Добірка наукової літератури з теми "Métasurfaces – Propriétés acoustiques"

Artificiels structurés, présentent des propriétés inédites et des aptitudes uniques pour la manipulation d’ondes en général. L’avènement de ces nouveaux matériaux a permis de dépasser les limites classiques dans tout le domaine de l’acoustique-physique, et d’élargir l’horizon des recherches fondamentales. Plus récemment, une nouvelle classe de structures artificielles, les métasurfaces acoustiques, présentant une valeur ajoutée par rapport aux métamatériaux, avec des avantages en termes de flexibilité, de finesse et de légèreté de structures, a émergé. Inspirés par ces propriétés et fonctionnalités sans précédent, des concepts innovants pour la collecte d’énergie acoustique avec ces deux types de structures artificielles ont été réalisés dans le cadre de cette thèse. Tout d’abord, nous avons développé un concept à base d’un métamatériau en plaque en se basant sur le de l’approche de bande interdite et des modes de défaut permis par le mécanisme de Bragg. Dans la deuxième partie de cette thèse, des métasurfaces d’épaisseur sublongueur d’onde et ultra-minces composées d’unités labyrinthiques ou de résonateurs de Helmholtz ont été conçues et étudiées pour s’atteler à la focalisation et au confinement de l’énergie acoustique. Cette thèse propose un nouveau paradigme de collecte d’énergie des ondes acoustiques à base des métamatériaux et métasurfaces. La collecte de cette énergie acoustique renouvelable, très abondante et actuellement perdue, pourrait particulièrement être utile pour l’industrie de l’aéronautique, de l’automobile, du spatial, de l’urbanisme
Phononic crystals (PCs) and acoustic metamaterials (AMMs), well-known as artificially engineered materials, demonstrate anomalous properties and fascinating capabilities in various kinds of wave manipulations, which have breached the classical barriers and significantly broaden the horizon of the whole acoustics field. As a novel category of AMMs, acoustic metasurfaces share the functionalities of AMMs in exotic yet compelling wave tailoring. Inspired by these extraordinary capabilities, innovative concepts of scavenging acoustic energy with AMMs are primarily conceived and sufficiently explored in this thesis. Generally, a planar AMM acoustic energy harvesting (AEH) system and acoustic metasurfaces AEH systems are theoretically and numerically proposed and analyzed in this dissertation. At first, taking advantage of the properties of band gap and wave localization of defect mode, the AEH system based on planar AMM composed of a defected AMM and a structured piezoelectric material has been proposed and sufficiently analyzed. Secondly, subwavelength (λ/8) and ultrathin (λ/15) metasurfaces with various lateral configurations, composed of labyrinthine and Helmholtz-like elements, respectively, are designed and analyzed to effectively realize the acoustic focusing and AEH. This thesis provides new paradigms of AEH with AMMs and acoustic metasurfaces, which would contribute to the industries of micro electronic devices and noise abatement as well

Artificiels structurés, présentent des propriétés inédites et des aptitudes uniques pour la manipulation d’ondes en général. L’avènement de ces nouveaux matériaux a permis de dépasser les limites classiques dans tout le domaine de l’acoustique-physique, et d’élargir l’horizon des recherches fondamentales. Plus récemment, une nouvelle classe de structures artificielles, les métasurfaces acoustiques, présentant une valeur ajoutée par rapport aux métamatériaux, avec des avantages en termes de flexibilité, de finesse et de légèreté de structures, a émergé. Inspirés par ces propriétés et fonctionnalités sans précédent, des concepts innovants pour la collecte d’énergie acoustique avec ces deux types de structures artificielles ont été réalisés dans le cadre de cette thèse. Tout d’abord, nous avons développé un concept à base d’un métamatériau en plaque en se basant sur le de l’approche de bande interdite et des modes de défaut permis par le mécanisme de Bragg. Dans la deuxième partie de cette thèse, des métasurfaces d’épaisseur sublongueur d’onde et ultra-minces composées d’unités labyrinthiques ou de résonateurs de Helmholtz ont été conçues et étudiées pour s’atteler à la focalisation et au confinement de l’énergie acoustique. Cette thèse propose un nouveau paradigme de collecte d’énergie des ondes acoustiques à base des métamatériaux et métasurfaces. La collecte de cette énergie acoustique renouvelable, très abondante et actuellement perdue, pourrait particulièrement être utile pour l’industrie de l’aéronautique, de l’automobile, du spatial, de l’urbanisme
Phononic crystals (PCs) and acoustic metamaterials (AMMs), well-known as artificially engineered materials, demonstrate anomalous properties and fascinating capabilities in various kinds of wave manipulations, which have breached the classical barriers and significantly broaden the horizon of the whole acoustics field. As a novel category of AMMs, acoustic metasurfaces share the functionalities of AMMs in exotic yet compelling wave tailoring. Inspired by these extraordinary capabilities, innovative concepts of scavenging acoustic energy with AMMs are primarily conceived and sufficiently explored in this thesis. Generally, a planar AMM acoustic energy harvesting (AEH) system and acoustic metasurfaces AEH systems are theoretically and numerically proposed and analyzed in this dissertation. At first, taking advantage of the properties of band gap and wave localization of defect mode, the AEH system based on planar AMM composed of a defected AMM and a structured piezoelectric material has been proposed and sufficiently analyzed. Secondly, subwavelength (λ/8) and ultrathin (λ/15) metasurfaces with various lateral configurations, composed of labyrinthine and Helmholtz-like elements, respectively, are designed and analyzed to effectively realize the acoustic focusing and AEH. This thesis provides new paradigms of AEH with AMMs and acoustic metasurfaces, which would contribute to the industries of micro electronic devices and noise abatement as well

L'écoulement de la couche limite visqueuse proche d'une paroi peut évoluer d'un régime laminaire à turbulent, ce qui entraîne une augmentation significative du frottement et des échanges de chaleur à la surface. En conséquence, les véhicules à haute vitesse peuvent subir une traînée accrue et un échauffement pariétal excessif. Ce phénomène de transition, d'un écoulement ordonné à chaotique, débute lorsque de faibles perturbations atmosphériques pénètrent l'écoulement de la couche limite près de la paroi, excitant ses instabilités naturelles. Ces instabilités se développent ensuite par amplification linéaire jusqu'à atteindre des amplitudes critiques. Au-delà de ces amplitudes, des interactions non-linéaires et des phénomènes tridimensionnels émergent, entraînant la formation de régions turbulentes.Cette thèse se concentre sur la croissance linéaire des instabilités au sein des couches limites bidimensionnelles subsoniques et hypersoniques, et explore l'utilisation de dispositifs de contrôle passifs, tels que les métasurfaces acoustiques, pour retarder ou prévenir le déclenchement de la turbulence. La première année a été consacrée à l'adaptation et à l'implémentation de conditions aux limites dans un code de simulation haute fidélité, afin d'étendre ses capacités pour intégrer les effets de réponse acoustique de métasurfaces complexes et simuler de manière précise les interactions entre les instabilités et les dispositifs de contrôle. En utilisant ces outils, des simulations numériques directes (DNS) de configurations canoniques ont ensuite été effectuées, où la réponse acoustique des surfaces acoustiquement réactives a été modélisée par le biais d'une condition aux limites d'impédance temporelle (TDIBC). Ces simulations instationnaires, couvrant une large gamme d’échelles spatio-temporelles, visaient à fournir une description fine de la dynamique du développement des ondes de Tollmien-Schlichting en régime subsonique et du second mode de Mack en régime hypersonique, ainsi que de leur interaction avec une surface acoustiquement réactive.Ces investigations numériques ont été complétées par des analyses de stabilité linéaire. Un premier cas de couche limite sur une plaque plane à Mach 0,12 a été simulé en utilisant une impédance acoustique mesurée expérimentalement comme condition aux limites, afin de reproduire l'effet passif de la réponse acoustique d'un système de contrôle de la laminarité de l'écoulement (LFC). De façon analogue, l'écoulement autour d'un cône émoussé à Mach 7,4 a été simulé numériquement en tenant compte de la réponse acoustique d'un matériau composite à matrice céramique (CMC) utilisé dans les systèmes de protection thermique (TPS) des véhicules hypersoniques. Un processus d'optimisation des paramètres géométriques d'échelle macroscopique d'un matériau CMC a également été mis en œuvre pour améliorer ses performances en absorption acoustique.Un dernier volet de la thèse a porté sur l'étude de la dynamique du second mode de Mack, sur paroi froide et sur paroi adiabatique, sur un cas académique de plaque plane à Mach 6. Cette dynamique est décrite via une approche originale en termes d'interaction des structures cohérentes associées aux composantes thermodynamiques, vorticales, acoustiques et thermiques du champ de perturbation
The wall-bounded boundary layer flow can transition from a laminar to a turbulent regime, leading to a significant increase in friction and heat transfer at the surface. Consequently, high-speed vehicles may experience increased drag and excessive wall heating. This transition phenomenon, from an ordered flow to chaotic motion, is initiated when relatively small atmospheric perturbations penetrate the boundary layer flow, triggering the flow's natural instabilities. These instabilities then undergo linear amplification until critical amplitudes. Beyond these amplitudes, nonlinear interactions and three-dimensional effects arise, progressively filling the wall-bounded flow until it becomes fully turbulent.This thesis focuses on the linear growth of instabilities in both subsonic and hypersonic two-dimensional boundary layers and explores the use of acoustic metasurfaces passive control systems to delay or prevent the onset of turbulence. The first year was dedicated to adapting and implementing boundary conditions in a high-fidelity simulation code to extend its capabilities for incorporating the acoustic response effects of complex metasurfaces and accurately simulating the interactions between instabilities and control devices. Leveraging these tools, direct numerical simulations (DNS) of canonical configurations were subsequently performed, with the acoustic response of reactive acoustic surfaces modeled by a time-domain impedance boundary condition (TDIBC). These unsteady simulations, covering a wide range of spatiotemporal scales, aimed to provide a detailed description of the dynamics of Tollmien-Schlichting wave development in subsonic flows and the second Mack mode in hypersonic flows, as well as their interaction with an acoustically reactive surface.These numerical investigations were complemented by linear stability analyses. A first case involving the boundary layer on a flat plate at Mach 0.12 was simulated with an experimentally measured acoustic impedance as the boundary condition, aiming to mimic the passive effect of the acoustic response of a laminar flow control (LFC) system. In a similar fashion, the Mach 7.4 flow around a blunt cone was numerically simulated, accounting for the acoustic response of a ceramic matrix composite (CMC) material used in thermal protection systems (TPS) for hypersonic vehicles. An optimization process for the macroscopic geometric parameters of a CMC material was also carried out in order to enhance its acoustic absorption performance.Another aspect of the thesis concerned the analysis of the dynamics of the second mode of Mack, both on a cold wall and on an adiabatic wall, in the context of an academic case of a flat plate at Mach 6. These dynamics are described using an original approach in terms of the interaction of coherent structures associated with the fluid-thermodynamic, vortical, acoustic, and thermal components of the perturbation field

Les métamatériaux acoustiques nonréciproques sont des dispositifs asymétriques à inversion temporelle dans lesquels le champ de réponse est différent lorsque la source et le récepteur sont interchangés. Les métamatériaux acoustiques nonréciproques ont considérablement élargi l'horizon de l'ensemble du domaine acoustique. En tant que nouvelle catégorie de métamatériaux acoustiques nonréciproques, les milieux variant dans le temps suscitent l'intérêt de la recherche ces dernières années. Dans ce projet doctoral, nous avons proposé de manière innovante plusieurs dispositifs nonréciproques basés sur des milieux variant dans le temps. Tout d'abord, une démonstration théorique de la nonréciprocité acoustique via un système de résonateur Fabry-Perot (FP) modulé dans le temps en cascade est introduite. Deuxièmement, une démonstration expérimentale de la non-réciprocité des ondes de flexion élastiques via un système de résonateur masse-ressort modulé dans le temps (SMR) en cascade est introduite, basée sur le couplage électromagnétique. Enfin, nous proposons une nouvelle approche utilisant le flux d'air pour apporter une méta-lentille multifonctionnelle nonréciproque. Nous divisons un guide d'ondes sonores en plusieurs canaux et manipulons directionnellement les phases de chaque canal pour obtenir une focalisation unidirectionnelle et un faisceau sonore. Cette thèse fournit de nouveaux paradigmes de métamatériaux acoustiques nonréciproques, qui contribueraient à de nouvelles possibilités de manipulation des ondes
Nonreciprocal acoustic metamaterials are time-reversal-asymmetric devices in which the response field is different when the source and receiver are interchanged. Nonreciprocal acoustic metamaterials have significantly broadened the horizon of the whole acoustics field. As a novel category of nonreciprocal acoustic metamaterials, time-varying media are gaining research interest in recent years. In this doctoral project, we innovatively proposed several nonreciprocal devices based on time-varying media. First, a theoretical demonstration of acoustic nonreciprocity via cascaded time-modulated Fabry-Perot (FP) resonator system is introduced. Second, an experimental demonstrated of elastic flexural wave nonreciprocity via cascaded time-modulated spring-mass resonator (SMR) system is introduced, based on electromagnetic coupling. Last, we provide a new approach using air flow to bring in nonreciprocal multifunctional meta-lens. We split a sound waveguide into multiple channels, and directionally manipulate the phases of each channel to achieve unidirectional focusing and sound beam. This thesis provides new paradigms of nonreciprocal acoustic metamaterials, which would contribute to new possibilities of wave manipulation

Les cristaux phononiques et métamatériaux acoustiques sont des matériaux structurés artificiels qui fournissent un moyen prometteur pour manipuler les ondes acoustiques avec de nombreuses applications potentielles nouvelles. Après une introduction à l'état de l'art, le chapitre 2 propose des multicouches actives à base de structures piézoélectriques résonnantes. Leur transmission et leurs propriétés effectives peuvent être contrôlées activement en changeant les conditions électriques. Le chapitre 3 développe des méthodes d'homogénéisation pour une plaque de cristal phononique et montre pour la première fois la possibilité de contrôler simultanément la propagation de toutes les ondes fondamentales de Lamb. La méthode est appliquée à la conception de lentilles à gradient d'indice. Le chapitre 4 propose un nouveau type de cristal phononique en plaque à base de piliers creux qui met en évidence de nouveaux modes fortement localisés, tels que les modes de galerie, aussi bien dans le gap de Bragg que dans un gap à basse fréquence. Ces modes peuvent être activement accordés en remplissant les parties creuses des piliers avec un liquide dont on contrôle la hauteur ou la température. Le chapitre 5 propose une métasurface acoustique comportant un pilier unique ou une ligne de piliers déposés sur une plaque. Ces piliers ont des modes de résonance dipolaires et monopolaires qui sont très sensibles aux paramètres géométriques des piliers. Nous étudions en détail l'amplitude et la phase des ondes émises lorsqu'une onde incidente est diffusée par les piliers et montrons qu'elles peuvent être décrites comme des ondes émises par les piliers résonnants comme sources d'ondes acoustiques
Phononic crystals and acoustic metamaterials are artificial structured materials which provide a promising way to manipulate acoustic/elastic waves with many novel potential applications. After an introduction to the state of the art, the 2nd chapter designs actively controlled multilayers with piezoelectric resonant structures. The corresponding transmission and effective properties can be tuned by changing the electric boundary conditions of the piezoelectric materials. The 3rd chapter develops homogenization methods for phononic crystal plates and demonstrates for the first time the possibility of controlling simultaneously all the fundamental Lamb waves. The full control method developed here is applied to the design of various gradient index lenses that can exhibit several functionalities such as wave focusing or wave beaming. The 4th chapter designs a new type of phononic crystal/metamaterial plate with hollow pillars that exhibits several new localized modes, such as whispering-gallery modes, inside both Bragg and low frequency band gaps. These modes can be actively tuned by filling the hollow parts with a liquid for which the height or the temperature is controlled. The 5th chapter proposes acoustic metasurface consisting of a single pillar or one line of pillars deposited on a thin plate. Local resonances of dipolar and monopolar symmetries can be characterized which are very sensitive to the pillar’s geometric parameters. We study the amplitude and phase of the waves resulting from the scattering of an incident wave by the pillars and show that they can be described as dipolar or monopolar waves emitted by the pillar resonators as acoustic sources

Ces dernières années, les métamatériaux acoustiques sont largement étudiés pour leur intérêt dans la réalisation de divers types de contrôle des ondes à une échelle sub-longueur d’onde. En particulier, les métasurfaces acoustiques ont montré leur capacité à manipuler des ondes en limites de milieux de propagation via les processus de réflexion, de transmission et de réfraction. Contrairement au régime linéaire qui concerne l’immense majorité des travaux sur les métamatériaux acoustiques, les études sur les propriétés non linéaires des métamatériaux, de surcroit des métasurfaces, restent peu nombreuses, malgré la possibilité de générer des phénomènes acoustiques riches et variés. Les principaux freins au développement des métamatériaux non linéaires sont l'efficacité généralement faible de la réponse non linéaire et le manque de contrôle sur cette non-linéarité. Les travaux de recherche présentés ici ont donc pour objectif de concevoir des architectures de métasurfaces élastiques, permettant un contrôle des ondes acoustiques dans le régime non linéaire. En particulier l’effet de conversion d’une onde fondamentale vers son deuxième harmonique est étudié dans le processus de réflexion et de transmission unidirectionnelle. Cela nécessite le design de la non-linéarité élastique, qui est réalisé à base de modélisations discrètes de systèmes masses-ressorts et d'architectures composées d'éléments tournants. Les métasurfaces ainsi conçues, résonantes et à non-linéarité contrôlée, permettent de générer des effets non linéaires acoustiques inhabituels, potentiellement intéressants pour la manipulation d'ondes acoustiques
In recent years, acoustic metamaterials have proven to be of great interest for their ability to achieve a variety of wave control at sub-wavelength scale. In particular, acoustic metasurfaces have shown their ability to manipulate waves from the boundaries of propagation media, via the reflection, transmission and refraction processes. Unlike the linear regime which has been extensively investigated in acoustic metamaterials, studies of the nonlinear acoustic properties of metamaterials, especially nonlinear acoustic metasurfaces, are quite scarce, despite the possibility to lead to a rich and diverse set of non-trivial acoustic phenomena. The key limitations in the development of nonlinear acoustic metamaterials are the typically weak efficiency of their nonlinear response together with the lack of control on this nonlinearity. This PhD research is thus dedicated to the design of nonlinear elastic metamaterial and metasurface architectures, enabling acoustic wave control in the nonlinear regime. Specifically, the conversion effect from a fundamental wave to its second harmonic is studied through the one-dimensional scattering process (reflection and transmission) by metasurfaces. This requires the elastic nonlinearity management, realized via the discrete modeling of lumped-element systems and architectures made of rotating units. Such designed metasurfaces, resonating and with harnessed nonlinearity, can create unusual nonlinear acoustic effects, potentially interesting for wave control. This research open the path to a more systematic study of nonlinear acoustic wave manipulation by metamaterials