Application of negative refraction to acoustic imaging with two-dimensional phononic crystals
Application de la réfraction négative à l'imagerie acoustique à l'aide de cristaux phononiques bidimensionnels
Résumé
This investigation deals with wave propagation in two dimensional phononic crystals (PC) made of solid scatterers embedded in solid or fluid matrices. After characterizing such composite materials, their application to acoustic imaging is brought to the forth. The ultrasonic techniques used in the experiments allow the complete measurement of the acoustic transmitted fields and the investigations concern frequency bandwidth able to exhibit negative refraction allowing the super-resolution effects. In order to complete the analysis, different theoretical tools are used: Plane Wave Expansion (PWE) and Finite Elements Method (FEM). The first part of this work deals with the realization and characterization of PC to be introduced into acoustic imaging devices (lenses) based on negative refraction. Special attention is given to characteristics such as circular equi-frequency contours, or index and impedance matching. However, during the acoustic wave propagation in a solid PC immersed in water, the presence of different Bloch modes contributing to the transmission of ultrasound is revealed and the index matching was not possible to obtain. Therefore the second part of the manuscript deals with negative refraction and waves focusing through a PC filled with a fluid. After determining the crystal properties, last chapter is devoted to the evaluation of the performances of acoustic imaging systems based on phononic lens.
La propagation des ondes ultrasonores à travers des cristaux phononiques CP à deux dimensions 2D constitués de diffuseurs solides dans des matrices solide et fluide est ici étudiée, ainsi que la caractérisation de ces milieux et leur application à l'imagerie acoustique. Les techniques expérimentales utilisées permettent une mesure complète des champs transmis à travers les cristaux. Les études sont menées dans des bandes fréquentielles autorisant les effets de réfraction négative indispensables à l'obtention d'une résolution inférieure à la limite de diffraction (super-résolution). De manière à compléter les analyses, différents outils théoriques sont exploités : Décomposition en Ondes Planes et Éléments Finis, notamment. La première partie du document concerne la réalisation et la caractérisation de cristaux phononiques possédant des propriétés nécessaires à la réalisation de systèmes d'imagerie acoustique : réfraction négative, contours équi-fréquences circulaires, accord d'indice, accord d'impédance. Cette première étude est menée sur un cristal à matrice solide, elle met en relief la possibilité de générer différents modes de Bloch au cours de la propagation. L'accord d'indice avec l'eau n'étant cependant pas obtenu, la seconde partie porte sur la réfraction négative et la focalisation des ondes à travers un CP à matrice fluide. Les propriétés du CP déterminées, le dernier chapitre s'attache à évaluer les performances des systèmes d'imagerie développés : dynamique et résolution.
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