Manipulation des ondes de Lamb avec des métamatériaux élastiques

Manipulation of Lamb waves with elastic metamaterials

• Auteur / Autrice : Wei Wang
• Direction : Bernard Bonello
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/09/2019
• 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 Marchiano
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Brunet, Bahram Djafari-Rouhani, Yan Pennec
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bruno Morvan, Abdelkrim Talbi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristaux phononiques

Lamb, Ondes de

Ondes acoustiques de surface

Mots clés libres

Manipulation des ondes de Lamb

Cristaux phononiques à piliers

Résonances élastiques

Propriétés doublement négatives

Isolants topologiques

Métamatériaux à piliers

États de bord topologiques

Contrôle actif de la transmission

Manipulation of Lamb waves

Pillared phononic crystals

Elastic waves

Double negative properties

Topological insulators

Pillared metamaterials

Topologically protected edge states

Active control of transmission

Résumé

Nous développons des métamatériaux élastiques à piliers pour manipuler les ondes de Lamb. Dans un premier temps, les propriétés négatives associées aux résonances de flexion, de compression et de torsion dans deux structures constituées de piliers sur un seul côté d’une membrane sont examinées. Nous décrivons deux mécanismes différents des propriétés de double négativité. Le potentiel de ces structures pour la réfraction négative et le cloaking acoustique est démontré. Deuxièmement, nous présentons le transport protégé topologiquement des ondes de Lamb par analogie avec les effets Hall quantiques de spin et de vallée. En réorganisant les structures précédentes en un réseau en nid d'abeille, un cône de Dirac simple et un cône de Dirac double sont introduits. Nous discutons de l’apparition d’états de bord protégés topologiquement par une vallée dans une structure à piliers double face asymétrique. La propagation unidirectionnelle des états de bord est étudiée. De plus, nous considérons un système double face symétrique. Les états de bord protégés topologiquement sur le pseudospin et sur le pseudospin-vallée sont démontrés. Troisièmement, nous proposons une approche pour contrôler activement la transmission de l’onde de Lamb antisymétrique se propageant à travers une ligne infinie de piliers. Deux situations différentes avec les résonances de flexion et de compression respectivement séparées ou superposées sont étudiées. Une force de traction externe et une pression sont appliquées sur les piliers, ce qui permet de les coupler avec les vibrations de flexion et de compression. La transmission est étudiée en fonction de l’amplitude et de la phase relative des sources externes.

We develop elastic pillared metamaterials to manipulate Lamb waves. Firstly, the negative properties associated with bending, compression and torsion resonances in two structures consisting of pillars on one side of a thin plate are examined. We describe in details two different mechanisms at the origin of doubly negative property. The potential of these structures for negative refraction of Lamb waves and acoustic cloaking is demonstrated numerically. Secondly, we present the topologically protected transport of Lamb waves by analogy with quantum spin and valley quantum Hall effects. By rearranging the previous structures into a honeycomb network, a single Dirac cone and a double Dirac cone are introduced. We discuss the appearance of topologically valley-protected edge states in an asymmetrical double-sided pillar structure. The unidirectional propagation of edge states on different domain walls is studied. In addition, we consider a symmetrical double-sided system allowing the separation of the symmetric and antisymmetric modes. Combined edge states protected topologically by pseudospin and pseudospin-valley degree of freedom are demonstrated. Third, we propose an approach to actively control the transmission of the antisymmetric Lamb wave propagating through an infinite line of pillars. Two different situations with bending and compression resonances respectively separated or superimposed are studied. External tensile force and pressure are applied to the pillars, which allows them to couple with the bending and compressive vibrations. The transmission is studied as a function of the amplitude and the relative phase of the external sources.