Contrôle dynamique de modes de Lamb dans des cristaux phononiques piézoélectriques.

Dynamic control of Lamb modes in piezoelectric phononic crystals.

• Auteur / Autrice : Kamel Mekrache
• Direction : Bruno Morvan, Nikolaos Stefanou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des Fluides, Énergétique, Thermique, Combustion, Acoustique
• Date : Soutenance le 18/10/2023
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : établissement co-accrédité : Université du Havre (1984-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire ondes et milieux complexes (Le Havre, Seine-Maritime)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Wilkie-Chancellier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Le Clézio, Jérôme Vasseur, Pascal Rembert, Reveka Sainidou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Le Clézio, Jérôme Vasseur

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métamatériaux

Piézoélectricité

Cristaux phononiques

Mots clés libres

Résonances locales

Contrôle actif

Non réciprocité

Modulation spatio-temporelle

Phononic crystals

Piezoelectricity

Metamaterials

Local resonances

Résumé

L’objectif de ce travail de thèse est d’obtenir une modulation temporelle des propriétés d’un cristal phononique (CP) piézoélectrique afin de contrôler la propagation de modes guidés de type Lamb. Ceci nécessite dans un premier temps de développer un dispositif expérimental permettant une agilité dans la gestion des conditions aux limites électriques (CLEs) utilisées pour modifier les propriétés effectives de la plaque piézoélectrique, siège de la propagation ultrasonore. Ce dispositif basé sur l’utilisation d’un microcontrôleur a été caractérisé et nous l’avons testé sur quelques configurations statiques. Il a notamment été montré que l’ensemble du dispositif de contrôle (connecteurs, interrupteurs, etc...) introduisait peu de signaux parasites dans le cristal étudié. La complexité des phénomènes en jeu dans le système nous a amené à nous intéresser à de nombreuses configurations statiques avant d’aborder le régime dynamique. La première configuration traitée est la mise à la masse des électrodes présentes sur les surfaces du CP. Nous avons exposé les différents modèles numérique et analytique utiles à la compréhension des phénomènes physiques observés expérimentalement. Une grande partie de ce travail préliminaire avait pour but d’identifier les différents paramètres électriques, mécaniques et piézoélectriques du CP. De plus, nous avons caractérisé le mode propagatif électrique présent sur le CP lorsque des inductances sont connectées aux électrodes. Pour la première fois, nous avons parfaitement isolé et caractérisé expérimentalement ce mode en dépolarisant le cristal phononique piézoélectrique. Une variété de configurations statiques mettant en jeu des inductances et produisant, selon leur branchement, des bandes localisées ou larges bandes en fréquences, a été analysée tant théoriquement qu'expérimentalement. Plusieurs résultats originaux ont été produits montrant la richesse de modulation possible en utilisant des charges d’impédances inductives connectées au CP. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à la modulation spatio-temporelle du CP. La modulation choisie est basée sur un motif élémentaire construit sur trois cellules du CP et nous donnons ici les résultats pour des vitesses de modulation inférieures aux vitesses de propagation des modes dominants dans la gamme de fréquences étudiée : le mode symétrique fondamental S0 et le mode antisymétrique A1. Une translation vectorielle des courbes de dispersion est observée à la fois expérimentalement et sur les simulations FEM, dissymétrisant la structure de bandes. Ceci offre la possibilité d’obtention de bandes interdites unidirectionnelles pour des ondes de Lamb.

This PhD thesis aims to control the propagation of guided Lamb waves within a piezoelectric phononic crystal plate (PPCP) through time-modulation of its properties. For this purpose, an appropriate experimental setup has been developed that allows us to easily handle the applied electric boundary conditions, used to modify the effective properties of the crystal, in which the ultrasonic guided waves propagate. More precisely, this setup, integrating a microcontroler, has been experimentally characterized and its performance has been verified in several cases including static (i.e. no time-modulated) configurations. Our results confirm that the control unit of the system (including connectors, switches, etc.) introduces negligible or little signal noise within the crystal. The complexity of the physical phenomena taking place within the crystal has been shown to be of interest, thus triggering a detailed study of several static configurations at a first stage, before the dynamical regime is considered at a second stage. The first static case consists of floating-potential electric boundary conditions at the metallic strips, on both sides of the plate. Through this preliminary study the different parameters (electrical, mechanical, and piezoelectric) governing the response of the crystal have been identified and the several theoretical and numerical modeling tools used to analyze the underlying mechanisms have been presented. In addition, the electric propagating mode guided within the plate when inductive charges are loaded on the metallic strips, has been analyzed and for the first time has been perfectly decoupled experimentally after depolarization of the piezoelectric plate. Second, a variety of static configurations including inductive loads that produce multidispersive, localized or extended in frequency, unusual bands of inductive origin have been analyzed both theoretically and experimentally. These original results, reveal the rich potential with respect to modulation that the above inductive structures connected to PPCP may offer. At a second stage, the spatiotemporal modulation of the crystal is considered. We use a cell composed by three metallic strips and consider modulation speeds lower than the speeds of propagation of the guided modes entering in the dispersion plot for the frequency region under study: the symmetric S0-like mode and the antisymmetric A1-like mode. A vector translation of the dispersion curves is observed in both experimental and numerical (via finite-element simulations) band structures, thus offering the possibility to obtain asymmetric band diagrams and unidirectional band gaps for Lamb modes in these crystals.