Caractérisation acoustique de milieux bulleux concentrés

Acoustical characterisation of concentrated bubbly media

• Auteur / Autrice : Camille Cohen
• Direction : Valentin Leroy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/10/2024
• 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-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Saint-Gobain Recherche
• Jury : Président / Présidente : Arnaud Derode
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Agnès Maurel, Reveka Sainidou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Brunet, Emilie Franceschini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Ultrasons -- Applications industrielles

Milieux hétérogènes (physique)

Diffusion multiple (physique)

Propriétés acoustiques

Bulles

Mots clés libres

Bulle

Diffusion multiple

Milieu hétérogène

Acoustique

Ultrasons

Simulation numérique

Application industrielle

Physique expérimentale

Bubble

Multiple scattering

Heterogeneous medium

Acoustics

Ultrasounds

Numerical simulation

Industrial application

Experimental physics

Résumé

Ce travail de thèse porte sur la caractérisation acoustique de milieux bulleux concentrés. Dans le contexte industriel de la production de plaques de plâtre, la présence de bulles d'air dans la gâchée (pâte de plâtre liquide) doit être contrôlée pour s'assurer du maintien des propriétés mécaniques des plaques. Le milieu fluide contenant un ensemble de bulles d'air que constitue la gâchée est ce que l'on nomme un milieu multi-diffusant. De nombreux modèles permettent de décrire le comportement de ces milieux dans des cas dilués (moins de 10% d'air). Qu'en est-il des milieux concentrés qui font l'objet d'étude de cette thèse ? Dans un premier temps, l'algorithme MuScat est utilisé pour simuler numériquement l'étude d'une distribution aléatoire concentrée monodisperse de bulles d'air dans l'eau. Les résultats sont comparés à deux modèles de diffusion multiple : l'Independent Scattering Approximation (ISA) et le modèle de Fikioris et Waterman (FW). Cette étude confirme l'accord entre les milieux dilués et les modèles, et permet d'établir que pour des milieux plus concentrés, le modèle FW est en meilleur accord avec les données numériques que l'ISA. Finalement, l'écart à l'ISA est quantifié en s'appuyant sur les expressions du modèle FW du nombre d'onde. Dans un second temps, des expériences sur gel bulleux et gâchées moussées, à hautes fractions volumiques d'air, sont proposées. Différents dispositifs expérimentaux adaptés aux deux milieux permettent la mesure des coefficients de réflexion et de transmission, ainsi que le calcul de paramètres tels que le nombre d'onde ou l'impédance acoustique. L'écart à l'ISA est également calculé pour ces milieux polydisperses. Enfin, une loi semi-analytique établie à partir de l'ISA est proposée pour relier les résultats ultrasonores des échantillons étudiés (eau bulleuse numérique, gel bulleux, gâchée moussée) aux paramètres des distributions en taille des bulles : la fraction volumique, le rayon médian et le coefficient de polydispersité. Cette loi s'inscrit dans le cadre industriel de la thèse pour répondre à la problématique de mesure de la taille des bulles sur ligne de production.

This PhD is about acoustical characterization of concentrated bubbly media. In the industrial context of plasterboard production, the presence of air bubbles in the gypsum slurry (liquid gypsum paste) must be monitored to ensure the conservation of plasterboards' mechanical properties. The fluid medium containing an ensemble of air bubbles that is the slurry is called a multiple scattering medium. Many models allow for the description of the behavior of those media in dilute cases (less than 10% of air). What about the concentrated media that we study in this PhD? First, the algorithm MuScat is used to numerically simulate the study of a random concentrated monodisperse distribution of air bubbles in water. The results are compared to two multiple scattering models: the Independent Scattering Approximation (ISA) and the Fikioris and Waterman model (FW). This study confirms the agreement between dilute media and the models, and allows us to establish that for more concentrated media, the FW model is in better agreement with the numerical data than the ISA. Finally, the deviation to the ISA is quantified by using the wave number expressions given by the FW model. Secondly, experiments on bubbly gel and foamed slurry, at high volume fractions, are conducted. Different experimental set-ups suited to both media allows for the measurement of the reflection and the transmission coefficients, as well as the calculation of parameters such as the wave number or the acoustical impedance. The deviation to the ISA is again calculated for these polydisperse media. At last, a semi-analytical law established using the ISA is proposed to link the ultrasound results of the studied samples (numerical bubbly water, bubbly gel, foamed slurry) to the bubbles' size distributions' parameters: the volume fraction, the median radius and the polydispersity coefficient. This law fits the industrial framework of the PhD to answer the bubble size measurement issue on production lines.