Section 09 Ingénierie des matériaux et des structures, mécanique des solides, biomécanique, acoustique

V. Acoustique

L'acoustique est la science de la vibration de la matière et de la propagation de cette vibration sous forme d'ondes. Elle s'intéresse aussi bien aux mécanismes de production et d'émission des ondes, à leur propagation, à leur contrôle, à leur réception et à leurs effets. Les applications de l'acoustique touchent de nombreux secteurs d'activité économique, sociale, culturelle ou environnementale.

La communauté d'acoustique en France compte autour de 1 000 membres (effectifs de la Société Française d'Acoustique). On recense environ 70 chercheurs CNRS, et environ 270 enseignants-chercheurs(1).

Les activités de recherche en acoustique sont principalement rattachées à l'INSIS mais l'acoustique est de plus en plus transversale, en interaction forte avec de nombreuses disciplines telles que les autres branches de la mécanique (structures, matériaux), les mathématiques (modélisation et simulation numérique, traitement du signal), la physique (lasers, métamatériaux), les sciences de l'univers (océan, atmosphère, terre), les sciences du vivant (imagerie et thérapie, sciences cognitives), la chimie (nanoparticules), et les sciences humaines (perception sonore, acoustique de la voix et de la parole). Cette pluridisciplinarité implique des interactions entre instituts du CNRS (INSIS, INSB, INSU, INP, INSHS...). De plus, au-delà du CNRS, plusieurs EPST ou EPIC contribuent également aux avancées scientifiques. La Société Française d'Acoustique (SFA) joue un rôle central, aussi bien thématiquement, par l'intermédiaire de groupes spécialisés, que géographiquement par le biais de sections régionales.

La création de Groupements de Recherche du CNRS a permis à plusieurs communautés acoustiques de se structurer. C'est le cas par exemple des GDR « Ondes », « Ultrasons » (GDRE), « Thermoacoustique », « Dynolin », et des anciens GDR « Visible » (Ville silencieuse durable) et « Bruit des Transports ».

L'acoustique couvre un large spectre scientifique aussi serait-il illusoire dans le cadre de ce rapport d'être exhaustif quant aux différentes disciplines couvertes(2). Aussi notre contribution à ce rapport de conjoncture vise plutôt à mettre l'accent sur un certain nombre de points qui n'ont pas été abordés auparavant, ou qui méritent d'être mis en lumière.

La recherche française en acoustique est reconnue au niveau international pour ses contributions dans de nombreux domaines. De façon non exhaustive, citons par exemple : les activités de recherche sur les mécanismes de propagation d'ondes en milieux complexes, sur la conception d'instruments originaux pour la manipulation de ces ondes et l'imagerie de ces milieux et en lien avec les sciences du vivant, sur la caractérisation de tissus humains et de l'os. Sur certaines thématiques, telle que la physique des instruments de musique et de la voix chantée, la France occupe une place importante dans la communauté mondiale et joue un rôle majeur. L'attractivité de cette thématique auprès des étudiants en fait une activité phare. Dans le domaine de l'acoustique picoseconde, plusieurs chercheurs ont été recrutés ces dernières années. L'activité sur ce sujet est dynamique, comme en témoignent plusieurs médailles de bronze du CNRS attribuées récemment. Enfin, en lien avec une forte demande industrielle émanant de l'aéronautique et de l'automobile, des avancées spectaculaires ont été réalisées dans le domaine de la simulation numérique, grâce au développement de méthodes numériques appropriées et à l'utilisation de machines toujours plus puissantes.

Depuis quelques années, on assiste à l'émergence de sujets nouveaux ou innovants, voire à des sujets en évolution majeure, pour lesquels de véritables enjeux sont posés :

– Dans le domaine des matériaux absorbants, même si de réelles avancées ont été conduites sur divers matériaux, poreux, composites ou actifs, leur application pour réduire les nuisances sonores sur de très larges bandes de fréquences reste un enjeu sociétal.

– La bioacoustique, qui étudie la production et la réception des signaux acoustiques chez les animaux, est un domaine dans lequel on note un intérêt grandissant. Nécessitant une approche interdisciplinaire, les activités en bioacoustique souffrent d'une part d'une grande diversité de formations de ses chercheurs (biologie, physique, informatique) mais aussi de la grande diversité des signaux acoustiques, en fonction des espèces étudiées dans des environnements variés. Cependant, de véritables défis sont posés, notamment en termes de cohabitation entre les activités humaines productrices de bruit et la conservation des écosystèmes et des espèces.

– En aéroacoustique (thème commun avec la section 10), des avancées significatives ont été réalisées conjuguant développement de méthodes numériques performantes et utilisation de machines massivement parallèles toujours plus puissantes. Il est ainsi possible aujourd'hui de calculer des écoulements turbulents et le bruit qu'ils produisent à l'échelle des expériences de laboratoire et sur des maillages de plusieurs milliards de points. La simulation peut alors être utilisée comme une véritable soufflerie numérique fournissant des solutions de référence en conditions contrôlées. Ces résultats théoriques et expérimentaux apportent de nouvelles informations sur les mécanismes physiques fins à l'origine des bruits aéroacoustiques. La prise en compte des incertitudes (par ex. des sources, des écoulements, du milieu de propagation...) à des fins de prévision statistique des niveaux de bruit, apparaît comme une thématique émergente bénéficiant de la croissance exponentielle des performances de simulation.

– Les apports potentiels des progrès des simulations numériques ne sont pas réservés à l'aéroacoustique. C'est la communauté acoustique dans son ensemble qui devrait pouvoir bénéficier de telles avancées en permettant la prise en compte de géométries plus complexes, la résolution de problèmes de propagation à des fréquences plus élevées et de manière générale la résolution de problèmes à ce jour inaccessibles. L'enjeu majeur est de bénéficier au mieux des avancées en informatique telles que les multicœurs, multi-GPUs, ou processeurs ARM, qui nécessitent des compétences spécifiques difficilement accessibles au niveau des laboratoires de la section. Les collaborations avec les chercheurs du domaine informatique sont indispensables, néanmoins cela ne suffira pas car les investissements des chercheurs dans ce cadre sont très lourds. Ils nécessiteront un soutien pour effectuer ce lien, afin de pérenniser et valoriser les nombreux codes développés.

– Le bruit en milieu urbain est une problématique à fort enjeu sociétal, complexe de par la multiplicité des sources (transports, activités économiques et sociales), un milieu de propagation protéiforme (la ville), et la subjectivité de la notion même de « bruit » impliquant nécessairement dans son appréhension les sciences cognitives et humaines. Des activités de recherche nombreuses sont menées dans ce domaine. L'ancien GDR Visible, la Fédération de Recherche IRSTV, la forte implication du LCPC (maintenant IFFSTAR) traduisent la nécessité d'une approche inter-disciplinaire, impliquant de multiples acteurs (industriels, aménageurs, collectivités locales, juristes...). Les efforts en ce sens restent néanmoins relativement morcelés et nécessiteraient une meilleure coordination dans un cadre dépassant les seules sciences acoustiques.

– L'« électroacoustique » désigne à la fois l'étude des transducteurs et une technique de modélisation multi-physique décrivant des échanges énergétiques entre « ports » (paires de grandeurs duales). Ces techniques sont ainsi utiles à de nombreux domaines : télécommunications, multimédia, assistance auditive, imagerie, contrôle actif, thermoacoustique, etc., particulièrement avec le développement technologique de composants miniatures (MEMs), qui arrive à maturité aujourd'hui. Sur cette thématique, la communauté française est diluée au sein d'équipes qui utilisent implicitement des techniques issues de l'électroacoustique, mais mettent en avant des aspects plus en vogue. Ceci accentue la difficulté que rencontrent les nombreux industriels, placés dans une démarche « système » devant optimiser performances ou rendement énergétique, pour identifier des partenaires académiques français susceptibles de coopérer. À cet égard, une réflexion au niveau national serait souhaitable afin que cette dilution ne conduise pas à une segmentation.

– Les cristaux phononiques et les métamatériaux acoustiques ont suscité, et continuent de susciter, un grand intérêt depuis environ 20 ans en raison des propriétés exceptionnelles qu'ils peuvent exhiber. Ces propriétés spectrales originales leur confèrent des applications potentielles dans des domaines aussi divers que l'isolation phonique, le filtrage fréquentiel sélectif, la réalisation de transducteurs plus performants pour le contrôle non-destructif ou l'échographie médicale... En France, de nombreuses équipes sont investies sur ce sujet avec chacune leur spécificité. En particulier, les problématiques suivantes sont bien traitées au niveau national : accordabilité, homogénéisation, désordre, non linéarité. Si ces activités de recherche sont à l'état de l'art international, on peut cependant s'étonner du faible nombre de réalisations concrètes et industrialisables. Aussi l'établissement d'un lien fort avec d'autres communautés telles que la chimie, la physique ou la mécanique, devrait permettre l'émergence de réalisations concrètes. Dans la même perspective, une meilleure interaction entre industriels et laboratoires serait souhaitable afin d'unir les forces en présence.

– Les techniques d'imagerie ou de thérapie ultrasonores présentent de nombreux avantages : non ionisantes, peu ou pas invasives, faciles à mettre en œuvre, d'un coût relativement faible. Ces multiples avantages expliquent leur développement spectaculaire. Elles bénéficient par ailleurs fortement de l'essor des technologies de l'électronique. Les ultrasons médicaux explorent aujourd'hui de multiples champs d'application que l'on peut schématiquement séparer en imagerie et thérapie. Parmi les avancées récentes, les méthodes d'imagerie sont désormais quantitatives : mesure de l'élasticité de cisaillement des tissus mous (élastographie pour la détection de certaines tumeurs) ou des propriétés mécaniques de l'os (diagnostic et suivi de l'ostéoporose). L'imagerie Doppler ultra-rapide permet de caractériser les flux vasculaires complexes, ouvrant la voie à l'imagerie fonctionnelle ultrasonore du cerveau. En thérapie, l'hyperthermie ultrasonore vise à la nécrose de tissus pathologiques par échauffement, tandis que les produits de contraste injectés (micro- ou nano-bulles ou gouttelettes) peuvent être fonctionnalisés pour servir de vecteurs, pilotés par ultrasons, de traitement thérapeutiques personnalisés (chimiothérapie, thérapies géniques). Certaines applications sont également envisagées en mode préopératoire, comme en mode d'imagerie ou en complément de la chirurgie. L'imagerie ultrasonore s'étend également vers les plus hautes fréquences et donc les échelles de plus en plus petites, pour l'imagerie de la peau (détection précoce des mélanomes), certaines thérapies ophtalmologiques, l'exploration des propriétés mécaniques à l'échelle cellulaire ou l'imagerie du petit animal. La recherche dans le secteur est très dynamique en France, portée notamment par quelques laboratoires phares au plus haut niveau international qui doivent maintenir et renforcer un lien fort avec le secteur médico-hospitalier et atteindre une taille critique pour survivre dans une compétition internationale intense. Les temps de développement sont longs, et les ultrasons doivent s'avérer compétitifs avec les techniques alternatives (IRM, lasers...). En l'absence de grand groupe industriel en France, l'industrialisation doit passer par la création et le développement de start-ups, un processus là encore long, risqué et pas toujours dans les gènes du chercheur.

Si certaines activités sont riches et fécondes, on peut regretter que certaines thématiques soient en perte de vitesse. C'est par exemple le cas de l'acoustique sous-marine, dont l'activité diminue depuis le début des années 90, suite à la réduction drastique des financements militaires. Aujourd'hui morcelée et sans structuration forte, l'acoustique sous-marine gagnerait à se définir quelques thématiques fédératrices, notamment pour des applications civiles à des fins environnementales et/ou énergétiques. De même, les progrès en contrôle actif du bruit et des vibrations marquent le pas malgré des besoins qui restent forts. Les potentiels apportés par le développement des matériaux actifs et des métamatériaux et par l'augmentation continue des performances du calcul numérique sont en partie verrouillés par la complexité de la modélisation vibratoire, la résolution de problèmes inverses en temps réel, la modélisation non-linéaire des phénomènes aux forts niveaux, la prise en compte de la perception auditive. Les progrès sont donc conditionnés par un renforcement des liens entre les communautés d'acoustique et de mathématiques appliquées en particulier. Au-delà de cet exemple, les interactions entre acousticiens et chercheurs d'autres communautés (informatique, traitement de signal, mathématiques) apparaissent plus réduites que celles des acousticiens entre eux, ou que dans d'autres pays. Les développer au-delà du très petit nombre de laboratoires actifs sur ce plan, et des exemples mentionnés dans ces pages, représente un enjeu dans presque tous les domaines de la discipline. De même, bien que traitant des ondes au sens large en partant des infrasons pour aller jusqu'aux ultrasons, la communauté française de l'acoustique semble relativement coupée de la communauté sismique. Une meilleure interaction entre les deux communautés permettrait de tirer parti des expériences et compétences de chacune.

De plus, si certaines thématiques telles que l'acoustique musicale, l'aéroacoustique ou les ultrasons médicaux sont bien structurées, reposant sur quelques laboratoires phares, d'autres thématiques souffrent d'un morcellement des diverses équipes en France. C'est en particulier le cas de la perception au sens large : de la psycho-physique auditive à la cognition sonore et des applications médicales à la création d'environnements virtuels. Cette thématique, pluridisciplinaire et commune à plusieurs sections, est très morcelée dans le paysage acoustique français. Elle concerne plusieurs laboratoires sur le territoire mais généralement peu de chercheurs par laboratoire. Bien que des réseaux thématiques existent, gérés par d'autres instances, le CNRS a clairement un rôle à jouer pour stimuler la formation ou la reconfiguration d'équipes de taille critique, à même de jouer un rôle de tout premier plan.

Signalons enfin le domaine de la normalisation, auquel les chercheurs français semblent à peu près indifférents malgré le rôle crucial que ce domaine joue pour l'industrie : les normes sont révisées en permanence en fonction des niveaux de performance auxquels la recherche peut (ou non) faire parvenir l'industrie dans un futur proche. Il conviendrait que les chercheurs soient davantage sensibilisés à cet exercice de prospective, à l'instar de ceux de très proches pays européens.

(1) Source : Livre blanc de l'acoustique en France (SFA, 2010).

(2) Pour une information plus complète, nous renvoyons le lecteur au livre blanc de l'acoustique en France.