METamateriaux ACoustiquex AcTIFs – METACTIF

Le projet METACTIF vise à concevoir et à élaborer des métamatériaux acoustiques ayant une masse et une compressibilité simultanément négatives dans certaines gammes de fréquence acoustique.
Les métamatériaux acoustiques sont des hétérostructures constituées de résonateurs locaux dispersés dans une matrice homogène. La masse et/ou la compressibilité effective(s) de ces systèmes devien(en)t négative(s) si les résonateurs vibrent sur leurs modes propres, en opposition de phase vis-à-vis d’une onde élastique se propageant dans la matrice. Mais pour que cela se produise, il faut réunir deux conditions:
En premier lieu il faut que les inclusions soit très petites devant la longueur d'onde de l'onde acoustique se propageant dans la matrice afin que le l'hétérostructure "matrice+inclusion" soit homogénéisable. La seconde condition est que la vitesse du son dans le matériau constituant les résonateurs soit très petite (typiquement, 100 fois plus petite) devant la vitesse du son dans le matériau constituant la matrice. On est donc amené à chercher des matériaux dans lesquels le son se propage à des vitesses ne dépassant pas quelques mètres par seconde. En dehors d’élastomères très spécifiques, de tels matériaux n’existent pas.
C'est la raison pour laquelle nous proposons une autre approche pour élaborer un métamatériau acoustique. Elle consiste à insérer dans la matrice des inclusions aux formes parfaitement contrôlées et à forcer leur mise en vibration via une tension électrique si les inclusions sont faites d'un matériau piézoélectrique, ou une impulsion laser si le matériau a de bons cofficients photoélastiques. Si on réussit à contrôler simultanément les modes de vibration des inclusions et leur phase, on mime la situation décrite plus haut, la seule différence provenant de l’apport énergétique que constitue la tension électrique ou le faisceau lumineux nécessaire à la mise en vibration des inclusions . Cette différence justifie le qualificatif « Actifs» apparaissant dans le titre du sujet.
L’approche sera à la fois théorique et expérimentale.
Sur le plan théorique, nous calculerons par éléments finis, les déformations associées aux résonances locales. Puis nous simulerons la diffusion d'une onde élastique se propageant dans une membrane ou à la surface d'un matrice semi infinie sur lesquelles sont insérées les inclusions déformées par l'application d'une tension électrique ou l'absorption d'une impulsion lumineuse. Nous en déduirons la masse et la compressibilité effective du milieu. Nous identifierons de cette façon, la ou les bandes de fréquence pour lesquelles le métamatériau présente une masse et/ou une compressibilité négative(s).
Sur le plan expérimental, nous élaborerons des hétérostructures à matrice solide ayant les caractéristiques géométriques et physiques déterminées par les calculs précédents. Nous mesurerons ensuite le champ acoustique diffusé en régime des grandes longueurs d'onde, par les inclusions qui au préalable, auront été mises en mises en vibration par l'application d'une tension électrique ou par absorption partielle d'une impulsion laser ultra-brève. Nous en déduirons la masse et/ou la compressibilité effectives du métamatériau en fonction de la fréquence de l'onde élastique se propageant dans l'hétérostructure.