Phononic crystals are structures composed of periodically arranged scatterers in a background medium that affect the transmission of elastic waves. They have garnered much interest in recent years for their macro-scale properties that can be modulated by the micro-scale components. The elastic properties of the composite materials, the contrast in the elastic properties of the composite materials, and the material arrangement all directly affect how an elastic wave will behave as it propagates through the sonic structure. The behavior of an elastic wave in a periodic structure is revealed in its transmission bandstructure, and modification of any the elastic parameters will result in tuning of the band structure. In this dissertation, a phononic crystal with properties that can be modulated using electromagnetic radiation, and more specifically, radio-frequency (RF) light will be presented.

[EN] The aim of this work is to design new acoustic devices based on arrangements of scattering units. First, the use of sonic crystals as noise barriers for traffic noise control is comprehensively analyzed. Due to the limitations of the conventional structures based on rigid scatterers, the inclusion of absorbing elements is proposed. Two different types of absorbers are here considered: porous materials and microperforated plates. In the first case, the attenuation characteristics of barriers made with cylinders containing rubber crumb is analyzed. The second proposal is based on the construction of cylindrical microperforated shells. Analytical approaches modelling the behavior of the barriers have been developed in both cases. These models show a satisfactory agreement with the corresponding experimental realizations. Finally, it is performed an optimization process in order to obtain efficient sound barriers intended to attenuate traffic noise. Another application considered in this work is the construction of cloaks to render objects acoustically invisible. In particular, cloaks made with rigid inclusions are designed to operate with airborne sound. The first proposal consists of a cloak that utilizes the temperature of the background to control the properties of the effective medium. In addition, two and three-dimensional cloaks have been developed through the scattering cancellation technique. These devices have been designed by means of an optimization procedure and their performance has been experimentally demonstrated. / [ES] El objetivo de este trabajo es el diseño de nuevos dispositivos acústicos basados en disposiciones de centros de dispersión. En primer lugar, el uso de cristales sónicos como barreras acústicas para el control de ruido de tráfico es analizado en detalle. Debido a las limitaciones que presentan las estructuras convencionales basadas en centros de dispersión rígidos, se propone la inclusión de elementos absorbentes en los mismos. Se han considerado dos tipos distintos de absorbente: materiales porosos y placas microperforadas. En el primer caso se analizan las propiedades atenuadoras de barreras formadas por cilindros que contienen granza de caucho. La segunda solución se basa en la construcción de coronas microperforadas. En ambos casos se han desarrollado modelos analíticos que permiten determinar el comportamiento de las barreras. Dichos modelos muestran un acuerdo satisfactorio con las correspondientes realizaciones experimentales. Finalmente se ha realizado un proceso de optimización con objeto de obtener barreras eficientes para la atenuación de ruido de tráfico. Otra aplicación considerada en este trabajo es el desarrollo de dispositivos de invisibilidad acústica. Concretamente se pretenden diseñar mantos constituidos con elementos rígidos para ondas acústicas en aire. La primera propuesta consiste en un manto que utiliza la temperatura del medio externo para controlar sus propiedades efectivas. Además se han desarrollado mantos en dos y tres dimensiones a través de la técnica de cancelación de la dispersión. Los diseños han sido realizados por medio de un proceso de optimización y su funcionamiento ha sido demostrado experimentalmente. / [CA] L'objectiu d'aquest treball és el disseny de nous dispositius acústics basats en disposicions de centres de dispersió. En primer lloc, l'ús de vidres sònics com barreres acústiques per al control de soroll de trànsit és analitzat en detall. A causa de les limitacions que presenten les estructures convencionals basades en centres de dispersió rígids, es proposa la inclusió d'elements absorbents en els mateixos. S'han considerat dos tipus diferents de absorbent: materials porosos i plaques microperforades. En el primer cas s'analitzen les propietats atenuadores de barreres formades per cilindres que contenen gransa de cautxú. La segona solució es basa en la construcció de corones microperforades. En tots dos casos s'han desenvolupat models analítics que permeten determinar el comportament de les barreres. Aquests models mostren un acord satisfactori amb les corresponents realitzacions experimentals. Finalment s'ha realitzat un procés d'optimització per tal d'obtenir barreres eficients per l'atenuació de soroll de trànsit. Una altra aplicació considerada en aquest treball és el desenvolupament de dispositius d'invisibilitat acústica. Concretament es pretenen dissenyar mantells constituïts amb elements rígids per ones acústiques en aire. La primera proposta consisteix en un mantell que utilitza la temperatura del medi extern per controlar les seves propietats efectives. A més s'han desenvolupat mantells en dues i tres dimensions a través de la tècnica de cancel·lació de la dispersió. Els dissenys han estat realitzats per mitjà d'un procés d'optimització i el seu funcionament ha estat demostrat experimentalment. / García Chocano, VM. (2015). New devices for noise control and acoustic cloaking [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/53026 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales

Le bruit dû aux infrastructures de transports terrestres fait partie des premières préoccupations environnementales de ce début de 21e siècle. Un moyen utilisé pour réduire ce bruit est de placer des protections acoustiques le long des grands axes routiers et ferroviaires. Actuellement, les choix de ces protections antibruit se portent généralement sur des solutions traditionnelles : écran droit, merlon, écran incliné, écran avec un couronnement. Le but de ce travail est de proposer des protections acoustiques innovantes utilisant des moyens naturels et d’en étudier la performance acoustique en utilisant des approches numériques et expérimentales. L’approche numérique peut être couplée en outre à un outil d’optimisation, développé dans cette thèse, pour chercher des formes améliorées de tels dispositifs antibruit novateurs. Après une présentation des principaux phénomènes mis en jeu dans la propagation des ondes acoustiques en milieu extérieur complexe, un état de l’art des principaux écrans acoustiques dédiés aux transports terrestres a été établi, permettant de choisir trois protections antibruit innovantes pour en étudier la performance acoustique. Une analyse des principales méthodes de simulation numérique, de mesure et d’optimisation des protections antibruit a permis de choisir les méthodes adaptées à notre problématique des écrans acoustiques utilisant des moyens naturels. Les méthodes choisies ont été utilisées dans ce travail pour évaluer la performance acoustique de ces écrans innovants. Pour le premier écran choisi, dit écran en gabions, nous avons effectué des mesures in-situ et sur modèles réduits, ainsi que des simulations numériques montrant une efficacité satisfaisante. Pour le deuxième écran, utilisant des cristaux soniques, et pour le troisième écran, de type merlon acoustique de forme complexe, nous avons réalisé une étude numérique paramétrique suivie d’une étude d’optimisation. Les résultats des calculs ont montré l’intérêt de tels dispositifs antibruit pour réduire le bruit de circulation routière et ferroviaire en milieu urbain et ils ont abouti à des formes améliorées des protections acoustiques utilisant des moyens naturels. / Noise due to ground transportation infrastructures is among the first environmental concerns of this beginning of 21th century. Building noise protections along motorways and railways is usually the chosen solution to reduce this noise. Currently, noise abatement systems used are mainly conventional ones: straight barriers, earth berms, tilted barriers, capped barriers. The purpose of this work is to propose innovative noise barriers using natural means and to study their acoustic performance by using numerical and experimental approaches. The numerical approach can also be coupled with an optimization tool, developed in this thesis, to obtain improved shapes of such devices using natural means. First, the main phenomena that appear during acoustic wave propagation in a complex outdoor medium are described. Then, a state of the art of the main noise barriers dedicated to ground transportation noise is achieved. It drives the choice of three innovative noise barriers using natural means. An analysis of the main numerical, experimental and optimization methods is carried out which allows to choose the methods adapted to our problem of noise barriers using natural means. The chosen methods are used in this work to assess the acoustic performance of the three innovative noise barriers. For the first chosen noise barrier called “gabions barrier”, we perform in-situ and scale model measurements and numerical simulations. The results show a satisfactory efficiency of such noise devices. For the second and the third chosen noise barriers called respectively “sonic crystal assisted barrier” and “complex shaped earth berm”, we perform a parametric numerical and an optimization studies. The results show the capacity of such noise devices to reduce motorways and railways noises in urban areas and they lead to improved shapes of innovative noise barriers using natural means.

[EN] The aim of this work is to demonstrate theoretically and experimentally how acoustic wave propagation can be controlled by temperature gradients. Starting with the simplest case of two hot wires in air the study extends over periodic structures known as Sonic Crystals (SCs). The Finite Elements Method (FEM) has been employed to perform numerical simulations in order to demonstrate collimation and focusing effect of acoustic waves in two-dimensional (2D) SC whose filling fraction is adjusted by temperature gradients. As a part of the research, Bragg reflection and Fabry-Perot type of acoustic effects are investigated for the proposed type of SC. As example, a SC with desired transmittance can be tailored. Also, gradient index (GRIN) 2D sonic lenses are studied. Using parallel rows of heated wires whose temperatures vary according to a prefixed gradient index law a GRIN lens can be designed with a given performance. Moreover, by changing the temperature of the wires a change in the filling fraction inside the GRIN SC can be achieved. Thus, the local refraction index, which is directly related to the filling fraction, is changed too and an index gradient variation inside the GRIN SC is obtained. This GRIN SC is a direct analogy of gradient media observed in nature. Like their optical counterparts, the investigated 2D GRIN SC lenses have flat surfaces and are easier for fabrication than curved SC lenses. The bending of sound waves obtained by GRIN acoustics structures can be used to focusing and collimating acoustic waves. Another aspect of this work is about tuning some SC properties as effective refractive index, effective mass density, etc. in order to obtain a SC with prefixed properties. Since active tuning of the phononic band gaps is certainly desirable for future applications with enhanced functionalities, few attempts have been made to develop tunable SCs thus far. By controlling the incident angle or operating frequency, a GRIN SC can dynamically adjust the curved trajectory of acoustic wave propagation inside the SC structure. Among the last studies of tunable SCs, the filling fractions were tuned either by direct physical deformation of the structure or external stimuli. The former is impractical for most applications and the latter often requires very strong stimuli to produce only modest adjustment. In this work another way to tune the SC properties is proposed. Hot and cold media have different density, speed of sound, refractive index, etc. in comparison with the same properties at normal conditions, so inserting temperature gradients inside the medium can be used to tune the SC properties in certain limits. The proposed way to obtain temperature gradients inside SC is by wires made of Nicrom which are heated by electrical currents. There are some important advantages of this method. First, changing the electrical current intensity through the wires the SC properties can be changed dynamically. Second, it is relatively easier to change the filling fraction simply by adjusting the current intensity than physically changing the structure or applying strong electric or magnetic fields. In conclusion, the method proposed in this thesis allows us, in principle, to get materials and structures with dynamically adjustable acoustic properties using the temperature control through electric current in the wires, within certain limits. Thus, it is easy to carry out experiments of wave propagation phenomena in a macroscopic scale similar to those that occur in microscopic structures for the propagation of electromagnetic waves of high frequency (microwaves and light). / [ES] El objetivo de este trabajo es demostrar teoréticamente y experimentalmente como la propagación de ondas acústicas puede ser controlada por gradientes de temperatura. Empezando con el caso más simple de dos hilos calientes en aire, el estudio se extiende sobre estructuras periódicas conocidas como cristales sónicos (CS). Se ha utilizado el Método de Elementos Finitos (FEM) para realizar simulaciones numéricas con el objetivo de demonstrar la colimación y focalización de ondas acústicas en CS bidimensionales (2D) cuya fracción de llenado es ajustable mediante gradientes de temperatura. Como parte de la investigación se ha analizado la reflexión de Bragg y el efecto de tipo Fabry-Perot asociados con los CSs estudiados. Entre los ejemplos tratados figuran un CS con una transmitancia ajustable a voluntad, dentro de ciertos límites. También se han estudiado lentes acústicas bidimensionales de gradiente de índice, basadas en gradiente de temperatura. Utilizando cortinas paralelas de hilos calientes cuya temperatura varía según una ley dada se puede diseñar una lente GRIN con propiedades determinadas. Por otra parte, cambiando la temperatura de los hilos se puede lograr un cambio en la fracción de llenado dentro del GRIN CS. Así, el índice de refracción local, que está directamente relacionado con la fracción de llenado, se cambia también y se obtiene una variación de gradiente de índice dentro del GRIN CS. Este GRIN CS es una analogía directa de medios con gradiente, observados en la naturaleza. Otro aspecto de este trabajo trata sobre el ajuste de algunas propiedades de un SC como el índice de refracción efectivo o la densidad efectiva con el objetivo de obtener unas propiedades deseadas del cristal. Como el ajuste activo de los bandgaps fonónicos es ciertamente deseado para futuras aplicaciones con funcionalidades mejoradas, hasta ahora se han hecho varios intentos de desarrollar CSs de características ajustables. Controlando el ángulo de incidencia o la frecuencia de funcionamiento, un GRIN CS puede ajustar dinámicamente la curvatura de la trayectoria de propagación dentro de la estructura CS. Entre los últimos estudios de CSs las fracciones de llenado se ajustaron mediante una deformación física directa de la estructura o mediante estímulos externos (por ejemplo campos eléctricos o magnéticos). El primero es poco práctico para una gran parte de las aplicaciones y el segundo a menudo requiere estímulos muy fuertes para ajustes modestos. En este trabajo se propone otra forma de ajustar las propiedades de un CS. Las propiedades acústicas del medio de propagación (densidad, índice de refracción) dependen de la temperatura, por tanto, introduciendo gradientes de temperatura dentro de dicho medio pueden ajustarse a voluntad las propiedades del CS dentro de ciertos límites. La manera de obtener gradientes de temperatura dentro del CS, propuesta en este estudio, es mediante hilos de nicrom calentados con corrientes eléctricas. Hay algunas ventajas importantes de este método. En primer lugar, cambiando la intensidad de corriente eléctrica que circula por los hilos se puede conseguir cambiar dinámicamente las propiedades del CS. En segundo lugar, es relativamente más fácil de cambiar la fracción de llenado simplemente ajustando la intensidad de la corriente eléctrica que modificar físicamente la estructura o aplicar fuertes campos eléctricos o magnéticos. En conclusión, el método propuesto en esta tesis permite, en principio, conseguir materiales y estructuras con propiedades acústicas ajustables dinámicamente mediante el control de la temperatura a través de la corriente eléctrica en los hilos, dentro de ciertos límites. De esta forma se puede experimentar fácilmente a escala macroscópica fenómenos de propagación de ondas análogos a los que ocurren en estructuras microscópicas para la propagación de ondas electromagnéticas de alta frecuencia (microondas y l / [CA] L'objectiu d'este treball és demostrar teorèticament i experimentalment com la propagació d'ones acústiques pot ser controlada per gradients de temperatura. Començant amb el cas més simple de dos fils calents en aire, l'estudi s'estén sobre estructures periòdiques conegudes com a cristalls sónics (CS) . S'ha utilitzat el Mètode d'Elements Finits (FEM) per a realitzar simulacions numèriques amb l'objectiu de demonstrar la col¿limació i focalització d'ones acústiques en CS bidimensionals (2D) la fracció de omplit de la qual és ajustable per mitjà de gradients de temperatura. Com a part de la investigació s'ha analitzat la reflexió de Bragg i l'efecte de tipus Fabry-Perot associats amb els CSs estudiats. Entre els exemples tractats figuren un CS amb una transmitancia ajustable a voluntat, dins de certs límits. També s'han estudiat lents acústiques bidimensionals de gradient d'índex, basades en gradient de temperatura. Utilitzant cortines paral¿leles de fils calents la temperatura de la qual varia segons una llei donada es pot dissenyar una lent GRIN amb propietats determinades. D'altra banda, canviant la temperatura dels fils es pot aconseguir un canvi en la fracció d'ompliment dins del GRIN CS. Així, l'índex de refracció local, que està directament relacionat amb la fracció d'ompliment, es canvia també i s'obté una variació de gradient d'índex dins del GRIN CS. Este GRIN CS és una analogia directa de mitjans amb gradient, observats en la naturalesa. Com les seues analogies òptiques, les lents, estudiades en este treball, tenen les superfícies planes i són més fàcils de fabricar que les lents corbades. La deflexión de les ones acústiques obtinguda per mitjà d'una lent de gradient GRIN es pot utilitzar per a focalitzar o colimar feixos de so. Un altre aspecte d'este treball tracta sobre l'ajust d'algunes propietats d'un SC com l'índex de refracció efectiu o la densitat efectiva amb l'objectiu d'obtindre unes propietats desitjades del cristall. Com l'ajust actiu dels bandgaps fonónicos és certament desitjat per a futures aplicacions amb funcionalitats millorades, fins ara s'han fet diversos intents de desenrotllar CSs de característiques ajustables. Controlant l'angle d'incidència o la freqüència de funcionament, un GRIN CS pot ajustar dinàmicament la curvatura de la trajectòria de propagació dins de l'estructura CS. Entre els últims estudis de CSs les fraccions d'ompliment es van ajustar per mitjà d'una deformació física directa de l'estructura o per mitjà d'estímuls externs. El primer és poc pràctic per a una gran part de les aplicacions i el segon sovint requerix estímuls molt forts per a ajustos modestos. En este treball es proposa una altra forma d'ajustar les propietats d'un CS. Les propietats acústiques del mig de propagació (densitat, índex de refracció) depenen de la temperatura, per tant, introduint gradients de temperatura dins del dit mitjà poden ajustar-se a voluntat les propietats del CS dins de certs límits. La manera d'obtindre gradients de temperatura dins del CS, proposta en este estudi, és per mitjà de fils de Nicrom calfats amb corrents elèctrics. Hi ha alguns avantatges importants d'este mètode. En primer lloc, canviant la intensitat de corrent elèctric que circula pels fils es pot aconseguir canviar dinàmicament les propietats del CS. En segon lloc, és relativament més fàcil de canviar la fracció d'ompliment simplement ajustant la intensitat del corrent elèctric que modificar físicament l'estructura o aplicar forts camps elèctrics o magnètics. En conclusió, el mètode proposat en esta tesi permet, en principi, aconseguir materials i estructures amb propietats acústiques ajustables dinàmicament per mitjà del control de la temperatura a través del corrent elèctric en els fils, dins de certs límits. D'esta manera es pot experimentar fàcilment a escala macroscòpica fenòmens de propagació d'ones anàlegs a què ocorren e / Ivanov Angelov, M. (2016). Sound Scattering by Lattices of Heated Wires [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63275

Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés d'abord au mécanisme de résonance locale en développant différents modèles théoriques pour l'étude de nouveaux cristaux phononiques à résonance locale (CPRL) en plaque dont l'élément principal et l'élastomère (silicone rubber). Le mode opératoire de ce mécanisme a été étudié et les ouvertures des bandes interdites ont été interprétées théoriquement ainsi que les phénomènes physiques mis en jeu. La mise en évidence expérimentale de la bande interdite a été réalisée par la fabrication et la caractérisation de structures CPRL et une parfaite concordance a été constatée entre les résultats théoriques et expérimentaux. Une étude des phénomènes de guidage a permis par ailleurs de montrer la possibilité du confinement et de la transmission d'un seul mode élastique au niveau d'un CPRL. Dans un second temps, nous avons montré que les propriétés d'un CPRL peuvent être reproduites dans le régime hypersonique. En effet, par le biais de la mise en place d'un nouveau modèle théorique et en proposant un nouveau CPRL à ondes de surface à base de films de diamant, nous avons pu montrer que ce type de cristal peut faire l'objet d'applications potentielles à des fins de guidage et de démultiplexage et ainsi initier la conception de nouveaux dispositifs miniaturisés à ondes de surface destinés aux systèmes de télécommunications (>GHz). / In this PhD work, we focused our interest on the theoretical and experimental study of locally resonant phononic crystals (LRPC) operating in sonic and hypersonic regimes. We first developed numerical models to understand the dispersion behaviour of elastic waves in those plate-type LRPC in which the silicone rubber plays a key role. We showed that with such structure, we can understand clearly how the local resonance (LR) mechanism operates to give rise to opening of low frequency BG two orders of magnitude that the one allowed by Bragg diffusion. The physics behind such structures was also figured out by means of theoretical models. An experimental study was then undertaken by manufacturing a new LRPC plate which has been characterized in terms of elastic behaviour and BG investigation. A perfect concordance was demonstrated between the theoretical an experimental results by evidencing a 2kHz BG opening using a 6mm diameter rubber stub and 1cm periodicity. In addition, waveguiding phenomena was investigated in those structures and showed the possibility of guiding of only one defect mode unlike conventional PCs in which many defects modes are generated. A second part of this study was dealt with LR mechanism in hypersonic regime. Using a new numerical and theoretical approach, we were able to show the BG opening and waveguiding for surface acoustic waves (SAW) in a LRPC composed of metallic stubs arranged on a diamond semi-infinite substrate. The added value of LR in such frequency regime remains in its ability to select only one guided mode due to the longer involved wavelengths. Such structures can then be suitable for filtering and demultiplexing applications.

En la realización de este trabajo se obtendrán las expresiones analíticas que permiten describir las propiedades acústicas de una red de elementos dispersivos en el interior de una guía de ondas, permitiendo así, obtener en el límite de homogenización los parámetros efectivos que caracterizan al metamaterial y la verificación experimental de las propiedades acústicas del metamaterial. Matemáticamente este problema se tratará con la teoría de la dispersión múltiple, ya que las geometrías a tratar en este trabajo van a ser cilíndricas y dicha teoría se ha demostrado ser la mas efectiva para esos casos y usando la técnica de ¿mode matching ¿para la resolución general del problema de la dispersión de campo acústico en el interior de una guía de ondas. / Graciá Salgado, R. (2014). Diseño y caracterización de metamateriales acústicos basados en guías de onda [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/38759