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Des billes et des grains sur écoute

Chaîne granulaire uni-dimensionnelle de billes magnétiques en contacts
Chaîne granulaire uni-dimensionnelle de billes magnétiques en contacts © Vincent tournat

Les enfants ne sont pas les seuls à jouer aux billes. Les chercheurs aussi. Au Laboratoire d'acoustique de l'Université du Maine (LAUM), certains s'amusent même à les empiler soigneusement pour… les écouter ! Car les milieux granulaires sont une mine d'émerveillements : complexes et divisés, ils propagent parfois des sons étonnants. Avec de possibles applications industrielles !

Un sachet d'aspirine, un silo de blé, un tas d'orange... Les milieux granulaires sont partout. Partout, mais encore bien méconnus notamment en terme d'acoustique. Comment les ondes sonores se propagent-elles parmi tous ces trous et ces grains ? Envoyez par exemple sur un milieu granulaire une onde acoustique ultrasonore, et donc imperceptible à nos oreilles humaines, et vous pourrez avoir en sortie des sons parfaitement audibles ! « Les milieux granulaires peuvent complètement transformer les ondes acoustiques. En fréquence, en intensité mais aussi en durée. C'est une chose assez rare en acoustique. Ici c'est quasiment par défaut, souligne Vincent Tournat, chercheur au LAUM. Si vous dites ''bonjour'' à un milieu granulaire sur une haute fréquence, vous pouvez recevoir en sortie ce même mot, mais qui durerait 100 fois plus longtemps ! » Les chercheurs parviennent même à faire taire les ondes sonores. Pour cela, ils construisent des cristaux granulaires composés de 30 000 billes réparties en une trentaine de couche, ce qui nécessite deux heures d’un travail méticuleux. « Lorsque l'onde a une certaine fréquence, elle peut être littéralement stoppée par le cristal par un phénomène d'interférence. Les ondes transmises et réfléchies par les billes vont se rencontrer et s'annuler » explique l'expert qui a eu en 2010 la médaille de bronze du CNRS pour ses travaux sur ces effets, dits non linéaires des ondes acoustiques. 
 
A l'écoute des fissures
 
Tous ces bruits bizarres font le délice des chercheurs. Mais ils intéressent également les industriels à qui ils offrent une possibilité unique d’ausculter des matériaux. Ainsi, les ingénieurs et chercheurs du groupe DCNS, basés à La Montagne, près de Nantes, y voient une manière de détecter de petites fissures sur les cuves de réacteurs et les coques de sous-marins nucléaires. En effet, à l’échelle microscopique, la structuration de la matière au niveau d’une fissure évoque celle d’un milieu granulaire. Le son, qui sert ici de sonde (un peu comme dans une échographie), s’y déforme donc de manière similaire, signant ici la présence d’un défaut. 
A Vibraye, à 50 kilomètres du Mans, dans le centre de R&D de l'entreprise Mécachrome, on considère de manière encore plus sérieuse les applications possibles de l'acoustique des milieux granulaires. Destinées aux moteurs d'avions, de fusées ou de Formule 1, l'entreprise produit des pièces à partir de poudres métalliques de titane ou d’acier, fondues à haute température dans des moules complexes. Or ces poudres ne sont autres que des milieux granulaires ! Grâce aux ondes sonores, il pourrait donc être, en principe, possible de savoir si les poudres sont bien compactées et correctement réparties dans les moules avant le processus de chauffage. Mais aussi de vérifier que les pièces fabriquées ne présentent pas de zones de faiblesse. Le tout bien entendu sans les casser ! C'est en tout cas le sens du projet en cours entre le LAUM et Mécachrome.
 
Tremblements de terre en milieu granulaire
 
Du côté de Nantes-Bouguenais, c'est une application plus « terre à terre » de l’acoustique des milieux granulaires qui intéresse Sandra Escoffier et Jean-Louis Chavelas, chercheurs à l’Institut français des sciences et technologies des transports, de l'aménagement et des réseaux (Ifsttar). Car les sols, notamment sableux, sont aussi des milieux granulaires ! Des sols dans lesquels se propagent parfois des séismes... Or ondes sismiques et ondes acoustiques font partie de la même grande famille, celles des ondes mécaniques liées à la vibration d'un milieu. « Les recherches menées au LAUM pourraient nous permettre de mieux modéliser ce que subissent les ouvrages face à un tremblement de terre mais aussi face à des vibrations anthropiques comme celles émises par un tgv ou un tramway » explique Sandra Escoffier. « Notre objectif est de protéger les ouvrages, les ponts, les digues, en proposant par exemple de nouvelles formes de fondations incluant une couche limitant la transmission des vibrations », ajoute Jean-Louis Chazelas qui fait parfois subir à des modèles réduits de sols et d’ouvrages, une cinquantaine de tremblements de terre, par matinée. Mais s'intéresser au sol ajoute de nouveaux niveaux de complexité : les grains ne sont pas tous de la même taille, pas tout à fait sphériques... Les chercheurs du LAUM risquent de jouer encore longtemps aux billes.
 
Gaëlle Lahoreau

Infos complémentaires

  • Consultez le site web de Vincent Tournat, chercheur au laboratoire d'acoustique de l'Université du Maine (LAUM)