Les matériaux acoustiques super absorbants, sub-longueur d’ondes et large bande, ouvrent de nouvelles perspectives prometteuses pour l’isolation sonore. Dans ce contexte, nous avons conçu et synthétisé des structures hétérogènes comportant des microbilles sphériques de silicone poreux « ultra-lentes », distribuées dans des matrices aqueuses ou élastomériques. Dans un premier temps, nous avons démontré pourquoi la vitesse du son est aussi basse dans les silicones poreux (<100 m/s) comparativement à celle de milieux homogènes (~1000 m/s). Ce fort contraste de propriétés acoustiques entre phases étant susceptible d’induire des propriétés extrêmement diffusantes des microbilles, nous avons étudié l’impact de la nature de la matrice et de l’arrangement (aléatoire ou périodique) des microbilles sur les propriétés acoustiques d’échantillons se présentant sous forme de plaques sub-longueurs d’ondes à faces parallèles. Nous avons montré que la présence de minima prononcés dans le coefficient de transmission de ces métaplaques était pilotée par la résonance monopolaire des microbilles, et était fortement conditionnée par la nature de la matrice environnante. Enfin, toutes les mesures ultrasonores de l’étude ont été confrontées avec succès à des prédictions issues de modèles de diffusion multiple. / Acoustic metamaterials may behave like sub-wavelength and broadband sound-absorbers, opening thus new promising routes for sound insulation. In this context, we have designed and achieved heterogeneous structures composed of soft porous silicone rubber microbeads with ultra-low sound speeds, dispersed in various aqueous or elastomeric matrices. First, we show why the sound speed is so low in soft porous silicone rubber materials (<100m/s) in comparison with soft homogeneous materials (~1000m/s). Such a large sound-speed contrast resulting in strongly scattering properties of the microbeads, we have studied the influence of the matrix characteristics as well as the arrangement of microbeads (random or ordered) on the acoustic properties of the samples in form of sub-wavelength slabs. We have evidenced deep and wide minima of acoustic transmission due to the strong monopolar resonances of the microbeads, which strongly depend on the properties of the surrounding matrix. All our ultrasonic measurements have been compared with theoretical predictions based on various Multiple Scattering Theories, revealing an excellent quantitative agreement.

Cette thèse s’inscrit dans le contexte du développement des laboratoires sur puce (LOC, « Lab On a Chip », permettant de réaliser plusieurs opérations nécessaires à l’analyse d’un échantillon biologique à l'intérieur d'un seul microsystème. Dans ce type de dispositif, de nombreuses étapes sont nécessaires avant d’arriver au résultat d’une analyse donnée (introduction de l'échantillon, concentration, mélange, purification, séparation, etc.). L’équipe microsystèmes du laboratoire Ampère étudie depuis plusieurs années différentes techniques de manipulation sans contact de particules, pour le tri ou de manipulation de particules individuelles dans les laboratoires sur puce, telles que la diélectrophorèse ou la magnétophorèse. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la manipulation acoustique de micro particules. Cette technique se révèle notamment avantageuse pour la manipulation d’objets biologiques comme des bactéries, car elle permet de s’affranchir de certaines contraintes de marquage ou de changement de milieu. Notre choix s’est porté sur l’emploi des ondes acoustiques de surface (SAW, « Surface Acoustic Waves »), compatibles avec la filière PDMS très utilisée dans la communauté des LOC. Outre la possibilité de simplifier l’intégration microfluidique de la pince acoustique, la technologie SAW offre une alternative aux dispositifs à pièges acoustiques fixes existant dans la littérature en permettant un contrôle en temps réel des particules piégées. C’est ce que nous avons réalisé expérimentalement : en jouant sur le déphasage entre les signaux d’alimentation électriques des transducteurs électromécaniques, nous pouvons modifier la position des noeuds et des ventres de l’onde acoustique résultante. Ainsi, nous avons pu contrôler en temps réel la position d’une bille en latex de 3 μm ou encore d’un faisceau de bactéries E.coli. Par ailleurs, nous avons réalisé une simulation par éléments finis de la puce acoustofluidique dans son ensemble permettant une meilleure compréhension de tous les phénomènes en jeu et l’optimisation du transfert énergétique entre la source électrique et la particule manipulée. Cette simulation nous indique notamment que l’amplitude de l’onde acoustique stationnaire sur le substrat piézoélectrique varie environ d’un facteur deux en fonction du déphasage imposé entre les deux sources électriques. Cela impacte donc dans la même proportion la force acoustique résultante. Cette variation semble être validée par nos dernières expériences. / In lab-on-a-chip (LOC) technologies, many sample preparation steps are required before achieving a biological analysis on a single chip (sample introduction, concentration, mixing, purification, separation, etc.). The microsystem team of the Ampere Lab has studied for many years different contactless particle manipulation techniques, for sorting or manipulating bioparticles in LOC platforms, such as dielectrophoresis and magnetophoresis. In this thesis, we focus on acoustic manipulation of microparticles. This technique is advantageous for the manipulation of biological objects such as bacteria, because labelling and medium exchange can be avoided. We chose to work with surface acoustic waves (SAW), because this approach is consistent with the use of PDMS, widely used in microfluidics. Besides an easier microfluidic integration of the acoustic tweezers, the SAW technology provides an alternative to the existing devices with fixed acoustic traps, allowing a real time control of the trapped particles. This was experimentally achieved by playing on the phase shift between the two electrical signals driving the IDT, thereby modifying the position of nodes and antinodes of the resulting pressure wave. As a result, we could control in real time the position of a 3 μm latex bead or an E.coli bacteria alignment. We have also developed a finite-element model of the whole acoustofluidic chip allowing a better understanding of the physics and the optimization of the energy transfer between the electrical source and the trapped particle. Among different results, this model informs us that the magnitude of the acoustic radiation force varies by a factor of two with the phase shift between the electrical sources. This result seems to be validated by our last experiments.

Le confort acoustique des passagers à l’intérieur d’un véhicule est fonction des équipements embarqués notamment le Système de Ventilation d’Air (SVA). Un SVA est un système complexe et compact, composé de plusieurs éléments. L’interaction de l’écoulement d’air avec ces éléments est un facteur influant sur les phénomènes acoustiques générés. Le projet CEVAS (Conception d’Eléments de Ventilation d’Air Silencieux), piloté par l’équipementier Valeo, a pour ambition de développer un outil numérique d’aide à la conception des SVA. Dans le cadre de projet, un banc d’essai a été développé à l’UTC en coopération avec Valeo afin de caractériser par mesures acoustique et aéraulique les composants d’un SVA dans les mêmes conditions de fonctionnement que sur véhicule. L’instrumentation acoustique de ce banc permet la caractérisation multimodale des propriétés acoustiques passives et actives de l’élément testé. Dans un premier lieu, la composante passive, représentée par la matrice de diffusion, est mesurée par la méthode multi-sources. Par la suite, la composante active, représentative de l’interaction écoulement objet, est déduite des pressions modales rayonnées en amont et en aval. Les démarches de mesure et de post-traitement sont appliquées pour des éléments académiques et des composants industriels : diaphragme, association de deux diaphragmes, volets et associations volet et mur. / Passenger’s thermal comfort inside car cabin is mainly provided by the heating ventilation and air conditioning system (HVAC). The main part of HVAC modules is placed under the dash board. An HVAC module is a compact system composed of various elements which are subject to airflow. The interaction between airflow and these in-duct elements generates noise inside car cabin. Furthermore, the blower used to blow air inside the cabin must overcome the pressure generated by HVAC elements. Noise is created and its level is linked to flow and pressure. HVAC noise is an important issue for car makers and automotive suppliers wishing to reach passenger’s satisfaction. Furthermore, thermal-engine cars are more and more silent. Also hybrid and electric car sells are expanding around the world. HVAC noise became a main issue for automotive actors. Under CEVAS project, Valeo is aiming to develop a prediction tool to design HVAC systems providing sound quality data. Within CEVAS project the UTC is in charge of performing measurements on academic elements and industrial HVAC components : diaphragm, flaps,…

Cette thèse porte sur l’étude de la propagation d’ondes mécaniques dans des milieux granulaires secs ou mouillés, avec pour objectif de relier les phénomènes de l’échelle microscopique (dynamique des grains, potentiels d’interactions entre particules, rhéologie du fluide interstitiel) aux propriétés de l’échelle macroscopique (relation de dispersion, vitesse et atténuation des ondes dans l’approximation des grandes longueurs d’ondes). Les systèmes étudiés sont soit des milieux granulaires unidimensionnels de grande taille, analogues des chemins de plus forts contacts entre particules (les chaînes de force) dans les empilements de grains réels, soit les milieux granulaires réels eux-mêmes. Dans un premier temps, nous étudions expérimentalement la transmission d’ondes au travers d’un alignement de sphères centimétriques sèches, que nous modélisons via le potentiel de Hertz. Nous montrons que le couplage élastofrictionnel entre les grains et un substrat (le support des sphères) engendre un potentiel élastique local, qui induit à son tour une bande interdite a fréquence nulle dans la fonction de transfert. Dans un deuxième temps, nous montrons que la présence d'une quantité infime de fluide visqueux au contact entre chaque particule induit une interaction élasto-hydrodynamique (EHD). Ce dernier induit une modification de l’atténuation des ondes et une augmentation très significative de la vitesse de propagation, qui dans ce cas dépendent de manière non-triviale de l’élasticité des particules, de la viscosité du fluide et de la fréquence. Dans un troisième temps, nous vérifions la fiabilité de notre analyse pour décrire la propagation d'ondes ultrasonores dans des milieux granulaires réels, tel que le sable mouillé ou non ; les particules sont ici des sphères millimétriques. Dans le cas sec, nos résultats sont en accord avec un modèle connu de milieux effectifs (EMT) qui relève de l’interaction de Hertz-Mindlin dans l'approximation des grandes longueurs d'ondes. Dans le cas mouille, le modèle EMT combiné à un mécanisme EHD reproduit de manière acceptable nos observations préliminaires. / This thesis deals with the study of mechanical wave propagation in dry or wet granular media, with the aim of relating the phenomena at the microscopic scale (particles dynamics, interaction potentials between grains, rheology of the interstitial fluid) to the features at the macroscopic scale (dispersion relation, wave speed and attenuation in the long wavelength approximation). The systems under study are either large one-dimensional granular media, as the analogs of the paths of the most compressed grains (the force chains) in real granular packings, or the real granular media themselves. In a first place, we study experimentally the wave transmission through alignments of dry centimetric spheres, which we model via the Hertz potential. We show that the elasto-frictional coupling between the grains and a substrate (the spheres’ support) induces an on-site elastic potential, which in turn induces a band gap at zero frequency in the transfer function. In a second place, we show that the presence of an infinitesimal amount of viscous fluid at the contact between every particle induces an elasto-hydrodynamic (EHD) interaction. The later affects the attenuation of waves in addition to a significant increase of the wave speed, which in this case both non-trivially depend on the elasticity of the particles, on the viscosity of the fluid and on the frequency. In a third place, we check the reliability of our analysis to describe ultrasonic wave propagation in real granular materials such as dry or wet sand; our particles are here millimetric spheres. In the dry configuration, our results are consistent with an effective medium theory (EMT) which relies on the Hertz-Mindlin interaction in the long wavelength approximation. In the wet configuration, the EMT model combined with an EHD mechanism fairly reproduces our preliminary observations.

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Avec l’avènement du laser femtoseconde il est devenu possible de mesurer comment la démagnétisation femtoseconde peut permettre de sonder l’interaction d’échange dans les métaux ferromagnétiques. La démagnétisation induite par laser d’un matériau avec un fort couplage magnéto-élastique amène à la relaxation des contraintes mécaniques, générant ainsi des ondes acoustiques longitudinales (L) et transversales (T). Dans ce travail de thèse, la génération d’impulsions acoustiques picosecondes T par le mécanisme de démagnétostriction dans des matériaux fortement magnétostrictifs est traitée analytiquement et montrée expérimentalement dans le cas d’un alliage de Terfenol. En premier lieu, nous avons développé un modèle phénoménologique de magnétostriction directe dans un film monocristallin de Terfenol. Les expériences pompe-sonde linéaire MOKE résolues en temps montrent que la relaxation transitoire des contraintes magnéto-élastiques du film amène à l’excitation d’ondes GHz acoustiques L at T. Ces résultats sont la première observation expérimentale de l’excitation d’ondes acoustiques transversales picoseconde par mécanisme de démagnétostriction induit par laser. En second lieu, nous avons analysé le processus d’interaction d’ondes acoustiques L avec l’aimantation d’un film mince de Terfenol. L’onde acoustique picoseconde produit un changement de magnétisation du film et induit la conversion de modes acoustiques. C’est une autre voie de génération d’ondes acoustiques T que nous avons mis en évidence. La gamme de fréquence des impulsions générées est liée à l’échelle de temps de démagnétisation, qui corresponds à quelques centaines de GHz - 1 THz. / With the advent of femtosecond lasers it became possible to measure how femtosecond optical demagnetization can probe the exchange interaction in ferromagnetic metals. Laser-induced demagnetization of materials with strong magneto-elastic coupling should lead to the release of its build-in strains, thus to the generation of both longitudinal (L) and shear (S) acoustic waves. In this thesis, generation of shear picosecond acoustic pulses in strongly magnetostrictive materials such as Terfenol is processed analytically and shown experimentally. In case of Terfenol with strong magneto-crystalline anisotropy, laser induced demagnetostriction is responsible for S excitation. First, the phenomenological model of direct magnetostriction in a Terfenol monocrystalline film is developed. The shear strain generation efficiency strongly depends on the orientation of the film magnetization. Time-resolved linear MOKE pump-probe experiments show that transient laser-induced release of the magnetoelastic strains lead to the excitation of GHz L and S acoustic waves. These results are the first experimental observation of picosecond shear acoustic wave excitation by laser-induced demagnetostriction mechanism. Second, the interaction of an optically generated L acoustic pulse with the magnetization of a Terfenol thin film is reported. Arrival of the picosecond strain wave alters a change of its magnetization and leads to acoustic mode conversion, which is another pathway of shear acoustic wave generation. The frequency bandwidth of the generated acoustic pulses matches the demagnetization timescale and lies in the range of several hundreds of GHz, close to 1 THz.

Le système auditif ascendant est constitué d’étages multiples procédant chacun à un traitement complexe du signal, traitement qui est modulé par un système descendant, formant de multiples boucles corticales et sous-corticales de rétroaction : le système efférent auditif. La boucle la plus longue de ce système serait capable de moduler directement le fonctionnement des cellules sensorielles de l’organe périphérique de l’audition. Le but de ce travail était d’étudier pour la première fois chez le sujet sain, l’effet d’une modulation corticale expérimentale sur le fonctionnement périphérique auditif. Nous avons donc recueilli, dans le cadre d’un protocole en double aveugle contre placebo, chez 34 sujets sains, l’activité des cellules ciliées externes de l’organe de Corti (cellules sensorielles directement en contact avec les fibres nerveuses efférentes), par le recueil d’otoémissions acoustiques (OEAs), avant et après stimulation du cortex auditif par une stimulation magnétique transcrânienne répétitive (SMTr). Une diminution de l’amplitude d’un type d’OEA a été obtenue du côté controlatéral à une stimulation du cortex auditif par SMTr à 10 Hz, effet qui ne peut être expliqué seulement par une action non-spécifique liée au bruit de la SMTr mais qui reste extrêmement variable d’un sujet à un autre. De plus, nous avons montré, du côté ipsilatéral à la SMTr, une diminution de l’amplitude des OEAs immédiatement après la SMTr, et uniquement pour les fortes intensités d’utilisation de la SMTr (donc, pour des niveaux de bruit plus importants), reflétant un effet direct du bruit de la SMTr sur les mécanismes cochléaires actifs, effet présent chez nos sujets même en cas de protections auditives de bonne qualité / The ascending auditory system involves multiples stages where the auditory information is processed and modulated by a top-down influence involving multiple cortico sub-cortical loops: the efferent auditory system. It is hypothesized that the longest loop of this efferent system is able to modulate directly the sensory cells of the peripheral auditory organ. The aim of this work was to study this system, to our knowledge for the first time in healthy humans, and to show a direct cortical influence on the auditory periphery. In a double blind randomized procedure, we recorded, in 34 healthy subjects, the activity of outer hair cells of the organ of Corti (sensory cells, that are in direct synaptic contact with medial efferent fibers), by means of evoked otoacoustic emissions (OAEs), before and after auditory cortex stimulation by repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS). We showed an inhibitory influence of the auditory cortical stimulation by 10 Hz rTMS on OAE amplitudes, predominantly in the ear contralateral to the rTMS, effect that cannot be attributed to a non-specific effect linked to the impulse noise associated with the rTMS technique, but that remains highly variable across subjects. In addition, we showed a decrease in OAE amplitude on the ipsilateral side, immediately after the rTMS session and only for high rTMS intensities (and hence, higher noise levels), that reflect a direct influence of the rTMS noise on the auditory periphery, effect that is present even in well ear-protected subjects

Lorsqu'elle est chauffée, la roche peut subir une microfissuration thermique, qui influence ses propriétés physiques, mécaniques, thermiques, et de transport. La surveillance de la microfissuration thermique en laboratoire a été principalement réalisée pendant le chauffage, et rarement lors du refroidissement ou du chauffage cyclique que la roche subit dans les volcans et les réservoirs géothermiques. Un nouvel appareil a été élaboré pour surveiller les émissions acoustiques et mesurer les vitesses des ondes élastiques à haute température. L'état de fissuration a été évalué grâce à un nouvel algorithme d'analyse microstructurale, et l'influence des microfissures sur les propriétés des roches a été mesurée et modélisée. Selon la microstructure, la microfissuration peut avoir lieu pendant le chauffage ou le refroidissement, et les microfissures existantes peuvent s’ouvrir et se fermer de façon réversible avec des changements de température, et influencer les propriétés de la roche. / Rock may undergo thermal microcracking when heated, affecting its physical, mechanical, thermal, and transport properties. Thermal microcrack monitoring in the laboratory has mainly been performed during heating, and rarely during the cyclic heating and cooling relevant for volcanoes and geothermal reservoirs. For this, a new dedicated apparatus for the acoustic emission monitoring and wave velocity measurement at high temperatures was elaborated, building on previous designs. Microcrack damage was assessed with a new algorithm for quantitative microstructural analysis, and the influence of thermal microcracks on rock properties was measured and modelled. Depending on the rock type and initial microcrack content, microcracking occurred during either heating, cooling, or neither, and existing microcracks reversibly opened or closed with increasing temperature. In Earth's crust, the evolution of rock properties with temperature may be significant and is determined by the microstructure.

Ces travaux ont visé le développement d'une plateforme complète de détection de gaz pour environnement sévère haute température. Cette plateforme intègre un dispositif à ondes acoustiques de surface sur substrat Langasite, une résistance chauffante, une couche sensible inorganique nanostructurée et est placée dans une enceinte hermétique. Des températures de l'ordre de 450 °C ont été atteintes et des tests de cyclages ont démontré un fonctionnement reproductible en accord avec les modèles théoriques. Des tests de détection de composés organiques volatils (éthanol et toluène) ont mis en avant le fort potentiel du couplage entre dispositifs acoustiques et couches sensibles mésoporeuses présentant des seuils de détection de l'ordre de quelques ppm.

Ce travail concerne l‟étude de la croissance épitaxiale de couches fines de nitrure d‟aluminium (AlN) sur substrats silicium. Les propriétés structurales et optiques de l‟AlN épitaxié par jets moléculaires sont étudiées en fonction de l‟orientation et de la préparation de surface du substrat. La vitesse de propagation des ondes acoustiques et les coefficients piézoélectriques e31 et d33 sont mesurés. Des mesures préliminaires sur des résonateurs à ondes acoustiques de volume confirment que l‟utilisation de couches épitaxiées permet la réalisation de composants capables de fonctionner à hautes fréquences. Dans la dernière partie, nous présentons des résultats collatéraux à cette étude et plus particulièrement nous montrons l‟effet de l‟amélioration de la qualité de la couche tampon d‟AlN sur la croissance d‟hétérostructures à base de GaN sur substrat silicium et nous dégageons quelques perspectives concernant la fabrication de micro-nanostructures et la possibilité d‟intégrer cette famille de matériaux à la filière silicium.