Etude d'une assemblée de bulles microfluidiques excitées par une onde ultrasonore : transmission acoustique et phénomène de streaming

Study of ultrasonic driven microfluidics bubbles : acoustic transmission and streaming phenomenon

• Auteur / Autrice : Thomas Combriat
• Direction : Philippe Marmottant, Pierre Thibault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 13/11/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble, Isère, France ; 1966-....)
• Jury : Président / Présidente : Florence Elias
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Bossy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valentin Leroy, Michaël Baudoin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microfluidique

Propriétés mécaniques

Propriétés acoustiques

Bulles

Mots clés libres

Acoustique

Micro-Fluidique

Bulles

Meta-Matériaux

Acoustic

Micro-Fluidic

Bubbles

Meta-Materials

Résumé

De par leur importante compressibilité et leur fréquence de résonance extrêmement basse, les bulles sont des objets physiques singuliers du point de vue de l'acoustique et de la mécanique des fluides. En utilisant la technique de la microfluidique afin de créer des assemblées de bulles bi-dimensionnelles, que nous excitons acoustiquement, nous étudions à la fois leur influence sur une onde sonore et sur le fluide présent à leur voisinage.Les bulles étant des résonateurs sub-longueur d'onde, nous montrons qu'une assemblée de micro-bulles va interagir avec une onde sonore de longueur d'onde bien plus importante que la taille des bulles individuelles. En proposant une méthode pour extraire la contribution des bulles au signal acoustique, nous montrons que leur résonance suit une loi légèrement modifiée par rapport à celle proposée par Minnaert pour des bulles sphériques.Nous avons également exploré le potentiel de ce système expérimental comme méta-matériau pour l'acoustique. Nous observons en effet une baisse de la transmission d'une onde sonore à travers ce matériau et ce, dans une gamme de fréquence située au-delà de la fréquence de résonance.Cette baisse de la transmission peut être ajustée à la fois en fréquence et en amplitude ce qui fait de ce système un méta-matériau adaptable dont les caractéristiques peuvent être facilement ajustées.

Because of the important compressibility of gas bubbles in water, inducing a very low resonance frequency, one can find interest in studying bubbles from an acoustic and a fluid mechanics point of view. Using microfluidics techniques in order to produce assemblies of acoustically driven bi-dimensional bubbles, we are studying their influence on both acoustic waves and the surrounding fluid.Bubbles being sub-wavelength resonators, we show that a micro-bubbles assembly interacts with acoustical waves which wavelengths that are substantially bigger than the bubbles size. Developing a way to extract bubbles contribution to the acoustic signal, we show that their resonance frequency follows a law slightly different from the one Minnaert had found for spherical bubbles. The impact of this medium on the acoustical wave has been studied and we show that a decrease in the acoustical transmission happens in a range of frequencies above the resonance. This decrease can be adjusted in amplitude and in frequency making our system an easily tunable metameterial.Because of the strong response of bubbles induced by acoustical waves, the bubbles surface oscillates with a great amplitude in the surrounding fluid. This oscillation, working together with a coupling present between the bubbles, can drive a strong steady streaming in the fluid. Systems of several bubbles are studied, and a theory is proposed in order to predict the flow they induce. The interaction between the streaming phenomenon and an external flow is also presented, showing that exclusion zones can be present under certain circumstances in these systems. These exclusion zones can be useful in micro-fluidics in order to trap particles or chemicals.