Nicolas Chastrette - "Instabilité d'oscillation d'une goutte posée excitée par des ondes acoustiques de surface"

Résumé :

Cette thèse est consacrée à l’étude de l’instabilité d’oscillation présentée par des gouttes posées de volume typique 10 μl lorsque celles-ci sont irradiées par une onde acoustique de surface de fréquence comprise entre 800 kHz et 8 MHz, c’est-à-dire dont la longueur d’onde est inférieure mais comparable aux dimensions de la goutte. Au-dessus d’un seuil de puissance acoustique qui dépend fortement du rapport entre la longueur d’onde de l’onde de Rayleigh incidente et la dimension de la goutte, certains modes propres discrets d’oscillation de surface de la goutte de fréquence typique 200 Hz sont excités. Lorsqu’elle atteint la goutte, l’onde de Rayleigh rayonne une onde acoustique à l’intérieur de la goutte et celle-ci se réverbère dans la goutte qui se comporte comme une cavité acoustique de facteur de qualité assez élevé, de l’ordre de 100. En combinant l’imagerie rapide des déformations de la surface de la goutte et la mesure de la pression à l’intérieur de la goutte à l’aide d’un hydrophone, nous caractérisons les couplages entre le résonateur acoustique que constitue la
goutte et les modes de surface au seuil d’instabilité. Nous proposons et testons expérimentalement un mécanisme d’instabilité analogue à celui exploité dans les micro-résonateurs
opto-mécaniques et observé dans les détecteurs d’ondes gravitationnelles. Ce mécanisme est basé sur les couplages mutuels entre résonateurs de surface et de volume via d’une part
la pression de radiation exercée par le champ acoustique stationnaire sur la surface, d’autre part la modulation d’amplitude retardée de ce champ acoustique stationnaire par les déformations de surface de la goutte.


----------------------------------------------------------------------

Abstract :

In this PhD thesis we study the oscillation instability exhibited by sessile droplets with 10 μl typical volume when excited by a surface acoustic wave with frequency ranging between
800 kHz and 8 MHz, i.e. with corresponding wavelength comparable but smaller than the droplet size. Above a power threshold that strongly depends on the Rayleigh wavelength to
droplet size ratio, a few discrete droplet surface oscillation eigenmodes with 200 Hz typical frequency are excited. When the surface acoustic wave reaches the droplet, an acoustic wave
is radiated and reverberates inside the droplet, which behaves as an acoustic cavity with a high quality factor (about 100). Using simultaneously high-speed imaging of the free surface
deformation and pressure measurement inside the droplet using a hydrophone, we characterize the couplings between the acoustic resonator formed by the droplet and the surface
oscillations modes at the instability onset. We propose and experimentally test an instability mechanism similar to the one used in opto-mechanical micro-resonators and the one
observed in gravitational wave detectors. This mechanism is based on the mutual couplings between the surface and bulk resonators through on one hand acoustic radiation pressure
exerted by the steady acoustic field on the free surface and on the other hand delayed amplitude modulation of this steady acoustic field by the droplet free surface deformations.