Multiple scattering and time reversal of acoustic waves in periodic and disordered media
Diffusion multiple et renversement du temps ultrasonore dans des milieux périodiques et désordonnés
Abstract
In this thesis, we have experimentally studied several aspects of acoustic wave propagation through ordered and disordered heterogeneous media.
First of all, we have built and characterized periodic samples, that are called "phononic crystals". These materials behave as efficient frequency filters, and present great technological and theoretical interest. We have studied the group time through monocrystals, which revealed an effect analogous to the tunneling effect classically encountered in quantum mechanics. Through a Fabry-Perot structure made up of two phononic crystals, we have identified resonances in the transmission spectrum. At these frequencies, the group time shows that waves are trapped inside the cavity, as in quantum resonant tunneling. These results are supported by numerical simulations.
Time reversal experiments through phononic crystals have revealed an absence of hyperfocusing, which is a characteristic of disordered samples.
With bubble clouds, we have tried to bring to light the nonlinear multiple scattering regime.
To that end, we have built an experimental setup which enabled us to generate quite reproducible bubble clouds. Several methods were used to obtain the bubble radius distribution function, one of which allowed us to estimate the void fraction.
Low bubble densities did not allow the observation of a strong multiple scattering regime, and the origin of the measured non-linearities remains unsure.
First of all, we have built and characterized periodic samples, that are called "phononic crystals". These materials behave as efficient frequency filters, and present great technological and theoretical interest. We have studied the group time through monocrystals, which revealed an effect analogous to the tunneling effect classically encountered in quantum mechanics. Through a Fabry-Perot structure made up of two phononic crystals, we have identified resonances in the transmission spectrum. At these frequencies, the group time shows that waves are trapped inside the cavity, as in quantum resonant tunneling. These results are supported by numerical simulations.
Time reversal experiments through phononic crystals have revealed an absence of hyperfocusing, which is a characteristic of disordered samples.
With bubble clouds, we have tried to bring to light the nonlinear multiple scattering regime.
To that end, we have built an experimental setup which enabled us to generate quite reproducible bubble clouds. Several methods were used to obtain the bubble radius distribution function, one of which allowed us to estimate the void fraction.
Low bubble densities did not allow the observation of a strong multiple scattering regime, and the origin of the measured non-linearities remains unsure.
Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés à divers aspects de la propagation d'une onde ultrasonore dans des milieux hétérogènes périodiques et désordonnés.
Nous avons tout d'abord conçu et caractérisé des échantillons périodiques, autrement appelés "cristaux phononiques". Ces matériaux se comportent comme des filtres fréquentiels et présentent un grand intérêt technologique et théorique.
Nous avons étudié le temps de groupe à la traversée de monocristaux, qui révèle un effet analogue à l'effet tunnel en mécanique quantique. Dans une structure de type Fabry-Pérot constituée de deux cristaux phononiques, nous avons mis en évidence des résonances en transmission. L'étude du temps de groupe montre un phénomène de piégeage de l'onde dans la cavité, analogue de l'effet tunnel résonant. Les résultats obtenus sont confirmés par la modélisation numérique.
Par la suite, des expériences de Retournement Temporel dans les cristaux phononiques ont révélé une absence d'hyperfocalisation, caractéristique des milieux désordonnés.
Nous avons ensuite cherché à mettre en évidence la diffusion multiple en régime non-linéaire dans les nuages de bulles. A cet effet, nous avons conçu un dispositif expérimental qui nous a permis de générer des populations de bulles relativement stables et contrôlées. Plusieurs méthodes de caractérisation de la fonction de distribution du rayon des bulles ont été mises en oeuvre, et l'une d'elles nous a permis d'estimer la fraction volumique de bulles.
Les densités de bulles mises en jeu n'ont pas permis de mettre en évidence un régime de diffusion multiple fort, tandis que l'origine des non-linéarités observées reste incertaine.
Nous avons tout d'abord conçu et caractérisé des échantillons périodiques, autrement appelés "cristaux phononiques". Ces matériaux se comportent comme des filtres fréquentiels et présentent un grand intérêt technologique et théorique.
Nous avons étudié le temps de groupe à la traversée de monocristaux, qui révèle un effet analogue à l'effet tunnel en mécanique quantique. Dans une structure de type Fabry-Pérot constituée de deux cristaux phononiques, nous avons mis en évidence des résonances en transmission. L'étude du temps de groupe montre un phénomène de piégeage de l'onde dans la cavité, analogue de l'effet tunnel résonant. Les résultats obtenus sont confirmés par la modélisation numérique.
Par la suite, des expériences de Retournement Temporel dans les cristaux phononiques ont révélé une absence d'hyperfocalisation, caractéristique des milieux désordonnés.
Nous avons ensuite cherché à mettre en évidence la diffusion multiple en régime non-linéaire dans les nuages de bulles. A cet effet, nous avons conçu un dispositif expérimental qui nous a permis de générer des populations de bulles relativement stables et contrôlées. Plusieurs méthodes de caractérisation de la fonction de distribution du rayon des bulles ont été mises en oeuvre, et l'une d'elles nous a permis d'estimer la fraction volumique de bulles.
Les densités de bulles mises en jeu n'ont pas permis de mettre en évidence un régime de diffusion multiple fort, tandis que l'origine des non-linéarités observées reste incertaine.