Acoustique des milieux bulleux : applications à la conception de métamatériaux et à la manipulation de bulles

Acoustics of bubbly media : Application to the design of metamaterials and to bubble manipulation

• Auteur / Autrice : Maxime Lanoy
• Direction : Arnaud Tourin, Valentin Leroy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Matière condensée et interfaces
• Date : Soutenance le 02/12/2016
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matière et Systèmes Complexes (Paris ; 2001-....) - Institut Langevin-Ondes et images (Paris ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Marmottant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valentin Leroy, Thomas Brunet, Geoffroy Lerosey, Bertrand Habert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Laude, Régis Wunenburger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusion multiple (physique)

Absorption

Réfraction

Retournement temporel (acoustique)

Bulles

Propriétés acoustiques

Métamatériaux

Acoustique

Mots clés libres

Forces de Bjerknes

Réfraction négative

Super absorption

Bjerknes force

Negative refractive

Absorption

Résumé

Lorsqu’elle est excitée par une onde ultrasonore, une bulle d’air oscille. Les mouvementsl’interface eau-air entrainent un déplacement local du fluide hôte qui devient lesiège de la propagation d’une onde diffusée. Ce mécanisme très simple est fidèlementdécrit par le formalisme de Rayleigh-Plesset datant du début du siècle dernier. Abasse fréquence, au voisinage de la résonance de Minnaert, les oscillations de la bullepeuvent devenir particulièrement amples et la diffusion extrêmement efficace. Dansun environnement réaliste, les bulles sont présentes en grand nombre et la descriptionse complique sensiblement puisque la propagation résulte de l’interférence entre uneinfinité de séquences de diffusion.Au cours de cette thèse, nous introduirons les modèles de milieux effectifs quipermettent de prédire le comportement de fluides bulleux désordonnés. Après avoirété confrontées aux résultats issus de la simulation numérique, ces théories effectivesnous permettront de concevoir des matériaux désordonnés aux propriétés étonnantescomme la superfocalisation ou la réfraction négative.Nous envisagerons également l’étude d’arrangements cristallins et verrons que lapériodicité induit des modifications sensibles dans le comportement du milieu tout enconstituant un levier de contrôle efficace.Enfin, la bulle est susceptible de se mouvoir et, par conséquent, de ressentir desforces de pression de radiation. En particulier, Nous verrons comment la force deBjerknes secondaire, issue du champ diffusé par une bulle vers l’une de ses voisines,peut être exploitée afin de manipuler une ou plusieurs bulles mobiles au voisinaged’une ou plusieurs bulles piégées.

A bubble undergoing an acoustic wave is likely to oscillate. The displacement of theair-fluid interface generates a local compression of the outer fluid where a scatteredwave is thus created. This very simple mechanism has been successfully described bythe famous Rayleigh-Plesset formula derived at the beginning of the previous century.At low frequencies, the resonant behavior (Minnaert) is responsible for a strongenhancement of the oscillations of the bubble which thus becomes a very efficientscatterer. In a realistic media, bubbles are not isolated. The interferences occurringbetween an infinity of scattering sequences make the description of the propagation alot harder to achieve.In this thesis, we introduce the effective theories that are classically adopted todescribe random bubbly liquids. After being compared to our numerical results, thesetheories are used in order to design bubbly materials featuring some interesting propertiessuch as superfocusing or negative refraction.The case of periodic assembly is addressed as well for both a simple square latticebubble raft and a cubic centered faces bi-periodic crystal. We show that the periodicityinduces an explicit modification in the dispersion of the medium and offers asimple tunable parameter.At last, we focus on the possibility for the bubble to move inside the host fluid andwhich is thus likely to experience an acoustic radiation pressure called Bjerknes force.We show how the secondary Bjerknes force, resulting from the wave scattered by abubble toward its neighbors, can be exploited in order to manipulate one or severalfree bubble flowing near one or several trapped bubbles.