Etude théorique et numérique des cristaux phononiques non linéaires

Theoretical and numerical study of nonlinear phononic crystals

• Auteur / Autrice : Pierre-Yves Guerder
• Direction : Olivier Bou Matar-Lacaze, Jérôme Vasseur, Pierre A. Deymier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et Nanotechnologies, Acoustique et Télécommunications
• Date : Soutenance le 04/02/2015
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Lille en cotutelle avec University of Arizona
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Bruno Morvan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Tournat, Samy Missoum

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes élastiques -- Propagation

Simulation par ordinateur

Élastodynamique

Cristaux phononiques

Mots clés libres

Cristaux phononiques

Elastodynamique non-linéaire

Simulations numériques

Résonateur élastique

Lois de mélange élastiques non lineaires

Simulations sur GPU

Phononic crystals

Nonlinear elastodynamics

Numerical simulations

Elastic resonator

Elastic nonlinear mixing laws

GPU simulations

Résumé

Ce travail porte sur l'étude théorique et numérique des cristaux phononiques non linéaires. Les non linéarités étudiées sont celles dues aux constantes élastiques d'ordre deux (quadratiques) et trois (cubiques) des matériaux constituant les cristaux. Les effets non linéaires sont étudiés grâce à des méthodes d'éléments finis en simulant la propagation d'une onde élastique à travers les cristaux.Un premier projet de recherche a porté sur l'étude d'une structure osseuse, et plus spécifiquement sur la dispersion des ondes élastiques dans une structure constituée d'une alternance de couches de collagène et d'hydroxy apatite. Les simulations montrent qu'il existe un lien étroit entre l'hydratation des os et leur capacité à dissiper l'énergie.La seconde étude réalisée concerne un résonateur élastique. Une structure constituée d'inclusions d'acier dans de la silice présente un comportement de commutateur lorsque les non linéarités cubiques de l'acier sont prises en compte. Cet effet fortement non linéaire apparaît lorsque l'amplitude de l'onde incidente dépasse un certain seuil. Un modèle analytique complet est fourni.La dernière étude réalisée montre la conception de matériaux composites possédant de fortes non linéarités cubiques mais de faibles non linéarités quadratiques. La dérivation des lois de mélange des paramètres élastiques d'un matériau non linéaire dans un matériau linéaire est effectuée à l'ordre trois. Les équations montrent une forte amplification des paramètres non linéaires du matériau résultant pour certaines concentrations. Les simulations permettent de conclure que le résonateur mentionné ci-dessus peut effectivement être réalisé.

This work is dedicated to the theoretical and numerical study of nonlinear phononic crystals. The studied nonlinearities are those due to the second (quadratic) and third (cubic) order elastic constants of the materials that constitute the crystals. Nonlinear effects are studied by the means of finite element methods, used to simulate the propagation of an elastic wave through the crystals.A first research project concerns the study of a bone structure, namely the dispersion of elastic waves in a structure composed of collagen and hydroxy apatite alternate constituent layers. Simulations showed that it exists a strong link between bones hydration and their ability to dissipate the energy.The second study relates to an elastic resonator. A structure composed of steel inclusions in a silica matrix shows a switch behavior when the cubic nonlinearities of steel are taken into account. This strong nonlinear effect appears when the amplitude of the incident wave reaches a threshold. A full analytical model is provided.The last study demonstrates the design of composite materials with both strong cubic nonlinearities and weak quadratic nonlinearities. The derivation of the mixing laws of the elastic parameters of a nonlinear material inside a linear one is performed up to order three. Equations show a strong amplification of the nonlinear parameters of the material for some concentrations. Numerical simulations allow to conclude that the above mentioned resonator can be produced.