Dissertations / Theses: 'Métamatériaux acoustique'

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Terroir, Arthur. "Étude et réalisation de métamatériaux acoustiques architecturés." Thesis, Université de Lille (2022-....), 2022. http://www.theses.fr/2022ULILN008.

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Abstract:

Dans le cadre de l'acoustique sous-marine, la détection de bâtiments est aujourd'hui un sujet largement étudié. Les revêtements de coques permettent d'échapper à cette détection mais il est nécessaire d'améliorer leurs performances pour suivre le développement des systèmes SONAR, en particulier pour les basses fréquences.Les métamatériaux sont utilisés dans ce but pour leurs propriétés de filtrage fréquentiel et de résonance locale. Cependant une autre stratégie consiste à s'intéresser aux métamatériaux architecturés permettant l'obtention de propriétés mécaniques hors du commun, par exemple un coefficient de Poisson anti-auxétique, c’est-à-dire supérieur à 0,5.Dans cette thèse, une structure permettant d'obtenir de tels coefficients de Poisson est étudiée, dans le cas de volumes infinis puis adaptée au cas de plaques d'épaisseur finie, par des outils numériques basés sur la simulation éléments finis. Une méthode d'homogénéisation dans la limite des grandes longueurs d’onde est développée à partir des outils numériques en exploitant les courbes de dispersion et est utilisée pour obtenir les propriétés effectives de la structure aussi bien en volume qu'en plaque. Dans le cas de la plaque, le modèle est adapté afin de prendre en compte une densité matricielle. La structure en plaque est ensuite caractérisée en statique par des essais en traction et en dynamique par l'identification des modes de flexion. Ces tests permettent de mettre en évidence les limites de validité du modèle d’homogénéisation. Enfin, des revêtements sont conçus à partir de la structure architecturée pour répondre aux objectifs de performances fixés, notamment en basses fréquences, pour la furtivité sous-marine. Plusieurs panneaux sont alors proposés In the framework of underwater acoustics, detection of submerged vehicles is widely studied. Hull coatings are used to avoid such detection. Due to the enhancement of SONAR system low frequency performance, hull coatings must be improved.Acoustic metamaterials can be useful for this purpose thanks to their stop-band effect and local resonances. Alternatively, other types of metamaterials can be explored. A novel approach consists in exploring architectured metamaterials allowing outstanding mechanical properties, such as anti-auxetic Poisson's ratios greater than 0.5.In this thesis, a structure exhibiting anti-auxetic Poisson's ratios is studied using the finite element method. The study is conducted on the one hand for infinite volumes and on the other hand for finite thickness plates. An homogenization method is developed to obtain the effective properties of the structure in the low frequency domain using numerical tools based on the structure’s dispersion curves. The effective properties are determined for both infinite volumes and finite plates. Those determined in the case of plates are adapted in order to take into account an anisotropic density. The plates are then characterized experimentally using two methods. First a static characterization is performed through a tensile test. Then a dynamic characterization through an identification of the flexural modes is conducted. Those measurements allow to define limits of validity for the homogenization model. Finally, hull coatings based on the architectured structure are designed in order to reach the performance objectives for underwater stealth, mainly in low frequency. Several panels are then proposed

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Raffy, Simon. "Synthèse de métamatériaux acoustiques par voie microfluidique." Thesis, Bordeaux, 2014. http://www.theses.fr/2014BORD0135/document.

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Abstract:

Ces travaux sont consacrés à la synthèse d'un nouveau type de métamatériaux acoustiques dans le domaine ultrasonore. L'étude porte sur les résonances de cavité, elles peuvent influer sur les différentes grandeurs physiques impliquées dans la propagation des ondes acoustiques. Pour amplifier les résonances, la stratégie a été de mettre en place un contraste de vitesse de phase entre la matrice et les inclusions résonantes. Pour travailler dans le domaine ultrasonore, les techniques de mise en oeuvre sont issues de la microfluidique. Les premiers échantillons sont élaborés par émulsification micrométrique assistée par robotique. Cela permet d'obtenir des polydispersités de l'ordre de 1%. Différents modes de résonances acoustiques ont ainsi été observés. Les recherches ont été poussées jusqu'à l'étude de la polydispersité (1 à 12 %) et l'analyse de systèmes comprenant deux populations de gouttes. Le reste du travail s'est fait en millifluidique avec la mise en forme de dispersions de billes de xérogel de silice avec de plus importants contrastes de vitesse. La synthèse utilisée est une réaction de type sol-gel en milieu basique salin. Le montage millifluidique a été mis en place et calibré pour cette synthèse. La réaction chimique et les particules obtenues ont été caractérisées de nombreuses manières (Raman, rhéologie, mesure de compression, de densité, BET, MEB...). Les mesures acoustiques sur de tels systèmes ont permis de mettre en évidence des gammes de fréquence pour lesquelles l'indice de réfraction acoustique était négatif les plus fortes fractions volumiques (≈ 20%) This work is dedicated to the synthesis of a new kind of acoustic metamaterials working in the ultrasonic range. The study is based on cavity resonance which can influence physical quantities involved in acoustic wave propagation. For amplifying these resonances, a large phase velocity contrast is required between the matrix and the inclusions.For the ultrasonic range and because of size requirements, the implementation is achieved using microfluidics. First, samples are generated using robotic-assisted emulsification which leads to a very small size polydispersity, around 1%. For these calibrated emulsions, different modes of acoustic resonance are clearly identified. We then generated polydisperse samples on purpose (up to 12%) and correlated the quality factor of the resonances to the size dispersity. Then, in order to enhance the resonance magnitude, silica-based xerogels are synthesized and templated using digital millifluidics. The chemical reaction along with the final xerogel micro-beads (≈ 100 μm radius) are characterized with a large variety of techniques (Raman, rheology, compression and density measurement, BET, SEM...). Acoustic measurements on these systems show that there is a frequency range with a negative acoustic refractive index for a at high enough volume fraction of xerogel particles (20%)

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Qi, Shuibao. "Métamatériaux et métasurfaces acoustiques pour la collecte d’énergie." Thesis, Université de Lorraine, 2018. http://www.theses.fr/2018LORR0139/document.

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Abstract:

Artificiels structurés, présentent des propriétés inédites et des aptitudes uniques pour la manipulation d’ondes en général. L’avènement de ces nouveaux matériaux a permis de dépasser les limites classiques dans tout le domaine de l’acoustique-physique, et d’élargir l’horizon des recherches fondamentales. Plus récemment, une nouvelle classe de structures artificielles, les métasurfaces acoustiques, présentant une valeur ajoutée par rapport aux métamatériaux, avec des avantages en termes de flexibilité, de finesse et de légèreté de structures, a émergé. Inspirés par ces propriétés et fonctionnalités sans précédent, des concepts innovants pour la collecte d’énergie acoustique avec ces deux types de structures artificielles ont été réalisés dans le cadre de cette thèse. Tout d’abord, nous avons développé un concept à base d’un métamatériau en plaque en se basant sur le de l’approche de bande interdite et des modes de défaut permis par le mécanisme de Bragg. Dans la deuxième partie de cette thèse, des métasurfaces d’épaisseur sublongueur d’onde et ultra-minces composées d’unités labyrinthiques ou de résonateurs de Helmholtz ont été conçues et étudiées pour s’atteler à la focalisation et au confinement de l’énergie acoustique. Cette thèse propose un nouveau paradigme de collecte d’énergie des ondes acoustiques à base des métamatériaux et métasurfaces. La collecte de cette énergie acoustique renouvelable, très abondante et actuellement perdue, pourrait particulièrement être utile pour l’industrie de l’aéronautique, de l’automobile, du spatial, de l’urbanisme Phononic crystals (PCs) and acoustic metamaterials (AMMs), well-known as artificially engineered materials, demonstrate anomalous properties and fascinating capabilities in various kinds of wave manipulations, which have breached the classical barriers and significantly broaden the horizon of the whole acoustics field. As a novel category of AMMs, acoustic metasurfaces share the functionalities of AMMs in exotic yet compelling wave tailoring. Inspired by these extraordinary capabilities, innovative concepts of scavenging acoustic energy with AMMs are primarily conceived and sufficiently explored in this thesis. Generally, a planar AMM acoustic energy harvesting (AEH) system and acoustic metasurfaces AEH systems are theoretically and numerically proposed and analyzed in this dissertation. At first, taking advantage of the properties of band gap and wave localization of defect mode, the AEH system based on planar AMM composed of a defected AMM and a structured piezoelectric material has been proposed and sufficiently analyzed. Secondly, subwavelength (λ/8) and ultrathin (λ/15) metasurfaces with various lateral configurations, composed of labyrinthine and Helmholtz-like elements, respectively, are designed and analyzed to effectively realize the acoustic focusing and AEH. This thesis provides new paradigms of AEH with AMMs and acoustic metasurfaces, which would contribute to the industries of micro electronic devices and noise abatement as well

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Qi, Shuibao. "Métamatériaux et métasurfaces acoustiques pour la collecte d’énergie." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2018. http://www.theses.fr/2018LORR0139.

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Abstract:

Artificiels structurés, présentent des propriétés inédites et des aptitudes uniques pour la manipulation d’ondes en général. L’avènement de ces nouveaux matériaux a permis de dépasser les limites classiques dans tout le domaine de l’acoustique-physique, et d’élargir l’horizon des recherches fondamentales. Plus récemment, une nouvelle classe de structures artificielles, les métasurfaces acoustiques, présentant une valeur ajoutée par rapport aux métamatériaux, avec des avantages en termes de flexibilité, de finesse et de légèreté de structures, a émergé. Inspirés par ces propriétés et fonctionnalités sans précédent, des concepts innovants pour la collecte d’énergie acoustique avec ces deux types de structures artificielles ont été réalisés dans le cadre de cette thèse. Tout d’abord, nous avons développé un concept à base d’un métamatériau en plaque en se basant sur le de l’approche de bande interdite et des modes de défaut permis par le mécanisme de Bragg. Dans la deuxième partie de cette thèse, des métasurfaces d’épaisseur sublongueur d’onde et ultra-minces composées d’unités labyrinthiques ou de résonateurs de Helmholtz ont été conçues et étudiées pour s’atteler à la focalisation et au confinement de l’énergie acoustique. Cette thèse propose un nouveau paradigme de collecte d’énergie des ondes acoustiques à base des métamatériaux et métasurfaces. La collecte de cette énergie acoustique renouvelable, très abondante et actuellement perdue, pourrait particulièrement être utile pour l’industrie de l’aéronautique, de l’automobile, du spatial, de l’urbanisme Phononic crystals (PCs) and acoustic metamaterials (AMMs), well-known as artificially engineered materials, demonstrate anomalous properties and fascinating capabilities in various kinds of wave manipulations, which have breached the classical barriers and significantly broaden the horizon of the whole acoustics field. As a novel category of AMMs, acoustic metasurfaces share the functionalities of AMMs in exotic yet compelling wave tailoring. Inspired by these extraordinary capabilities, innovative concepts of scavenging acoustic energy with AMMs are primarily conceived and sufficiently explored in this thesis. Generally, a planar AMM acoustic energy harvesting (AEH) system and acoustic metasurfaces AEH systems are theoretically and numerically proposed and analyzed in this dissertation. At first, taking advantage of the properties of band gap and wave localization of defect mode, the AEH system based on planar AMM composed of a defected AMM and a structured piezoelectric material has been proposed and sufficiently analyzed. Secondly, subwavelength (λ/8) and ultrathin (λ/15) metasurfaces with various lateral configurations, composed of labyrinthine and Helmholtz-like elements, respectively, are designed and analyzed to effectively realize the acoustic focusing and AEH. This thesis provides new paradigms of AEH with AMMs and acoustic metasurfaces, which would contribute to the industries of micro electronic devices and noise abatement as well

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Ba, Abdoulaye Sidiki. "Étude de la transmission acoustique de métaplaques localement résonantes." Thesis, Bordeaux, 2016. http://www.theses.fr/2016BORD0228/document.

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Abstract:

Les matériaux acoustiques super absorbants, sub-longueur d’ondes et large bande, ouvrent de nouvelles perspectives prometteuses pour l’isolation sonore. Dans ce contexte, nous avons conçu et synthétisé des structures hétérogènes comportant des microbilles sphériques de silicone poreux « ultra-lentes », distribuées dans des matrices aqueuses ou élastomériques. Dans un premier temps, nous avons démontré pourquoi la vitesse du son est aussi basse dans les silicones poreux (<100 m/s) comparativement à celle de milieux homogènes (~1000 m/s). Ce fort contraste de propriétés acoustiques entre phases étant susceptible d’induire des propriétés extrêmement diffusantes des microbilles, nous avons étudié l’impact de la nature de la matrice et de l’arrangement (aléatoire ou périodique) des microbilles sur les propriétés acoustiques d’échantillons se présentant sous forme de plaques sub-longueurs d’ondes à faces parallèles. Nous avons montré que la présence de minima prononcés dans le coefficient de transmission de ces métaplaques était pilotée par la résonance monopolaire des microbilles, et était fortement conditionnée par la nature de la matrice environnante. Enfin, toutes les mesures ultrasonores de l’étude ont été confrontées avec succès à des prédictions issues de modèles de diffusion multiple Acoustic metamaterials may behave like sub-wavelength and broadband sound-absorbers, opening thus new promising routes for sound insulation. In this context, we have designed and achieved heterogeneous structures composed of soft porous silicone rubber microbeads with ultra-low sound speeds, dispersed in various aqueous or elastomeric matrices. First, we show why the sound speed is so low in soft porous silicone rubber materials (<100m/s) in comparison with soft homogeneous materials (~1000m/s). Such a large sound-speed contrast resulting in strongly scattering properties of the microbeads, we have studied the influence of the matrix characteristics as well as the arrangement of microbeads (random or ordered) on the acoustic properties of the samples in form of sub-wavelength slabs. We have evidenced deep and wide minima of acoustic transmission due to the strong monopolar resonances of the microbeads, which strongly depend on the properties of the surrounding matrix. All our ultrasonic measurements have been compared with theoretical predictions based on various Multiple Scattering Theories, revealing an excellent quantitative agreement

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El, Ayouch Aliyasin. "Opacité et transparence générées par les résonances locales dans les métamatériaux Acoustiques." Thesis, Besançon, 2015. http://www.theses.fr/2015BESA2007.

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Abstract:

Le domaine des métamatériaux acoustiques connaît un succès grandissant depuis maintenant une vingtaine d’années, notamment en raison de phénomènes exotiques aux perspectives d’applications plus que prometteuses : « l’invisibilité » acoustique en est l’exemple le plus manifeste. Dans cette thèse, nous présentons des métamatériaux acoustiques à résonances locales, et qui permettent de générer aussi bien de l’opacité que de la transparence acoustique. C’est plus particulièrement le couplage entre résonateurs de différentes formes qui est l’objet de nos investigations. Notre étude nous a permis de comprendre que la diffraction est l’une des principales limitation à l’omnidirectionalité des performances d’opacité, que nous avons caractérisé au moyen d’un banc ultrasonore motorisé. Un tel phénomène de diffraction est dû à la présence d’un réseau, et nous proposons dans notre étude des solutions qui permettent de dépasser cette limitation. A partir de cette étude, nous avons ainsi pu transposer au domaine sonore les résultats obtenus pour les ultrasons, ce qui nous a permis de réaliser deux principaux types de dispositifs : des métamatériaux acoustiques aux fonctions de réflecteur d’une part et d’absorbant basses fréquences d’autre part. Enfin, l’étude en homogénéisation de ce type de structure a aussi révélé un effet de densité effective quasi-nulle, dont les applications vont du contrôle de front d’onde, à la furtivité acoustique. De tels résultats offrent un potentiel d’application dans de nombreux champs, que ce soit pour le bâtiment ,l’automobile, l’aéronautique, ou l’acoustique sous-marine For more than twenty years now, Acoustic Metamaterials are experiencing a growing success, partlydue to exotic phenomena and their wide variety of extremely promising applications: “InvisibilityCloak” is the most vivid example of this. In this thesis, we report on designs of locally resonantacoustic metamaterials, that enable us to generate both sound opacity and transparency. It is moreparticularly coupling between resonators having different forms which is the focus of our work.This study permit us to understand that diffraction is one of the main limitation of omnidirectionalcapabilities involving locally resonant perforated plates, as supported by experimental investigationsrealized using a motorized ultrasonic set-up. We proposed solutions to overcome such a limitation,in the case where the opacity mechanism uses diffraction gratings. From this, we transposed theresults obtained in ultrasonic frequencies to the audible range, which permits us to develop twomain kinds of acoustic devices based on metamaterials: broadband reflectors and low-frequencyabsorbers. Finally, homogenization study of such structures revealed an effect of density near-zero,with applications from shaping wave front, to acoustic furtiveness. Such results paves the way forpromising applications in various field, including construction, automotive and aeronautical industries,submarine acoustics and so on

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Lagarrigue, Clément. "Métamatériaux performants dans la gamme des fréquences audibles : simulations et validations expérimentales." Thesis, Le Mans, 2013. http://www.theses.fr/2013LEMA1037/document.

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Abstract:

Depuis plusieurs dizaines d’années, les cristaux photoniques et phononiques font l’objet d’études poussées notamment enoptique, électromagnétisme et en acoustique. Ces Métamatériaux, constitués de diffuseurs périodiques, ont despropriétés impossibles à observer pour des matériaux usuels et peuvent par exemple, courber les rayons où interdire latransmission des ondes sonores sur certaines gammes de fréquences (bandes interdites). En agissant sur lescaractéristiques géométriques du cristal il est possible de combiner les pertes en transmission liées à la période, à deseffets de résonances plus basses fréquences liés aux diffuseurs (rigide, résonnant...) et obtenir des coefficients de transmission quasi nuls, où d’absorption quasi totale sur de larges bandes de fréquences. Deux métamatériaux sont étudiés, visant à trouver des solutions alternatives à des problématiques rencontrées en acoustique et utilisant un réseau périodique d’inclusions résonantes. Le premier est un cristal sonique utilisé comme barrière acoustique et créé à l’aide de cannes de bambou percées comportant des pertes en transmission basses fréquences. Le second est un panneau de matériau poreux enfermant des inclusions résonantes et offrant une absorption acoustique quasi totale pour des longueurs d’ondes jusqu’à 10 fois supérieures à l’épaisseur du matériau. Les comportements de ces deux dispositifs ont été étudiés théoriquement, expérimentalement et numériquement via plusieurs méthodes qui ont permis de mettre en évidence leurs excellentes performances pour des applications acoustiques dans l’audible Since several decades, photonic and phononic crystals are the center of numerous studies and in particular in the optics,electromagnetism and acoustics fields. These metamaterials, created by a periodic array of inclusions, have propertiesimpossible to obtain with usual materials. They can, for example, bend the waves or stop the waves for some frequencyranges (band gap). By changing the characteristic of the unit cell, it is possible to combine transmission losses linked to theperiodicity, with low frequency resonances linked to the type of scatterer (rigid, resonator...) and obtain very low transmissioncoefficient or very high absorption coefficient on very large frequency ranges depending on the device. Two metamaterialsdevices are studied to find alternative solutions, for acoustics problems, by using periodic array of scatterers. The first deviceis a sonic crystal used has an noise barrier and built with drilled bamboo rods, that have low frequency transmission losses(around 300 Hz and around 2000 Hz). The second device is a periodic array of resonant inclusions embedded in a porousplate that can absorb almost all the waves for a wide frequency range that correspond to wavelength up to 10 times bigger than de thickness of the plate. The behavior of this two devices are studied theoretically, experimentally and numerically by using several methods (Plane Waves Expansion, Multiple Scattering Theory for the first device and finite element method for the second). All this methods allow to bring out the very good performances of this metamaterials devices in audiblefrequency range

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Cocquet, Pierre-Henri. "Étude mathématique et numérique de modèles homogénéisés de métamatériaux." Toulouse 3, 2012. http://thesesups.ups-tlse.fr/1769/.

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Abstract:

Dans la première partie des études des problèmes de propagation d'ondes en présence de métamatériaux homogénéisés tels que les équations de Maxwell, le systèmes de l'acoustique ou de l'élasticité linéaire. Nous établissons des résultats d'existence et d'unicité pour ces systèmes sous des hypothèses phénoménologiques sur le métamatériaux en accord avec certains modèles de la littérature. Nous abordons ensuite leurs approximations numériques. Nous présentons des résultats concernant les éléments finis pour l'approximation de l'équation de Helmholtz qui montrent que ce schéma peut ne pas converger en présence de métamatériaux. On propose alors un schéma Galerkin Discontinu dont on montre numériquement sa convergence sur des exemples de métamatériaux In the first part, we investigate wave propagation problems with homogenized metamaterials for Maxwell's equations and acoustics or linear elasticity systems. We establish that each of these systems is well-posed under assumptions that are relevant for some models already designed in the literature. We next tackle their numerical approximation. We give results showing that the finite element method for the approximation of Helmholtz equation, when metatmaterials are involved, may not converges. We propose then a numerical scheme, the EF-AL schemen which can be with metamaterials and we prove that it converges as soon as the considered problem is well-posed. We finish studying the discontinuous galerkin scheme. We show numerically its convergence for some examples of metamaterials

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Lanoy, Maxime. "Acoustique des milieux bulleux : applications à la conception de métamatériaux et à la manipulation de bulles." Thesis, Sorbonne Paris Cité, 2016. http://www.theses.fr/2016USPCC147/document.

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Abstract:

Lorsqu’elle est excitée par une onde ultrasonore, une bulle d’air oscille. Les mouvementsl’interface eau-air entrainent un déplacement local du fluide hôte qui devient lesiège de la propagation d’une onde diffusée. Ce mécanisme très simple est fidèlementdécrit par le formalisme de Rayleigh-Plesset datant du début du siècle dernier. Abasse fréquence, au voisinage de la résonance de Minnaert, les oscillations de la bullepeuvent devenir particulièrement amples et la diffusion extrêmement efficace. Dansun environnement réaliste, les bulles sont présentes en grand nombre et la descriptionse complique sensiblement puisque la propagation résulte de l’interférence entre uneinfinité de séquences de diffusion.Au cours de cette thèse, nous introduirons les modèles de milieux effectifs quipermettent de prédire le comportement de fluides bulleux désordonnés. Après avoirété confrontées aux résultats issus de la simulation numérique, ces théories effectivesnous permettront de concevoir des matériaux désordonnés aux propriétés étonnantescomme la superfocalisation ou la réfraction négative.Nous envisagerons également l’étude d’arrangements cristallins et verrons que lapériodicité induit des modifications sensibles dans le comportement du milieu tout enconstituant un levier de contrôle efficace.Enfin, la bulle est susceptible de se mouvoir et, par conséquent, de ressentir desforces de pression de radiation. En particulier, Nous verrons comment la force deBjerknes secondaire, issue du champ diffusé par une bulle vers l’une de ses voisines,peut être exploitée afin de manipuler une ou plusieurs bulles mobiles au voisinaged’une ou plusieurs bulles piégées A bubble undergoing an acoustic wave is likely to oscillate. The displacement of theair-fluid interface generates a local compression of the outer fluid where a scatteredwave is thus created. This very simple mechanism has been successfully described bythe famous Rayleigh-Plesset formula derived at the beginning of the previous century.At low frequencies, the resonant behavior (Minnaert) is responsible for a strongenhancement of the oscillations of the bubble which thus becomes a very efficientscatterer. In a realistic media, bubbles are not isolated. The interferences occurringbetween an infinity of scattering sequences make the description of the propagation alot harder to achieve.In this thesis, we introduce the effective theories that are classically adopted todescribe random bubbly liquids. After being compared to our numerical results, thesetheories are used in order to design bubbly materials featuring some interesting propertiessuch as superfocusing or negative refraction.The case of periodic assembly is addressed as well for both a simple square latticebubble raft and a cubic centered faces bi-periodic crystal. We show that the periodicityinduces an explicit modification in the dispersion of the medium and offers asimple tunable parameter.At last, we focus on the possibility for the bubble to move inside the host fluid andwhich is thus likely to experience an acoustic radiation pressure called Bjerknes force.We show how the secondary Bjerknes force, resulting from the wave scattered by abubble toward its neighbors, can be exploited in order to manipulate one or severalfree bubble flowing near one or several trapped bubbles

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Kaïna, Nadège. "Métamatériaux localement résonants : cristaux photoniques et phononiques sub-longueur d'onde." Sorbonne Paris Cité, 2016. http://www.theses.fr/2016USPCC113.

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Abstract:

Cette thèse traite du contrôle de la propagation des ondes, électromagnétiques et acoustiques, à l'échelle sub-longueur d'onde dans les métamatériaux localement résonants. Ces derniers sont des matériaux composites composés d'ensembles de résonateurs agencés sur des périodes très petites comparées aux longueurs d'ondes caractéristiques de résonance. Ils sont en général considérés comme des milieux homogènes aux propriétés effectives. Nous prouvons que, au-delà de ces approches communes d'homogénéisation, les propriétés de la plupart des métamatériaux peuvent être réinterprétées à lumière d'une approche microscopique. Celle-ci permet de mettre en évidence que la propagation des ondes dans ces métamatériaux résulte de phénomènes physiques analogues à ceux mis en jeu dans les cristaux photoniques/phononiques : des interférences et de la diffusion multiple. Nous prouvons alors que les concepts de manipulation des ondes développés dans les cristaux photoniques, sont transposables aux métamatériaux, bénéficiant alors des avantages de la structuration sub-longueur d'onde. Nous montrons que des modifications locales du milieu induisent la formation de cavité et guides d'ondes confinant et guidant le champ sur des dimensions arbitrairement plus petites que la longueur d'onde. Nous étudions la capacité de ces guides à manipuler le flux d'onde spatialement et temporellement. Nous soulignons enfin l'importance de la structure microscopique des métamatériaux, jusque-là toujours négligée. Nous prouvons qu'un métamatériau dit simplement négatif (avec une seule propriété effective négative) peut présenter un indice de réfraction négatif simplement en le structurant ingénieusement This thesis deals with the control of the wave propagation at deep sub-wavelength scales in locally resonant metamaterials. Those composite media are composed of small resonators arranged on spatial scales much smaller than their typical wavelength at resonance. They are hence generally considered as homogeneous media and described with effective parameters. We here prove that, going beyond those homogenization approaches, the properties of most metamaterials can be reinterpreted at the light of a microscopic approach. The latter evidences that the wave propagation in metamaterials only results from phenomenon analog to what happens in photonic/phononic crystals: namely interferences and multiple scattering. We hence demonstrate that concepts developed for wave manipulation in photonic/phononic crystals can be transposed in metamaterials while taking advantage of the latter sub-wavelength spatial organization. For instance, locally modifying the medium, at the scale of the unit celé, creates cavities and waveguides confining and guiding waves on dimensions that are independent of the wavelength. We further study the possibility offered by those waveguides to both mold and slow down the flow of waves. We finally highlight the importance of the spatial subwavelength structuration of metamaterials due to the presence of multiple scattering. We prove that a so-called single negative metamaterial (presenting only one negative effective property) can be turned into a double negative one (hence presenting a negative index of refraction), simply by smartly organizing the building blocks of the metamaterial, at scales much smaller than the wavelength

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Yves, Simon. "Métamatériaux cristallins : du motif sub-longueur d'onde au comportement macroscopique." Thesis, Sorbonne Paris Cité, 2018. http://www.theses.fr/2018USPCC226.

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Abstract:

Les matériaux tirent beaucoup de leurs propriétés de l'interaction entre leurs constituants et une onde. Ceci est principalement conditionné par deux caractéristiques: la composition et l'arrangement structurel. Cette interdépendance est précisément décrite par la physique du solide. Ceci a ensuite motivé la découverte des matériaux composites dont les caractéristiques découlent à nouveau de ces deux critères. Ils se divisent en deux catégories. La première est celle des cristaux photoniques/phononiques, qui tirent leurs propriétés de leur arrangement périodique. La seconde catégorie est celle des métamatériaux, dont les propriétés proviennent de l'interaction de leurs constituants avec les ondes. Les effets de structure sont généralement négligés dans la description de ces milieux et ils sont considérés comme étant des milieux homogènes avec des paramètres effectifs. Ces deux types de systèmes semblent donc a priori très différents du point de vue de l'interaction avec les ondes. Dans cette thèse, nous nous intéressons au cas des métamatériaux localement résonant, c'est-à-dire à ceux dont la cellule unité est un résonateur sub-longueur d'onde. Au lieu de les considérer comme des milieux homogènes effectifs, l'idée est de partir des caractéristiques de la cellule unité du milieu ainsi que de son arrangement spatial afin d'obtenir ses propriétés macroscopiques. Cette approche microscopique permet d'appréhender conjointement les effets de structure et de composition. Ceci est décrit dans le chapitre I, où nous introduisons le concept de polariton dont la relation de dispersion présente une bande liée à des modes sub-longueur d’onde, et une bande interdite d’hybridation. Dans le chapitre II, nous tirons parti cette dernière afin d’induire un couplage localisé entre des défauts résonants qui est similaire au terme de saut que l'on retrouve au sein des Hamiltoniens tight-binding de physique du solide. Nous reproduisons ainsi les structures de bande du graphène et du réseau « dice », ce qui nous permet de mesurer des cônes de Dirac au sein du système. Dans le chapitre III, nous introduisons le concept des métamatériaux cristallins, ce qui revient à considérer ces milieux comme des cristaux photoniques/phononiques, mais à une échelle très petite devant la longueur d'onde de travail. Cela nous permet d’induire une bande négative dans le système mais aussi une bande relativement plate, et des cônes de Dirac. Dans le chapitre IV nous brisons ces cônes en réalisant un analogue de l’effet Hall quantique de Vallée, ce qui revient à modifier conjointement la structure et la composition de la cellule unité. Dans le chapitre V nous brisons encore une fois ces cônes afin de d’induire des propriétés topologiques dans le milieu et de créer un analogue macroscopique d’un isolant topologique de spin Many material properties arise from the interaction between their constituents and a wave. This is mainly conditioned by two characteristics: the composition and the structural arrangement. This interdependence is precisely described by condensed matter physics. This motivated the discovery of composite materials whose characteristics also stem from these two criteria. They divide in two categories. The first is the photonic/phononic crystals, whose properties are linked to their periodic arrangement. The second category is the one of metamaterials, whose properties come from the interaction of their constituents with the waves. The structural effects are generally neglected in the description of these media and they are considered to be homogeneous media with effective parameters. These two types of systems seem very different from the point of view of the interaction with the waves. In this thesis, we focus on locally resonant metamaterials, whose unit cell is a sub-wavelength resonator. Instead of seeing them as effective homogeneous media, the idea is to start from the characteristics of the unit cell of the medium as well as from its spatial arrangement in order to obtain its macroscopic properties. This microscopic approach makes it possible to jointly apprehend the effects of structure and composition. This is described in Chapter I, where we introduce the concept of polariton whose dispersion relation has a band linked to subwavelength modes, and a hybridization bandgap. In Chapter II, we use the latter to induce a localized coupling between resonant defects that is similar to the hopping term found in tight-binding solid-state physics Hamiltonians. We reproduce the band structures of graphene and of the dice lattice, which allows us to measure Dirac cones within the system. In Chapter III, we introduce the concept of crystalline metamaterials, which amounts to seeing these media as photonic/phononic crystals, but on a very small scale compare to the operating wavelength. This allows us to induce a negative band in the system but also a relatively flat band, and Dirac cones. In Chapter IV we break these cones by creating an analogue of the quantum Hall effect of Valley, which amounts to jointly modifying the structure and composition of the unit cell. In Chapter V we again break these cones in order to induce topological properties in the medium and to create a macroscopic analogue of a topological isolator

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Lepert, Guillaume. "Étude des interactions élasto-acoustiques dans des métamatériaux formés d'inclusions résonnantes réparties aléatoirement." Phd thesis, Université Sciences et Technologies - Bordeaux I, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00946591.

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Abstract:

La discrétion acoustique est un enjeu majeur dans le domaine de la défense navale. Dans ce contexte, DCNS Research souhaite évaluer la capacité des métamatériaux acoustiques aléatoires localement résonnants à constituer une rupture technologique, comparativement aux matériaux anéchoïques actuels. Nous nous proposons de dimensionner, suite à une étude paramétrique conséquente, des structures contenant une répartition aléatoire d'inclusions sphériques. Des échantillons de matériaux localement résonnants ont été fabriqués. Leur réponse acoustique a été mesurée et confrontée aux prédictions issues de modèle. L'impact des résonances des inclusions et de l'angle d'incidence a été mis en évidence. Enfin, une méthode d'identification de leurs propriétés effectives a été développée à partir de mesures en réflexion et en transmission. Elle repose sur une configuration expérimentale originale. Des difficultés liées à l'extraction de la masse volumique dynamique sont mises en exergue.

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Wintzenrieth, Frederic. "Propagation du Son et Diffusion de la Lumière dans les mousses." Thesis, Paris 6, 2015. http://www.theses.fr/2015PA066067/document.

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Abstract:

L'objectif de cette thèse est de caractériser et comprendre la propagation d'ondes acoustiques dans les mousses solides ordonnées. Nous avons mis au point une nouvelle sonde acoustique fondée sur la diffusion multiple de la lumière cohérente. Cette sonde appelée Laser Speckle Visibility Acoustic Spectroscopy résout en temps et en espace le champ de déplacement induit par le passage de l'onde acoustique ce qui permet d'en mesurer la relation de dispersion et la longueur d'atténuation. Nous avons validé la technique LSVAS en étudiant ces propriétés pour une mousse aqueuse dont les propriétés viscoélastiques sont par ailleurs connues. Nous avons ensuite élaboré des mousses solides de structure ordonnée en gélifiant des mousses liquides monodisperses produites à l'aide d'un générateur microfluidique. En excitant des ondes acoustiques dans un guide d'onde rempli d'une telle mousse gélifiée, nous avons étudié leur propagation dans une gamme de fréquence jusqu'à 10 kHz. Les célérités longitudinales et transverses ainsi que la longueur d'atténuation mesurées simultanément à basse fréquence montrent que, l'onde acoustique se propage dans la mousse solide comme dans un milieu continu effectif viscoélastique. Les variations des célérités longitudinale et transverse de ce mode lent avec la fraction volumique des bulles sont bien décrites par la loi de Wood et elles sont en accord avec la loi semi-empirique proposée par Ashby & Gibson. Aux fréquences supérieures à quelques centaines de hertz, la longueur d'onde transverse se rapproche de la taille des bulles et le mode lent n'est plus observé. Par contre, un mode beaucoup plus rapide, avec une vitesse comparable à celle du son dans l'air, apparaît. Nous montrons comment on peut décrire ce régime et le fort couplage entre le mouvement des films et du gaz dans le cadre de la théorie acoustique de Biot This thesis aims at characterizing and understanding acoustic wave propagation in ordered solid foams. We developed a new acoustic probe based on coherent light multiple scattering. This probe called Laser Speckle Visibility Acoustic Spectroscopy is sensitive to the displacement field induced by the acoustic wave in time and space, so that the wave dispersion relation and attenuation can be measured. We validated LSVAS measuring the aforementioned properties in aqueous foams which viscoelastic properties were already known. We then elaborated solid foams with ordered structures by gelling monodisperse liquid foams produced with a microfluidic generator. Generating acoustic waves in a wave guide filled with such a gelled foam, we studied their propagation in a frequency range up to 10 kHz. Longitudinal and transverse wave velocities but also attenuation lengths simultaneously measured at low frequency show that the acoustic wave propagates in solid foam like in an effective viscoelastic continuous medium. Longitudinal and transverse wave velocity variations of this slow mode with gas volume fraction are well described by Wood's law and agree with the semi-empirical law suggested by Ashby & Gibson. At frequencies higher than a few hundred hertz, the transverse wavelength approaches the bubble size and this slow mode is not observed any more. Meanwhile, a much faster mode, which velocity compares to the sound wave velocity in air, appears. We show how this regime and the strong coupling between film and gas displacement in the framework of Biot's acoustic theory

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Thieury, Margaux. "Développement de métamatériaux super-absorbants pour l’acoustique sous-marine." Thesis, Université Paris sciences et lettres, 2020. http://www.theses.fr/2020UPSLS004.

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Abstract:

L’évolution constante des performances des sonars nécessite de nouveaux designs de revêtements absorbants pour l’acoustique sous-marine. De tels revêtements sont utilisés pour améliorer la furtivité des sous-marins, mais ils permettent également d’accroître l’efficacité des systèmes de détection embarqués. Les méta-écrans bulleux (lointains descendants des revêtements de type Alberich) représentent une solution possible pour répondre à cet enjeu. Ils sont constitués d’une distribution périodique bi-dimensionnelle de cavités d’air de taille sub-longueur d’onde emprisonnées dans une matrice viscoélastique. Lorsqu’elles sont excitées par une onde acoustique, les cavités se comportent comme des bulles d’air, et présentent une résonance basse fréquence, dite de "Minnaert". Sous certaines conditions, le méta-écran bulleux permet d’atteindre une absorption totale lorsqu’il est placé devant un réflecteur parfait. Ce travail de thèse a permis la mise au point d’un modèle phénoménologique, validé par des simulations numériques et des mesures en cuve, pour prédire les coefficients de réflexion et de transmission d’un méta-écran bulleux en fonction de ses caractéristiques géométriques et rhéologiques. Ce modèle prend en compte l’influence de la température et de la pression statique sur les performances du méta-écran, ainsi que celle de la forme des cavités The constant evolution of sonar performance requires new designs of absorbent coatings for underwater acoustics. Such coatings are used to improve stealth of submarines but can also improve the efficiency of on-board detection systems. Bubble meta-screens (reminiscent of the so-called Alberich coatings) are a possible solution to tackle this issue. A bubble meta-screen consists of a periodic distribution of sub-wavelength air cavities trapped in a visco-elastic matrix. The cavities acoustically behave as bubbles and exhibit a low frequency resonance, known as the Minnaert resonance. Under certain conditions, the meta-screen can achieve a total absorption when placed in front of a perfect reflector. This doctoral work allowed us to build a phenomenological model, validated by numerical simulations and experiments, which can predict the reflection and transmission coefficients of the meta screen as a function of its geometric and rheological characteristics. Our model takes into account the influence of the temperature and static pressure on the performance of a meta-screen, as well as the role played by the shape of the cavities

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Cocquet, Pierre-Henri. "Etude mathématique et numérique de modèles homogénéisés de métamatériaux." Phd thesis, Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00764174.

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Abstract:

Cette thèse concerne la modélisation mathématique et l'approximation numérique de modèles homogénéisés de métamatériaux. Dans la première partie on étudie des problèmes de propagation d'ondes en présence de métamatériaux homogénéisés tels que les équations de Maxwell, le système de l'acoustique ou de l'élasticité linéaire. Nous établissons des résultats d'existence et d'unicité pour ces systèmes sous des hypothèses phénoménologiques sur le métamatériau en accord avec certains modèles de la littérature. Nous abordons ensuite leurs approximations numériques. Nous présentons des résultats concernant les éléments finis pour l'approximation de l'équation de Helmholtz qui montrent que ce schéma peut ne pas converger en présence de métamatériaux. On propose alors un schéma adapté aux métamatériaux, le schéma EF-AL, qui converge dès que le problème est bien-posé. On termine par l'étude du schéma Galerkin Discontinu dont on montre numériquement sa convergence sur des exemples de métamatériaux. La seconde partie présente l'homogénéisation non-périodique formelle de métamatériaux acoustiques. Les travaux d'A.G. Ramm sur la création de milieux à partir d'assemblages d'obstacles sont repris afin de préciser l'asymptotique fine du comportement du champ diffracté par un nombre fini de petites boules de rayon \delta. On utilise pour cela la méthode des développements asymptotiques raccordés. On établit l'existence et l'unicité de ce dernier et des estimations d'erreurs qui valident l'approche formelle. On suppose ensuite que le nombre de petits objets tend vers l'infini lorsque \delta tend vers 0 et passons à la limite dans le développement. Une approximation de Born permet d'obtenir l'indice du milieu contenant tous les objets qui, dans certains cas, est celui d'un métamatériau.

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Zhang, Jiangyi. "Nonlinear phenomena in 1D acoustic metamaterials." Thesis, Le Mans, 2019. http://www.theses.fr/2019LEMA1014.

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Abstract:

Cette thèse porte sur la propagation d’ondes non-linéaires dans des métamatériaux acoustiques unidimensionnels. Plus précisément, nous voulons étudier les interactions entre les non-linéarités, les pertes et la dispersion. Ce travail combine des calculs analytiques, des simulations numériques et des résultats expérimentaux. En particulier, nous concentrons notre analyses sur deux phénomènes : la génération du second harmonique et la formation de solitons acoustiques. Deux types différents de métamatériaux sont étudiés : (i) un guide d’onde chargé par une distribution périodique de trous latéraux (milieu à densité effective négative) et (ii) un guide d’onde chargé périodiquement par des plaques élastiques encastrées (milieu à masse effective négative). En s’appuyant sur une analogie électroacoustique et sur la théorie des lignes de transmission, un modèle discret de la propagation est développé pour chaque système. L’approximation des grandes longueurs d’ondes est ensuite utilisée pour obtenir une modèle continu permettant d’établir une équation non-linéaire, dispersive et dissipative pour la propagation. Cette dernière est analysée à l’aide de la méthode des perturbations conduisant à une expression analytique pour la génération du second harmonique. De plus, la méthode des échelles multiples est utilisée pour obtenir les diverses solutions de solitons d’enveloppe (bright, dark et gray) présents dans les systèmes. Les prédictions analytiques sont corroborées par des simulations numériques directes et des mesures de la génération de second harmonique sont effectuées mettant en lumière un bon accord avec le modèle théorique The subject of this PhD thesis is the propagation of nonlinear waves in 1D acoustic metamaterials. More specifically we aim to study the interplay between nonlinearity, loss and dispersion. Our studies combine analytical calculations, numerical simulations and experimental results. In particular we focus our analysis on two main phenomena: the second harmonic generation and the formation of solitary waves. Two different acoustic metamaterials are studied: (i) A waveguide loaded with a periodic distribution of side holes (featuring negative effective bulk modulus) and (ii) a waveguide periodically loaded with clamped elastic plates (featuring negative effective mass density). Relying on the electroacoustic analogy and the transmission line approach, we derive a discrete lattice model for each system. The corresponding long wavelength, continuum approximation of the lattice models, leads to a nonlinear, dispersive and dissipative wave equation. From the latter, by utilising a perturbation method, we obtain analytical results regarding the second harmonic generation. Furthermore with the use of a multiple scale analysis we find various envelope (bright, gap, black and gray) soliton solutions supported by the acoustic metamaterial. The analytical predictions are corroborated by direct numerical simulations. We finally perform experiments on an acoustic waveguide loaded with a periodic distribution of side holes and measure the second harmonic generation in close agreement with our theoretical predictions

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Donda, Krupali. "Low-frequency Absorbing Acoustic Metasurfaces : Deep-learning Approach and Experimental Demonstration." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2021. http://www.theses.fr/2021LORR0268.

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Abstract:

L'avènement et le développement des métamatériaux/métasurfaces acoustiques au cours des dernières années ont bouleversé les approches conventionnels concernant de la propagation et de la manipulation des ondes acoustiques et même au-delà. Dans le contexte de l'absorption acoustique, ces structures artificielles ont ouvert des possibilités et des opportunités sans précédent pour s’atteler aux problèmes de l’absorption acoustique et du bruit en très basses fréquences défiant les limitations physiques classiques. L'objectif principal de cette thèse est de concevoir et réaliser des métasurfaces acoustiques pour l'absorption acoustique en extrême basses fréquences (<100Hz). Tout d'abord, le concept de métasurface absorbante à enroulement d’espace (MCM) est proposé. L'efficacité de son mécanisme physique associé est démontré théoriquement, numériquement et expérimentalement. Le MCM présenté est capable d'absorber entièrement l'énergie acoustique à une fréquence extrêmement basse de 50 Hz avec une épaisseur ultrasub-longueur d'onde (λ/527). Pour contourner les approches conventionnelles basées sur des méthodes et formalismes de simulation classiques, de nouvelles approches basées sur le deep-learning est introduit dans ce travail de thèse. En particulier, le réseau de neurones convolutif (CNN) et les réseaux adverses génératifs conditionnels (CGAN) sont mis en œuvre pour simuler et optimiser les structures complexes de métasurfaces absorbantes. Le cadre développé basé sur l'apprentissage profond pour ces métasurfaces absorbantes peut être potentiellement étendu à la conception et à l'optimisation d'autres dispositifs acoustiques. Cette thèse fournit de nouvelles méthodes et outils pour la conceptions de métasurfaces acoustiques basées sur le deep-learning qui pourrait permettre à la communauté acoustique de se concentrer davantage sur des idées vraiment créatives pour résoudre les problèmes de conception complexe qui doivent encore être explorés par la machine, plutôt que sur des processus fastidieux d'essais et d'erreurs The advent and development of acoustic metamaterials and metasurfaces in recent years has overturned conventional means in all aspects of acoustic waves propagation and manipulation. In the context of the sound absorption and noise conrtol, it has offered an unprecedented expansion of our ability to attenuate the low-frequency sound beyond the classical physical limits. The main aim of this PhD dissertation is to conceive and design acoustic metasurfaces for extreme low-frequency absorption (<100Hz). First, the concept of multicoiled metasurface absorber (MCM) is proposed and discussed. The effectiveness of its physical mechanism is theoretically, numerically, and experientially demonstrated. The presented multicoiled metasurface is capable of fully absorbing acoustic energy at extreme low-frequency of 50Hz with a deep subwavelength thickness (λ/527). To circumvent the conventional physics- and rule-based approaches and accelerate the design process, novel deep learning-based framework is introduced in this dissertation. Specifically, the convolutional neural network (CNN) and conditional generative adversarial networks (CGAN) are implemented to simulate and optimize complex metasurface absorber structures. The developed deep learning-based framework for the acoustic metasurface absorbers can be potentially extended to the design and optimization of other acoustic devices and structures. This dissertation provides a new way for deep learning-enabled acoustic metasurface designs that will allow acoustics community to focus more on truly creative and pragmatic ideas. This will be led to solving complex design problems that have yet to be explored by the machine, rather than on tedious trial and error processes

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Marchal, Rémi. "Métamatériaux acoustiques actifs." Thesis, Paris 6, 2014. http://www.theses.fr/2014PA066647/document.

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Abstract:

En accord avec l'équation de propagation des ondes élastiques dans la matière, l'expression de la vitesse du son n'interdit pas à la masse volumique et à la compressibilité effectives du milieu d'être toutes deux négatives. Comment concevoir alors un tel matériau qualifié de métamatériau acoustique ? Qu'elles sont ses principales propriétés ? Cette thèse expérimentale a pour objectif la conception et la caractérisation d'un métamatériau pour les ondes de Lamb (ondes de plaque) de fréquences comprises entre 1MHz et 10MHz.L'approche mise en place repose sur le théorème d'Helmholtz qui permet de voir la propagation d'une onde élastique d'énergie finie comme le résultat d'un processus de couplage entre deux états de vibration de la matière, l'un de cisaillement sans changement de volume (vibration de symétrie dipolaire), l'autre se faisant avec changement de volume sans cisaillement (vibration monopolaire). Ainsi, la modification des paramètres effectifs décrivant la propagation pourrait passer par un contrôle local de ces deux états élémentaires de vibration, au moyen par exemple de résonateurs locaux homogénéisables.Le modèle de matériau choisi dans le cadre de cette thèse est une hétérostructure formée par un wafer de silicium sur lequel sont gravés, en tant que cellules mécaniques élémentaires, des paire de trous et des piliers isolés de silicium. La démarche expérimentale a consisté à étudier la diffusion élastique des ondes de Lamb sur ces deux types de cellules élémentaires à l'aide d'un montage tout optique. La génération des ondes fut assurée par la focalisation le long d'une ligne d'un faisceau laser Nd:YAG picoseconde permettant d'obtenir une source blanche acoustique. La détection fut réalisée à l'aide d'un interféromètre de Michelson doté d'un bras opto-mécanique permettant une cartographie point par point du champ de déformation de l'onde avec une sensibilité d'environ 1pm (pour une largeur de bande de 1MHz) sur une surface de 25x25mm2 avec une résolution spatiale et temporelle d'environ 1microns et 0.2nanosecondes.Cette étude aura permis de mettre en évidence la présence d'une ondelette réémise par la paire de trous ou le pilier autour de leurs fréquences de résonance et de décrire la diffusion cohérente résonante comme le résultat de l'interférence entre l'onde incidente et l'ondelette réémise. Dans le cas de la paire de trous, ces résultats ont permis d'interpréter et de comprendre le domaine de fréquences interdites d'un cristal phononique, ainsi que de décrire la dynamique de formation des modes d'une cavité phononique planaire. Dans le cas du pilier, il fut possible d'envisager la fabrication d'un système possédant les propriétés attendues pour un métamatériau acoustique.Cette thèse s'inscrit dans le projet de recherche de l'équipe Acoustique pour les Nanosciences de l'Institut des Nanosciences de Paris consacré à la structuration artificielle de la matière aux échelles micro et nanométriques pour le contrôle de la propagation des ondes élastiques. Les applications potentielles couvrent des domaines allant de la santé (imagerie haute résolution) à la défense (cape d'invisibilité) en passant par les télécommunications ou encore le bâtiment (isolation phonique).De par son caractère stratégique pour la Défense, ce travail a bénéficié du soutien de la DGA et de l'ANR sous la forme du projet ANR-ASTRID "METACTIF". Il a été effectué en collaboration avec une équipe de l'Université Lille 1, spécialisée dans la simulation numérique. Les échantillons ont été fabriqués dans le cadre d'une collaboration avec la salle blanche MIMENTO de l'Institut Femto-St de Besançon According with the elastic wave equation, the expression of the speed allows the motion of waves with an effective density and an effective compressibility both negative. How can we imagine and create a material of this kind, called metamaterial? What would be its properties?This experimental thesis involved to produce and to characterize a metamaterial for elastic Lamb waves (sismic waves) in the frequency range [1MHz-10MHz].On the basis of the Helmholtz theorem, the wave motion of Lamb waves is due to a coupling process between two vibrations states of the matter; one dipolar vibration (pure bending mode) coupling with one monopolar vibration (pure compressional mode). As a result, the modification of the macroscopic parameters governing the wave motion could be realised by the control of these only two vibrations states, thanks to homogeneous local resonators.Isolated silicon pillars and pairs of holes in silicon plate as potentially "good" candidate to fulfill this requirement. Structures were elaborated with deep reactive-ion etching technique (DRIE) using Bosch process in a silicon wafer.We had an experimental approach consisting in measuring the eigenfrequencies of the structures to select the one which allows fulfilling the homogenization criteria at the best and then mapping the scattered field associated to a Lamb wave interacting with the structures while vibrating onto the preselected eigenmode.To conduct this study, we used an all-optical experimental device. Generation of Lamb waves were managed to use an Nd:YAG laser focused along a line on the surface to get a white elastic source. The detection was realized with a power-operated Michelson interferometer, allowing to measure the displacement field with a resolution of around 1pm (on frequencies range of 1MHz).This study had allowed to evidence a scattering process described by the interference between the incident field and a reemitted wave emitted by the resonator. For the pairs of hole structures, these results enabled to understand the description of the bandgap of a phononic crystal in terms of bragg reflexion and to describe the dynamic of formation of phononic cavity modes. Concerning the pillars, these results enabled to make a device, using the Huygens-Fresnel principal, with the properties of a metamaterial.This PhD work follows on from the research projet of the team Acoustique pour les Nanoscience of the Nanosciences Institut of Paris (INSP).This work is jointly supported by the Agence Nationale de la Recherche and Direction Générale de l’Armement under grant ANR METACTIF. The simulations were realised in collaboration with a team at the Université Lille 1. The samples have been elaborated in MIMENTO facilities at Femto-ST institute in Besançon

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Jin, Yabin. "Design of acoustic artificial structured materials : piezoelectric superlattice, gradient index lens, pillar based phononic crystal plate." Thesis, Lille 1, 2017. http://www.theses.fr/2017LIL10011/document.

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Abstract:

Les cristaux phononiques et métamatériaux acoustiques sont des matériaux structurés artificiels qui fournissent un moyen prometteur pour manipuler les ondes acoustiques avec de nombreuses applications potentielles nouvelles. Après une introduction à l'état de l'art, le chapitre 2 propose des multicouches actives à base de structures piézoélectriques résonnantes. Leur transmission et leurs propriétés effectives peuvent être contrôlées activement en changeant les conditions électriques. Le chapitre 3 développe des méthodes d'homogénéisation pour une plaque de cristal phononique et montre pour la première fois la possibilité de contrôler simultanément la propagation de toutes les ondes fondamentales de Lamb. La méthode est appliquée à la conception de lentilles à gradient d'indice. Le chapitre 4 propose un nouveau type de cristal phononique en plaque à base de piliers creux qui met en évidence de nouveaux modes fortement localisés, tels que les modes de galerie, aussi bien dans le gap de Bragg que dans un gap à basse fréquence. Ces modes peuvent être activement accordés en remplissant les parties creuses des piliers avec un liquide dont on contrôle la hauteur ou la température. Le chapitre 5 propose une métasurface acoustique comportant un pilier unique ou une ligne de piliers déposés sur une plaque. Ces piliers ont des modes de résonance dipolaires et monopolaires qui sont très sensibles aux paramètres géométriques des piliers. Nous étudions en détail l'amplitude et la phase des ondes émises lorsqu'une onde incidente est diffusée par les piliers et montrons qu'elles peuvent être décrites comme des ondes émises par les piliers résonnants comme sources d'ondes acoustiques Phononic crystals and acoustic metamaterials are artificial structured materials which provide a promising way to manipulate acoustic/elastic waves with many novel potential applications. After an introduction to the state of the art, the 2nd chapter designs actively controlled multilayers with piezoelectric resonant structures. The corresponding transmission and effective properties can be tuned by changing the electric boundary conditions of the piezoelectric materials. The 3rd chapter develops homogenization methods for phononic crystal plates and demonstrates for the first time the possibility of controlling simultaneously all the fundamental Lamb waves. The full control method developed here is applied to the design of various gradient index lenses that can exhibit several functionalities such as wave focusing or wave beaming. The 4th chapter designs a new type of phononic crystal/metamaterial plate with hollow pillars that exhibits several new localized modes, such as whispering-gallery modes, inside both Bragg and low frequency band gaps. These modes can be actively tuned by filling the hollow parts with a liquid for which the height or the temperature is controlled. The 5th chapter proposes acoustic metasurface consisting of a single pillar or one line of pillars deposited on a thin plate. Local resonances of dipolar and monopolar symmetries can be characterized which are very sensitive to the pillar’s geometric parameters. We study the amplitude and phase of the waves resulting from the scattering of an incident wave by the pillars and show that they can be described as dipolar or monopolar waves emitted by the pillar resonators as acoustic sources

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Abbad, Ahmed. "Développement d'un traitement acoustique basses-fréquences à base de résonateurs d'Helmholtz intégrés à membrane électroactive." Thèse, Université de Sherbrooke, 2018. http://hdl.handle.net/11143/11906.

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Abstract:

L'utilisation des moyens de transport et des machines au quotidien a fortement contribué à l'amplification des phénomènes générant de la nuisance sonore. L'élimination des bruits en basses fréquences est actuellement la cible de différentes recherches. Plusieurs stratégies ont émergé comme l'utilisation des résonateurs de Helmholtz, de membranes vibrantes mais surtout des systèmes hybrides actif-passif. L'originalité de ce projet de doctorat consiste en la proposition d'une solution technologique d'un résonateur de Helmholtz adaptatif à volume variable, permettant ainsi de s'affranchir du caractère mono-fréquentiel des résonateurs de Helmholtz passifs. Le réglage de volume s'effectue grâce à l'utilisation d'une membrane en polymère électroactif (EAP), permettant ainsi d'accorder les résonances du système. Le comportement mécanique de ces matériaux est modifié lorsqu'ils sont stimulés par un champ électrique. Des améliorations significatives en perte par transmission acoustique sont obtenues en basses fréquences par deux effets: la variation de raideur de la membrane et l'augmentation de volume due à la déformation de la membrane. Des études numériques, analytiques et expérimentales sont réalisées pour déterminer le potentiel des concepts proposés. Enfin, une structure périodique contenant 9 résonateurs adaptatifs à membranes électroactives est étudiée en champs diffus permettant d'évaluer les performances acoustiques du concept distribué.

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Chikh-Bled, Feriel-Hiba. "Métamatériaux acoustiques piézoélectriques pour le contrôle d'ondes guidées." Thesis, Normandie, 2020. http://www.theses.fr/2020NORMLH16.

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Abstract:

Ce travail concerne la propagation des ondes élastiques dans un Cristal Phononique (CP) actif constitué d’une plaque piézoélectrique homogène, polarisée suivant son épaisseur et recouverte sur ses deux faces d’un réseau périodique 1D d’électrodes minces connectées à des impédances. L’intérêt de ce type de CP, réalisé à partir de matériaux actifs, est la possibilité de moduler, de façon statique ou dynamique, la structure de bandes. Le matériau utilisé étant piézoélectrique, l’accordabilité du dispositif est obtenue en appliquant différentes conditions aux limites électriques périodiques (CLE) conduisant à un contrôle de la dispersion des ondes de Lamb guidées se propageant dans le CP. Plus particulièrement, on s’intéresse dans cette étude au cas d’électrodes avec un potentiel flottant ou connectées à des inductances. On montre dans ce dernier cas l’ouverture de gaps d’hybridation grâce au couplage des ondes élastiques à des résonances électriques. Deux méthodes sont utilisées pour l'obtention des courbes de dispersion expérimentales. : d’une part la mesure de l'impédance électrique sur une électrode du CP donnant un spectre dont les pics correspondent à la présence d'ondes guidées stationnaires; d'autre part, la mesure du potentiel électrique sur chaque électrode, permettant de compléter la caractérisation en analysant les couplages de modes en fonction des symétries du système. Cette étude expérimentale s’appuie sur une modélisation élastodynamique complète, prenant en compte les caractéristiques piézoélectriques et les effets de couplage de modes propres de Lamb dans le CP This work concerns the propagation of elastic waves in an active Phononic Crystal (PC) consisting of a homogeneous piezoelectric plate, polarized according to its thickness and covered on both sides with a 1D periodic array of thin electrodes connected to impedances. The advantage of this type of CP, made from active materials, is the possibility of modulating, statically or dynamically, the band structure. Since the material used is piezoelectric, the tunability of the device is obtained by applying different periodic electrical boundary conditions (PEC) leading to control of the dispersion of the guided Lamb waves propagating in the CP. More particularly, we are interested in this study in the case of electrodes with a floating potential or connected to inductors. In the latter case, we show the opening of hybridization gaps thanks to the coupling of elastic waves to electrical resonances. Two methods are used to obtain the experimental dispersion curves. : on the one hand, the measurement of the electrical impedance on an electrode of the CP giving a spectrum whose peaks correspond to the presence of standing guided waves; on the other hand, the measurement of the electric potential on each electrode, making it possible to complete the characterization by analyzing the mode couplings as a function of the symmetries of the system. This experimental study is based on a complete elastodynamic modeling, taking into account the piezoelectric characteristics and the eigenmode coupling effects of Lamb in the CP

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Métais, Samuel. "Façonnage des ondes : de la superdirectivité à la superrésolution." Thesis, Sorbonne Paris Cité, 2019. http://www.theses.fr/2019USPCC008.

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Abstract:

Durant cette thèse nous nous sommes intéressés à la physique des ondes globale. En repartant de l’équation de d’Alembert, il émerge trois leviers principaux qui permettent le contrôle des ondes : contrôle sur les sources, contrôle sur les conditions aux limites, et contrôle sur le milieu de propagation lui-même. Dans un premier lieu, nous avons utilisé les propriétés d’une métasurface binaire électroniquement reconfigurable en cavité micro-ondes. Cet objet permet de contrôler le champ au sein de la cavité. Celle-ci a ensuite été ouverte, et nous avons montré que le contrôle s’étendait à l’émission en champ lointain. Ce système réalise donc une antenne compacte directive et reconfigurable. Dans un second temps, nous avons considéré l’approche métamatériaux pour réaliser une antenne dite superdirective. En effet, les antennes sont soumises à des limitations de directivité liées à leur taille, dont la prédiction date des années 40. En utilisant un milieu de fils, nous avons montré que ce métamatériau qui permet le contrôle du champ proche à une échelle sub-longueur d’onde, peut influencer le rayonnement d’une source unique au point de réaliser une antenne superdirective avec seulement quatre diffuseurs résonants passifs. Enfin, nous avons réalisé en acoustique une preuve de concept d’une nouvelle technique d’imagerie non-linéaire. Depuis l’illumination structurée, c’est l’imagerie d’agents de contraste, souvent fluorescent, qui permet de battre la limite de diffraction. Ici, nous proposons une idée basée sur l’effet Doppler. Nous montrons dans un premier temps qu’imager avec des sources et des récepteurs en rotation permet d’égaler au moins l’illumination structurée. Dans un second temps, nous montrons que cette rotation génère une information spectrale supplémentaire qui permet d’atteindre la super-résolution During this PhD, we have taken interest in general wave physics. From d’Alembert’s wave equation, one can find three ways of controlling the waves : tuning the source distribution, for one part, altering the boundary conditions, for another part, and finally, modeling the propagation medium itself. Those three tools have been demonstrated during three different projects. Firstly, we have used an electronically reconfigurable binary métasurface to control the wave field inside a micro-wave cavity. Extending this concept to an open cavity, we have demonstrated that we can actually control the farfield emission of this system. This has allowed us to design a compact reconfigurable directive antenna from an open micro-wave cavity. Secondly, we have used the metamaterial approach to overcome the directivity limit of antenna that has been considered by the community since its prediction in the 40s. Using a wire medium, which is known for its sub-wavelength control of the nearfield, we have extended this to the farfield emission of a singular source inside. Using only four passive resonant scatterers, we have been able to make a single source superdirective. Lastly, we have designed and performed an acoustic experiment to create a new non-linear imaging technique. Ever since the contributions of structured illumination and non-linear fluorescent imaging, breaking the diffraction limit has been shown to be possible. We design here a new method, based on the Doppler effect, to get rid of contrast agents. Using rotating sources and receivers, we have shown that this system performs, in homodyne detection, as well as a structured illumination microscope. However, the spectral richness of the signal allows us to further hence the resolving power of our system, and hence, achieve true super-resolution

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Malléjac, Matthieu. "Metamaterials with extreme properties for the control of acoustic waves." Thesis, Le Mans, 2020. http://cyberdoc-int.univ-lemans.fr/Theses/2020/2020LEMA1024.pdf.

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Abstract:

Les métamatériaux à indice nul, pour lesquels au moins un des paramètres effectifs s’annule (densité ou compressibilité dynamique pour l’acoustique), ont fait l’objet d’une attention considérable au cours de ces dernières années. Ces matériaux ont la particularité d’induire une augmentation remarquable de la longueur d’onde effective, offrant ainsi de nombreuses possibilités d’application, incluant entre autres la propagation sans changement de phase, la dissimulation acoustique de diffuseurs, le contrôle de la directivité, etc. Ce travail de doctorat se concentre particulièrement sur le régime de densité effective quasi-nulle dans des métamatériaux acoustiques constitués de plaques fines dans l’air. Grâce à une étude approfondie d’un arrangement périodique de fines plaques élastiques encastrées dans un guide d’onde, nous avons pu explorer analytiquement, numériquement et expérimentalement certains des effets ci-dessus. Une attention particulière est portée sur les pertes inhérentes à ce type de système et à leurs conséquences sur les comportements attendus. Nous débutons par l’étude numérique et l’observation expérimentale d’une propagation sans changement de phase à travers le métamatériau, à une fréquence située dans une bande interdite du système fini. Nous transposons ensuite le concept de dopage photonique à l’acoustique. L’ajout dans le système d’une impureté, ici un résonateur de Helmholtz bien choisi, permet de transformer le régime de densité nulle en un régime où la densité et la compressibilité sont simultanément quasi-nulles. Ainsi, la propagation sans changement de phase est accompagnée d’une transmission unitaire, due à l’accord d’impédance du système avec l’air environnant. Nous étudions enfin la possibilité de réaliser une dissimulation ou un masquage acoustique d’un objet en utilisant l’extension de la longueur d’onde acoustique, offerte par la densité nulle Zero-index metamaterials, for which at least one of the effective parameters (density or dynamic compressibility for acoustics) vanishes, have received considerable attention in recent years. These materials have the particularity of inducing a considerable increase in the effective wavelength, thus offering numerous application possibilities, including, among others, propagation without phase change, acoustic hiding of diffusers, directivity control, etc. This PhD work focuses particularly on the near-zero effective density regime in acoustic metamaterials made of thin plates in air. Through an in-depth study of a periodic arrangement of thin elastic plates embedded in a waveguide, we have been able to explore analytically, numerically and experimentally some of the above effects. Particular attention is paid to the losses inherent to this type of system and their consequences on the expected behavior. We begin by studying numerically and experimentally observing a phase-change-free propagation through the metamaterial at a frequency in a stopband of the finite system. We then transpose the concept of photonic doping to acoustics. The addition of an impurity, here a well-chosen Helmholtz resonator, to the system allows to transform the regime of zero density into one where density and compressibility are simultaneously near zero. Thus, propagation without phase change is accompanied by a unitary transmission, due to the impedance matching of the system with the surrounding air. Finally, we study the possibility of performing acoustic hiding or masking of an object using the acoustic wavelength stretching offered by the zero density

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Nemati, Navid. "Macroscopic theory of sound propagation in rigid-framed porous materials allowing for spatial dispersion : principle and validation." Phd thesis, Université du Maine, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00976907.

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Abstract:

This work is dedicated to present and validate a new and generalized macroscopic nonlocal theory of sound propagation in rigid-framed porous media saturated with a viscothermal fluid. This theory allows to go beyond the limits of the classical local theory and within the limits of linear theory, to take not only temporal dispersion, but also spatial dispersion into account. In the framework of the new approach, a homogenization procedure is proposed to upscale the dynamics of sound propagation from Navier-Stokes-Fourier scale to the volume-average scale, through solving two independent microscopic action-response problems. Contrary to the classical method of homogenization, there is no length-constraint to be considered alongside of the development of the new method, thus, there is no frequency limit for the medium effective properties to be valid. In absence of solid matrix, this procedure leads to Kirchhoff-Langevin's dispersion equation for sound propagation in viscothermal fluids. The new theory and upscaling procedure are validated in three cases corresponding to three different periodic microgeometries of the porous structure. Employing a semi-analytical method in the simple case of cylindrical circular tubes filled with a viscothermal fluid, it is found that the wavenumbers and impedances predicted by nonlocal theory match with those of the long-known Kirchhoff's exact solution, while the results by local theory (Zwikker and Kosten's) yield only the wavenumber of the least attenuated mode, in addition, with a small discrepancy compared to Kirchhoff's. In the case where the porous medium is made of a 2D square network of cylindrical solid inclusions, the frequency-dependent phase velocities of the least attenuated mode are computed based on the local and nonlocal approaches, by using direct Finite Element numerical simulations. The phase velocity of the least attenuated Bloch wave computed through a completely different quasi-exact multiple scattering method taking into account the viscothermal effects, shows a remarkable agreement with those obtained by the nonlocal theory in a wide frequency range. When the microgeometry is in the form of daisy chained Helmholtz resonators, using the upscaling procedure in nonlocal theory and a plane wave modelling lead to two effective density and bulk modulus functions in Fourier space. In the framework of the new upscaling procedure, Zwikker and Kosten's equations governing the pressure and velocity fields' dynamics averaged over the crosssections of the different parts of Helmholtz resonators, are employed in order to coarse-grain them to the scale of a periodic cell containing one resonator. The least attenuated wavenumber of the medium is obtained through a dispersion equation established via nonlocal theory, while an analytical modelling is performed, independently, to obtain the least attenuated Bloch mode propagating in the medium, in a frequency range where the resonance phenomena can be observed. The results corresponding to these two different methods show that not only the Bloch wave modelling, but also, especially, the modelling based on the new theory can describe the resonance phenomena originating from the spatial dispersion effects present in the macroscopic dynamics of the matarial.

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Bricault, Charlie. "Diminution des vibrations et du bruit rayonné d'une paroi par contrôle distribué." Thesis, Le Mans, 2017. http://www.theses.fr/2017LEMA1009/document.

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Abstract:

L'allègement des structures est un enjeu économique important dans les domaines d'activités industrielles telles que l'automobile, l'aéronautique ou le naval, qui intègrent peu à peu les matériaux composites dans la fabrication des structures. Cet allègement s'accompagne d'un raidissement de la matière qui implique des problèmes de vibrations et d'isolation acoustique. Plusieurs méthodes de traitement existent pour diminuer les vibrations ou le bruit rayonné d'une paroi, mais ces méthodes ont l'inconvénient d'augmenter significativement la masse de la paroi. Afin de répondre à cette problématique, il est proposé dans cette thèse de modifier le comportement dynamique des structures à partir d'un réseau périodique de patchs piézoélectriques shuntés avec un circuit électrique dont il est possible de modifier l'impédance. En contrôlant ainsi le comportement dynamique des patchs piézoélectriques, il est possible de contrôler le comportement vibratoire de la structure et donc de traiter les problèmes de transmissions solidiennes ou de transmissions aériennes.La méthode de shunt choisie est la méthode dite de shunt à capacité négative qui permet de modifier la rigidité d'une structure. Cette méthode dite semi-passive présente plusieurs avantages : la mise en œuvre est simple, il est possible d'intégrer les patchs directement à l'intérieur de la paroi, elle consomme une faible quantité d'énergie électrique et sa mise en application est peu onéreuse Making the structure lighter is an important economic stake in the field of industrial activities such as automotive, aeronautic or naval, which gradually integrate composite materials in the manufacturing of structures. This reduction of the mass goes along with a stiffening of the matter implying acoustics and vibrations issues. Several methods exist to reduce vibrations or acoustic radiations of structures, but these methods increase the mass. In order to answer the problematic, we propose to change the dynamic behavior of structures with a periodic lattice of piezoelectric patches shunted with an electrical circuit whose the impedance can be controlled. Therefore, the control of the coupled behavior of the piezoelectric patches allows the control of vibrational wave's diffusion inside the structure and so to treat the structure-borne vibrations and airborne acoustics emission. The shunt method chosen is negative capacitance shunt which allows to modify the rigidity of a structure. This semi-passive method has several advantages: the implementation is simple, it is possible to integrate the patches directly inside the wall, it consumes a low amonte of electrical energy and its implementation is inexpensive

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Cassier, Maxence. "Analysis of two wave propagation phenomena: 1) Space-time focusing in acoustics; 2) Transmission between a dielectric and a metamaterial." Palaiseau, Ecole polytechnique, 2014. https://theses.hal.science/pastel-01023289/document.

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Abstract:

Cette thèse comporte deux parties indépendantes. Dans la première, à l'aide d'un réseau de transducteurs, nous cherchons à émettre dans un milieu contenant des obstacles diffractants dont nous ignorons les positions une onde venant focaliser en espace et en temps au voisinage d'un de ces obstacles. La solution proposée ici est basée sur la méthode DORT (Décomposition de l'Opérateur de Retournement Temporel) qui conduit à des propriétés de focalisation spatiale en régime harmonique. Cette dernière consiste à effectuer une décomposition en valeurs singulières (SVD) de l'opérateur de diffraction qui à une distribution de signaux envoyés aux transducteurs associe la mesure de l'onde diffractée. Dans le cadre du modèle asymptotique petits obstacles de Foldy-Lax (justifié ici dans le cas bidimensionnel), nous montrons comment synchroniser les signaux fournis par la méthode DORT en introduisant une SVD particulière liée au caractère symétrique de l'opérateur de diffraction. Notre méthode est justifiée par des arguments théoriques et une étude numérique. La seconde partie est dédiée à un problème de transmission entre un diélectrique et un métamatériau. La question qui est posée ici consiste à étudier la validité du principe d'amplitude limite (PAL) dans un tel milieu. Ce principe définit le régime périodique établi comme le comportement asymptotique en temps long d'un système soumis à une excitation périodique. Nous proposons ici une réponse dans le cas d'un dioptre plan entre un diélectrique et un métamatériau particulier (modèle de Drude). Dans un tel cadre, les équations de Maxwell sont reformulées en une équation de Schrödinger dont nous réalisons l'analyse spectrale complète. Notre étude permet de voir que le PAL est vérifié sauf à une fréquence particulière, appelée fréquence plasmon, pour laquelle les rapports des valeurs prises par la permittivité et par la perméabilité de part et d'autre l'interface sont égaux à -1. Cette fréquence correspond à une résonance du système et la réponse à une telle excitation croît linéairement en temps This thesis consists of two independent parts. In the first one, we consider a reference medium, containing some scatterers whose positions are unknown. Using an array of transducers, our goal is to generate an acoustic wave that would focus in space and in time near one of these scatterers. The technique proposed here is based on DORT method (French acronym for Decomposition of the Time Reversal Operator) which leads to space focusing properties in the frequency domain. It consists in a singular value decomposition (SVD) of the scattering operator, that is, the operator which maps the input signals sent to the transducers to the measure of the scattered wave. In the context of the Foldy-Lax approximation (which is justified here in 2D), by introducing a particular SVD related to the symmetry of the scattering operator, we show how to synchronize the time-harmonic signals derived from the DORT method to achieve space-time focusing. Theoretical properties and a numerical study justify our approach. The second part is devoted to a transmission problem between a dielectric and a metamaterial. The question we consider is the following : does the limiting amplitude principle hold in such a medium? This principle defines the stationary regime as the large time asymptotic behavior of a system subject to a periodic excitation. An answer is proposed here in the case of a two-layered medium composed of a dielectric and a particular metamaterial (Drude model). In this context, we reformulate the time-dependent Maxwell's equations as a Schrödinger equation and perform its complete spectral analysis. As an application of this study, we show finally that the limiting amplitude principle holds except for a particular fequency, called the plasmonic frequency, characterised by a ratio of permittivities and permeabilities equal to -1 across the interface. This frequency is a resonance of the system and the response to this excitation blows up linearly in time

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Dubois, Jérôme. "Homogénéisation dynamique de milieux aléatoires en vue du dimensionnement de métamatériaux acoustiques." Thesis, Bordeaux 1, 2012. http://www.theses.fr/2012BOR14512/document.

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Abstract:

Les métamatériaux sont des milieux prometteurs pour l'imagerie acoustique. Grâce à ces milieux, il est possible de concevoir des lentilles à faces parallèles pouvant dépasser la limite conventionnelle de résolution d'une lentille et par conséquent améliorer les systèmes d'imagerie. Malgré l'intérêt grandissant des chercheurs pour les métamatériaux, le comportement des ondes acoustiques dans ces milieux n'est pas totalement connu. Nous proposons de développer la problématique de la propagation des ondes acoustiques dans un milieu de type métamatériau en détail dans ce manuscrit. Cette étude a permis d'extraire un critère discriminant un métamatériau d'un matériau classique et d'apporter un regard nouveau sur l'amplification des ondes évanescentes dans les métamatériaux.Nous explorons une piste peu empruntée en vue du dimensionnement de métamatériaux : les milieux aléatoires. Nous nous focalisons sur les milieux à deux dimensions dont les phases sont fluides. Dans cette optique, une phase de validation de techniques d'homogénéisation dynamique existantes est réalisée \textit{via} la comparaison des réponses acoustiques d'un écran de diffuseurs répartis aléatoirement obtenues par des simulations numériques FDTD avec celles prédites par des modèles analytiques. L'étude de ces modèles, utiles au dimensionnement de structures aléatoires présentant des réponses acoustiques ciblées, nous a amené à examiner avec attention leur comportement quasi-statique. Une technique d'homogénéisation permettant de prendre en compte explicitement les interactions entre diffuseurs est proposée dans ce contexte. Développée dans le cadre de la diffusion simple et multiple, elle relie les propriétés mécaniques effectives aux moyennes des champs acoustiques dans un volume représentatif.Finalement, l'analyse du comportement d'un milieu aléatoire \og réaliste \fg~possédant théoriquement des bandes fréquentielles à réfraction négative, grâce à des diffuseurs résonants à basses fréquences, a été menée. Différents régimes de fonctionnement atypiques sont identifiés à l'aide de simulations numériques. La confrontation des réponses de ce milieu avec celles d'un cristal phononique est ensuite présentée et révèle une étonnante similitude entre les deux arrangements Metamaterials are promising media for acoustic imaging. For example, such media give the possibility to build flat lenses exhibiting sub-diffraction-limit resolution, thereby improving imaging setup. Despite the growing interest of the researcher for metamaterials, acoustic wave propagation is still not widely known. This work addresses the topic of wave propagation in metamaterials. In this work, we have defined a criterion which differentiate metamaterial from classical material and provide a new insight in the amplification of evanescent waves.We explore how to design metamaterials with random media. We focus on two dimensional media with fluid components. A validation process of existing dynamic homogenization techniques is done via the comparison between the responses of a screen of scatterers obtained by numerical simulations from FDTD with those predict by the analytical models. The study of those models, useful for designing random media with atypical responses, lead us to consider their quasi-static limit. In this context, we propose a homogenization technique which includes explicitly the interactions between scatterers. It is developed for multiple and simple scattering and link the effective properties to the averages of the acoustic fields in a representative volume.Finally, the analysis of the acoustic responses of a realistic random medium having theoretical negative refraction frequency bandwidth, thanks to low frequency resonant scatterers is done. Different atypical responses are identified from the numerical simulations. The comparison between the responses of this medium and those of phononic crystals is presented and shows a surprising similarity of the two arrangements

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Leng, Julien. "Controlling flexural waves using subwavelength perfect absorbers : application to Acoustic Black Holes." Thesis, Le Mans, 2019. http://www.theses.fr/2019LEMA1027/document.

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Abstract:

Le contrôle des vibrations à basse fréquence adapté aux structures légères est un défi scientifique ettechnologique en raison de contraintes économiques et écologiques de plus en plus strictes. De récentes études enacoustique ont portées sur l’absorption totale d’ondes basses fréquences à l’aide d’absorbeurs parfaits sublongueursd’onde. Ces métamatériaux sont obtenus en exploitant la condition de couplage critique. Unegénéralisation de cette méthode pour le domaine élastodynamique serait d’un grand intérêt pour répondre auxexigences du contrôle des vibrations de structures légères à basse fréquence.Cette thèse vise à adapter le problème d’absorption parfaite des ondes de flexion dans des systèmes 1D et 2D avecdes résonateurs locaux en utilisant la condition de couplage critique. Une étude préliminaire sur des systèmes 1D àgéométries simples sont d’abord proposée. Celle-ci propose une méthode de conception de résonateurs simplespour une absorption efficace des ondes de flexion. Une complexification du système 1D est ensuite considérée avecl’étude du couplage critique de Trou Noir Acoustique (TNA) 1D. Ceci a motivé l’interprétation de l’effet TNA à l’aidedu concept de couplage critique afin de présenter des outils clés à de futures procédures d’optimisation pour ce typede terminaisons. La condition de couplage critique est ensuite étendue aux systèmes 2D. L’absorption parfaite parle premier mode axisymétrique d’un résonateur circulaire inséré dans une plaque mince infinie est analysée. Ladiffusion multiple par une ligne de résonateurs circulaires insérés dans une plaque mince 2D infinie ou semi-infinie,appelée métaplaque, est aussi considérée dans l’optique de se rapprocher d’une application industrielle. A traverscette thèse, des modèles analytiques, des simulations numériques et des expériences sont présentés pour valider lecomportement physique des systèmes présentés The vibration control adapted to light structures is a scientific and technological challenge due toincreasingly stringent economic and ecological standards. Meanwhile, recent studies in audible acoustics havefocused on broadband wave absorption at low frequencies by means of subwavelength perfect absorbers. Suchmetamaterials can totally absorb the energy of an incident wave. The generalisation of this method for applicationsin elastodynamics could be of great interest for the vibration control of light structures.This thesis aims at adapting the perfect absorption problem for flexural waves in 1D and 2D systems with localresonators using the critical coupling condition. A study of 1D systems with simple geometries is first proposed. Thisprovides methods to design simple resonators for an effective absorption of flexural waves. The 1D systems thenbecome more complex by studying the critical coupling of 1D Acoustic Black Holes (ABH). The ABH effect is theninterpreted using the concept of critical coupling, and key features for future optimisation procedures of ABHs arepresented. The critical coupling condition is then extended to 2D systems. The perfect absorption by the firstaxisymmetric mode of a circular resonator inserted in a thin plate is analysed. Multiple scattering by an array ofcircular resonators inserted in an infinite or semi-infinite 2D thin plate, called metaplate, is also considered to getclose to practical applications. Through this thesis, analytical models, numerical simulations and experiments areshown to validate the physical behaviour of the systems presented

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Oudich, Mourad. "Contribution à l'étude des cristaux phononiques à résonance locale dans les régimes sonique et hypersonique : approches théorique et expérimentale." Thesis, Nancy 1, 2011. http://www.theses.fr/2011NAN10065/document.

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Abstract:

Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés d'abord au mécanisme de résonance locale en développant différents modèles théoriques pour l'étude de nouveaux cristaux phononiques à résonance locale (CPRL) en plaque dont l'élément principal et l'élastomère (silicone rubber). Le mode opératoire de ce mécanisme a été étudié et les ouvertures des bandes interdites ont été interprétées théoriquement ainsi que les phénomènes physiques mis en jeu. La mise en évidence expérimentale de la bande interdite a été réalisée par la fabrication et la caractérisation de structures CPRL et une parfaite concordance a été constatée entre les résultats théoriques et expérimentaux. Une étude des phénomènes de guidage a permis par ailleurs de montrer la possibilité du confinement et de la transmission d'un seul mode élastique au niveau d'un CPRL. Dans un second temps, nous avons montré que les propriétés d'un CPRL peuvent être reproduites dans le régime hypersonique. En effet, par le biais de la mise en place d'un nouveau modèle théorique et en proposant un nouveau CPRL à ondes de surface à base de films de diamant, nous avons pu montrer que ce type de cristal peut faire l'objet d'applications potentielles à des fins de guidage et de démultiplexage et ainsi initier la conception de nouveaux dispositifs miniaturisés à ondes de surface destinés aux systèmes de télécommunications (>GHz) In this PhD work, we focused our interest on the theoretical and experimental study of locally resonant phononic crystals (LRPC) operating in sonic and hypersonic regimes. We first developed numerical models to understand the dispersion behaviour of elastic waves in those plate-type LRPC in which the silicone rubber plays a key role. We showed that with such structure, we can understand clearly how the local resonance (LR) mechanism operates to give rise to opening of low frequency BG two orders of magnitude that the one allowed by Bragg diffusion. The physics behind such structures was also figured out by means of theoretical models. An experimental study was then undertaken by manufacturing a new LRPC plate which has been characterized in terms of elastic behaviour and BG investigation. A perfect concordance was demonstrated between the theoretical an experimental results by evidencing a 2kHz BG opening using a 6mm diameter rubber stub and 1cm periodicity. In addition, waveguiding phenomena was investigated in those structures and showed the possibility of guiding of only one defect mode unlike conventional PCs in which many defects modes are generated. A second part of this study was dealt with LR mechanism in hypersonic regime. Using a new numerical and theoretical approach, we were able to show the BG opening and waveguiding for surface acoustic waves (SAW) in a LRPC composed of metallic stubs arranged on a diamond semi-infinite substrate. The added value of LR in such frequency regime remains in its ability to select only one guided mode due to the longer involved wavelengths. Such structures can then be suitable for filtering and demultiplexing applications

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Larabi, Hocine. "Cristaux phononiques et métamatériaux acoustiques : applications aux domaines du guidage, filtrage et de l'isolation phonique." Thesis, Lille 1, 2011. http://www.theses.fr/2011LIL10085/document.

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Abstract:

Cette thèse est consacrée à l’étude de certaines propriétés nouvelles des cristaux phononiques et des métamatériaux acoustiques. La plupart des simulations numériques a été réalisée à l’aide de la méthode F.D.T.D. Une partie préliminaire a porté sur l’existence de bandes interdites dans un cristal phononique 2D constitué de cylindres d’acier dans l’eau et notamment une application originale au démultiplexage. Dans ce travail, nous nous sommes plus particulièrement intéressés au cas d’un cristal phononique à résonances localisées présentant de multiples gaps basses fréquences, nettement en dessous du gap de Bragg. Le cristal étudié est constitué de cylindres concentriques de matériaux ayant des constantes élastiques très différentes, immergés dans une matrice fluide. Il présente plusieurs zéros de transmission basses fréquences dont on a étudié les comportements en fonction des paramètres physiques et géométriques. Nous avons montré comment élargir ces zéros de transmission pour obtenir des bandes de fréquences interdites. Nous avons calculé les paramètres effectifs autour d’une résonance et montré que la densité effective massique pouvait devenir négative sur une certaine gamme de fréquence. La dernière partie de ce travail est consacrée à l’étude d’une structure originale 3D, constituée de piliers déposés sur une plaque fine, qui permet d’obtenir l’ouverture d’un gap très basse fréquence par rapport au gap de Bragg. Nous avons étudié les conditions d’existence des bandes interdites ainsi que certaines propriétés de guidage et de filtrage. Enfin, nous avons étudié la transmission entre deux substrats par l’intermédiaire d’un réseau périodique de piliers. Nous avons mis en évidence une transmission exaltée, associée à une résonance de Fano This thesis is devoted to the study of some new properties of phononic crystals and acoustics metamaterials. Most of simulations were carried out using F.D.T.D. method. A preliminary part was devoted to the study of the existence of gaps in a 2D phononic crystal made up of steel cylinders in water and in particular an original application to demultiplexing. In this work, we are more particularly interested by a phononic crystal with localized resonances displaying several low frequencies gaps well below the Bragg gap. The studied crystal consists of concentric cylinders having different elastic constants, immersed in a fluid matrix. It presents several zeros of transmission at low frequencies whose behaviors were studied as a function of the physical and geometrical parameters. We showed how to widen these zeros of transmission to obtain prohibited gaps. We calculated effective parameters around a resonance and showed the possibility of negative effective mass density. The last part of this work is devoted to the study of an original 3D structure, consisted of pillars deposited on a thin plate, which makes it possible to obtain the opening of a very low frequency gap compared to the Bragg gap. We studied the conditions of existence of the forbidden bands as well as guiding and filtering properties of this structure. Finally, we studied the transmission between two substrates across a periodic array of pillars. We highlighted an enhanced transmission, associated to a Fano resonance

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Vasilevskaya, Elizaveta. "Open periodic waveguides : Theory and computation." Thesis, Sorbonne Paris Cité, 2016. http://www.theses.fr/2016USPCD008/document.

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Cette thèse porte sur la propagation des ondes acoustiques dans des milieux périodiques.Ces milieux ont des propriétés remarquables car le spectre associée à l’opérateur d’ondesdans ces milieux a une structure de bandes : il existe des plages de fréquences danslesquelles les ondes monochromatiques ne se propagent pas. Plus intéressant encore, enintroduisant des défauts linéiques dans ce type de milieux, on peut créer des modes guidésà l’intérieur de ces bandes de fréquences interdites. Dans ce manuscrit nous montrons qu’ilest possible de créer de tels modes guidés dans le cas de milieux périodiques particuliersde type quadrillage : plus précisément, le domaine périodique considéré est constitué duplan R2 privé d’un ensemble infini d’obstacles rectangulaires régulièrement espacés (d’unedistance ") dans deux directions orthogonales du plan, que l’on perturbe localement endiminuant la distance entre deux colonnes d’obstacles. Les résultats sont ensuite étendusau cas 3D.Ce travail comporte un aspect théorique et un aspect numérique. Du point de vue théoriquel’analyse repose sur le fait que, comme " est petit, le spectre de l’opérateur associé ànotre problème est "proche" du spectre d’un problème posé sur le graphe obtenu commela limite géométrique du domaine quand " tend vers 0. Or, pour le graphe limite, il estpossible de calculer explicitement le spectre. Ensuite, en utilisant des méthodes d’analyseasymptotique on étudie le spectre de l’opérateur non-limite. On illustre les résultats théoriquespar des résultats numériques obtenus à l’aide d’une méthode numérique spécialementdédiée aux milieux périodiques : cette dernière est basée sur la réduction du problèmede valeurs propres initial (linéaire) posé dans un domaine non-borné à un problème nonlinéaireposé dans un domaine borné (en utilisant l’opérateur de Dirichlet-to-Neumannexact) The present work deals with propagation of acoustic waves in periodic media. Thesemedia have particularly interesting properties since the spectrum associated with theunderlying wave operator in such media has a band-gap structure: there exist intervals offrequences for which monochromatic waves do not propagate. Moreover, by introducinglinear defects in this kind of media, one can create guided modes inside the bands offorbidden frequences. In this work we show that it is possible to create such guidedmodes in the case of particular periodic media of grid type: more precisely, the periodicdomain in question is R2 minus an infinite set of rectangular obstacles periodically spacedin two orthogonal directions (the distance between two neighbour obstacles being "),which is locally perturbed by diminishing the distance between two columns of obstacles.The results are extended to the 3D case.This work has a theoretical and a numerical aspect. From the theoretical point of view theanalysis is based on the fact that, " being small, the spectrum of the operator associatedwith our problem is "close" to the spectrum of a problem posed on a graph which is ageometric limit of the domain as " tends to 0. However, for the limit graph the spectrumcan be computed explicitly. Then, we study the spectrum of the non-limit operatorusing asymptotic analysis. Theoretical results are illustrated by numerical computationsobtained with a numerical method developed for study of periodic media: this method isbased on the reduction of the initial (linear) eigenvalue problem posed in an unboundeddomain to a non-linear problem posed in a bounded domain (using the exact Dirichletto-Neumann operator)

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Guo, Xinxin. "Nonlinear architected metasurfaces for acoustic wave scattering manipulation." Thesis, Le Mans, 2018. http://www.theses.fr/2018LEMA1030/document.

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Ces dernières années, les métamatériaux acoustiques sont largement étudiés pour leur intérêt dans la réalisation de divers types de contrôle des ondes à une échelle sub-longueur d’onde. En particulier, les métasurfaces acoustiques ont montré leur capacité à manipuler des ondes en limites de milieux de propagation via les processus de réflexion, de transmission et de réfraction. Contrairement au régime linéaire qui concerne l’immense majorité des travaux sur les métamatériaux acoustiques, les études sur les propriétés non linéaires des métamatériaux, de surcroit des métasurfaces, restent peu nombreuses, malgré la possibilité de générer des phénomènes acoustiques riches et variés. Les principaux freins au développement des métamatériaux non linéaires sont l'efficacité généralement faible de la réponse non linéaire et le manque de contrôle sur cette non-linéarité. Les travaux de recherche présentés ici ont donc pour objectif de concevoir des architectures de métasurfaces élastiques, permettant un contrôle des ondes acoustiques dans le régime non linéaire. En particulier l’effet de conversion d’une onde fondamentale vers son deuxième harmonique est étudié dans le processus de réflexion et de transmission unidirectionnelle. Cela nécessite le design de la non-linéarité élastique, qui est réalisé à base de modélisations discrètes de systèmes masses-ressorts et d'architectures composées d'éléments tournants. Les métasurfaces ainsi conçues, résonantes et à non-linéarité contrôlée, permettent de générer des effets non linéaires acoustiques inhabituels, potentiellement intéressants pour la manipulation d'ondes acoustiques In recent years, acoustic metamaterials have proven to be of great interest for their ability to achieve a variety of wave control at sub-wavelength scale. In particular, acoustic metasurfaces have shown their ability to manipulate waves from the boundaries of propagation media, via the reflection, transmission and refraction processes. Unlike the linear regime which has been extensively investigated in acoustic metamaterials, studies of the nonlinear acoustic properties of metamaterials, especially nonlinear acoustic metasurfaces, are quite scarce, despite the possibility to lead to a rich and diverse set of non-trivial acoustic phenomena. The key limitations in the development of nonlinear acoustic metamaterials are the typically weak efficiency of their nonlinear response together with the lack of control on this nonlinearity. This PhD research is thus dedicated to the design of nonlinear elastic metamaterial and metasurface architectures, enabling acoustic wave control in the nonlinear regime. Specifically, the conversion effect from a fundamental wave to its second harmonic is studied through the one-dimensional scattering process (reflection and transmission) by metasurfaces. This requires the elastic nonlinearity management, realized via the discrete modeling of lumped-element systems and architectures made of rotating units. Such designed metasurfaces, resonating and with harnessed nonlinearity, can create unusual nonlinear acoustic effects, potentially interesting for wave control. This research open the path to a more systematic study of nonlinear acoustic wave manipulation by metamaterials

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Zeng, Yi. "On the Design and Realization of Broadband Seismic Metamaterials." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2023. http://www.theses.fr/2023LORR0036.

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Les métamatériaux sismiques (SMs) permettent de protéger les bâtiments en atténuant et en contrôlant efficacement les ondes sismiques. Les SM peuvent atténuer les ondes sismiques qui se propagent vers les bâtiments, protégeant ainsi la vie et les biens des personnes. Compte tenu des risques multiples et élevés des tremblements de terre, ainsi que de certains inconvénients qui ne peuvent être ignorés dans les isolations sismiques, les SM ont montré des perspectives d'application. Plusieurs métamatériaux sismiques ont été conçus dans cette thèse pour isoler les ondes sismiques de Rayleigh. Ces métamatériaux peuvent atténuer les ondes sismiques de Rayleigh dans la gamme des basses fréquences et des ultra-basses fréquences, afin de protéger les bâtiments construits par l'homme et de réduire les dommages causés par les tremblements de terre. Ce travail fournit non seulement de nouvelles approaches pour contrôler les ondes sismiques de surface à ultra-basse fréquence, mais aussi de nouvelles idées de conception pour la direction des ondes de surface The seismic metamaterials (SMs) make it possible to protect buildings in a way of efficiently attenuating and effectively controlling seismic waves. The SMs can attenuate seismic waves on the way of propagating to buildings, thereby protecting people's lives and property. Considering the multiple and high hazard of earthquakes, as well as some disadvantages that cannot be ignored in the seismic isolations, SMs have shown the application prospects. Several SMs are design in this thesis for isolating seismic Rayleigh waves. These SMs can attenuate seismic Rayleigh waves in the wide-low-frequency range and ultra-low frequency range, to protect man-made buildings and reduce the damage of earthquakes. This work not only provides new approaches for controlling seismic surface waves at ultra-low frequency, but also provides new design ideas for steering surface wave

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Wan, Sheng. "Nonreciprocal Acoustic Metamaterials based on Time-Varying Media." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2022. http://www.theses.fr/2022LORR0230.

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Les métamatériaux acoustiques nonréciproques sont des dispositifs asymétriques à inversion temporelle dans lesquels le champ de réponse est différent lorsque la source et le récepteur sont interchangés. Les métamatériaux acoustiques nonréciproques ont considérablement élargi l'horizon de l'ensemble du domaine acoustique. En tant que nouvelle catégorie de métamatériaux acoustiques nonréciproques, les milieux variant dans le temps suscitent l'intérêt de la recherche ces dernières années. Dans ce projet doctoral, nous avons proposé de manière innovante plusieurs dispositifs nonréciproques basés sur des milieux variant dans le temps. Tout d'abord, une démonstration théorique de la nonréciprocité acoustique via un système de résonateur Fabry-Perot (FP) modulé dans le temps en cascade est introduite. Deuxièmement, une démonstration expérimentale de la non-réciprocité des ondes de flexion élastiques via un système de résonateur masse-ressort modulé dans le temps (SMR) en cascade est introduite, basée sur le couplage électromagnétique. Enfin, nous proposons une nouvelle approche utilisant le flux d'air pour apporter une méta-lentille multifonctionnelle nonréciproque. Nous divisons un guide d'ondes sonores en plusieurs canaux et manipulons directionnellement les phases de chaque canal pour obtenir une focalisation unidirectionnelle et un faisceau sonore. Cette thèse fournit de nouveaux paradigmes de métamatériaux acoustiques nonréciproques, qui contribueraient à de nouvelles possibilités de manipulation des ondes Nonreciprocal acoustic metamaterials are time-reversal-asymmetric devices in which the response field is different when the source and receiver are interchanged. Nonreciprocal acoustic metamaterials have significantly broadened the horizon of the whole acoustics field. As a novel category of nonreciprocal acoustic metamaterials, time-varying media are gaining research interest in recent years. In this doctoral project, we innovatively proposed several nonreciprocal devices based on time-varying media. First, a theoretical demonstration of acoustic nonreciprocity via cascaded time-modulated Fabry-Perot (FP) resonator system is introduced. Second, an experimental demonstrated of elastic flexural wave nonreciprocity via cascaded time-modulated spring-mass resonator (SMR) system is introduced, based on electromagnetic coupling. Last, we provide a new approach using air flow to bring in nonreciprocal multifunctional meta-lens. We split a sound waveguide into multiple channels, and directionally manipulate the phases of each channel to achieve unidirectional focusing and sound beam. This thesis provides new paradigms of nonreciprocal acoustic metamaterials, which would contribute to new possibilities of wave manipulation

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Zouari, Sahar. "Bandes interdites d’ondes de flexion dans une méta-plaque composite : effet de finitude de la structure et des dispersions de fabrication." Thesis, Le Mans, 2017. http://www.theses.fr/2017LEMA1034/document.

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Ce travail de thèse porte sur l'étude de l'intégration des fonctions d'amortissement vibroacoustique dans des plaques en matériau composite. Dans un premier temps, pour une méta-plaque non composite, les caractéristiques d'atténuation des vibrations ont été étudiées avec un réseau périodique de résonateurs (poutre-masse) attachés à une plaque.L'effet de périodicité et des résonances locales permet de bloquer la propagation d'ondes sur des plages de fréquences données, appelée bandes interdites. Des simulations numériques basées sur la MEF ont permis de calculer les diagrammes de bandes des plaques périodiques et d'analyser la sensibilité de ces bandes interdites aux différents paramètres de conception de méta-plaque. Les calculs de coefficient de transmission d'une onde plane selon la direction perpendiculaire à la zone traitée, mettent en évidence la présence des bandes interdites prédites par le diagramme de bande. Les réponses fréquentielles de plusieurs modèles sont comparées, pour mettre en évidence les écarts entre une structure infinie et une structure finie. Une méthode automatique originale est mise au point pour détecter les gammes de fréquences des bandes interdites pour une méta-plaque finie.Ces méthodes théorique et expérimentale sont alors appliquées à des plaques composites SMC avec des perforations périodiques. Des essais avec une excitation unidirectionnelle et une excitation ponctuelle sont réalisés. L'influence de chaque type de sollicitation sur la réponse vibratoire des plaques est analysée pour mettre en évidence la détectabilité des bandes interdites. Enfin, la robustesse des bandes interdites aux variations du réseau périodique est validée The vibration attenuation characteristics of a metamaterial plate were investigated theoretically and experimentally with a 2-dimensional periodic array of resonators (mass-beam) attached to a thin homogeneous plate.The sensitivity analysis of the band gap frequency range took into account the uncertainties of all the design parameters of the metamaterial plate. The theoretical approach used the finite element method (FEM) to compare the predicted band gaps with those derived from infinite and finite models of the metamaterial.An original automatic method is proposed to detect the frequency ranges of band gaps in finite metamaterial based on the behavior of the corresponding bare plate. Directional plane wave excitation and point force excitation were applied to evaluate the efficiency of the detection method. The results of these analyses were compared with experimental measurements. Frequency ranges of experimental vibration attenuation are in good agreement with the theoretically predicted complete and directional band gaps.These theoretical and experimental methods are then applied to SMC (Sheet Molding Compound) composite plates with periodic perforations. Tests with unidirectional excitation and point force excitation are performed. The influence of each type of excitation on the vibratory response of the plates is analyzed in order to demonstrate the detectability of the bands gaps.Finally, the robustness of the band gap to the variations of the periodic lattice is validated following an integration of perturbations: addition of local mass on half of the unit cells according to a periodic or random positions

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Fernez, Nicolas. "Structures périodiques et désordonnées pour l’absorption des ondes électromagnétiques." Thesis, Lille 1, 2018. http://www.theses.fr/2018LIL1I081/document.

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L’absorption des ondes électromagnétiques est un objectif suscitant beaucoup d’intérêt de nos jours notamment pour les applications en furtivité dans le domaine militaire, mais également dans le domaine civil pour limiter l’exposition aux signaux de communication sans fil et pour préserver l’intégrité des informations échangées. La conception d’absorbants pour le domaine des basses fréquences reste un challenge dans la mesure où l’épaisseur des objets est proportionnelle à la longueur d’onde, ce qui peut se traduire par des masses et des encombrements importants. Cette caractéristique est un facteur limitant, notamment pour la protection des équipements embarqués. C’est pourquoi l’objectif de cette thèse est de concevoir des absorbants électromagnétiques à la fois large bande et le moins épais possible pour des faibles fréquences (typiquement entre 1 et 10 GHz). Dans un premier temps, nous avons cherché à comprendre le rôle des paramètres constitutifs des matériaux (permittivité et perméabilité complexe) dans l’absorption de l’onde. Nous avons ensuite décrit les efficacités d’absorption au sein d’une structure résonante par le biais du facteur de qualité. Sur ces bases de conception, nous avons proposé plusieurs types de structures absorbantes. La première repose sur la structuration d’un matériau composite ferromagnétique par ajout de motif métallique ou par détourage. Les motifs fractals (courbes de Moore) ont permis d’obtenir des largeurs de bandes relatives de l’ordre de 130 %, à 90 % d’absorption en puissance, autour de la fréquence de 7 GHz, avec une épaisseur faible devant la plus grande longueur d’onde absorbée. Les autres absorbants étudiés dans cette thèse présentent une structuration MIM (métal/ isolant/ métal) avec des résonateurs répartis aléatoirement. La distribution aléatoire du premier absorbant, dimensionné pour des fréquences voisines de 10 GHz, suit la loi de probabilité de Poisson où les résonateurs peuvent se superposer. Nous avons utilisé des outils mathématiques permettant de décrire la topologie de la distribution afin de relier la géométrie de l’absorbant à l’absorption de l’onde électromagnétique. Deux autres structures aléatoires, dimensionnées pour les longueurs d’ondes millimétriques, répartissent les résonateurs avec une condition de non contact. Nous montrons qu’une augmentation du nombre de résonateurs permet d’obtenir une absorption supérieure à 90 % avec un élargissement de bande. Enfin, nous avons mené une étude de prospective en vue d’étudier la réponse d’une métasurface aléatoire aux ondes électromagnétiques et acoustiques dans le domaine infrarouge Absorption of electromagnetic power arouses a lot of interest not solely for stealth applications in military domain, but also in civil life to reduce the exposure to wireless communication signals and to preserve the totality of exchanged information. Absorbers designing for low frequency domain remains a challenge since the object’s thickness has to be proportional to the working wavelength, which leads to significant mass and size. This characteristic is a limiting factor, especially for the on-board equipment protection. That is why the main objective of this thesis is to design a low-profile electromagnetic absorber specified for broadband operation at low frequency (typically between 1 and 10 GHz). First, we tried to deeply understand the role of materials’ constitutive parameters (complex permittivity and permeability) in the power absorption. Next we described the absorption efficiency by a resonant structure in terms of quality factor, thus introducing a balance condition. From this design rules, we proposed several types of absorbing structures. The first one is based on a ferromagnetic composite material structuration either by addition of metallic pattern or by etching technique. Fractals patterns (Moore’s curve) enabled to obtain a relative frequency bandwidth in the range of 130 %, for 90 % power absorption, around a frequency of 7 GHz, for a thickness which is a fraction absorbed wavelength. The other absorbers studied during this thesis display a MIM (metal/ isolator/ metal) structuration with randomly distributed resonators. The random distribution of the first absorber, sized for operating frequencies around 10 GHz, obeys the probability law of Poisson in which overlapping between resonators is allowed. We used some mathematical tools to describe the random distribution’s topology in order to link the absorber’s geometry to the electromagnetic power absorption characteristics. Two other random structures, dimensioned for millimeter wavelengths, distribute the resonators with a no contact condition. We showed that by increasing of density of the resonators, one can obtain an absorbance higher than 90 % with a bandwidth enhancement. Finally, we carried out a prospective study in order regarding a random metasurface which can behaves as a common platform for electromagnetic and acoustic waves in the infrared domain

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Huang, Weichun. "Acoustic properties of natural materials." Thesis, Le Mans, 2018. http://www.theses.fr/2018LEMA1031/document.

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Dans cette thèse, nous étudions un métamatériau inspiré de la paille de blé pour l'absorption parfaite du son. Une botte de paille estidéalisée comme un milieu poreux anisotrope, composé d’un arrangement périodique très concentré de tubes creux cylindriques. L’approche théorique de ce métamatériau repose sur l'homogénéisation asymptotique à deux échelles d'un réseau perméable de résonateursparfaitement rigides dont la physique est enrichi par des résonances internes. Les principales caractéristiques de ce milieu poreux sont lacompressibilité effective négative autour de la résonance du tube et la réduction drastique de la vitesse de propagation du son (slowsound) à très basse fréquence. Une configuration optimale est conçue, basée sur la condition de couplage critique, pour laquelle la fuited’énergie du système résonnant ouvert est parfaitement compensée par les pertes intrinsèques induites par les pertes viscothermiques.Des mesures en tube à impédance sont effectuées sur des échantillons fabriqués par impression additive pour valider les résultatsthéoriques. Nous montrons que ce métamatériau est un absorbeur sub-longueur d'onde capable d’une absorption parfaite à très bassefréquence et d'introduire une quasi-bande interdite autour de la résonance du tube. De plus, la nature anisotrope de ce matériau conduit àune absorption globalement élevée à basse fréquence et ce pour toutes les incidences. Cette étude offre la possibilité de concevoir unabsorbeur acoustique sélectif en angle et en fréquence. Pour conclure, les résultats de cette thèse montrent que la paille est un boncandidat pour une absorption acoustique parfaite Straw-inspired metamaterials for sound absorption are investigated in this Thesis. A straw stack is idealized as a highly concentratedresonant anisotropic porous medium constituted of a periodic arrangement of densely packed cylindrical hollow tubes. The approach tothis metamaterial relies on the two-scale asymptotic homogenization of a permeable array of perfectly rigid resonators, where the physicsis further enriched by tailoring inner resonances. The main features of such sound absorbing medium are the possibility for the effectivecompressibility to become negative around the tube resonance and the drastic reduction of the effective sound speed (slow sound) at verylow frequency in the system. Moreover, an optimal configuration for sound absorption is designed, based on the critical couplingcondition, in which the energy leakage out of the open resonant system is perfectly compensated by the intrinsic losses induced by thevisco-thermal losses both in the anisotropic matrix and in the resonators. Impedance tube measurements are performed on 3-D printedsamples with controlled parameters to validate the theoretical results. This metamaterial is a sub-wavelength absorber that can achievetotal absorption at a very low frequency and possesses a quasi-band-gap around the tube resonance. Furthermore, the anisotropic nature ofthe configuration gives rise to high absorption at low-frequency range for all incidences and diffuse field excitation. It paves the way tothe design of angular and frequency selective sound absorber. To conclude, the results of this Thesis show that straw is a good candidatefor perfect sound absorption

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Kherraz, Nesrine. "Contrôle de la propagation d'ondes guidées dans une plaque piézoélectrique par application de conditions aux limites électriques périodiques." Thesis, Tours, 2017. http://www.theses.fr/2017TOUR4012/document.

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L'essor des cristaux phoniques (CP) , structures constituées d'un arrangement périodique de différents matériaux dans des domaines d'applications variés tient principalement aux propriétés exceptionnelles qui permettent le contrôle de la propagation des ondes. Des travaux récents se sont intéressés à l'accordabilité en fréquence des CP. Notamment en insérant des matériaux actifs, il a été montré qu'il était possible de moduler la position en fréquence ou la largeur de bandes interdites sans avoir à changer la géométrie du CP. Dans ce contexte, on étudie la propagation d'ondes de Lamb dans une plaque piézoélectrique homogène couverte par des électrodes disposées périodiquement sur les deux faces. Différentes conditions aux limites électriques (CLE) ont imposées sur ces électrodes afin d'agir sur la dispersion des ondes de Lamb. On montre expérimentalement et numériquement que l'application de ces CLE permet des couplages de modes de Lamb de mêmes symétries ou de symétries différentes One of the most important properties of phononic crystals (PCs) is their ability to prohibit the propagation of acoustic waves in specific frequency ranges called band gaps (BG). Bragg scaterring and mode hybridization are the two principal known mechanisms for BG nucleation. Recently, the interest for BG tunability has grown rapidly. This study concerns the development of a piezoelectric PC that is able to generate and control the propagation of guided Lamb waves, thus offering tunability of the band structure. A piezoelectric plate covered by ID periodic arrangement of thin electrodes is investigated. It is shown that the application of various electrical boundary conditions (EBCs) on the electrodes allows to change the effective properties of the piezoelectric plate. The dispersion of the waves is then electrically tuned and, depending on the applied EBCs, we demonstrate experimentally and numerically the possibility of opening Bragg or hydridization gaps in the subwavelength regime

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Wang, Wei. "Manipulation of Lamb waves with elastic metamaterials." Thesis, Sorbonne université, 2019. http://www.theses.fr/2019SORUS414.

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Abstract:

Nous développons des métamatériaux élastiques à piliers pour manipuler les ondes de Lamb. Dans un premier temps, les propriétés négatives associées aux résonances de flexion, de compression et de torsion dans deux structures constituées de piliers sur un seul côté d’une membrane sont examinées. Nous décrivons deux mécanismes différents des propriétés de double négativité. Le potentiel de ces structures pour la réfraction négative et le cloaking acoustique est démontré. Deuxièmement, nous présentons le transport protégé topologiquement des ondes de Lamb par analogie avec les effets Hall quantiques de spin et de vallée. En réorganisant les structures précédentes en un réseau en nid d'abeille, un cône de Dirac simple et un cône de Dirac double sont introduits. Nous discutons de l’apparition d’états de bord protégés topologiquement par une vallée dans une structure à piliers double face asymétrique. La propagation unidirectionnelle des états de bord est étudiée. De plus, nous considérons un système double face symétrique. Les états de bord protégés topologiquement sur le pseudospin et sur le pseudospin-vallée sont démontrés. Troisièmement, nous proposons une approche pour contrôler activement la transmission de l’onde de Lamb antisymétrique se propageant à travers une ligne infinie de piliers. Deux situations différentes avec les résonances de flexion et de compression respectivement séparées ou superposées sont étudiées. Une force de traction externe et une pression sont appliquées sur les piliers, ce qui permet de les coupler avec les vibrations de flexion et de compression. La transmission est étudiée en fonction de l’amplitude et de la phase relative des sources externes We develop elastic pillared metamaterials to manipulate Lamb waves. Firstly, the negative properties associated with bending, compression and torsion resonances in two structures consisting of pillars on one side of a thin plate are examined. We describe in details two different mechanisms at the origin of doubly negative property. The potential of these structures for negative refraction of Lamb waves and acoustic cloaking is demonstrated numerically. Secondly, we present the topologically protected transport of Lamb waves by analogy with quantum spin and valley quantum Hall effects. By rearranging the previous structures into a honeycomb network, a single Dirac cone and a double Dirac cone are introduced. We discuss the appearance of topologically valley-protected edge states in an asymmetrical double-sided pillar structure. The unidirectional propagation of edge states on different domain walls is studied. In addition, we consider a symmetrical double-sided system allowing the separation of the symmetric and antisymmetric modes. Combined edge states protected topologically by pseudospin and pseudospin-valley degree of freedom are demonstrated. Third, we propose an approach to actively control the transmission of the antisymmetric Lamb wave propagating through an infinite line of pillars. Two different situations with bending and compression resonances respectively separated or superimposed are studied. External tensile force and pressure are applied to the pillars, which allows them to couple with the bending and compressive vibrations. The transmission is studied as a function of the amplitude and the relative phase of the external sources

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Dissertations / Theses on the topic 'Métamatériaux acoustique'

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