Contrôle de la propagation des ondes ultrasonores dans des cristaux phononiques piézoélectriques

Control of the propagation of ultrasonic waves in the piezoelectric phononic crystals

• Auteur / Autrice : Sid Ali Mansoura
• Direction : Bruno Morvan, Bertrand Dubus
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 21/09/2015
• Etablissement(s) : Le Havre
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences physiques mathématiques et de l'information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; ....-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire ondes et milieux complexes (Le Havre, Seine-Maritime)
• Jury : Président / Présidente : Abdelkrim Khelif
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Petit, Pierre Maréchal, Olivier Poncelet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Le Clézio, Lionel Petit

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits électriques

Ultrasons

Impédance électrique

Cristaux phononiques

Matériaux piézoélectriques

Mots clés libres

Contrôle actif

Capacité négative

Circuits électriques actifs

Piezoelectric materials

Phononic crystals

Active control

Electric impedance

Active electrical circuits

Ultrasonic waves

Résumé

Le contrôle de la propagation des ondes acoustiques connait ces dernières années des applications potentielles notamment en réalisation de filtres électriques, mais aussi dans le contrôle de la vibration des structures mécaniques et l’isolation sonore. Le principe général de ce contrôle est d’attribuer aux ondes acoustiques des propriétés de propagation pouvant être modulées par une action extérieure. Dans ce contexte, l’étude menée au cours de cette thèse porte sur la possibilité de contrôler la propagation des ondes acoustiques en utilisant des matériaux piézoélectriques . Ces matériaux présentent des propriétés élastiques qui sont couplées aux grandeurs électriques à l’issu de leur processus de fabrication. La vibration d’une couche piézoélectrique est affectée par les conditions aux limites électriques imposées au niveau de ses électrodes. Un moyen simple d’imposer des conditions aux limites électriques à ce type de matériau est de connecter une impédance de charge (capacité positive, capacité négative, inductance) à ses électrodes. Les fréquences de résonnances caractéristiques de la couche piézoélectrique sont alors affectées selon la nature de cette charge. Une capacité positive permet de diminuer la fréquence de résonnance parallèle d’une couche piézoélectrique pour atteindre sa fréquence de résonnance série. En revanche, une capacité négative donne la possibilité d’augmenter la fréquence de résonnance parallèle de la couche piézoélectrique loin de la fréquence fondamentale de son mode en épaisseur. Le ca particulier d’un charge inductive offre une large possibilité de contrôler la propagation des ondes acoustiques à travers le cp piézoélectrique. Il permet d’ouvrir un gap d’hybridation dans une structure piézoélectrique unidimensionnelle, de contrôler sa position en fréquence pour provoquer l’ouverture d’une bande passante au sein du gap de Bragg, d’atténuer les ondes acoustiques dans une bande passante notamment en basses fréquences.

The ability to control the propagation of acoustic waves knows in recent years potential applications especially on the manufacture of electrical filter, but also in controlling the mechanical vibration of structures and sound insulation. To achieve this control, the properties of propagations can be changed by external load. The aim of this work is to achieve the control of acoustic waves in phononic crystal using piezoelectric materials. These materials have elastic properties coupled to the electrical properties resulting from their manufacturing process. The vibration of a piezoelectric layer is affected by the electrical boundary conditions imposed on its electrodes. A simple way to consider an electrical boundary condition on piezoelectrical material is to connect an external impedance load (positive capacitance, negative capacitance, inductance) to its electrodes. The resonance frequencies of the piezoelectric layer are then affected differently according the nature of external electric load. The positive capacitance allows to reduce the parallel resonance frequency. A negative capacitance makes it possible to increase the parallel resonance frequency of the piezoelectric layer, giving the ability to use the piezoelectric material away from away from its fundamental resonance frequency. The particular case of an inductive load has a wide possibility to control the propagation of acoustic waves through a piezoelectric pc. We demonstrate that the use of this inductive load opens a hybridization gap in a one-dimensional piezoelectric structure and enable to control the frequency position of this gap. As a result, the hybridization gap causes the opening of a bandwidth within the gap Bragg. The hybridization gap can also cause a high attenuation of acoustic waves in a pass band especially at low frequencies.