Métamatériaux acoustiques actifs

Active acoustical metamaterials

• Auteur / Autrice : Rémi Marchal
• Direction : Bernard Bonello
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 09/12/2014
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olga Boyko-Kazymyrenko, Dominique Fattaccioli, Djimédo Kondo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Laude, Bahram Djafari-Rouhani
• DOI : 10.70675/1c3546d2z184ez40c8z9e86z3f79f44bda5f

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes de Lamb

Métamatériaux

Mots clés libres

Métamatériaux

Ondes de Lamb

Résonateurs locaux

Interférence

Masse effective négative

Diffusion cohérente résonante

Metamaterials

Lamb waves

Résumé

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.