Mesurer les particules en suspensions des avalanches ou tempêtes de sable avec... du son

Publié par Redbran le 18/10/2020 à 13:00
Source: CNRS INSU

Petite avalanche poudreuse à Zinal en Suisse © dahu1
Les suspensions diluées dans lesquelles les particules solides sont transportées par un gaz turbulent sont présentes dans divers contextes géophysiques. Les exemples incluent les tempêtes de sable (Le sable, ou arène, est une roche sédimentaire meuble, constituée de petites particules provenant de la désagrégation d'autres roches dont la dimension est comprise...), les avalanches de neige (La neige est une forme de précipitation, constituée de glace cristallisée et agglomérée en flocons pouvant être ramifiés d'une infinité de façons. Puisque les...) et les courants de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de...) pyroclastiques. Les propriétés de ces suspensions, telles que la vitesse (On distingue :) d'écoulement, la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) et la distance de parcours, sont, dans une large mesure, déterminées par la concentration de particules. Cependant, cette concentration reste difficile à mesurer expérimentalement en raison de l'opacité (L'opacité est l'inverse de la transparence. Qui s'oppose au passage de la lumière.) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) du milieu due à la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire de...) de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm...) par les particules, ce qui complique l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très...) tridimensionnelle des suspensions.

Des chercheurs ont mis au point (Graphie) une technique qui permet de mesurer, par méthode acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des sons et des ondes mécaniques. Elle fait appel aux...), la concentration solide locale dans des suspensions turbulentes d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les...) et de particules. Ils ont observé deux caractéristiques importantes de ces mélanges biphasés: le gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend...) turbulent (Le HMS Turbulent (n° de coque : S 87) est un bâtiment de la classe Trafalgar de sept sous-marins nucléaires d'attaque de la Royal Navy.) met en suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de particule. En géomorphologie, la suspension est un mode de transport des sédiments. Le fait de suspendre un...) les particules jusqu'à une concentration critique (maximale), et cette concentration critique est contrôlée par la formation d'amas de particules qui apparaissent néanmoins à des concentrations inférieures.

Ces résultats ont été obtenus en menant des expériences dans un conteneur (Dans le domaine du transport, un container (de l'anglais), parfois francisé en conteneur, est un caisson métallique, en forme de parallélépipède, conçu pour le transport de marchandises par...) rectangulaire dans lequel des billes de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium...) d'un diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour indiquer qu'une...) de 77 ou 155 micromètres étaient suspendues par un flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus...) d'air vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) ascendant. Les chercheurs ont mesuré la propagation balistique (La balistique est la science qui a pour objet l'étude du mouvement des projectiles.) des ultrasons à travers la suspension. Puis, ils ont extrait la concentration des particules à partir de l'atténuation (Perte d'intensité et amplitude d'un signal...) et de la vitesse de phase (Une onde est une perturbation qui se déplace dans un milieu. Il est possible de lui associer deux vitesses d'onde.) des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) ultrasonores sur la base de modèles de diffusion d'ondes acoustiques et d'hydrodynamique d'un milieu diphasique. Ce projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de...) apporte un nouvel outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises, par une plus...) pour étudier expérimentalement les processus fondamentaux des mélanges turbulents de gaz et de particules. Ce point est particulièrement critique pour la compréhension des phénomènes naturels comme les courants de densité pyroclastiques dont l'observation directe est pratiquement impossible.


a) Dispositif expérimental. b) La concentration des particules (billes de verre) est mesurée par sondage ultrasonique à l'aide d'un émetteur (D) et d'un récepteur (S). c) Schéma du flux d'air à vitesse U nécessaire pour suspendre les billes. © LMV

En savoir plus:
Acoustic probing of the particle concentration in turbulent granular suspensions in air - Scientific Reports, volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) 16, Article number: 16544.
S. van den Wildenberg, X. Jia and O. Roche (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce terrestre. Tout matériau entrant dans la composition du sous-sol est formé par un assemblage de...).
https://doi.org/10.1038/s41598-020-73427-z

Contact:
- Siet van den Wildenberg - LMV -siet.van_den_wildenberg at uca.fr
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