Acoustique des milieux bulleux: Applications à la conception de métamatériaux et à la manipulation de bulles

A bubble undergoing an acoustic wave is likely to oscillate. The displacement of the air-fluid interface generates a local compression of the outer fluid where a scattered wave is thus created. This very simple mechanism has been successfully described by the famous Rayleigh-Plesset formula derived at the beginning of the previous century. At low frequencies, the resonant behavior (Minnaert) is responsible for a strongenhancement of the oscillations of the bubble which thus becomes a very efficient scatterer. In a realistic media, bubbles are not isolated. The interferences occurring between an infinity of scattering sequences make the description of the propagation a lot harder to achieve.In this thesis, we introduce the effective theories that are classically adopted to describe random bubbly liquids. After being compared to our numerical results, these theories are used in order to design bubbly materials featuring some interesting properties such as superfocusing or negative refraction. The case of periodic assembly is addressed as well for both a simple square lattice bubble raft and a cubic centered faces bi-periodic crystal. We show that the periodicity induces an explicit modification in the dispersion of the medium and offers a simple tunable parameter.At last, we focus on the possibility for the bubble to move inside the host fluid and which is thus likely to experience an acoustic radiation pressure called Bjerknes force. We show how the secondary Bjerknes force, resulting from the wave scattered by a bubble toward its neighbors, can be exploited in order to manipulate one or several free bubble flowing near one or several trapped bubbles.Lorsqu’elle est excitée par une onde ultrasonore, une bulle d’air oscille. Les mouvements de l’interface eau-air entrainent un déplacement local du fluide hôte qui devient le siège de la propagation d’une onde diffusée. Ce mécanisme très simple est fidèlement décrit par le formalisme de Rayleigh-Plesset datant du début du siècle dernier. À basse fréquence, au voisinage de la résonance de Minnaert, les oscillations de la bullepeuvent devenir particulièrement amples et la diffusion extrêmement efficace. Dans un environnement réaliste, les bulles sont présentes en grand nombre et la description se complique sensiblement puisque la propagation résulte de l’interférence entre une infinité de séquences de diffusion.Au cours de cette thèse, nous introduirons les modèles de milieux effectifs qui permettent de prédire le comportement de fluides bulleux désordonnés. Après avoir été confrontées aux résultats issus de la simulation numérique, ces théories effectives nous permettront de concevoir des matériaux désordonnés aux propriétés étonnantes comme la superfocalisation ou la réfraction négative. Nous envisagerons également l’étude d’arrangements cristallins et verrons que la périodicité induit des modifications sensibles dans le comportement du milieu tout en constituant un levier de contrôle efficace. Enfin, la bulle est susceptible de se mouvoir et, par conséquent, de ressentir des forces de pression de radiation. En particulier, Nous verrons comment la force de Bjerknes secondaire, issue du champ diffusé par une bulle vers l’une de ses voisines, peut être exploitée afin de manipuler une ou plusieurs bulles mobiles au voisinage d’une ou plusieurs bulles piégées