Laboratoire Matière et Systèmes Complexes

Thèse de Maxime Lanoy effectuée sous la direction de Valentin Leroy et Arnaud Tourin.

Soutenance le vendredi 2 décembre 2016 à 14h.

Lieu : Amphithéâtre de l’Institut de Physique du Globe / Institut Langevin. 1 rue Jussieu, 75005 Paris, métro Jussieu (lignes 7 et 10).

plan d’accès

La soutenance sera suivie d’un pot.

Acoustique des milieux bulleux : Applications à la conception de métamatériaux et à la manipulation de bulles

Résumé :

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Lorsqu’elle est excitée par une onde ultrasonore, une bulle d’air oscille. Les mouvements rapides de l’interface eau-air entrainent une compression locale du fluide hôte qui devient de fait le siège de la propagation d’une onde acoustique diffusée. Ce mécanisme, extrêmement simple, est fidèlement décrit par le formalisme de Rayleigh-Plesset datant du début du siècle dernier. À basse fréquence, au voisinage de la résonance de Minnaert, les oscillations de la bulle peuvent devenir particulièrement amples. Cette dernière devient alors un diffuseur extrêmement efficace. Dans un environnement réaliste, les bulles sont présentes en grand nombre. La description se complique alors sensiblement puisque la propagation résulte de l’interférence entre une infinité de séquences de diffusion.

Au cours de cette thèse, nous introduirons les modèles de milieux effectifs qui permettent de prédire le comportement de fluides bulleux désordonnés. Après avoir été confrontées aux résultats issus de la simulation numérique, ces théories effectives nous permettront de concevoir des matériaux désordonnés aux propriétés étonnantes comme la superfocalisation ou la réfraction négative. Nous envisagerons également l’étude d’arrangements périodiques allant d’un simple plan de bulles à maille carré à un cristal cubique face centré présentant deux atomes par maille. Nous verrons que la périodicité induit des modifications sensibles dans le comportement du milieu tout en constituant un levier de contrôle efficace.

Enfin, la bulle se distingue aussi par sa capacité à se mouvoir dans le fluide qui l’abrite et est, de ce fait, susceptible de subir les forces de radiation acoustiques mieux connues sous le nom de force de Bjerknes. Nous verrons comment la force de Bjerknes secondaire, issue du champ diffusé par une bulle vers l’une de ses voisines, peut être exploitée afin de manipuler une ou plusieurs bulles mobiles au voisinage d’une ou plusieurs bulles piégées.