Métamatériaux acoustiques avec contrôle dynamique de la propagation par modification des conditions électriques – MEANDRE

Le projet MEANDRE exploite certains résultats du projet ANR Blanc MIRAGES dont l’un des objectifs était la réalisation de cristaux phononiques à bande interdite de charge accordables, grâce au contrôle statique des conditions aux limites électriques. A l’issue de ce projet, des premières études numériques portant sur les lois de contrôle dynamiques ont pu être menées. Elles ont montré l'existence d'un effet analogue à une diffusion Brillouin dans le cas où un sous-ensemble périodique de mises à la masse d’électrodes est décalé en fonction du temps. Cet effet s’accompagne d’un décalage fréquentiel des bandes interdites de Bragg qui diffère selon la direction de propagation considérée. Ainsi, un comportement fortement non-réciproque est attendu pour la transmission dans certaines gammes de fréquences, avec des contrastes allant jusqu’à 30 dB entre le sens passant et le sens bloquant pour une quinzaine de cellules. Cette non-réciprocité est par ailleurs facilement accordable, le décalage fréquentiel des bandes interdites étant directement dicté par la vitesse de décalage des mises à la masse. L’étude de la transmission de paquets d’onde situés dans la bande fréquentielle de forte non-réciprocité a par ailleurs montré que de faibles distorsions de signaux étaient attendues pour ce type de système.

A l'issue des premières étapes du projet, un premier cristal phononique piézoélectrique, sous la forme d'un empilement d'éléments en anneaux séparés par des électrodes métalliques a pu être assemblé. Une analyse des ondes acoustiques longitudinales se propageant dans le système a montré un bon accord avec les simulations préliminaires. Le système de contrôle dynamique des conditions électriques est en cours de finalisation et sera prochainement relié à cet empilement.

Les perspectives applicatives possibles du projet MEANDRE concernent en premier lieu la recherche de composants à ondes acoustiques réalisant des fonctions novatrices. En effet, même si les structures étudiées sont à l’échelle du mètre, les concepts étudiés sont transposables à l’échelle micrométrique, pour la réalisation de composants à ondes acoustiques de volume (BAW) ou de surface (SAW) pour des applications radiofréquences. Les applications visées dans le cas linéaire concernent essentiellement la réalisation de filtres agiles à ondes acoustiques, très utilisés dans les chaînes d’émission/réception. Les études menées ici permettent d’envisager le développement de composants à ondes acoustiques fortement non linéaires pour ces mêmes chaînes, tels que des circulateurs ou des composants pour la transposition en fréquence. Une partie des résultats du projet pourrait également être exploitée pour imaginer des métamatériaux piézoélectriques commandés intégrables dans des interfaces haptiques. Par ailleurs, le système étudié dans le projet peut trouver des applications dans les domaines du contrôle actif de vibrations et de la récupération d’énergie.

Une communication orale sur les premiers résultats du projet sera donnée dans le cadre de la conférence e-Forum Acusticum 2020.

Le projet porte sur la conception et la réalisation de métamatériaux acoustiques basés sur des assemblages d’éléments piézoélectriques munis d’électrodes, dont le comportement est rendu fortement non-linéaire par l’introduction de circuits électroniques au niveau de ces électrodes, et plus particulièrement de circuits dépendant du temps. Le projet inclut des tâches de développement de modèles analytiques, de simulations numériques (différences finies dans le domaine temporel 1D, éléments finis 3D et simulateur de type circuit) et des réalisations expérimentales à l’échelle du mètre (avec des éléments centimétriques). En pratique, le projet vise à réaliser un cristal phononique piézoélectrique unique, et à lui associer des systèmes électroniques de complexité croissante, en partant de simples connections à la masse modulées de façon spatio-temporelle, pour aller vers des circuits non-linéaires comportant des boucles de contre-réaction. Plusieurs fonctions sont visées, dans le domaine du contrôle de vibration (transfert unidirectionnel d’énergie vibratoire) et pour la conception de composants non-linéaires à ondes acoustiques (conversion de fréquences, circulateurs, etc.). En outre, les systèmes conçus permettent d’étudier des phénomènes d’acoustique non-linéaire plus complexes, tels que l’amplification paramétrique et les instabilités absolues.