Electromagnetic Inspired Acoustic Metamaterials: Studying the Applications of Sound-Metastructures Interactions Based on Different Wave Phenomena THÈSE NO 7763 (2017) PRÉSENTÉE LE 8 JUIN 2017 À LA FACULTÉ DES SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR LABORATOIRE D'ÉLECTROMAGNÉTISME ET ANTENNES PROGRAMME DOCTORAL EN GÉNIE ÉLECTRIQUE ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES PAR Seyyed Hussein SEYYED ESFAHLANI acceptée sur proposition du jury: Prof. F. Rachidi-Haeri, président du jury Prof. J. R. Mosig, Dr H. Lissek, directeurs de thèse Prof. A. Alu, rapporteur Dr S. Enoch, rapporteur Prof. R. Fleury, rapporteur Suisse 2017 Asyoustarttowalkontheway, thewayappears. —Rumi Tomyfamily Acknowledgements Thisthesisandpresentedresearchoutcomescouldnothavebeenpossiblewithoutthesup- portofmanypeopleincludingmysupervisors,colleagues,friendsandfamily. First,Iwanttoexpressmydeepestthankstomyco-supervisorDr.HerveLissekwhotrustedin meandhiredmeandgavemethechanceandfreedomtoexplorenewfieldsinphysicsand engineering.Secondly,IwanttothankmyadvisorProf.JuanR.Mosigwhohostedmeinhis labandhelpedmewithhisvaluablecommentsandadvicesandsupportedmeineverystage ofmyresearch. I wish to express my gratitude to Prof. Andrea Alu who hosted me in his lab as a visiting researcherandsupervisedmeduringmyvisitattheUniversityofTexasatAustin.Ishouldalso expressmygratitudetolateprofessorofEPFL,JulienPerruisseau-Carrier,withwhomIfirst discussedthemainideasbehindtwochaptersofthisthesisanditwashimwhoencouraged metocontinuethesedirections. IwanttothankProf.AnjaSkrivervikandProf.MichaelMattesfortheiradvicesandcomments aswellastheirvaluablesupportswhenIneededthem.IalsowanttoacknowledgeProf.Farhad Rachidi-Haeri,thepresidentandDr.StefanEnochandProf.RomainFleury,theexaminers, whojoinedthejurycommitteetoevaluatethisthesis. IwanttothankMohsenYousefbeiki,HamedHassaniandMicheleTamagnonewithwhom IsharedmostofmytimeatEPFLandlearnedlotsofthingsfromthem.IalsothankEulalia DurusselandMercedesQuintastwosecretariesofthelabwhohelpmetodealwithallthe paperworksandadministrativeaffairs.IalsoacknowledgeallformermembersoftheLabo- ratoryofElectromagneticsandAcoustics(LEMA)andalsocurrentmembersoftheacoustic groupinSignalProcessingLaboratory(LTS2), MicrowaveandAntennaGroup(MAG)and LaboratoryofWaveEngineering(LWE)atEPFLwithwhomIsharedmytimeandcouldgrowin differentaspects.Moreover,IwanttothankthemembersoftheMetamaterialsandPlasmonics ResearchLaboratoryatUTAustinespeciallyYounesRa’adiandAliMirifortheirhelpand supportduringmystayatAustin. IwanttothankmybrotherMehdiasmyfirstteacherwhointroducedmetoPhysicsandhis wifeElhamforherunconditionalsupportandofcoursemylovelynephewDanielbecauseit washislaughtersthathelpedmetogiveawayallthestressafterlongworkinghourswriting thismanuscript.Finally,Ideeplythankmyparentsforalltheydidformenotonlyduringthe periodofmyPhDprogrambutalsobeforethat.Itwasbecauseoftheirmotivationalwords, trust,supportandunconditionallovethatIcouldsuccessfullyachievemygoal. Lausanne,12May2017 H.E. v Abstract This thesis deals with electromagnetic inspired acoustic metamaterials, enabling sound- matterinteractionsindifferentwavescenariosthatincludepropagation,guided-waves,ra- diation,refraction,reflectionandtransmission.Tothisend,aparticularemphasisisplaced onintroducingnovelapplicationsforacousticmetamaterialsoperatingoneachoneofthe aforementionedwavescenarios. Afewyearsago,metamaterialshavebeenintroducedasanewclassofcompositeartificial materials,engineeredtoproduceunusualeffectivematerialpropertiesnotreadilyavailablein nature.Electromagneticmetamaterialsareprobablytheoldestclassofmetamaterials,being nowadaysintheprocessofreachingmaturityandbeingproposedforinterestingcommercial applications. Ontheother hand, as inmostyoungbutnotyetmatureemergingfieldsof science,acousticmetamaterialsarestillprovidinglotsoffertileandunexploredgroundfor researchandstudy. Despitemanyinherentphysicaldifferences,thepropagationofelectromagneticandacoustic wavesarebothgovernedbyasimilarmathematicalmodel, theso-calledHelmholtzwave equation.Themainpurposeofthisworkistoleveragethisamazingsimilaritybytranslating recentadvancesinelectromagneticmetamaterialsintotheircorresponding,previouslyun- seen,applicationsinacoustics. Thefirstcontributionofthisthesisistoadapttheclassicelectromagnetictransmission-line theory to allow the design of acoustic metamaterials. The proposed circuit-based theory findsadirectapplicationinthedesignofcompositeright/lefthandtransmission-linemeta- materials, which yield novel guided-wave applications for acoustic metamaterials. Then, thedevelopedtheoryisleveragedtomodelandachieveoptimaldesignofdifferentacoustic metamaterial-baseddevices,suchasleaky-waveantennasandreflector-typemetasurfaces. Thesecondpartofthethesisspinsaroundacousticleaky-waveantennasandtheirdifferent functionalities,showingthattheyareabletoactasacousticdispersiveprismsintherefraction modeandasacousticsinglesensordirectionfinderintheradiationmode. Studyingreflectionphenomenainsound-metasurfaceinteractionsconstitutesthenextpart ofthisthesis,whereamembrane-cappedcavityisintroducedperformingasanultra-thin unit-cellforreflectiveacousticmetasurfaces.Thisleadstoexcitingapplicationsoftheconcept, likeacousticreflectarrayantennasandacousticmetasurfaceskin-cloaks. Finally,thelastpartofthisthesisdealswithtransmissionphenomenainacousticmetasurfaces and,especially,inorbitalangularmomentummetasurfaces.Thisconceptresultsinthedesign ofaninnovativelabyrinthine-typehelicoidalunit-cellthatisusedforphasecodingasurface vii Acknowledgements andtransformingimpingingacousticwavefrontsintotransmittedhelicalwavefronts. Keywords: AcousticMetamaterials,ElectromagneticMetamaterials,CompositeRight/LeftHandMetama- terials,Transmission-LineMetamaterials,AcousticLeaky-waveAntenna,AcousticDispersive Prism,AcousticSingleSensorDirectionFinder,AcousticMetasurface,AcousticReflectarray, AcousticOrbitalAngularMomentumMetasurface. viii Résumé Cettethèseintroduitdesmétamatériauxacoustiquesinspirésdeconceptsanaloguesdans ledomainedel’électromagnétisme,permettantdetraiterdesinteractionsentrelesonetla matièredanslecadredelapropagationd’ondes,d’ondes-guidées,durayonnement,dela réfraction,delaréflexionetdelatransmission.Unsoinparticulierestapportépourproposer denouvellesapplicationsàcesconceptsdemétamatériauxacoustiquesmettantenpratique chacunedesmodalitésmentionnéesci-dessus. Voilàquelquesannéesqueleconceptdemétamatériauaétéproposépourdécrireunenouvelle catégoriedematériauxartificielscomposites,conçusdemanièreàprésenterdespropriétés physiqueseffectivesinéditesdanslanature.Lespremiersmétamatériauxétudiésdansledo- mainedel’électromagnétismeontatteintunematuritéquipermetdésormaisd’envisagerdes applicationscommerciales.D’unautrecôté,lesconceptsdemétamatériauxacoustiquesne sontapparusquetrèsrécemmentdanslalittératureetn’ontpasatteintundegrédematurité suffisant,laissantunchampd’investigationsencoreinexplorémaisnéanmoinsfertile. En dépit de nombreuses différences physiques intrinsèques, les propagations des ondes électromagnétiquesetacoustiquessontgouvernéesparunmêmemodèlemathématique,à savoirl’équationdesondesdeHelmholtz.Lamotivationprincipaledecetravailestdetirer profitdecesétonnantessimilaritésentransposantlesavancéesrécentesdudomainedes métamatériauxélectromagnétiquesversdesapplicationsanaloguesinéditesenacoustique. Lapremièrecontributiondecettethèseconsisteàadapterlathéorieclassiquedeslignes detransmissionélectromagnétiquespourenvisagerundesignspécifiquedemétamatériau acoustique.L’approcheproposée,souslaformedecircuitsélectriquesanalogues,trouveune applicationdirectedansledimensionnementd’unmétamatériauacoustiquebasésurune lignedetransmissioncomposite«gauche/droite»,donnantlieuàdenouvellesapplications enondesguidées. Lemodèledéveloppéseraensuiteadaptépourdimensionnerdifférents appareilsacoustiques,telsquedesantennesàondesdefuitesoudesmétasurfacesréflectrices. Ladeuxièmepartiedelathèsetourneautourduconceptd’antenneacoustiqueàondesde fuite,illustrantsesdifférentesfonctionnalitésetdémontrantsesapplications,tantcomme prismeacoustiquedispersifdanslemoderéfraction,quecommedétecteurdirectionnelà capteuracoustiqueuniquedanslemoderayonnement. L’étudedesphénomènesderéflexionissuesdesinteractionsson-métasurfaceconstituela suitedelathèse,danslaquelleunepetitecavitéferméeparunefinemembraneestutilisée commeélémentunitaireultra-minced’unemétasurfaceacoustiqueréflectrice. Cedesign permetd’aboutiràdesapplicationsinnovantestellesqu’uneantennareflectarrayacoustique ix Acknowledgements etunvoiled’invisibilitéacoustique. Enfin,ladernièrepartiedelathèsetraitedesphénomènesdetransmissionpardesméta- surfacesacoustiques,ens’intéressantàdesmétasurfacesàmomentangulaireorbital.Cette propriétérésultedudesignd’élémentsunitairesinnovantsbaséssurdeminusculeslabyrinthes acoustiquesdansunsupportcylindrique,utiliséspourcoderlaphased’uneondetransmise entresesextrêmités,permettantdetransformerdesfrontsd’ondesplanincidentsenfronts tournantàlasortie. Mots-clés: MétamatériauxAcoustiques,MétamatériauxElectromagnétiques,MétamatériauxCompos- itesGauche/Droite,MétamatériauxLignesdeTransmission,AntenneAcoustiqueàOndes deFuite,PrismeAcoustiqueDispersif,RecherchedeSourceAcoustiqueàl’aided’unSeul Capteur,MetasurfaceAcoustique,ReflectarrayAcoustique,MetasurfaceAcoustiqueàMoment AngulaireOrbital. x