Les cristaux phononiques et métamatériaux acoustiques sont des matériaux structurés artificiels qui fournissent un moyen prometteur pour manipuler les ondes acoustiques avec de nombreuses applications potentielles nouvelles. Après une introduction à l'état de l'art, le chapitre 2 propose des multicouches actives à base de structures piézoélectriques résonnantes. Leur transmission et leurs propriétés effectives peuvent être contrôlées activement en changeant les conditions électriques. Le chapitre 3 développe des méthodes d'homogénéisation pour une plaque de cristal phononique et montre pour la première fois la possibilité de contrôler simultanément la propagation de toutes les ondes fondamentales de Lamb. La méthode est appliquée à la conception de lentilles à gradient d'indice. Le chapitre 4 propose un nouveau type de cristal phononique en plaque à base de piliers creux qui met en évidence de nouveaux modes fortement localisés, tels que les modes de galerie, aussi bien dans le gap de Bragg que dans un gap à basse fréquence. Ces modes peuvent être activement accordés en remplissant les parties creuses des piliers avec un liquide dont on contrôle la hauteur ou la température. Le chapitre 5 propose une métasurface acoustique comportant un pilier unique ou une ligne de piliers déposés sur une plaque. Ces piliers ont des modes de résonance dipolaires et monopolaires qui sont très sensibles aux paramètres géométriques des piliers. Nous étudions en détail l'amplitude et la phase des ondes émises lorsqu'une onde incidente est diffusée par les piliers et montrons qu'elles peuvent être décrites comme des ondes émises par les piliers résonnants comme sources d'ondes acoustiques. / Phononic crystals and acoustic metamaterials are artificial structured materials which provide a promising way to manipulate acoustic/elastic waves with many novel potential applications. After an introduction to the state of the art, the 2nd chapter designs actively controlled multilayers with piezoelectric resonant structures. The corresponding transmission and effective properties can be tuned by changing the electric boundary conditions of the piezoelectric materials. The 3rd chapter develops homogenization methods for phononic crystal plates and demonstrates for the first time the possibility of controlling simultaneously all the fundamental Lamb waves. The full control method developed here is applied to the design of various gradient index lenses that can exhibit several functionalities such as wave focusing or wave beaming. The 4th chapter designs a new type of phononic crystal/metamaterial plate with hollow pillars that exhibits several new localized modes, such as whispering-gallery modes, inside both Bragg and low frequency band gaps. These modes can be actively tuned by filling the hollow parts with a liquid for which the height or the temperature is controlled. The 5th chapter proposes acoustic metasurface consisting of a single pillar or one line of pillars deposited on a thin plate. Local resonances of dipolar and monopolar symmetries can be characterized which are very sensitive to the pillar’s geometric parameters. We study the amplitude and phase of the waves resulting from the scattering of an incident wave by the pillars and show that they can be described as dipolar or monopolar waves emitted by the pillar resonators as acoustic sources.

L’objectif de ce travail est le développement de dispositifs de contrôle de la diffusion des ondes acoustiques à l’aide de surfaces hétérogènes, pour des applications à l’acoustique urbaine. Pour remplir cet objectif, deux méthodes sont employées. La première à l’aide d’une métasurface, la direction d’une onde réfléchie est contrôlée. La seconde étude concerne l’influence d’un traitement inhomogène aux parois d’un guide ouvert sur les effets conjoints ou compétitifs d’absorption, de confinement et de rayonnement de l’onde. Nous montrons expérimentalement la possibilité de dissimuler un objet disposé sur un mur pour une onde acoustique audible. Pour y parvenir, une métasurface composée de différents résonateurs de Helmholtz est conçue et est réalisée de façon à être la plus fine possible. Ces travaux sont réalisés dans le domaine fréquentiel mais également dans le domaine temporel, ce qui permet de mettre en avant le caractère large bande de la métasurface. Il est démontré numériquement et expérimentalement que la direction des ondes réfléchies peut être contrôlée. Enfin la dernière partie est consacrée à l’influence d’une paroi hétérogène sur la propagation d’une onde acoustique à l’intérieur d’une rue. Une rue pouvant être assimilée à un guide d’onde ouvert engendre donc des modes de propagation complexes, dus aux pertes par rayonnement. La présence d’un matériau poreux sur les parois d’un guide vient perturber fortement la localisation spatiale des modes, ce qui les rend plus ou moins fuyants. / The aim of this thesis is to develop a scheme for controling the propagation of acoustic waves using heteregenous surfaces. Its results can be applied in the field of urban acoustic. The thesis is composed of two sections, each of them employing a different method. The first section focuses on controling the direction of a reflected wave, using a metasurface. The second concentrates on the influence of an inconsistent treatment to the side of an open waveguide on the wave joint and competitive effects of absorption, confinement and radiation. Part one provides experimental evidence that it is possible to conceal an object placed on a wall from an audible acoustic wave. To prove it, the thinest possible metasurface was constructed with Helmholtz resonators. The experimental results were compared to a numerical study realized with finite elements. This work was made in both temporal and frequency domains, allowing to point out the wide frequency characteristics of the metasurface. The numerical and experimental results show that the direction of a reflected wave can, indeed, be controled. Part two analyse the impact of a heterogeneous wall on the spreadinf of an acoustic wave in a street. Due to radiation losses, the street produces complex ways of propagation. The presence of a porous material on a waveguide‘ side deeply disrupt the spatial location of these waves, making them more or less fleeting. In particular, depending on the position of the material in the street, certain waves will be more confined to the inside of the street, radiating less towards the open external environment. They are consequently, less cushioned.

Ces dernières années, les métamatériaux acoustiques sont largement étudiés pour leur intérêt dans la réalisation de divers types de contrôle des ondes à une échelle sub-longueur d’onde. En particulier, les métasurfaces acoustiques ont montré leur capacité à manipuler des ondes en limites de milieux de propagation via les processus de réflexion, de transmission et de réfraction. Contrairement au régime linéaire qui concerne l’immense majorité des travaux sur les métamatériaux acoustiques, les études sur les propriétés non linéaires des métamatériaux, de surcroit des métasurfaces, restent peu nombreuses, malgré la possibilité de générer des phénomènes acoustiques riches et variés. Les principaux freins au développement des métamatériaux non linéaires sont l'efficacité généralement faible de la réponse non linéaire et le manque de contrôle sur cette non-linéarité. Les travaux de recherche présentés ici ont donc pour objectif de concevoir des architectures de métasurfaces élastiques, permettant un contrôle des ondes acoustiques dans le régime non linéaire. En particulier l’effet de conversion d’une onde fondamentale vers son deuxième harmonique est étudié dans le processus de réflexion et de transmission unidirectionnelle. Cela nécessite le design de la non-linéarité élastique, qui est réalisé à base de modélisations discrètes de systèmes masses-ressorts et d'architectures composées d'éléments tournants. Les métasurfaces ainsi conçues, résonantes et à non-linéarité contrôlée, permettent de générer des effets non linéaires acoustiques inhabituels, potentiellement intéressants pour la manipulation d'ondes acoustiques. / In recent years, acoustic metamaterials have proven to be of great interest for their ability to achieve a variety of wave control at sub-wavelength scale. In particular, acoustic metasurfaces have shown their ability to manipulate waves from the boundaries of propagation media, via the reflection, transmission and refraction processes. Unlike the linear regime which has been extensively investigated in acoustic metamaterials, studies of the nonlinear acoustic properties of metamaterials, especially nonlinear acoustic metasurfaces, are quite scarce, despite the possibility to lead to a rich and diverse set of non-trivial acoustic phenomena. The key limitations in the development of nonlinear acoustic metamaterials are the typically weak efficiency of their nonlinear response together with the lack of control on this nonlinearity. This PhD research is thus dedicated to the design of nonlinear elastic metamaterial and metasurface architectures, enabling acoustic wave control in the nonlinear regime. Specifically, the conversion effect from a fundamental wave to its second harmonic is studied through the one-dimensional scattering process (reflection and transmission) by metasurfaces. This requires the elastic nonlinearity management, realized via the discrete modeling of lumped-element systems and architectures made of rotating units. Such designed metasurfaces, resonating and with harnessed nonlinearity, can create unusual nonlinear acoustic effects, potentially interesting for wave control. This research open the path to a more systematic study of nonlinear acoustic wave manipulation by metamaterials.