Metamaterials with extreme properties for the control of acoustic waves

par Matthieu Malléjac

Thèse de doctorat en Acoustique

Soutenue le 19-11-2020

à Le Mans , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Nantes) , en partenariat avec Laboratoire d'acoustique de l'Université du Mans (laboratoire) et de Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Mans / LAUM (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Métamatériaux avec propriétés extraordinaires pour le contrôle des ondes acoustiques


  • Résumé

    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.


  • Résumé

    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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