Study of the membrane-fluid interaction in micro lamb wave sensor

• Auteur / Autrice : Lianqun Zhou
• Direction : Jean-François Manceau, Ming Xuan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ngénieur
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Besançon
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Franche-Comté. UFR des sciences et techniques
• Jury : Président / Présidente : Franck Chollet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Prada
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Corinne Déjous

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lamb, Ondes de

Microcapteurs

Résumé

Cette thèse traite, théoriquement et expérimentalement, de l’interaction fluide-membrane dans un capteur a onde de Lamb. Un modèle est utilisé pour calculer les courbes de dispersion, le déplacement, les contraintes. Un autre modèle est utilisé pour analyser la distribution des modes. L’effet des gaz est étudié théoriquement et expérimentalement. Les applications des ondes de Lamb à l’aérodynamique et aux mesures multiparamétriques sont présentées. Voici quelques détails. Le premier modèle utilise les fonctions potentielles et recherche les fonctions solution des équations de propagation qui remplissent les conditions aux limites avec ou sans la présence d’un liquide. Ce modèle permet d’obtenir de nombreux paramètres, le déplacement des particules, les contraintes, le vecteur de Poynting, les vitesses de groupe et d’énergie etc. La membrane étant limitée dans le sens latéral il y a coexistence dans la membrane de modes stationnaires et d’ondes progressives. Un modèle donne la position et l’intensité relatives des modes. Le but est d’apporter des connaissances complémentaires sur l’action des gaz sur la propagation des ondes de Lamb. On montre que pour les basses fréquences de A0 (ondes évanescentes dans le gaz) l’action est principalement un changement de fréquence , tandis aux plus hautes fréquences de A0 (Ondes «fuyantes» l’action est principalement une atténuation. Le S0 mode étant très peu modifié par la présence de gaz. L’application de l’interaction gaz-membrane en aérodynamique est étudiée théoriquement et expérimentalement. Le principal effet ce produit quand la vitesse de phase de l’onde de Lamb est proche de la vitesse du son dans le gaz. Les résultats suggèrent que les applications dans ce domaine seront très prometteuses. Les effets sur l’onde de Lamb de différents paramètres (densité, vitesse du son viscosité) d’une solution liquide sont étudiés. On montre que l’utilisation conjointe de A01 mode (fondamental du A0 mode) et du A03 mode (harmonique 3 DU A0 mode) permet de mesurer la densité et la vitesse du son. La densité étant connue, le S0 mode permet d’obtenir la viscosité.

Micro lamb wave sensor is one of useful tools to study the membrane-fluid interaction, especially in interdisciplinary and not yet explored areas, such as gas sensing, aerodynamics, the multi-parameter decoupling and so on. This is because micro Lamb wave sensor holds high sensitivity, low losses and multi-modes. This thesis deals with the membrane-fluid interaction with micro lamb wave sensor is investigated, and the potential function method is used to analyze the dispersion curves, the displacements, the stress curves, etc. A model is built to analyze the modes distribution in micro Lamb wave sensor. The gase effects on lamb wave propagations are investigated. The applications of Lamb wave in aerodynamics and multi-parameters decoupling are discussed. The details are described as follows. In theory, combinations of the potential function method and the boundary conditions at all interfaces are used to analyze the membrane-fluid interaction. Compared with traditional plate shell theory, the particle movements in the membrane and fluid are taken into account in this method. Several aspects of the problem can be addressed, including the displacement, the stress, velocity dispersion curve, pointing vector, group velocity, energy velocity and so on. All of these are available to investigate the interaction at the membrane-fluid interface. In the case of micro Lamb wave sensor, the resonant modes can be excited and work simultaneously with the travelling modes, as the membrane is width limited and not large enough comparing with the wavelength of Lamb waves. The established model car reveal the mode distributions in micro Lamb wave device clearly and accurately. These works provide insight into the understandings of the modes in micro Lamb wave device, which is useful for further experiments. In literatures, little attention has been paid on the Lamb wavesۥ propagation near the membrane-gas interface, as both the density and sound velocity of gas are low. We aim to provide more studies of gases effects on the evanescent wave the leaky wave near the membrane-gas interface. It is shown that the relative frequency shifts in the low frequency range of the A0 mode (evanescent wave, EW) is rather important and the shape of the curve looks like ۥUۥ shape; in the high frequency range of this mode (leaky Lamb wave, LLW), the quality factor decreases rapidly when the Lamb wave phase velocity approaches the gas sound velocity. The Sº mode shows immune to gas loading, which is a good choice for a reference mode. This provides theoretical and experimental work for related fields in gas sensing. The application of membrane-gas interaction in aerodynamics in investigated theoretically and experimentally. The interaction between the gas flow boundary layer and the acoustic sound field (EW and LLW) at the membrane-gas interface can give out the parameter in the gas flow. The parameters in gas flow can be obtained from the measuring the interaction, which happens between the gas flow boundary layer and the acoustic sound field (EW and LLW) at the membrane gas interface. In the EW case, the thicknesss of the gas flow boundary layer and the penetration depth of the evanescent wave combined determine this interaction. When the Lamb wave phase velocity approaches the gas sound velocity, this effect is clearly observed. In the LLW case, it is shown experimentally that the gas flow has not evident effects on Lamb wave’s propagations. It suggests that Lamb wave is promising for applications in wind tunnel experiments, micro channels characterization, and can lead to multi-parameters measurements. The effects of the different physical parameters (density, sound velocity, viscosity, etc) on the modesۥ propagations at he membrane-liquid interface are studied. Combination of the relative frequency shifts of the A01 mode (he fundamental mode of low frequency A0 mode) and the A03 mode (the third harmonic wave of the A01 mode), the density and the sound velocity of liquid, but is amplitude changes with the viscosity. This work makes Lamb wave have promising applications in the investigation of the molecular thermodynamics, molecular labels free detection,etc.