Calibration de la force et synthèse du champ pour la pince acoustique

Force calibration and wavefield synthesis for acoustical tweezers

• Auteur / Autrice : Dan Zhao
• Direction : Jean-Louis Thomas, Régis Marchiano
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique physique
• Date : Soutenance le 29/11/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Régis Wunenburger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Brunet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hélène Bailliet, Valentin Leroy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes -- Propagation

Pression de radiation acoustique

Acoustique non linéaire

Mots clés libres

Acoustique non linéaire

Pression de radiation

Pince acoustique

Calibration

Synthèse du champ

Diffusion

Nonlinear acoustics

Radiation pressure

Acoustical tweezers

Calibration

Wave-field synthesis

Scattering

Résumé

Les pinces acoustiques à faisceau unique ont été développées et appliquées à de nombreuses applications dans les domaines biologiques et biochimiques. Leur application lors de manipulations précises nécessite une connaissance complète des forces appliquées sur l'objet. Ce travail a pour objectif de calibrer la force exercée par une pince acoustique et de synthétiser le champ d'onde souhaité. Les pinces acoustiques à faisceau unique sont réalisées par un faisceau vortex focalisé. Un objet en interaction avec les ondes acoustiques est piégé grâce à la pression de radiation. Cette force tridimensionnelle peut être obtenue en connaissant les coefficients du champ incident ainsi que les coefficients de diffusion. Par conséquent, le calcul des forces peut être réalisé en mesurant le champ incident. La première partie de la thèse se concentre sur l’évaluation de différentes méthodes permettant de calculer ces coefficients du champ incident à partir de la mesure du champ de pression calibré. Ensuite, dans la deuxième partie, le champ est synthétisé en utilisant la méthode du filtre inverse. L'efficacité de cette méthode dépend de la distribution des points de contrôle. Les choix de distribution sont comparés. Pour les pinces acoustiques, une difficulté majeure est d'obtenir une force de rappel axiale d'amplitude suffisamment large pour compenser le poid de la sphère. Afin de surmonter cette difficulté, un nouveau champ de type vortex sphérique est introduit. Ce champ est destiné à piéger de grandes sphères de diamètres proches de la longueur d'onde afin d'obtenir en plus des forces de grande amplitude, une sélectivité améliorée de la pince. La faisabilité de ce vortex est analysée numériquement et expérimentalement.

Single beam acoustical tweezers have been developed and applied to numerous applications in biological and biochemical domains. Their application in precise manipulations requires accurate control of the acoustical trap. This work sets out to calibrate the force exerted by acoustical tweezers and synthesize the desired wavefield. The single beam acoustical tweezers are achieved by a focused vortex beam. An object in interaction with the acoustic waves is trapped thanks to the radiation pressure. This three-dimensional force can be obtained by knowing the incident beam shape coefficients as well as the scattering coefficients. Therefore, the computation of the forces can be achieved by measuring the wavefield. The first part of the thesis concentrates on assessing different methods to compute the beam shape coefficients from the pressure field to estimate the radiation force exerted on an elastic sphere. Then, in the second part, the synthesis of the field using the inverse filtering method is carried out. A proper synthesis of the field requires a suitable distribution of control points where the wave propagation information is recorded. To synthesize the appropriate vortex beam, three kinds of distributions were compared. For the single beam acoustical tweezers, the most challenging part is the axial restoring force. In order to overcome this difficulty, the spherical vortex beam with high pressure gradient in the axial direction is introduced. This spherical vortex beam is intended to trap large spheres with diameters close to the wavelength. The feasibility of this vortex is analyzed numerically and experimentally.