Matthieu Guédra - Quelques effets liés aux oscillations linéaires et non-linéaires des gouttes et des bulles dans un champ acoustique

Les bulles et les gouttes sont très répandues en bio-ingénierie ultrasonore et sont généralement considérées comme un élément essentiel à de nombreuses applications médicales telles que l’imagerie de contraste, la sonothrombolyse, les ultrasons focalisés de haute intensité, la délivrance ciblée de médicaments ou la sonoporation cellulaire. La variété de ces applications démontre la richesse des effets propres à l’interaction des ondes acoustiques avec ces objets, dont beaucoup restent mal compris et font encore l’objet d’études fondamentales. Dans ce séminaire, je présenterai mes travaux de post-doctorat portant sur quelques-uns des effets liés à l’interaction onde-bulle et onde-goutte, réalisés à l’Institut Jean le Rond d’Alembert et au Laboratoire Applications Thérapeutiques des Ultrasons (Lyon).

 

Je présenterai d’abord une analyse théorique de la dispersion et de l’atténuation des ondes ultrasonores dans une suspension de nanogouttes à coques polymères, en m’intéressant plus particulièrement à la manière dont le comportement mécanique de la coque affecte la propagation des ondes dans le milieu. Je proposerai ensuite une analyse théorique du processus de vaporisation acoustique pour comprendre comment l’onde de pression peut engendrer la croissance d’une bulle de vapeur à l’intérieur de la goutte. Je m’appuierai notamment sur des résultats de simulation pour discuter de l’effet de la coque sur les états stables et la dynamique de la phase vapeur.

 

Dans une seconde partie, je présenterai mes travaux sur les oscillations non-linéaires de bulles appliqués à l’étude des excitations bi-fréquentielles, des nuages de cavitation et des instabilités de surface. En limitant mon analyse aux régimes faiblement non-linéaires, je montrerai comment l’utilisation de méthodes perturbatives permet 1) l’analyse des combinaisons de fréquences et de leur implication sur la résonance non-linéaire de la bulle, 2) le calcul des seuils d’apparition de la composante sous-harmonique au sein d’un nuage de bulles monodisperse, 3) la mise en évidence d’effets d’hystérésis issus de l’instabilité paramétrique et du couplage non-linéaire des modes de surface. L’analyse des oscillations de surface sera également complétée par une étude expérimentale réalisée sur des bulles micrométriques à partir d’un dispositif combinant lévitation acoustique et imagerie rapide de la dynamique de la bulle. Les propriétés de symétrie des modes de surface seront discutées à partir d’observations stéréoscopiques et des résultats seront présentés, qui mettent en évidence l’apparition d’interactions non-linéaires entre modes dans la dynamique des oscillations.