Les cristaux granulaires sont des arrangements périodiques ou structurés de particules élastiques en contact. Ce travail de thèse porte sur l’étude théorique et expérimentale de la propagation d’ondes élastiques à travers de telles structures.Un cristal granulaire unidimensionnel composé d’une chaîne de billes d’acier couplées à des aimants permanents fixes est tout d’abord étudié. Les forces statiques de contact entre les billes, déterminantes pour les caractéristiques de la propagation et la dispersion des ondes élastiques, sont créées par le champ magnétique des aimants. Cette configuration permet donc d’adapter la réponse dynamique du milieu en modifiant les forces magnétiques des aimants. Un modèle linéaire prenant en compte tous les degrés de liberté en translations et rotations des billes et les couplages élastiques (longitudinal, de cisaillement et de torsion) entre billes et entre les billes et un substrat est développé. Il permet d’obtenir les relations de dispersion des modes de propagation dans ce système en fonction des différents paramètresde couplage. Les expériences réalisées mettent en évidence la propagation de modes élastiques avec micro-rotation des billes et démontrent la pertinence du modèle pour la description de ce système. Plusieurs effets de dispersion intéressants sont observés et discutés, modes à vitesse de groupe nulle, modes mous. . . Dans un second temps, une étude prenant en compte les nonlinéarités de contact permet de prédire et d’observer expérimentalement la génération d’harmonique, le filtrage d’harmoniques ainsi que la conversion de modes longitudinaux vers des modes couplés de translation-rotation dans des structures granulaires s’écartant des chaines unidimensionnelles simples. Ces travaux ouvrent des perspectives intéressantes pour le contrôle d’ondes élastiques, dans le régime non linéaire, avec desstructures granulaires architecturées. / Granular crystals are periodic or structured arrangements of elastic particles in contact. This work is devoted to theoretical and experimental study of the elastic wave propagation through such structures.A one-dimensional granular crystal composed of steel spherical beads coupled to permanent magnets placed in a substrate is first studied. Static forces at the contact between beads, determining the wave propagation and dispersion characteristics, are induced by the magnetic field from the magnets. This configuration enables tuning the dynamic response of the chain by modifying the magnetic strength of the magnets. A linear model taking into account all degrees of freedom of the beads (three translations and three rotations) as well as all elastic couplings (longitudinal, shear and torsional), between the beads and between the beads and the substrate is developed. This model provides the dispersionrelations of the modes in the system for different coupling parameters. The associated experiments confirm the elastic propagation of modes with micro-rotation of beads and demonstrate the pertinence of the model for the system description. Several interesting effects on the dispersion are observed and discussed, zero group velocity modes, soft modes. . .In a second part, we take into account the nonlinearities originating from the contacts to predict and then observe experimentally the second harmonic generation. The filtering of harmonics along with conversion from longitudinal to coupled transversalrotational modes in granular structures, is also observed for a configuration deviating from simple one-dimensional chains. This work opens the way for interesting applications in elastic wave control, in the nonlinear regime, with structured granular devices.

Les cristaux granulaires sont des structures périodiques de particules disposées en réseau cristallin. Les interactions entre ces billes peuvent être modélisées par leurs contacts, qui ont des dimensions et des masses effectives beaucoup plus petites que celles des billes. Ceci induit une propagation d'ondes élastiques dans les structures granulaires avec des vitesses significativement plus lentes que dans le matériau des grains individuels. En outre, en raison de forces de cisaillement non centrales, les rotations de particules peuvent être initiées, conduisant à des modes de phononiques supplémentaires dans ces cristaux. Dans ce manuscrit, on étudie la propagation d’ondes dans les cristaux granulaires monocouche bidimensionnels avec un mouvement des particules hors-plan ou dans le plan. Les propriétés phononiques sont étudiées, y compris les points de Dirac, les modes de fréquence nulle, les modes à vitesse de groupe nulle et leur transformation en modes de propagation lente. En outre, en présence de bords, on peut prévoir également des ondes de bord élastiques à fréquence nulle et extrêmement lentes dans des cristaux granulaires en « nid d'abeille » (graphène granulaire). En outre, les propriétés topologiques des ondes de bord rotationelles-transverses dans un graphène granulaire sont théoriquement démontrées. En induisant une transition topologique, qui transforme l'ordre topologique du graphène granulaire de trivial en non trivial, on peut observer le transport de bord topologique dans le graphène granulaire. Les théories développées pourraient mener potentiellement à des applications sur le contrôle des ondes élastiques par des structures granulaires. / Granular crystals are spatially periodic structures of elastic particles arranged in crystal lattices. The interactions between particles take place via their elastic interconnections, which are of much smaller dimensions and weights than the beads. This induces propagation of elastic waves in granular structures at significantly slower velocities than in the individual grains. In addition, due to the existence of non-central shear forces, rotations of particles can be initiated, leading to extra phononic modes in the crystals. In the manuscript, wave dynamics in two-dimensional monolayer granular crystals with either out-of-plane or in-plane particle motion is studied. The phononic properties are investigated, including Dirac points, zero-frequency modes, zero-group-velocity modes and their transformation into slow propagating phononic modes. Furthermore, in the presence of edges/boundaries, zero-frequency and extremely slow elastic edge waves can be also predicted in mechanical granular honeycomb crystals (granular graphene). In addition, topological properties of rotational edge waves in a granular graphene are theoretically demonstrated. By inducing topological transition, which turns the topological order of granular graphene from trivial to nontrivial, topological edge transport in the granular graphene can be observed. The developed theories could promote the potential applications of designed granular structures with novel elastic wave propagation properties.