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IV. Étude numérique

IV.1 Étude de réseaux 2-d périodiques

IV.1.1. Bandes interdites d’un réseau d’inclusions d’air

Le réseau d’inclusions d’air est soumis en incidence normale (α

L

= α

T

= 0°) à deux

ondes planes longitudinale et transversale. Pour cet angle d’incidence particulier, l’absence de

conversions LT lors de la réflexion ou de la transmission par chaque réseau linéaire fait que

la propagation d’ondes dans le réseau présente une forte analogie avec celle dans un réseau de

diffuseurs cylindriques immergés dans un fluide [

35

]. Les ondes longitudinales et celles

trans-versales se propagent indépendamment dans le réseau. Pour d/a=3 (la première fréquence de

coupure correspond alors à k

L

=3,3) et D/a =10, la Figure 3.5 présente les courbes de

disper-sion et d’atténuation du réseau d’includisper-sions d’air au comportement peu résonant.

Conformément aux théories de milieux périodiques, les courbes font apparaître une

série de bandes interdites correspondant à des régions de forte atténuation. Elles

correspon-dent soit à γ

L T

′ =

,

0 (centre de la première zone de Brillouin) soit à γ

L T

′ =

,

π/D (frontière de la

première zone de Brillouin). Lorsque γ

L T

′ =

,

π/D, un régime d’ondes stationnaires s’établit

dans l’épaisseur e=(N-1)D du milieu effectif. Les bandes interdites associées aux ondes

lon-gitudinales sont plus larges que celles associées aux ondes transversales. Il y a trois bandes

interdites associées aux ondes longitudinales et six associées à celles transversales. Les

ban-des passantes correspondent, quant à elles, à la propagation d’onban-des dispersives et non

atténu-ées (γ

L T

′′ =

,

0) dans le milieu effectif. Pour chaque type d’onde, la première bande interdite est

localisée autour d’une fréquence telle que la distance D coïncide avec une demi-longueur

d’onde de l’onde incidente : k D

L T,

cosα

L T,

=π avec α

L

= α

T

= 0°. Les bandes interdites

[35] C. Audoly et G. Dumery, Acoustic wave propagation in media containing two-dimensional periodically spaced elastic inclusions, Phys. Acoust., Éds. O. Leroy et M. A. Breazeale, Plenum Press, New York, pp. 199-204, 1991.

vantes sont localisées à des multiples entiers de ces fréquences. En cristallographie, la relation

ci-dessus correspond à la relation de Bragg. Il s’agit de la condition d’interférence

cons-tructive entre deux ondes réfléchies par deux réseaux linéaires (ou plans réticulaires) distants

de D. Pour un grand nombre de plans réticulaires, une grande quantité d’ondes interfèrent

ens-emble et donne naissance aux bandes interdites observées.

Figure 3.5 : Courbes de dispersion a) et d’atténuation b) d’un réseau d’inclusions d’air

excité en incidence normale avec d/a=3 et D/a = 10 :

( )

L

k

L

γ′ et γ

L

′′( )k

L

en bleu, γ

T

′( )k

L

et γ

T

′′( )k

L

en rouge.

0 0.5 1 a) 0 0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Fréquence réduite b) L k

La Figure 3.6 présente l’évolution des coefficients de réflexion en énergie notés R

LL2

et R

TT 2

(par rapport à la section II, l’indice 1 a été supprimé). Ces coefficients sont calculés

rigoureusement dans les mêmes conditions que les courbes de dispersion et d’atténuation. A

chaque bande interdite observée précédemment coïncide ici une réflexion totale. Les bandes

interdites sont bien reproduites par les coefficients de réflexion et des calculs menés pour un

plus grand nombre de réseaux linéaires n’ont révélé aucune modification quant à leur forme.

Figure 3.6 : Coefficients de réflexion en énergie R

LL2

(Figure 3.6a) et R

TT 2

(Figure 3.6b)

d’un réseau d’inclusions d’air excité en incidence normale avec d/a=3 et D/a = 10.

Les coefficients de réflexion locaux r

LL2

et r

TT 2

sont représentés par les courbes rouges.

0 0.5 1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Fréquence réduite b) L k 0 0.5 1 a)

Ceci confirme que, pour N=15, le réseau comporte suffisamment de réseaux linéaires pour

que la propagation d’ondes puisse y être décrite par le théorème de Bloch. Par rapport aux

courbes de dispersion et d’atténuation, les tracés des coefficients de réflexion fournissent un

résultat nouveau lié de la dimension finie du réseau dans la direction Ox : les coefficients de

réflexion présentent, au niveau des bandes passantes, des oscillations apériodiques de nature

interférentielle. Ces oscillations, de type Fabry-Perot, résultent des interférences entre les

on-des réfléchies par les deux interfaces du milieu effectif fini. Ces interférences n’ont pas lieu

dans les bandes interdites en raison des fortes atténuations qui les caractérisent. Au contraire,

les ondes ne sont pas atténuées dans les bandes passantes et peuvent donc se propager à

longue distance dans toute l’épaisseur du milieu effectif. Leur forte dispersion explique

l’apé-riodité des oscillations observées. Si l’on traçait les coefficients de réflexion en fonction de

L

γ′ et γ

T

′, les oscillations se périodiseraient avec une période inversement proportionnelle à

l’épaisseur e du milieu effectif. Les positions des pics d’interférence sont en effet donnés par

, L T

e n

γ = π , avec n∈`. En comparant sur la Figure 3.6 les coefficients de réflexion en

éner-gie des réseaux linéaires avec ceux du réseau global, on constate que la présence de certaines

bandes interdites est due au fait que les réseaux linéaires, dans ses bandes de fréquence, ne

ré-fléchissent quasiment pas les énergies transportées par les ondes incidentes. Il est également à

noter que les deux spectres relatifs aux ondes longitudinales et transversales ont des bandes de

fréquence communes pour lesquelles ni les ondes longitudinales ni celles transversales ne sont

transmises par le réseau 2-d. Autrement dit, il existe donc des bandes interdites pour

lesquel-les aucune vibration ne peut se propager à longue distance dans le réseau 2-d élastique.

Pour déterminer les effets d’une plus forte densité d’inclusions dans chaque réseau

linéaire, les coefficients de réflexion sont tracés sur la Figure 3.7 pour d/a= 2,1. La première

fréquence de coupure des réseaux linéaires est plus élevée (k

L

=4,7) mais, en vue d’une étude

comparative, nous conservons ici le domaine d’étude précédent. Pour cette valeur du rapport

d/a, le coefficient de réflexion r

LL2

des réseaux linéaires ne s’annule jamais. Les bandes

passantes révélées par le coefficient de réflexion R

LL2

ne sont donc dues qu’à la seule

géo-métrie du réseau 2-d. Par contre, le coefficient de réflexion r

TT 2

s’annule à deux reprises,

précisément à k

L

=2,55 et à k

L

=3,34. Autour de ces deux fréquences, le coefficient de

réfle-xion R

TT 2

fait apparaître clairement deux bandes passantes. Ainsi, en l’absence de

résonan-ces, les bandes passantes du réseau 2-d peuvent être classées en deux catégories : celles

caractéristiques de la propagation d’ondes dans les milieux périodiques (effet global), et celles

dues à des transmissions totales au travers de chaque réseau linéaire (effet local).

Figure 3.7 : Coefficients de réflexion en énergie R

LL2

(Figure 3.7a) et R

TT 2

(Figure 3.7b)

d’un réseau d’inclusions d’air excité en incidence normale avec d/a=2,1 et D/a = 10.

Les coefficients de réflexion locaux r

LL2

et r

TT 2

sont représentés par les courbes rouges.

A des fréquences éloignées des zones d’annulation des coefficients de réflexion des réseaux

linéaires, nous constatons que les fréquences centrales des bandes interdites restent

inchan-gées par rapport aux cas d/a =3. Ceci confirme que les positions des bandes interdites ne sont

liées qu’à la seule période D dans la direction de propagation des ondes. L’effet d’une forte

densité d’inclusions dans les réseaux linéaires est un élargissement des bandes interdites avec,

consécutivement, une disparition progressive des bandes passantes. L’effet est

particulière-ment spectaculaire sur la Figure 3.7b : pour 0,2 ≤ k

L

≤ 2,1, le réseau 2-d filtre complètement

0 0.5 1 0 0.5 1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Fréquence réduitekL

les vibrations de type transversal. Cet élargissement des bandes interdites vient de ce que les

réseaux linéaires réfléchissent beaucoup plus qu’ils ne transmettent lorsque les inclusions sont

très proches les unes des autres. En comparant les coefficients de réflexion des réseaux

linéai-res des Figulinéai-res 3.6 et 3.7, il apparaît en effet nettement qu’ils sont beaucoup plus proches de

l’unité pour d/a =2,1 (en dehors de leurs zones d’annulations dans le domaine des hautes

fré-quences) que pour d/a =3. Aux basses fréquences, le réseau linéaire d’inclusions d’air

qua-siment en contact a alors le comportement similaire d’une couche d’air en milieu solide, cette

couche constituant un réflecteur quasi parfait. Les ondes transmises sont fortement atténuées

lors du franchissement de chaque réseau linéaire et sont quasi inexistantes après quelques

pé-riodes D parcourues.