Ondes spiralées, singularités de phase confinées et densité de spin acoustique émergeant lors de la diffusion d'une onde plane évanescente par un diffuseur résonant isolé

par Ludovic Alhaïtz

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Christophe ARISTéGUI.

Thèses en préparation à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale des sciences physiques et de lu2019ingénieur , en partenariat avec I2M - Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux (laboratoire) et de APY : Acoustique Physique (equipe de recherche) .


  • Résumé

    Les travaux de thèse reposent sur l'étude physique de la diffusion résonante d'une onde plane évanescente acoustique par un objet sphérique isolé dans une matrice fluide. Lorsqu'une onde plane incidente est diffusée par un objet de section circulaire et de taille comparable à sa longueur d'onde, des ondes se propageant autour de la circonférence de ce dernier sont engendrées. Si cette onde incidente est évanescente, son asymétrie en amplitude favorise l'excitation d'ondes circulaires par rapport à celles qui parcourent la surface de l'objet en sens inverse. Un champ d'ondes circonférentielles qui se propagent angulairement se crée alors à l'intérieur de l'objet. L'interférence entre ces ondes fait apparaître des lignes de singularité de phase où l'amplitude du champ s'annule, et dont le nombre est étroitement lié à l'ordre du mode de diffusion résonant. Dans le milieu extérieur, le champ de pression diffusé présente une structure en spirale, transportant l'énergie de manière omnidirectionnelle. Sur la base des analyses théoriques effectuées, un dispositif a été mis en place pour explorer de manière expérimentale la diffusion acoustique d'une onde plane évanescente par une gouttelette sub-millimétrique. Cette onde est engendrée par la réfraction sur-critique d'un faisceau plan à l'interface entre deux fluides non miscibles. Grâce à la précision du dispositif de mesure, les singularités de phase présentes à l'intérieur de l'objet ont pu être détectées et les cartographies du champ de pression résultant de la diffusion ont été comparées avec succès aux prédictions théoriques. Dans ce système, le flux d'énergie circule autour des singularités de phase et possède également une rotation à l'échelle locale. Ces effets sont liés à des quantités physiques non usuelles contribuant au moment angulaire du champ. En particulier, l'observation théorique et expérimentale d'une densité de moment angulaire de spin acoustique à l'intérieur d'une gouttelette placée dans un champ évanescent a pour la première fois été réalisée. Cette quantité provient du déplacement elliptique des particules du milieu au passage de l'onde plane évanescente et est proportionnelle au couple de radiation acoustique exercé sur des objets plus petits que la longueur d'onde incidente. Les résultats obtenus pourraient ainsi avoir des implications importantes quant à la possibilité de mettre en translation et/ou en rotation, sans contact, des particules placées dans un champ évanescent, et pourraient également être exploités dans le cadre de l'imagerie acoustique.

  • Titre traduit

    Spiraling waves, confined phase singularities and acoustic spin density emerging during the scattering of an evanescent plane wave by an isolated resonant scatterer


  • Résumé

    This work deals with the physical analysis of the scattering of an evanescent acoustic plane wave by an isolated and resonant spherical scatterer suspended in a fluid medium. The scattering of an incident plane wave by an object of a size comparable to its wavelegth and with a circular cross-section generates circumferential waves that propagate along the surface of this object. In the case of an incident evanescent plane wave, symmetry breaking effects occur in the field. As a consequence, circular waves are preferentially excited compared to those which propagate in the opposite direction. A circumferential wave field with angular propagation is then created inside the object. Due to the interferences of these waves, phase singularity lines appear where the field amplitude vanishes. Furthermore, the number of singularities is related to the order of the resonant scattering mode. In the external medium, the scattered pressure field has a spiral structure associated with omnidirectional energy transport. A set-up has been developed to experimentally investigate the scattering of an evanescent plane wave by a resonant submillimetre-sized droplet. Evanescent plane waves are generated by the total internal refraction of a beam at the interface between two immiscible fluids. Then, thanks to the precision of the measurement device, the phase singularities present inside the object were detected and the field maps were successfully compared with theoretical predictions. In this system, the energy flow circulates around the phase singularities and also presents a local rotation. These effects are related to unusual physical quantities contributing to the angular momentum of the field. For the first time, an acoustic spin density is observed theoretically and experimentally inside a millimetre-sized droplet immersed in an evanescent field. This quantity results from the elliptical displacement of medium particles undergoing an evanescent plane wave, and is proportional to the acoustic radiation torque that can be applied to sub-wavelength objects. These results could have important implications for the non-contact translation or rotation of objects using evanescent fields, and could be also exploited for acoustic imaging.