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Preface to Special Topic: Acoustic Metamaterials and Metasurfaces
No full textInternational audienceThe advent of acoustic metamaterials in the beginning of 2000s and very recently of acoustic metasurfaces has created tremendous excitement and efforts in the field of materials science and physics by introducing and building real transformative research and dealing with unprecedented physics and applications. The acoustic/elastic metamaterials and metasurfaces, which can simply be described as designed artificial materials with unusual physical properties, form the core of the present Special Topic published by the Journal of Applied Physics
A contribution to study of locally resonant phononic crystals in sonic and hypersonic regimes : theory and experiments
No full textDans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés d'abord au mécanisme de résonance locale en développant différents modèles théoriques pour l'étude de nouveaux cristaux phononiques à résonance locale (CPRL) en plaque dont l'élément principal et l'élastomère (silicone rubber). Le mode opératoire de ce mécanisme a été étudié et les ouvertures des bandes interdites ont été interprétées théoriquement ainsi que les phénomènes physiques mis en jeu. La mise en évidence expérimentale de la bande interdite a été réalisée par la fabrication et la caractérisation de structures CPRL et une parfaite concordance a été constatée entre les résultats théoriques et expérimentaux. Une étude des phénomènes de guidage a permis par ailleurs de montrer la possibilité du confinement et de la transmission d'un seul mode élastique au niveau d'un CPRL. Dans un second temps, nous avons montré que les propriétés d'un CPRL peuvent être reproduites dans le régime hypersonique. En effet, par le biais de la mise en place d'un nouveau modèle théorique et en proposant un nouveau CPRL à ondes de surface à base de films de diamant, nous avons pu montrer que ce type de cristal peut faire l'objet d'applications potentielles à des fins de guidage et de démultiplexage et ainsi initier la conception de nouveaux dispositifs miniaturisés à ondes de surface destinés aux systèmes de télécommunications (>GHz).In this PhD work, we focused our interest on the theoretical and experimental study of locally resonant phononic crystals (LRPC) operating in sonic and hypersonic regimes. We first developed numerical models to understand the dispersion behaviour of elastic waves in those plate-type LRPC in which the silicone rubber plays a key role. We showed that with such structure, we can understand clearly how the local resonance (LR) mechanism operates to give rise to opening of low frequency BG two orders of magnitude that the one allowed by Bragg diffusion. The physics behind such structures was also figured out by means of theoretical models. An experimental study was then undertaken by manufacturing a new LRPC plate which has been characterized in terms of elastic behaviour and BG investigation. A perfect concordance was demonstrated between the theoretical an experimental results by evidencing a 2kHz BG opening using a 6mm diameter rubber stub and 1cm periodicity. In addition, waveguiding phenomena was investigated in those structures and showed the possibility of guiding of only one defect mode unlike conventional PCs in which many defects modes are generated. A second part of this study was dealt with LR mechanism in hypersonic regime. Using a new numerical and theoretical approach, we were able to show the BG opening and waveguiding for surface acoustic waves (SAW) in a LRPC composed of metallic stubs arranged on a diamond semi-infinite substrate. The added value of LR in such frequency regime remains in its ability to select only one guided mode due to the longer involved wavelengths. Such structures can then be suitable for filtering and demultiplexing applications
Acoustic Metamaterials and Metasurfaces for Energy Harvesting
No full textArtificiels 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’urbanismePhononic 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 wel
Study and realization of surface acoustic waves devices realized on multi-layer substrates using electron beam lithography : about filters for the X band and liquid sensors
No full textAprès beaucoup de travail, de nombreuses heures de réflexion, d'idées à améliorer et, des fois, à rejeter, une quantité innombrable d'échantillons et d'heures passés sur les différentes installations, nous voilà au point de présenter les résultats de tous ces efforts. Tout au début, nous avions décidé de se lancer dans la recherche et le développement de dispositifs à ondes acoustiques de surface pouvant servir en tant que filtres électriques passe-bande pour les nouvelles technologies de télécommunication et en tant que capteurs de liquide. Nous avons commencé à faire l'inventaire des tous les domaines que nous allions aborder lors de nos travaux de recherche, en nous en avons présenté ce qui nous semblait important. Même si la science est le pilier principal de cette thèse, nous nous sommes assurés que nos efforts ne seraient pas vains dès le départ en analysant les besoins industriels, et donc indirectement les retombées économiques possibles, en dispositifs à ondes acoustiques de surface. Nous nous sommes donc dotés de tous les outils nécessaires pour pouvoir avancer : Nous avons étudié l'évolution des dispositifs à ondes acoustiques de surface afin de reconnaître, avec un peu de chance, des tendances et de nouvelles ouvertures. Nous avons élucidé la partie théorique correspondante, au niveau de la piézoélectricité et des ondes acoustiques de surface. Nous avons fait le tour des matériaux piézoélectriques utilisées pour se faire une idée des leurs propriétés pour pouvoir faire, le moment venu, une sélection judicieuse selon les besoins de l'application. En partant de la théorie générale des ondes acoustiques de surface, nous avons étudié les différents types d'ondes existants dans la même optique : Disposer d'une multitude intéressante de choix possibles pour trouver la bonne solution à la fin. [...]After a lot of hard work, countless hours of brainstorming, ideas to still improve or simply to drop, an amazing number of processed samples and a remarkable amount of time spent on all of those different machines have finally brought us to the point where we are able to present our results. Right at the beginning of this work, we had decided to get into the development of surface acoustic wave devices that could possibly serve as well as electric band pass filters as as liquid sensors. We have started out by making an inventory in all domains that we would possibly be confronted with and we proposed a selection of the most valuable information that could be found. Even if science is at the heart of this thesis, we wanted to be sure that our efforts would not be opposed to real world economic and industrial needs. We have thus arranged all necessary tools to our side: From historical evolution of surface acoustic wave devices through acoustic wave theory in solids, from general piezo-electricity to surface acoustic waves. We went through commonly used piezoelectric materials in order to get an idea of their properties and differences to be able to make the right decision at the right time, similarly to the study of the different types of acoustic surface waves with always the same goal in mind: Rely on the vastest number of possibilities in order to make the right decision when required. [...
Métamatériaux acoustiques nonréciproques à milieux variables dans le temps
No full textLes 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
Acoustic metasurface-based perfect absorber with deep subwavelength thickness
No full textInternational audienceConventional acoustic absorbers are used to have a structure with a thickness comparable to the working wavelength, resulting in major obstacles in real applications in low frequency range. We present a metasurface-based perfect absorber capable of achieving the total absorption of acoustic wave in an extremely low frequency region. The metasurface possessing a deep subwavelength thickness down to a feature size of ∼λ/223 is composed of a perforated plate and a coiled coplanar air chamber. Simulations based on fully coupled acoustic with thermodynamic equations and theoretical impedance analysis are utilized to reveal the underlying physics and the acoustic performances, showing an excellent agreement. Our realization should have an high impact on amount of applications due to the extremely thin thickness, easy fabrication, and high efficiency of the proposed structure
Tunable elastic parity-time symmetric structure based on the shunted piezoelectric materials
No full textInternational audienceWe theoretically and numerically report on the tunable elastic Parity-Time (PT) symmetric structure based on shunted piezoelectric units. We show that the elastic loss and gain can be archived in piezoelectric materials when they are shunted by external circuits containing positive and negative resistances. We present and discuss, as an example, the strongly dependent relationship between the exceptional points of a three-layered system and the impedance of their external shunted circuit. The achieved results evidence that the PT symmetric structures based on this proposed concept can actively be tuned without any change of their geometric configurations
Tunable solid acoustic metamaterial with negative elastic modulus
No full textInternational audienceWe report in this letter on a tunable solid acoustic metamaterial with negative elastic modulus by means of piezoelectric composite. The theoretical formulae for one-dimensional layer-stacked metamaterial embedding a piezoelectric material by means of external shunted inductors are presented. The acoustic band structure of the composite is calculated by the transfer matrix method. Results show that a band gap can be opened and tuned by the resonant behavior of the LC circuit. It is found further by the formulae that piezoelectric material with large piezoelectric constant and small elastic modulus will be beneficial for opening a wide band gap. The effective elastic constant of the system is also calculated by the unit-cell-boundary-averaging method. Result shows that the system behaves as an effective medium with a negative elastic modulus. This property is quite different from the typical solid metamaterial achieved by dispersing heavy inclusions coated with a soft layer into a matrix for which only the negative mass density can be obtained
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