Homogénéisation dynamique de milieux aléatoires en vue du dimensionnement de métamatériaux acoustiques

• Auteur / Autrice : Jérôme Dubois
• Direction : Christophe Aristégui, Olivier Poncelet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et ingénierie
• Date : Soutenance le 17/04/2012
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Philippe Barois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Christine Hladky, S. Beretti
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christian Audoly, Jean-Marc Conoir

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes évanescentes

Diffusion multiple (physique)

Métamatériaux

Mots clés libres

Diffusion multiple

Diffusion simple

Homogénéisation dynamique

Métamatériaux acoustiques

Superlentille

Amplification des ondes évanescentes

Multiple scattering

Single scattering

Dynamic homogenization

Acoustic metamaterial

Superlens

Amplification of evanescent waves

Résumé

Les métamatériaux sont des milieux prometteurs pour l'imagerie acoustique. Grâce à ces milieux, il est possible de concevoir des lentilles à faces parallèles pouvant dépasser la limite conventionnelle de résolution d'une lentille et par conséquent améliorer les systèmes d'imagerie. Malgré l'intérêt grandissant des chercheurs pour les métamatériaux, le comportement des ondes acoustiques dans ces milieux n'est pas totalement connu. Nous proposons de développer la problématique de la propagation des ondes acoustiques dans un milieu de type métamatériau en détail dans ce manuscrit. Cette étude a permis d'extraire un critère discriminant un métamatériau d'un matériau classique et d'apporter un regard nouveau sur l'amplification des ondes évanescentes dans les métamatériaux.Nous explorons une piste peu empruntée en vue du dimensionnement de métamatériaux : les milieux aléatoires. Nous nous focalisons sur les milieux à deux dimensions dont les phases sont fluides. Dans cette optique, une phase de validation de techniques d'homogénéisation dynamique existantes est réalisée \textit{via} la comparaison des réponses acoustiques d'un écran de diffuseurs répartis aléatoirement obtenues par des simulations numériques FDTD avec celles prédites par des modèles analytiques. L'étude de ces modèles, utiles au dimensionnement de structures aléatoires présentant des réponses acoustiques ciblées, nous a amené à examiner avec attention leur comportement quasi-statique. Une technique d'homogénéisation permettant de prendre en compte explicitement les interactions entre diffuseurs est proposée dans ce contexte. Développée dans le cadre de la diffusion simple et multiple, elle relie les propriétés mécaniques effectives aux moyennes des champs acoustiques dans un volume représentatif.Finalement, l'analyse du comportement d'un milieu aléatoire \og réaliste \fg~possédant théoriquement des bandes fréquentielles à réfraction négative, grâce à des diffuseurs résonants à basses fréquences, a été menée. Différents régimes de fonctionnement atypiques sont identifiés à l'aide de simulations numériques. La confrontation des réponses de ce milieu avec celles d'un cristal phononique est ensuite présentée et révèle une étonnante similitude entre les deux arrangements.

Metamaterials are promising media for acoustic imaging. For example, such media give the possibility to build flat lenses exhibiting sub-diffraction-limit resolution, thereby improving imaging setup. Despite the growing interest of the researcher for metamaterials, acoustic wave propagation is still not widely known. This work addresses the topic of wave propagation in metamaterials. In this work, we have defined a criterion which differentiate metamaterial from classical material and provide a new insight in the amplification of evanescent waves.We explore how to design metamaterials with random media. We focus on two dimensional media with fluid components. A validation process of existing dynamic homogenization techniques is done via the comparison between the responses of a screen of scatterers obtained by numerical simulations from FDTD with those predict by the analytical models. The study of those models, useful for designing random media with atypical responses, lead us to consider their quasi-static limit. In this context, we propose a homogenization technique which includes explicitly the interactions between scatterers. It is developed for multiple and simple scattering and link the effective properties to the averages of the acoustic fields in a representative volume.Finally, the analysis of the acoustic responses of a realistic random medium having theoretical negative refraction frequency bandwidth, thanks to low frequency resonant scatterers is done. Different atypical responses are identified from the numerical simulations. The comparison between the responses of this medium and those of phononic crystals is presented and shows a surprising similarity of the two arrangements.