Observation expérimentale d'un démultiplexeur d'ondes élastiques dans des guides d'ondes phononiques membranaires

Un cristal phononique (CP) est une structure périodique de matériaux ayant des propriétés élastiques différentes permettant ainsi la manipulation des ondes élastiques. La principale propriété remarquable qu'offrent ces structures est la possibilité de création de bandes interdites pour la propagation de certaines vibrations. Elles se définissent comme des zones fréquentielle sans propagation quelle que soit la polarisation. L’existence de ces bandes interdites a suscité un intérêt croissant en ce qui concerne aussi bien la recherche que le développement d’application. L'un des axes d’études engageant les cristaux phononiques est le guidage d'ondes. Ce guidage est construit autour la présence d’un "défaut" linéaire dans un cristal phononique 2D constitué de plots déposés sur une plaque fine (Guide d’onde associé à des stubs). La propagation des ondes utile est dans la direction définie par ce guide. L'objectif de ce travail de thèse est d’étudier aussi bien théoriquement qu’expérimentalement un système de démultiplexage d’ondes élastiques constitué de trois guides d'ondes linéaires distincts pour l'application de démultiplexage fréquentielle. Nous avons montré, en exploitant la largeur d'ouverture du guide d'ondes qu’il est possible d'éliminer certaines plages de fréquences tout en permettant la transmission d'autres intervalles de fréquence. De nombreux travaux similaires proposés dans la littérature se sont concentrés sur les différents aspects théoriques de l'étude et délimités par la fréquence à bande passante étroite. Néanmoins, les travaux expérimentaux sur les systèmes de démultiplexage de bande passante à larges fréquences ne sont toujours pas disponibles. Nous nous sommes concentrés dans ce travail de thèse à fournir une étude sur les aspects théoriques et expérimentaux du système de démultiplexage à large plage. En développant d’abords, un cadre théorique pour une cellule unitaire composée d'un pilier au-dessus d'une structure de plaque basée sur la simulation par la méthode des éléments finis (FEM). Suivi par l’utilisation de la technique de la super-cellule pour calculer les structures de bande de cristaux phononiques massifs imparfaits avec des défauts linéaires. Pour calculer le coefficient de transmission, la structure de piliers avec un nombre fini avec couche parfaitement adaptée (PML) a été incorporée dans la direction de propagation des ondes pour éviter les ondes stationnaires de la source entrante. Nous avons démontré la présence de bandes de fréquences d'émission et de suppression liées à la valeur de la largeur d'ouverture des trois guides d'ondes suggérant le démultiplexage en action. Pour la partie expérimentale, la technologie de fabrication additive a été utilisée pour fabriquer un échantillon à l'aide de l'imprimante 3D ProX300 via la technologie de frittage laser direct en métal (DMLS). La stimulation élastique est fournie par une pastille « patch transducteur » en céramique piézoélectrique et les spectres de coefficient de transmission ont été mesurés à l'aide de Micro System Analyzer (MSA). Pour étudier le comportement de propagation des ondes dans l'appareil, nous effectuons une mesure de topographie de surface avec un vibromètre laser Doppler (SLDV). Le résultat montre que les guides d'ondes comprennent des fréquences de filtrage et des ondes incidentes acheminées dans un guide d'ondes qui appartient à un canal avec une atténuation d'onde claire démontrée avec succès dans les deux autres canaux. Les guides d'ondes ont tendance à transmettre l'onde exclusivement à ses fréquences de coupure sans aucune perte notable vers d'autres chemins de guides d'ondes, ce qui suggère les capacités de démultiplexage de la conception proposée qui peuvent être utilisées pour des applications biologiques dans la manipulation de gouttelettes.Phononic Crystal (PnC) is a periodic artificial crystal made of two different elastic constant materials enabling the acoustic/elastic wave manipulation. Its acoustic properties, such as the existence of phononic band gap (PnBg), which is defined as a frequency region with no propagation of acoustics/elastics modes regardless the polarization, have incites numerous interests of researches. One of the engaging field of studies are the research focused on the PnC slab waveguide created by removing one or several rows of inclusions. The objective of this thesis is to provide both theoretical and experimental studies of demultiplexing system consists of three distinct linear waveguides for elastic wave demultiplexing application. We showed, by exploiting the distance of waveguide opening, it is possible to eliminate certain ranges of frequencies while allowing other frequency intervals transmission. Many similar works proposed in the literature have been focusing on the various theoretical aspects of the study and delimited by the narrow-pass band frequency. Nevertheless, the experimental works on demultiplexing systems of wide-frequencies pass band are still unavailable. The objective of this thesis is to provide a study on the vide supra research-gap on both theoretical and experimental aspects of wide-range demultiplexing system. First, we developed a theoretical framework for a unit cell consists of pillar on top of slab structure based on the Finite Element Method (FEM) simulation. Later, the supercell technique to calculate the band structures of imperfect bulk phononic crystals with linear defects have been used. To calculate the transmission coefficient, the finite pillar structure with perfectly matched layer (PML) was incorporated in the direction of wave propagation to avoid standing wave from incoming source. We demonstrated the transmitting and suppressing frequencies with respect to the three waveguides opening suggesting the demultiplexing in action. For the experimental part, the additive manufacturing technology was used to fabricate the device using 3D-Printer ProX300 via Direct Metal Laser Sintering (DMLS) technology. The elastic stimulation is provided by a piezoelectric ceramic transducer patch and the transmission coefficient spectra was measured using Micro System Analyzer (MSA). To study the behavior of wave propagation in the device, we conduct a surface topography measurement with laser Doppler vibrometer (SLDV). The result shows that the waveguides include filtering frequencies and incident waves routed into one waveguide which belongs to one channel with a clear wave attenuation demonstrated successfully in the other two channels. The waveguides tend to transmit the wave exclusively to its cuttoff frequencies without any noticeable loss to other waveguide paths, suggesting the demultiplexing capabilities of the proposed design that can be used for biological applications in droplet manipulation