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Multi-scale modelling of waves of porous media with applications to acoustic control and biomechanics

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Un projet de l'UE développe une nouvelle méthode d'analyse des matériaux

Des chercheurs financés par l'UE ont élargi le champ d'application de la modélisation des ondes pour prévoir de façon précise le comportement de certains matériaux poreux. Ces progrès pourraient faciliter le développement de nouveaux équipements industriels de haute technologie, déboucher sur des diagnostics médicaux plus précis et sur de nouvelles découvertes géologiques.

Recherche fondamentale

«La structure interne de certains matériaux peut être extrêmement complexe», explique le professeur Graham Rogerson de l'Université Keele au Royaume-Uni, coordinateur du projet MUSAL (Multi-scale modelling of waves of porous media with applications to acoustic control and biomechanics). «Les milieux poreux hétérogènes, caractérisés par la présence de vides, constituent un bon exemple de ce type de matériaux. Les os humains illustrent l'existence de ces matériaux dans la nature.» Des matériaux poreux hétérogènes synthétiques ont également été mis au point pour répondre à des besoins industriels spécifiques, par exemple pour produire des matériaux d'isolation phonique efficaces. «Les milieux hétérogènes ne se comportent pas comme des solides homogènes», poursuit le Pr Rogerson. «Grâce à la compréhension de leurs remarquables effets, il a été possible de concevoir et de mettre au point de nouveaux dispositifs d'ingénierie. Il s'agit notamment d'absorbeurs acoustiques, ainsi que de transducteurs et transmetteurs à ultrasons pour les industries automobile et aérospatiale.» Une véritable photo d'identité D'une durée de deux ans et financé par l'UE, le projet MUSAL a été lancé en 2015 pour évaluer l'utilisation de la modélisation des ondes élastiques sur les milieux hétérogènes, ainsi que pour déterminer si elle pouvait être élargie pour prévoir de façon efficace et précise le comportement et les propriétés de certains matériaux. Un avantage essentiel de cette technique tient au fait que les données collectées grâce aux ondes peuvent être interprétées sans imposer une analyse invasive. Selon le Dr Rogerson, «la modélisation de la propagation des ondes dans les milieux hétérogènes pourrait réellement bénéficier à l'ingénierie mécanique et civile, car elle constitue un moyen non destructif pour tester les matériaux et les structures.» La structure des ondes représente une sorte de «photo d'identité» propre à chaque matériau. Plus la plage de fréquences pouvant être explorée est large, plus ce «portrait» sera précis. En élargissant cette plage, le projet MUSAL permet de détecter des variations minimes dans la microstructure d'un matériau et de développer de nouvelles méthodes, plus précises, de diagnostic acoustique. «À ce jour, un grand nombre des approches théoriques de la propagation des ondes en milieu hétérogène n'ont pu être utilisées que dans quelques cas limités», déclare le Pr Rogerson. «Nous avons mis au point de nouveaux modèles théoriques utilisables sur une gamme de fréquences plus large.» Des applications industrielles Au cours du projet, les chercheurs ont apporté des solutions à plusieurs problèmes spécifiques. Les utilisateurs potentiels comprennent les ingénieurs, qui peuvent directement utiliser la méthodologie du projet pour concevoir de nouveaux types de matériaux et de dispositifs pour différentes applications dans l'industrie, la médecine et la géophysique. En biomécanique, par exemple, des tissus vivants, tels que les os, peuvent être modélisés au moyen de milieux poreux. L'Agence exécutive pour les consommateurs, la santé, l'agriculture et l'alimentation de l'UE estime que 22 % de la population de l'UE souffre de problèmes musculaires, osseux et articulaires de longue durée qui génèrent des problèmes économiques et sociaux considérables. «De nombreuses personnes dans le monde souffrent d'ostéoporose, une maladie évolutive caractérisée par une diminution de la masse et de la densité osseuses», déclare le Pr Rogerson. «L'ostéoporose n'est en elle-même associée à aucun symptôme et l'analyse de la structure osseuse au moyen d'examens non invasifs représente un défi majeur.» Le projet MUSAL a montré une corrélation entre la vitesse de propagation des ondes et la densité osseuse. Ce résultat pourrait être utilisé pour la détection précoce de l'ostéoporose, ce qui contribuerait à ralentir, voire à arrêter, la progression de la maladie grâce à une intervention et une thérapie précoces. «Les résultats obtenus et les méthodologies qui en découlent pourraient avoir des implications considérables en ce qui concerne la détection et le suivi d'un grand nombre d'affections osseuses et articulaires chroniques», affirme le Pr Rogerson. L'étude de la propagation des ondes dans les milieux poreux pourrait également s'avérer précieuse pour les prospections géologiques. En comprenant mieux comment la texture interne des sols et des roches affecte les caractéristiques des ondes élastiques, on pourrait développer de nouvelles méthodes fiables pour détecter les gisements de gaz et de pétrole. Toutes ces applications potentielles mettent en évidence les profondes répercussions des travaux novateurs menés par le projet MUSAL.

Mots‑clés

MUSAL, onde, modélisation, poreux, matériau, os, ostéoporose, roche du sol, géologie, industrie

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