Propagation d'ondes sonores dans des empilements granulaires non-cohésifs : visualisation par photoélasticité
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Abstract EN:
This work is devoted to sound wave propagation in cohesion less granular packings. Such media are disordered and display nonlinear properties. Our study is original because we use photoelastic cylinders. By means of a fast camera, we visualize the deformation field associated to the sound wave propagation in the granular media. Moreover, we probe a contact law different from that of spherical grains. Firstly we are interested to the simplest granular packing : a one-dimensional array of cylinders in contact. We conduct an experimental investigation concerning the propagation of an acoustic pulse, in both cases where the pulse amplitude is small (linear wave), or large (nonlinear waves), compared to the static confining force applied to the array. In the first case, we prove the prominent role played by the imperfections of the contacts on the sound celerity. We also show that the pulse damping mainly originates in dry friction. In the case of very large amplitude, the initial pulse breaks down in a waves train of decreasing amplitudes, with a width comprised between 3 and 4 grains and with supersonic speed. This speed, in units of sound celerity, depend only on the ratio of the amplitude and the static confining pressure. These observations are interpreted by generalizing the results of Nesterenko. At last, we address the case of the two-dimensional packings. Linear sound waves propagate through the static force chains and their velocities increase with the static force in the chain. However they are always smaller than in the one-dimensional case, what proves the role played by the lateral contacts of the chain.
Abstract FR:
Cette thèse est consacrée à l’étude de la propagation d’ondes sonores dans des empilements granulaires non-cohésifs. Ces milieux se comportent comme des milieux désordonnés et non-linéaires. Notre étude est originale car nous employons des grains photoélastiques et cylindriques. En utilisant une caméra rapide, nous visualisons le champ de déformation associé à la propagation de l’onde sonore et nous testons une alternative à la loi de contact propre aux sphères. Nous abordons d’abord le cas de l’empilement le plus simple : une chaîne unidimensionnelle de cylindres. Nous étudions la propagation d’impulsions sonores dans les deux cas o`u leurs amplitudes sont petites (régime linéaire) ou grandes (régime non-linéaire) devant la force de confinement statique appliquée à la chaîne. Dans le premier cas, nous observons l’effet des imperfections de surface des grains sur la vitesse des ondes. Nous constatons aussi que la dissipation est essentiellement due au frottement solide. Pour les grandes amplitudes, l’impulsion initiale se décompose en un train de pics d’amplitudes décroissantes, de largeurs comprises entre 3 et 4 grains et de vitesse supersonique. Celle-ci, adimensionnée par la vitesse du son linéaire, ne dépend que du rapport entre l’amplitude de l’onde et la force statique. Ces observations sont interprétées en généralisant les résultats de Nesterenko. Nous présentons ensuite le cas des empilements bidimensionnels. Les ondes linéaires se propagent dans les chaînes de forces et leurs vitesses croient avec la force statique. Elles restent cependant toujours inférieures à celles mesurées à 1D, ce qui démontre le rôle joué par les contacts latéraux de la chaîne.