Métamatériaux pour l’acoustique sous-marine : influence de la nature des interstices entre tuiles élémentaires sur la réponse des métamatériaux acoustiques périodiques

Contexte:
     En milieu marin, les ondes acoustiques, contrairement aux ondes électromagnétiques, peuvent se propager sur de très grandes distances, plus particulièrement à basses fréquences. C'est l'une des raisons principales pour laquelle des systèmes de sonar passifs et actifs sont développés pour la détection d’objets dans l’eau tels que les sous-marins. Les systèmes de détection sous-marine sont également couramment utilisés pour la guerre des mines, la caractérisation des fonds marins et les activités de pêche. En outre, la communauté scientifique est actuellement de plus en plus préoccupée par la pollution sonore sous-marine liée à des activités en mer (navigation commerciale, systèmes d'énergies marines renouvelables, prospection pétrolière et gazière...) et son impact bioacoustique sur la vie marine, car un grand nombre des espèces animales marines utilisent les ondes acoustiques.

     Dans ce contexte, les métamatériaux acoustiques peuvent être utilisés pour réduire les signatures acoustiques des structures immergées ou pour améliorer les performances des systèmes de détection [R1]. Le principe consiste à recouvrir une structure immergée d'une couche ou d'un matériau, ou revêtements acoustiques, généralement de quelques centimètres d'épaisseur. Avec cet objectif, un projet collaboratif franco-indien a été mis en place pour étudier de nouvelles technologies de revêtements  coustiques sous-marins, inspirées du revêtement Alberich. Le concept du matériau composite proposé  s'inscrit dans le cadre des « métamatériaux acoustiques ». Le travail de thèse proposé est lié à l'étude des  interactions acoustiques entre les inclusions distribuées dans une tuile élastomère.

Sujet de thèse :
     Un arrangement périodique d'inclusions résonnantes est souvent considéré pour la conception d'un métamatériau (facilité de fabrication, facilité de prédiction numérique et effets acoustiques renforcés par la périodicité [R2]). En tant que telle, la théorie suppose que les structures sont périodiques, ce qui revient à supposer qu'elles sont infinies dans les dimensions latérales. Cependant, pour des raisons de fabrication et d'utilisation pratique, les revêtements sont souvent réalisés sous forme de tuiles aux dimensions latérales limitées, et un panneau d'essai est formé de plusieurs tuiles, séparées par des joints d'interstices.

     Une étude récente, dans le cadre de la thèse de Laetitia Roux [R3], a montré expérimentalement que lorsque les dalles sont juste jointives, un effet acoustique apparaît : l'interaction acoustique entre les inclusions peut différer significativement avec le cas pleinement périodique. Ce problème est d'un grand intérêt d'un point de vue scientifique et n'a pas encore été abordé.
 
     Les tâches à mener dans le cadre de la thèse se décomposent de la façon suivante :

1. Revue de la littérature sur l'influence du réseau périodique et des échantillons de taille finie sur les performances acoustiques.
2. Développement de modèles numériques pour prédire les performances acoustiques d'un métamatériau considérant :
   a) diverses possibilités pour les interstices entre les tuiles (joint, colle, vide, …),
   b) un panneau de plusieurs tuiles de dimensions latérales finies,
   c) diverses options pour le bord latéral du panneau (bord libre ou bord rigide si le panneau est monté dans un cadre).
3. Définition d'une procédure expérimentale pour vérifier la validité des modèles développés et campagne expérimentale afin de qualifier les modèles.
4. Enquête sur la façon d'utiliser l'effet de taille finie des tuiles pour tirer parti des performances acoustiques.
5. Optimisation d'un panneau acoustique à l'aide des modèles prédictifs développés.

Références:
[R1] C. Audoly, Perspectives of metamaterials for acoustic performances of submerged platforms and systems. Undersea Defence Technology Conference, Oslo, Norway, 1-3 June 2016
[R2] C. Croënne, E. Lee, H. Hu, and J. Page. Band gaps in phononic crystals: Generation mechanisms and interaction effects. AIP Advances, 1(4), 041401, 2011.
[R3] L. Roux, “Acoustic metamaterials for underwater applications: Homogenisation Methods, Design Optimisation and Experimental Characterization” PhD thesis, University of Lille, 2021.

                 Cette thèse sera réalisée au sein du groupe Acoustique de l’IEMN (Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie, UMR 8520).

            Cet institut est une unité mixte de recherche entre le CNRS et quatre Établissements d’Enseignement Supérieur importants : l'Université de Lille, l'Université Polytechnique Hauts-de-France, Centrale Lille et YNCREA-ISEN. Son but est de rassembler l’essentiel de la recherche régionale dans le domaine de l’Électronique et de ses principales disciplines. L’IEMN rassemble environ 230 permanents et 150 doctorants, d’origine disciplinaire très variée. Les recherches couvrent un vaste domaine allant de la physique des matériaux et des nanostructures aux systèmes de télécommunications et à l’instrumentation acoustique et micro-ondes. Un effort particulier est porté sur les micro et nanotechnologies (nanostructures et nanoélectronique, microélectroniques, micro-ondes et microsystèmes). Les chercheurs CNRS de l’Institut sont rattachés aux départements scientifiques INSIS et INP du CNRS, ce qui donne une idée de la variété des thématiques couvertes, des aspects fondamentaux et appliqués jusqu’à la valorisation, et de l’interdisciplinarité des travaux.

La thèse sera menée dans le groupe acoustique de l’IEMN (UMR 8520 CNRS) à Lille-France, et à JUNIA Engineering school, sous la direction d’Anne-Christine Hladky (IEMN - UMR 8520 CNRS), Charles Croënne (IEMN - UMR 8520 CNRS) et Monique Pouille (JUNIA).

La thèse sera effectuée en étroite collaboration avec Laetitia Roux et Ygaal Renou de Naval Group. Un bon niveau d’anglais est requis pour participer à des conférences scientifiques et aux échanges entre les partenaires du projet.

Le/la candidat(e) doit avoir des bases en acoustique et savoir utiliser des logiciels éléments finis. Le/la candidat(e) devra conduire la campagne d’expérimentation dans le bassin acoustique et exploiter les résultats. Il/elle devra passer une part significative de son temps pour mener à bien des mesures dans le bassin.