Acoustique et dynamique rapide d’interface : le cas de l'impact de gouttes sur un bain liquide

Acoustics and fast interfacial dynamics : the case of drop impact on a liquid bath

• Auteur / Autrice : Vincent Gourmandie
• Direction : Caroline Derec, Valentin Leroy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 08/11/2024
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matière et Systèmes Complexes (Paris ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Élise Lorenceau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claude Inserra
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florence Rouyer, Philippe Marmottant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acoustique

Tension superficielle

Bulles -- Dynamique

Gouttes

Mots clés libres

Impact de gouttes

Tension de surface

Acoustique

Bulle

Résonance de bulle

Dynamique d'interface

Drop impact

Surface tension

Acoustics

Bubble

Bubble resonance

Interface dynamics

Résumé

Une simple bulle d'air dans l'eau peut être responsable d'un fort signal acoustique. Dans certaines conditions, ce signal est audible pour l'oreille humaine. C'est par exemple le cas du son que l'on entend lorsqu'on jette un caillou dans l'eau. En 1933, Minnaert propose un modèle d'oscillateur harmonique pour décrire les oscillations de la bulle et expliquer ainsi les murmures des ruisseaux. Dans cette thèse, une première partie sera dédiée à l'impact de gouttes sur un bain liquide. Sous certaines conditions, une bulle d'air peut être piégée suite à l'impact. S'il est connu que dans ce cas ce n'est pas l'impact de la goutte, mais bien la bulle qui est à l'origine du son « ploc » que l'on peut entendre, le mécanisme menant à son piégeage est bien moins compris. On s'intéressera en particulier à l'effet de la tension de surface du liquide sur le piégeage de bulles, qui a été peu étudié jusqu'à présent. Pour cela, on utilisera 2 liquides différents : les mélanges d'eau et éthanol, et les solutions de molécules tensioactives. On verra que pour une même tension de surface, l'effet sur le piégeage de ces deux liquides peut être très différent. Par exemple, le piégeage peut disparaître pour le tensioactif, mais pas pour l'éthanol. Dans la seconde partie de la thèse, après un bref rappel théorique sur le modèle d'oscillateur harmonique, on s'intéressera plus particulièrement à l'amplitude du signal acoustique engendré. Si la fréquence de ce signal a bien été étudiée depuis Minnaert, l'origine de son amplitude reste incomprise. On montrera qu'avec ce modèle, il est possible de lier l'amplitude du signal au mécanisme de formation de la bulle. En particulier, la vitesse à laquelle le rayon de la bulle évolue au moment où elle se forme, est une grandeur importante qui semble donner son origine à l'amplitude du signal acoustique.

A simple air bubble in water can be responsible for a strong acoustic signal. In certain conditions, this signal is audible to the human ear. This is the case, for example, for the sound heard when a stone is thrown into water. In 1933, Minnaert proposed an harmonic oscillator model to describe bubble oscillations and thus explain the murmurs of brooks. In this thesis, a first part will be dedicated to the impact of drops on a liquid bath. Under certain conditions, an air bubble can be trapped following the impact. While it is known that in this case it is not the impact of the drop, but rather the bubble that is at the origin of the ''ploc'' sound that can be heard, the mechanism leading to its trapping is much less understood. We will be particularly interested in the effect of the liquid's surface tension on bubble trapping, which has been little studied until now. For this, we will use 2 different liquids: water-ethanol mixtures and surfactant solutions. We will see that for the same surface tension, the effect on the trapping of these two liquids can be very different. For example, trapping may disappear for the surfactant, but not for ethanol. In the second part of the thesis, after a brief theoretical reminder of the harmonic oscillator model, we will be more particularly interested in the amplitude of the acoustic signal generated. While the frequency of this signal has been well studied since Minnaert, the origin of its amplitude remains badly understood. We will show that with this model, it is possible to link the amplitude of the signal to the bubble formation mechanism. In particular, the speed at which the bubble radius evolves at the moment it forms is an important quantity that seems to give rise to the amplitude of the acoustic signal.