Design de champs ultrasonores à l'aide de métasurfaces acoustiques sub-longueur d'onde

par Ludovic AlhaÏTz

Projet de thèse en Mécanique

Thèses en préparation à Bordeaux , dans le cadre de Sciences Physiques et de l'Ingénieur , en partenariat avec I2M Institut de Mécanique et d'Ingénierie (laboratoire) et de APY : Acoustique Physique (equipe de recherche) depuis le 24-09-2018 .


  • Résumé

    Une « métasurface » (acoustique ou optique) est un matériau artificiel extra-fin, d'épaisseur bien plus petite que la longueur d'onde incidente, qui a pour vocation de moduler les propriétés d'une onde incidente à travers des conditions aux limites particulières, plutôt que par le biais de paramètres constitutifs exotiques comme c'est le cas pour les métamatériaux tridimensionnels. Ces métasurfaces peuvent être considérées comme des interfaces de discontinuités imposant des changements brutaux dans la phase et l'amplitude de l'onde incidente, permettant notamment de jouer avec les lois de réflexion/réfraction. Si ce domaine de recherche a connu un essor considérable en optique ces dernières années, (premier article de revue publié dans Nature Materials est en 2014), la fabrication de métasurfaces acoustiques reste encore très marginale. Quelques réalisations ont été rapportées dans la littérature faisant état de l'utilisation de structures extrêmement sophistiquées. Cependant, bons nombres d'applications dans le domaine ultrasonore (US) requièrent des matériaux fonctionnels peu coûteux et versatiles, pour le CND, par exemple. Une voie alternative est ici basée sur des matériaux poreux élastomériques, pour la fabrication de métasurfaces à gradient d'indice acoustique. La grande étendue des techniques de fabrication issues du monde de la matière molle laisse entrevoir la conception de nombreux dispositifs ultrasonores ultra-fins pour des applications variées dans le domaine des ultrasons (super-absorption, focalisation, synthèse de fronts d'ondes complexes). Il s'agira dans un premier temps de développer des outils numériques de calcul pour dimensionner les métasurfaces acoustiques (choix du gradient, dimensions des échantillons au regard des capteurs US utilisés) selon les applications visées. Sur la base de ces prédictions, les matériaux seront fabriqués par des partenaires (CRPP & LOF) puis testés à l'I2M à travers diverses expérimentations ultrasonores.

  • Titre traduit

    Design of ultrasonic fields by sub-wavelength acoustic metasurfaces


  • Résumé

    A 'metasurface' (acoustic or optical) is an extra-thin artificial material, with a thickness smaller than the incident wavelength. It modulates the properties of an incident wave through boundary conditions, rather than through exotic constitutive parameters as for three-dimensional metamaterials. These metasurfaces can be considered as interfaces of discontinuities imposing brutal changes in the phase and the amplitude of the incident wave, allowing in particular to play with the laws of reflection / refraction. Even if this field of research has grown considerably in optics in recent years (the first review article published in Nature Materials is in 2014), the manufacture of acoustic metasurfaces is still very marginal. Some achievements have been reported in the literature reporting the use of extremely sophisticated structures. However, many applications in the ultrasound (US) field require inexpensive and versatile functional materials, for NDT for example. An alternative way is here based on porous elastomeric materials, for the manufacture of metasurfaces with acoustic index gradient. The wide range of manufacturing techniques from the world of soft materials suggests the design of many ultra-thin ultrasonic devices for various applications in the field of ultrasound (super-absorption, focusing, synthesis of complex wavefronts). First, numerical computing tools will be developed to size the acoustic metasurfaces (choice of gradient, dimensions of the samples compared to the US sensors used) depending on the targeted applications. According to these predictions, the materials will be manufactured by partners (CRPP & LOF) and then tested at I2M through various ultrasound experiments.