transducteurs MINIatures à cristal PHONonique – MINIPHON

Le projet MINIPHON a pour objectif de poser les bases requises pour la conception de transducteurs acoustiques miniatures exploitant le concept des cristaux phononiques, en vue d'applications immergées dans le domaine ultrasonore ou mégasonore (de 500 kHz à 100 MHz). Un objectif à long terme est d'ouvrir la voie vers de nouveaux transducteurs et récepteurs compacts, versatiles et plats. Les applications potentielles de ces trasnducteurs phononiques sont au contrôle non destructif de petites surfaces ou volumes, aux investigations médicales à l'aide de cathéters ou encore aux laboratoires sur puce, pour citer quelques exemples. La technologie des transducteurs est mature et se fonde sur le couplage des ondes élastiques dans des matériaux solides (par exemple piézoélectriques) soit avec les ondes acoustiques dans un fluide (par exemple l'eau) soit les ondes élastiques d'autres solides (par exemple une pièce d'acier, un composite renforcé par fibres, ou encore une partie du corps humain). Les transducteurs sont typiquement utilisés pour le contrôle non destructif ou l'imagerie médicale. La mise en forme du faisceau acoustique et son balayage spatial sont généralement obtenus à travers le principe de l'antenne acoustique (un réseau phasé d'éléments transducteurs individuels). Un des objectifs du projet MINIPHON est d'étudier les apports potentiels des cristaux phononiques à ces fonctions de transduction acoustique, notamment pour ce qui concerne la diffraction et la mise en forme du faisceau. Les cristaux phononiques sont des milieux périodiques à une, deux ou trois dimensions, qui peuvent donner lieu à des phénomènes de bande interdite dans leur réponse en fréquence, suivant les propriétés physiques de leur structure. Ils sont étudiés notamment en tant que filtres acoustiques pour des applications électroniques. Jusqu'à présent, ils n'ont pas été étudiés spécifiquement pour la transformation (transduction) des ondes élastiques vers un milieu liquide environnant. Tandis que nombre de connaissances ont été produites et publiées à propos du filtrage et des phénomènes de réfraction à l'intérieur des cristaux phononiques, nous voulons explorer un domaine d'application nouveau de ces matériaux hétérogènes qui repose sur leurs propriétés de transduction. L'idée est par exemple d'exploiter les effets de diffraction afin de transformer des ondes de plaque ou de surface en ondes de volume, et vice-versa. Les réseaux de diffraction acoustiques sont en tout point comparables aux réseaux de diffraction optiques qui décomposent la lumière blanche dans les couleurs de l'arc-en-ciel. La diffraction sur la structure périodique se traduit par le fait que l'amplitude et la direction de propagation des ondes acoustiques dépend de la fréquence et des propriétés géométriques du réseau. En fonction de notre expérience des cristaux phononiques et des corrugations de surface, nous savons que les caractéristiques physiques du réseau de diffraction influent très fortement sur le phénomène de diffraction, ce qui ouvre la voie à la conception de transducteurs versatiles. Le programme de travail du projet MINIPHON inclut en particulier la conception et la démonstration expérimentale de trois concepts différents de transducteurs à cristal phononique : 1. La possibilité de défléchir et de disperser un faisceau acoustique avec une grande efficacité ; 2. La possibilité de convertir des ondes de volume en ondes de surface, pour des applications au contrôle non destructif, par exemple ; 3. La possibilité de convertir efficacement en ondes de volume et de focaliser les ondes de surface générées dans un solide piézoélectrique. Les connaissances développées seront également applicables au développement de laboratoires ultrasonores sur puce (des dispositifs micro usinés permettant de séparer des cellules sanguines dans une goutte de sang, par exemple). Nous n'avons pas connaissance de projets nationaux ou internationaux avec un objectif similaire (considérer les cistaux phononiques dans le régime de diffraction pour des transducteurs ultrasonores). Différents projets étudient les cristaux phononiques en tant que métamatériaux (pour la réfraction négative ou positive, pour la collimation de sources, pour les capes d'invisibilité, etc.). Ces projets ont donné lieu à des publications ces dernières années et exploitent généralement le régime d'homogénéisation et non le régime de diffraction (donc des fréquences plus basses). Pour cette raison, nous pensons que les idées fondamentales de MINIPHON sont (i) fortement originales et (ii) ont un fort potentiel de publication dans les journaux internationaux.