Recherche expérimentale de la localisation d’Anderson des ultrasons dans des suspensions multi-diffusantes et résonantes

The experimental search for Anderson localization of ultrasound in strongly scattering resonant suspensions

• Auteur / Autrice : Fanambinana Delmotte
• Direction : Thomas Brunet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 02/10/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Régis Wunenburger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sergey E. Skipetrov, Frank Scheffold
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Emilie Franceschini, Alexandre Aubry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes sonores

Ultrasons

Anderson, Modèle d'

Diffusion multiple (physique)

Résonance

Mots clés libres

Résonances acoustiques

Diffusion multiple

Localisation d'Anderson

Ultrasons

Acoustic resonances

Multiple scattering

Anderson localization

Ultrasound

Résumé

Ces travaux de thèse portent sur l’étude du transport des ondes ultrasonores multiplement diffusées dans des milieux désordonnés et localement résonants. Plus particulièrement, nous considérons ici des suspensions « modèles » constituées de microbilles métalliques très peu absorbantes distribuées aléatoirement dans un gel aqueux. Les microbilles présentant une très faible dispersion en taille et en forme, ces dernières sont le siège de fortes résonances acoustiques de type Mie que nous exploitons pour faire chuter les libres parcours moyens.Dans un premier temps, nous détaillons les formalismes classiques permettant de décrire les différents régimes de transports susceptibles de se manifester dans ces milieux complexes. Ensuite, nous présentons le dispositif millifluidique spécifiquement développé pour notre besoin autorisant la fabrication de microbilles hautement calibrées en forme et en taille, faites d’un alliage métallique fondant à basse température. Les deux derniers chapitres de ces travaux de thèse sont quant à eux consacrés à l’étude expérimentale du transport des ondes ultrasonores dans ces suspensions résonantes. Dans un premier temps, nous étudions le transport balistique de l’onde cohérente en caractérisant notamment les propriétés effectives de suspensions diluées et concentrées (jusqu’à 40%). Nos mesures ultrasonores du libre parcours moyen, des vitesses de phase et de groupe révèlent un très fort impact des résonances acoustiques multipolaires des micro-billes sur ces propriétés effectives.Pour des échantillons plus épais, l’onde cohérente disparaît peu à peu au profit des ondes dites « multiplement diffusées » ou incohérentes. Leur transport est alors régi par un processus de diffusion dont nous caractérisons les paramètres (coefficient de diffusion et vitesse de transport) en fonction de la fréquence. Proches des résonances acoustiques des microbilles, nous observons une déviation significative à ce régime diffusif. Dans le cas de suspensions concentrées (20%), nous identifions également un régime de localisation forte pour lequel l’énergie acoustique reste piégée près de la source. Ces observations corroborent des prédictions issues d’une théorie auto-consistante de la localisation prenant en compte la renormalisation du coefficient de diffusion. Enfin une analyse statistique de la distribution d’intensité de la figure de speckle vient confirmer l’existence d’un régime de localisation d’Anderson dans nos suspensions concentrées.

This thesis work focuses on the transport of multiply scattered acoustic waves in disordered and locally resonant media. More specifically, the “model” suspensions considered here are composed of weakly absorbing soft metallic microbeads randomly distributed in an aqueous gel. Due to their weak dispersion in size and shape, these microbeads exhibit strong Mie-type acoustic resonances that are exploited to reduce considerably the mean free path.First, the different transport regimes that might occur in these complex media are described through classical formalisms. Next, a millifluidic device designed specifically for bead fabrication is presented, enabling the production of highly calibrated microbeads with controlled shape and size, using a low- temperature- melting metallic alloy. The last two chapters of this thesis are dedicated to the experimental study of ultrasonic wave transport in these resonant suspensions. Initially, the ballistic transport of the coherent waves is investigated by characterizing the effective properties of both diluted and concentrated suspensions (up to 40%). Ultrasonic measurements of the mean free path, phase and group velocities reveal the strong impact of the acoustic multipolar resonances of the microbeads on these effective parameters.For thicker samples, the coherent wave tends to vanish as multiply scattered waves are gradually developing. The transport of these incoherent waves is usually governed by a diffusion process of which the parameters are characterized (diffusion coefficient and transport velocity) as a function of frequency. In the vicinity of microbeads’ resonances, a significant deviation from this diffusive regime is observed. In the case of concentrated suspensions (20%), a regime of strong localization is identified for which the acoustic energy becomes trapped near the source. These observations are corroborated by predictions from the self-consistent theory of localization that takes into account the renormalization of the diffusion coefficient. Finally, a statistical analysis of the intensity distribution of the speckle pattern confirms the existence of an Anderson localization regime in our concentrated suspensions.