity stability modulation obtain with the near-field tip. In the third part of the manuscript, we consider thin metallic film resonances. As a beginning, we realize an exhaustive study of the film eigenmodes and then discuss the resonant optical excitation of the film as well as precise determination of Brewster angle. These theoretical studies have been extended experimentally with the optical near-field determination of the resonant modes of semi-infinite thin films. For the different studies, experimental measures have been systematically associated with theoretical analyses and numerical developments of models, which have then been confirmed or discussed in light of the experimental results., Avec l’évolution rapide des techniques de nanofabrication et les besoins croissants d’intégration et d’utilisation à moindre cout énergétique, l’étude et la manipulation de résonances électromagnétiques d’objets de faibles dimensions représentent des enjeux cruciaux. Un des objectifs de ce travail de thèse a donc été d’approfondir nos connaissances de l’interaction entre le champ électromagnétique et la matière. Dans ce but la réalisation conjointe d’expériences en champ proche optique et le développement numérique de modèles associés nous ont permis d’étudier différentes résonances électromagnétiques basées sur l’interaction lumière-matière au sein d’objets de dimensions sub-micrométriques. Dans une première partie, ce manuscrit présente les phénomènes mis en jeu en microscopie champ proche optique et décrit le fonctionnement du microscope SNOM utilise. La seconde partie est dédiée à l’étude de l’interaction d’une sonde champ proche avec une nano-cavité Fabry-Perot en régime non-linéaire. Dans un premier temps, on présente l’étude des non-linéarités de nano-cavités en Silicium à grand facteur de qualité et faible volume modal, démontrant ainsi l’obtention d’un régime de fonctionnement bistable pour de très faibles puissances. Dans un deuxième temps, on démontre la modulation possible via la sonde champ proche de ce régime de bistabilité. Enfin, on étudie dans la troisième partie de ce manuscrit les résonances de films minces métalliques. L’étude complète des modes propres et de l’excitation optique de cette structure a permis de connaitre avec précision les modes résonants et les angles de Brewster du film mince. Cette étude a été prolongée expérimentalement par l’étude en champ proche optique des modes résonants de demi-films minces métalliques. Lors de ces deux études, les mesures expérimentales ont été systématiquement accompagnées par l’analyse théorique et le développement numérique de modèles que les expériences réalisées ont permis de valider et de discuter.

Le travail présenté dans cette thèse vise à comprendre les vibrations de pièce mince durant l’usinage. De nombreux travaux proposent des modélisations de ce phénomène, mais des écarts persistent entre résultats de modélisation et réalité. Ce constat nous pousse à nous interroger sur l’emploi dans les modèles des modes propres de la pièce, sans y intégrer le contact de l’outil. Face à l’incapacité de vérifier la validité de cette hypothèse par mesures ponctuelles, la mesure de champ s’impose comme une alternative prometteuse. La deuxième partie du travail porte sur la mise au point d’un protocole expérimental novateur. Il inclut le relevé des déformées vibratoires d’une pièce mince en usinage par mesure de champs de déplacements. La stéréo corrélation d’images numériques se confronte à de nombreuses limitations dans ce contexte. Nous avons développé une méthode de réglage des capteurs permettant de contourner rapidement certaines difficultés. Cette méthode présentée sous forme graphique souligne la nécessité d’optimiser les paramètres de mesure dans un tel contexte. La troisième partie met en oeuvre le protocole de mesures. Le test des capteurs montre le fort intérêt de la mesure sans contact vis-à-vis de l’objectif recherché. Des essais d’usinage sont présentés en se basant sur une modélisation existante du broutement. Les déformées mesurées pendant l’usinage livrent des informations d’un type nouveau. Leur exploitation a impliqué la mise en place d’une procédure spécifique de traitement. La dernière partie présente les analyses de deux usinages. L’étude est effectuée au regard des états de surface obtenus, du comportement temporel, fréquentiel, et spatial. Cette approche souligne les subtilités de la génération d’état de surface en la présence de vibrations. L’examen des mesures de champs permet de relever des incohérences avec l’emploi des modes propres, classiquement utilisés en modélisation.

National audience; On se propose de déterminer les paramètres modaux : les fréquences de résonance et les coefficients d'atténuation du son dans un caisson acoustique de forme parallélépipédique. Le caisson acoustique est excité par un bruit blanc provenant d'un haut parleur placé à l'intérieur de ce caisson. Un microphone, situé aussi à l'intérieur du caisson, nous fournit la réponse temporelle du caisson excité. Nous utilisons uniquement les signaux temporels provenant du microphone pour identifier les modes propres du caisson. L'équation de propagation se met sous la forme d'une équation d'état dans laquelle la matrice de transition contient toute l'information modale. Deux méthodes sous-espaces sont présentées pour déterminer cette matrice de transition. La première méthode consiste à former la matrice de Hankel à partir des matrices de covariance des signaux provenant du microphone. En exploitant les propriétés de décalage d'une ligne de cette matrice de Hankel nous déterminons la matrice de transition. La deuxième méthode consiste à utiliser la matrice d'observabilité du processus. En exploitant les propriétés de décalage des lignes cette matrice d'observabilité nous déterminons la matrice de transition. On montre dans la communication que ces deux méthodes sont équivalentes et conduisent par conséquent à l'identification des mêmes paramètres modaux. Des résultats expérimentaux sont présentés, dans lesquels on montre que des fréquences de résonance qui ne sont pas identifiées par la Transformée de Fourier sont bien observées par la méthode utilisant les sous-espaces.

The aim of this thesis is to model the linear vibrations of liquids (sloshing) in low gravity or microgravity environments. The dynamic study of spacecrafts containing liquids is one of the possible applications of this work. Due to the low gravity level, surface tension phenomena (capillarity) at the liquid free surface are preponderant. Their effects introduce, on the one hand, additional forces proportional to the curvature of the free surface, and on the other hand, a contact angle condition to be satisfied between the free surface of the liquid and the tank internal wall. The first part of this document addresses the problem of finding the equilibrium position of the liquid inside the tank, i.e. to determine the shape of the meniscus formed by the free surface of the liquid at equilibrium. The second part is dedicated to the study of liquid sloshing near this equilibrium position. The originality of this work is to treat these two problems (static and dynamic) in a tree dimensional point on view, using variational formulations that avoid the explicit computation of the free surface curvatures. In both parts, the discretization was then performed using the Finite Elements method with standard linear elements. Furthermore, the spectral problem established in the dynamic part is symmetric. The results obtained in the static and dynamic cases have been validated on simple cases where analytical or semi-analytical solutions are available., Le but de cette thèse est de modéliser les vibrations linéaires des liquides (ballottement) dans des environnements de faible gravité ou de microgravité. L'étude de la dynamique des engins spatiaux contenant des liquides, fait partie des applications possibles. Du fait du faible niveau de gravité, les phénomènes de tension superficielle (capillarité) à la surface libre du liquide sont prépondérants. Leur prise en compte introduit, d'une part, des forces supplémentaires proportionnelles à la courbure de la surface libre, et d'autre part une condition sur l'angle de contact entre la surface libre du liquide et la paroi interne du réservoir. La première partie de ce document traite le problème de recherche de la position d'équilibre du liquide au sein du réservoir, c'est-à-dire vise à déterminer la géométrie du ménisque formé par la surface libre du liquide à l'équilibre. La deuxième partie est consacrée à l'étude du ballottement du liquide autour de cette position d'équilibre. L'originalité de ce travail est de traiter ces deux problèmes (statique et dynamique) d'un point de vu tridimensionnel, en utilisant des formulations variationnelles évitant le calcul explicite des courbures de la surface libre. Dans les deux parties, la discrétisation a pu ainsi être faite en utilisant des Eléments Finis linéaires, et on a pu, dans la partie dynamique, aboutir à un problème spectral symétrique. Les résultats obtenus, en statique et en dynamique, ont été validés sur des cas simples où des solutions analytiques ou semi-analytiques sont disponibles.

La fabrication de pièces minces engendre souvent des vibrations d'usinage, nuisibles aux états de surface et aux outillages. Le tracé des lobes de stabilité basés sur les modes propres, est souvent utilisé avec succès pour les vibrations d’outil. En usinage de pièces minces, on constate parfois une moindre adéquation des modèles, car le comportement de la pièce est perturbé par le contact avec l’outil. La base modale considérée classiquement pour le tracé des lobes sans considérer le contact outil-pièce, n’est peut-être pas assez adaptée. L’article présente la phase expérimentale d'un travail visant à analyser les modes de vibration d’une paroi mince pendant l’usinage. Des mesures de champs montrent ses déformations et un calcul par éléments finis montre l’impact que la présence de l’outil pourrait avoir sur les modes propres de la pièce. Ce travail vise, à enrichir la modélisation par une meilleure connaissance du contact outil-pièce.

L'étude a porté sur une analyse bibliographique des phénomènes dynamiques rencontrés dans les systèmes de forage, un examen des outils et des approches proposés actuellement sur le marché, et finalement l'évaluation des potentialités du code VBIS. Ce code de calcul, développé par le Centre de Géosciences, détermine les modes propres de vibration d'un train de tiges de forage.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Cet article s'intéresse à l'analyse dynamique d'une poutre continue sur trois appuis, connectée par l'intermédiaire d'une liaison élastique. La connexion, modélisée par un ressort en flexion, peut correspondre à une liaison semi-rigide, ou à la présence d'une fissure. La dynamique de cette poutre qui présente un point faible est confinée dans une des travées sous certaines conditions. Ce phénomène de localisation des modes propres dépend directement de la rigidité relative de la liaison. En conséquence, le phénomène de localisation peut annoncer l'endommagement éventuel de la structure.

International audience; Following the studies concerning the statics of the inflatable structures, one is interested here in the modal analysis of the inflatable beams. The recent developments in the fields of space engineering and the building require the determination of the behavior in dynamics of the fundamental components of this type of structures: tubes and torus. This article presents three complementary numerical methods: two approaches of the beam type allowing the research of the natural frequencies of the inflatable beams. An exact method is firstly used (continuous elements method) and one connects the results obtained with a finite element formulation of displacements type. These results are then compared with the results of a code of the type membrane 3D in large transformations developed for the inflatable structures, and with experiments.; A la suite des études concernant la statique des structures gonflables, on s'intéresse ici à l'analyse modale des poutres gonflables. Les développements récents dans les domaines de l'ingénierie spatiale et du bâtiment nécessitent la détermination du comportement en dynamique des éléments constitutifs fondamentaux de ce type de structures : tubes et tore. Cet article présente trois études numériques complémentaires : deux approches de type poutre permettant la recherche des fréquences propres des poutres gonflables. Une méthode exacte est d'abord utilisée (éléments continus) et on relie les résultats obtenus avec une formulation éléments finis de type déplacements. Ces résultats sont ensuite comparés avec les résultats d'un code de type membrane 3D en grandes transformations développé pour les structures gonflables, et avec des expériences menées sur des poutres en tissu enduit.

In a first part of this work, we studied the effect of the alkoxy chains length and the position of the fluor on the physical properties and on the sequence phases of a new monofluored LC series. As results, the SmC*A phase is destabilized, the temperature range of the SmC*alpha phase increased for the middle length chains but for the shorter one, only the SmA phase is present. The study of soft mode behaviour at low frequency together with the electric and optic results let us to establish the phase diagram (E, T) of a chosen compound. This allowed us to situate the ground phases and those induced by the field and well interpret the number of picks gotten in the electro-optic experiences. In a second part, we have reported on general characteristics of the L, SmQ and SmC*A phases in long and highly chiral compounds. The L phase is isotropic with a short range chiral and smectic order and presents an ORP whereas for the SmQ phase there is no ORP according to uniaxial character of the structure. In the SmC*A phase, the electro-optic properties of the ferroelectric induced phase are super-paraelectric type. In a last part, we studied the light propagation along the helical axis in the SmC* and SmC*A phases. The decomposition of the dielectric tensor in a new tensorial basis allowed us to find the two eingen modes of propagation., Dans une première partie de ce travail, nous avons étudié l'effet de la longueur de la chaîne alcoxyle et la position du fluor sur les propriétés physiques et sur la séquence des phases d'une nouvelle série monofluorée de CL. Les résultats montrent que la phase SmC*A est déstabilisée, une augmentation de la plage d'existence de la phase SmC*alphha pour les chaînes de longueurs moyennes alors que pour les courtes chaînes seule la phase SmA est présente. Par ailleurs, l'étude du comportement du mode mou à basse fréquence combiné avec les résultats électriques et optiques nous ont permis d'établir le diagramme de phase (E, T) d'un composé choisi. Ce qui nous a permis de situer les phases de base et celles induites par le champ et de mieux interpréter le nombre de pics obtenu dans les expériences d'électro-optique. Dans une deuxième partie, Nous avons étudié des composés présentant une haute chiralité et des molécules suffisamment allongées qui conduisent, la plus part du temps aux deux phases L et SmQ ou bien la phase SmC*A. La phase L est isotrope et présente un ordre chiral et smectique de courte portée et elle est dotée de PRO alors que la phase SmQ n'en présente pas à cause de son caractère uniaxe. Dans la phase SmC*A, les propriétés électro-optiques de la phase ferroélectrique induite sont de type super-paraélectrique déjà décrit dans les composés bananes. Dans une dernière partie, nous avons étudié la propagation de la lumière le long de l'axe hélicoïdal dans les phases SmC* et SmC*A. La décomposition du tenseur diélectrique dans une nouvelle base tensorielle nous a permis de retrouver les deux modes de propagation.

This thesis deals with the optical properties of small metal torii. A method of resolution of the equation of Laplace in toroidal coordinates is introduced and the radiative properties of the metal toric nanoparticules are studied within the electrostatic framework. The study on the eigenmodes spatial distribution suggests that metal nanotorus can carry a non-zero magnetic dipole moment at optical frequencies. Analytical expressions for the extinction and scattering cross sections of the torus are also found and compared with numerical simulations and experimental results obtained with collaborations. The sensitivity of the plasmon frequency to the refraction index of the external medium and to the form factor is highlighted., Ce travail de thèse est consacré aux propriétés optiques de nanoparticules métalliques toroïdales. Le développement d'une méthode de résolution de l'équation de Laplace en coordonnées toroïdales permet d'analyser les propriétés radiatives des nanoparticules toriques métalliques dans le cadre de l'électrostatique. L'étude sur la distribution spatiale des modes propres suggère que des nanotores métalliques peuvent soutenir un moment dipolaire magnétique tout en annulant la valeur du moment dipolaire électrique au fréquences optiques. Les expressions analytiques des sections efficaces de diffusion et d'extinction du tore sont également trouvées et comparées à des simulations numériques et des résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de collaborations. La sensibilité de la fréquence de résonance plasmon à l'indice de réfraction du milieu extérieur ainsi qu'au facteur de forme est mis en évidence.

The Earth's dynamics and interior structure are badly constrained, particularly in the deep interior, because the surface induced signals are of weak amplitude and low frequency and reach the detection level of seismometers. Gravimetry is then a privileged tool to investigate the Earth's interior at these long periods. Time varying gravity is permanently recorded at the surface by a worldwide network of cryogenic relative gravimeters. We study the noise levels of all these gravimetric stations over a wide frequency range, from the long period seismic normal modes to the tides. We show that superconducting gravimeters can uniquely contribute to the study of the low frequency Earth's vibrations, which sample the Earth from the surface to the core. We highlight (1) the splitting due to rotation and ellipticity of the 0S2 normal mode into five singlets, (2) the first observation of the 2S1 seismic mode, after the 2001, June 23rd Peru earthquake with a magnitude 8.4.We search for the normal mode of translation of the inner core, which has never been clearly observed. Its detection is essential as it would constrain the density jump at the inner core boundary, probably also the viscosity and the outer core stratification. For that purpose, we develop some stacking, automatic detection of signals methods and a wavelet representation.; La dynamique et la structure interne de la Terre sont mal contraintes en profondeur, car les signaux induits en surface, de faible amplitude et basse fréquence, atteignent le seuil de détection des sismomètres. La gravimétrie devient un outil privilégié d'investigation de la Terre profonde aux longues périodes. Les variations temporelles de la gravité sont enregistrées en permanence par des gravimètres relatifs cryogéniques. Nous étudions les niveaux de bruit de ces stations sur un large spectre de fréquences allant des modes propres sismiques longue période jusqu'aux marées. Nous montrons que les gravimètres supraconducteurs apportent une contribution unique à l'étude des modes de vibration les plus graves qui échantillonnent la Terre de la surface jusqu'au noyau. Nous mettons en avant (1) l'éclatement dû à la rotation et à l'ellipticité du mode propre 0S2 en cinq singlets, (2) la première observation du mode sismique 2S1, après le séisme du Pérou du 23 juin 2001 de magnitude 8.4.Nous nous consacrons à la recherche du mode propre de translation de la graine 1S1 qui n'a jamais été observé sans ambiguïté. Sa détection est primordiale car elle permettrait de contraindre le saut de densité à l'interface graine - noyau liquide, ainsi que la viscosité à cette interface et la stratification du noyau fluide. Pour cela nous développons des méthodes de sommation, de détection automatique des signaux et une famille d'ondelettes.

The Earth's dynamics and interior structure are badly constrained, particularly in the deep interior, because the surface induced signals are of weak amplitude and low frequency and reach the detection level of seismometers. Gravimetry is then a privileged tool to investigate the Earth's interior at these long periods. Time varying gravity is permanently recorded at the surface by a worldwide network of cryogenic relative gravimeters. We study the noise levels of all these gravimetric stations over a wide frequency range, from the long period seismic normal modes to the tides. We show that superconducting gravimeters can uniquely contribute to the study of the low frequency Earth's vibrations, which sample the Earth from the surface to the core. We highlight (1) the splitting due to rotation and ellipticity of the 0S2 normal mode into five singlets, (2) the first observation of the 2S1 seismic mode, after the 2001, June 23rd Peru earthquake with a magnitude 8.4.We search for the normal mode of translation of the inner core, which has never been clearly observed. Its detection is essential as it would constrain the density jump at the inner core boundary, probably also the viscosity and the outer core stratification. For that purpose, we develop some stacking, automatic detection of signals methods and a wavelet representation., La dynamique et la structure interne de la Terre sont mal contraintes en profondeur, car les signaux induits en surface, de faible amplitude et basse fréquence, atteignent le seuil de détection des sismomètres. La gravimétrie devient un outil privilégié d'investigation de la Terre profonde aux longues périodes. Les variations temporelles de la gravité sont enregistrées en permanence par des gravimètres relatifs cryogéniques. Nous étudions les niveaux de bruit de ces stations sur un large spectre de fréquences allant des modes propres sismiques longue période jusqu'aux marées. Nous montrons que les gravimètres supraconducteurs apportent une contribution unique à l'étude des modes de vibration les plus graves qui échantillonnent la Terre de la surface jusqu'au noyau. Nous mettons en avant (1) l'éclatement dû à la rotation et à l'ellipticité du mode propre 0S2 en cinq singlets, (2) la première observation du mode sismique 2S1, après le séisme du Pérou du 23 juin 2001 de magnitude 8.4.Nous nous consacrons à la recherche du mode propre de translation de la graine 1S1 qui n'a jamais été observé sans ambiguïté. Sa détection est primordiale car elle permettrait de contraindre le saut de densité à l'interface graine - noyau liquide, ainsi que la viscosité à cette interface et la stratification du noyau fluide. Pour cela nous développons des méthodes de sommation, de détection automatique des signaux et une famille d'ondelettes.

This work concerns the study of bidimensional photonic crystals and the implementation of the corresponding theoretical tools. Its specificity rests on two aspects. Firstly, we have used a general program to study multilayers, possibly rough or leaky of holes, using a method of coupled modes with the use of the formalism of the S matrix. From this program, we obtain relevant parameters such as transmission and reflection coefficients of the overall structure, from which one can deduce losses in energy. Furthermore, we have developped the calculation of near field and bulk field maps of the studied system, with the possibility to select some specific diffraction orders and polarizations. By studying the poles of the S matrix, we also study the eigen modes of the system. Secondly, the beginning of this work coincides with the publication in 1998 of results concerning the experimental study of bidimensionnal photonic crystals made of a thin metallic layer perforated of subwavelength holes distributed according to a bidimensionnal grating and deposited on a dielectric substrate. We present a theorical analysis of this experiment. We show that, within the framework of these experiments, the notion of eigen modes associated to a given system takes on a crucial interest. More particularly, we raise the importance of the analysis of resonant Wood's anomalies in the interpretation of these experiments., Le travail présenté ici repose sur l'étude de cristaux photoniques bidimensionnels et sur la mise en place des outils théoriques correspondants. La spécificité de notre travail repose sur deux aspects. Premièrement, nous avons eu recours à un programme général d'étude de multicouches, éventuellement rugueuses ou percées de trous, reposant sur une méthode de modes couplés et l'utilisation du formalisme de la matrice S. A partir de ce programme, nous avons cherché à obtenir un certain nombre de paramètres pertinents dans l'étude des systèmes optiques. Ces paramètres correspondent au calcul des coefficients de transmission et réflexion, dont on peut déduire les pertes en énergie. De plus, nous avons développé le calcul de cartes du champ proche et du champ dans le volume du système étudié, avec la possibilité, dans le cadre d'un problème de diffraction, de sélectionner certains ordres et certaines polarisations particulières. On peut y ajouter également la détermination, par l'étude directe des propriétés de la matrice S (entre autre de ses pôles), des modes propres du système étudié. Deuxièmement, le début de ce travail a coïncidé avec la publication en 1998 de résultats concernant l'étude expérimentale de cristaux photoniques bidimensionnels constitués d'une couche métallique percée de trous sublongueurs d'onde répartis selon un réseau à deux dimensions et déposée sur un substrat diélectrique. Aussi, nous avons tourné l'essentiel de notre travail vers l'analyse de ces expériences. Nous avons montré que, dans le cadre de ces expériences, la notion de modes propres associés à un système donné revêt un intérêt crucial. Plus particulièrement, nous avons soulevé l'importance de l'analyse des anomalies de Wood résonantes dans l'interprétation de ces expériences.

Dans ce rapport on s'intresse au modle de FitzHugh-Nagumo deux quations pour la propagation de l'influx cardiaque en une dimension. On tudie par exprimentations numriques le rle des diffrents paramtres et leur domaine de validit. Puis on applique la technique de dcomposition aux valeurs propres (\pod) au systme discret dans un but d'efficacit numrique, et on prsente quelques rsultats illustratifs.

Membres du jury : Eric Akkermans, Peter Buser, Yves Couder, Patrick Oswald, Pawel Pieranski et Bernard Sapoval; Due to some specific properties (uniformity of thickness, bidimensional density and tension), liquid crystal films in smectic phase constitute ideal membranes which obey the Helmholtz wave equation, with Dirichlet boundary condition. In this PhD thesis, a new experiment has been developed which allows, for a film spanned on a given shape, to measure, not only its spectrum of eigenfrequencies, but also the geometrical shape of the eigenmodes. It has indeed been possible to analyse the role of the membrane shape. First, a "prefractal" shape has been studied. This shape is made of a quadratic Koch curve, which building has been stopped at a finite iteration order. The agreement between the experimental results and some numerical ones (obtained by other authors) is excellent. Two physically different mechanisms of localization for the wavefunctions have been pointed out. A mathematical problem has also been studied, which can be expressed by "Can one hear the shape of a drum?". The mathematically predicted answer is "no", which means that there exist geometrically different shapes, which lead to the same spectrum of eigenfrequencies : these shapes are named "isospectral". The isospectrality of two such shapes has been checked experimentally with a good precision. It has also been shown in a detailed manner that only the symmetry rules for building the shapes, based on the group theory, matter.; Grâce à leurs propriétés spécifiques (homogénéité de l'épaisseur, de la densité bidimensionnelle et de la tension), les films de cristaux liquides smectiques forment des membranes bidimensionnelles idéales obéissant à l'équation d'onde de Helmholtz, avec les conditions de Dirichlet au bord. Dans cette thèse, une nouvelle expérience a été mise au point, qui permet, pour un film tendu sur un contour donné, de mesurer non seulement son spectre de fréquences propres, mais aussi la forme géométrique des modes. Le rôle de la forme de la membrane a ainsi pu être analysé. On a commencé par étudier une forme "préfractale", constituée par une courbe de Koch quadratique, dont la construction a été arrêtée à un ordre d'itération fini. L'accord entre les résultats expérimentaux et des résultats numériques obtenus par d'autres auteurs, tant sur le spectre que sur l'allure des modes propres, est excellent. Deux mécanismes de localisation des fonctions d'onde, d'origines physiques différentes, ont été mis en évidence. L'autre question étudiée est un problème mathématique que l'on peut résumer par : "Peut-on entendre la forme d'un tambour?" La réponse prévue par les mathématiciens est "non", c'est-à-dire qu'il existe des formes géométriques différentes, conduisant à des spectres de fréquences propres identiques ; ces formes sont appelées "isospectrales". On a ainsi vérifié expérimentalement l'isospectralité de deux contours avec une bonne précision. On a également montré en détail que seules les symétries de construction de ces deux contours, basées sur la théorie des groupes, importaient.

Membres du jury : Eric Akkermans, Peter Buser, Yves Couder, Patrick Oswald, Pawel Pieranski et Bernard Sapoval; Due to some specific properties (uniformity of thickness, bidimensional density and tension), liquid crystal films in smectic phase constitute ideal membranes which obey the Helmholtz wave equation, with Dirichlet boundary condition. In this PhD thesis, a new experiment has been developed which allows, for a film spanned on a given shape, to measure, not only its spectrum of eigenfrequencies, but also the geometrical shape of the eigenmodes. It has indeed been possible to analyse the role of the membrane shape. First, a "prefractal" shape has been studied. This shape is made of a quadratic Koch curve, which building has been stopped at a finite iteration order. The agreement between the experimental results and some numerical ones (obtained by other authors) is excellent. Two physically different mechanisms of localization for the wavefunctions have been pointed out. A mathematical problem has also been studied, which can be expressed by "Can one hear the shape of a drum?". The mathematically predicted answer is "no", which means that there exist geometrically different shapes, which lead to the same spectrum of eigenfrequencies : these shapes are named "isospectral". The isospectrality of two such shapes has been checked experimentally with a good precision. It has also been shown in a detailed manner that only the symmetry rules for building the shapes, based on the group theory, matter.; Grâce à leurs propriétés spécifiques (homogénéité de l'épaisseur, de la densité bidimensionnelle et de la tension), les films de cristaux liquides smectiques forment des membranes bidimensionnelles idéales obéissant à l'équation d'onde de Helmholtz, avec les conditions de Dirichlet au bord. Dans cette thèse, une nouvelle expérience a été mise au point, qui permet, pour un film tendu sur un contour donné, de mesurer non seulement son spectre de fréquences propres, mais aussi la forme géométrique des modes. Le rôle de la forme de la membrane a ainsi pu être analysé. On a commencé par étudier une forme "préfractale", constituée par une courbe de Koch quadratique, dont la construction a été arrêtée à un ordre d'itération fini. L'accord entre les résultats expérimentaux et des résultats numériques obtenus par d'autres auteurs, tant sur le spectre que sur l'allure des modes propres, est excellent. Deux mécanismes de localisation des fonctions d'onde, d'origines physiques différentes, ont été mis en évidence. L'autre question étudiée est un problème mathématique que l'on peut résumer par : "Peut-on entendre la forme d'un tambour?" La réponse prévue par les mathématiciens est "non", c'est-à-dire qu'il existe des formes géométriques différentes, conduisant à des spectres de fréquences propres identiques ; ces formes sont appelées "isospectrales". On a ainsi vérifié expérimentalement l'isospectralité de deux contours avec une bonne précision. On a également montré en détail que seules les symétries de construction de ces deux contours, basées sur la théorie des groupes, importaient.

Les absorbeurs électroacoustiques sont des résonateurs à membrane actionnés par un moteur, par exemple un transducteur électrodynamique, et contrôlés à travers une boucle d’asservissement, de manière à modifier l’absorption acoustique de la membrane, et la rendre optimale sur une large bande de fréquence autour de sa résonance. Tirant profit du fait que les haut-parleurs conventionnels présentent une fréquence de résonance dans les basses fréquences, cette technique présente des avantages certains pour l’amortissement des modes propres aux basses-fréquences dans les salles. Ce type de dispositif a des applications directes pour de nombreux problèmes acoustiques, comme l’égalisation de salles pour la diffusion de musique dans le registre grave, ou la réduction de l’exposition aux bruits basses fréquences venant de sources extérieures dans les habitations, entre autres exemples. Dans ce papier, nous présentons le principe de dimensionnement d’un prototype d’absorbeur électroacoustique en vue de l’égalisation modale de la salle réverbérante de l’EPFL. Nous présentons ensuite les performances d’un ensemble de 4 prototypes conçus sur ce design, et mesurés dans la salle réverbérante de l’EPFL, avec différentes excitations sonores (bruit large bande stationnaire, sons purs de durées limitées, musique). Il est ainsi mis en évidence que ces 4 prototypes d’absorbeurs électroacoustiques, qui représentent à peine 0.1% de la surface totale des parois de la salle, permettent une atténuation globale du niveau sonore SPL d’environ 8 dB dans la gamme [20 – 100 Hz], avec des atténuations modales individuelles pouvant atteindre 12 dB. Par ailleurs, la mesure des temps de décroissances modales, obtenues avec des excitations aux différentes fréquences de résonances de la salle, montre des réductions significatives pour tous les modes, pouvant atteindre 84% de réduction du temps d’extinction des modes. Enfin, l’effet bénéfique des absorbeurs sur des sons fortement modulés, comme de la musique, est mis en évidence de manière qualitative.

The aim of this work was to analyze the global behavior of a loudspeaker exciting a room in the frequency band of its first modes, for the purpose of active control applications. First, the loudspeaker in free field was studied. The characterization of a loudspeaker on the base of equivalent circuits has been established, showing the preponderant importance of the load impedance, determined by near field measurements. Then, the steady state has been modeled and the study has been set on the characterization of the wall impedance, which determines the eigenfrequencies and the amplitude of their modes, as well as charge impedance. The latter which modifies the volume velocity compared with the one in free field, has been characterized. The previous results enable the precise computation of the pressure field in a closed space and excited by a loudspeaker in steady state, according to the wall impedance. For active control purposes, transitory sounds are particularly important, therefore the behavior of a sound field in a room excited by several parameterized sounds has been studied in the time domain. The room response to the source activation could therefore be modeled. This response consists of a free and a transitory state, both of which are qualified through coherent assumptions and observations. Through simulation and systematic experimentation, the loudspeaker-room system has been characterized for a stationary as well as for a transitory sound, revealing the constraints affecting modal active control. Many experiments showed the efficiency of modal active noise control. Observations presented the importance of low frequencies in the annoyance of airplane noise inside rooms. Directives have been given to install active noise reduction system. The main part of this work constitutes an electro acoustical knowledge basis to perform modal active noise control.