Transmission acoustique extraordinaire large bande pour l’imagerie haute-résolution – BEAT

Pour atteindre ces objectifs, le projet utilise une approche combinée :

- Simulation numérique : modélisation des ondes acoustiques dans différents matériaux pour optimiser les structures avant fabrication.

- Fabrication de méta-résonateurs : piliers et rainures sub-longueur d’onde pour concentrer l’énergie et générer des ondes de surface (SAW).

- Expériences en solide et en air : tests sur matériaux modèles et industriels pour mesurer la résolution et la répétabilité des images.

- Imagerie 2D : exploration de prototypes capables de fonctionner sur une large plage de fréquences, pour permettre la reconstruction topographique détaillée d’objets rigides ou souples.

- Analyse des performances : résolution latérale et en profondeur, comportement en phase et amplitude, extraction des propriétés mécaniques à partir d’une seule mesure.

Ces méthodes permettent de créer des capteurs acoustiques innovants, capables de révéler des détails invisibles aux instruments traditionnels et d’ouvrir la voie à l’imagerie super-résolution.

Le projet BEAT a démontré pour la première fois que la transmission acoustique extraordinaire (EAT) pouvait être exploitée pour obtenir des images à résolution sub-longueur d’onde.

Dans les solides, des prototypes utilisant des piliers et rainures sub-longueur d’onde ont permis une résolution latérale de λ/12, tout en conservant un bon rapport signal/bruit et une robustesse face aux variations d’alignement.

Dans l’air, des membranes tendues ont atteint une résolution latérale de λ/25 et une résolution verticale de λ/300, permettant de cartographier avec précision les reliefs et propriétés mécaniques d’objets sans contact.

Les dispositifs sont compacts, manufacturables et utilisables avec des transducteurs standard, ouvrant la voie à une large adoption industrielle.

Le projet ouvre plusieurs voies prometteuses :

- Applications industrielles : contrôle non destructif, inspection de matériaux, évaluation de pièces manufacturées et surfaces composites.

- Développement de nouveaux instruments : microscopes acoustiques sans lentille et capteurs portables pour des mesures sur site.

- Extension des techniques : adaptation à d’autres matériaux, élargissement de la plage de fréquences et intégration de mesures quantitatives pour extraire propriétés mécaniques et topographie.

La focalisation des ondes en-dessous de la limite de diffraction a` travers des structures sub-longueur d'onde est une avancée importante pour l'imagerie haute résolution. Cependant, malgré les avantages de la transmission extraordinaire (i.e. le passage d’une quantité d’énergie supérieure à celle attendue par les seules considérations géométriques a` travers des structures sub-longueur d'onde) pour concentrer l’énergie des ondes dans des régions très petites, son potentiel pour l’imagerie sub-longueur d'onde n’a jamais été montre´. Un système capable de générer une image en capturant les ondes sur ce principe pourrait permettre la visualisation des détails d’un objet a` une échelle sub-longueur d’onde. Afin de répondre à cet enjeu, le projet BEAT propose de développer un dispositif de métamatériau acoustique dans la gamme de fréquences du MHz pour la focalisation sub-longueur d'onde et large bande des ondes de volume dans les solides.
Largement exploré pour les ondes électromagnétiques, le phénomène de transmission acoustique extraordinaire (EAT) n'a que récemment été abordé. Le projet BEAT propose, dans un premier temps, d’étendre le principe de la transmission extraordinaire des ondes acoustiques (EAT) pour des fréquences de l’ordre du MHz en utilisant une approche expérimentale associée à des simulations numériques. Ce projet a l’ambition de démontrer expérimentalement, pour la première fois, le phénomène d’EAT pour des ondes de volumes dans les solides. L’objectif est de développer un démonstrateur permettant de réduire la tâche focale en dessous de la limite de diffraction et adaptable sur les transducteurs piézoélectriques du commerce. Le dispositif dimensionné sera réalisé, caractérisé puis couplé à des transducteurs piézoélectriques du commerce agissant comme la source acoustique d’excitation.
Les systèmes d’EAT sont basés sur des méta-résonances et fonctionnent par conséquent en bande fréquentielle étroite. C’est un inconvénient majeur pour les applications potentielles en imagerie de mode pulsé. Ainsi, étendre le phénomène d’EAT à une large bande fréquentielle de fonctionnement représente un défi majeur pour permettre des applications futures de détection. Le second objectif du projet BEAT (Broadband Extraordinary Acoustic Transmission) est donc d'apporter la démonstration expérimentale de la transmission acoustique extraordinaire large bande pour la première fois. Un compromis devra être trouvé entre l’efficacité du système et la faisabilité d’usinage. Dans ce but, différentes solutions de métamatériau à large bande seront envisagées et corrélées avec les contraintes expérimentales.
En proposant un dispositif expérimental à large bande fréquentielle, le projet BEAT ambitionne de réaliser la première démonstration d’imagerie super-résolution basée sur le phénomène d’EAT. Les différents prototypes réalisés pendant le projet seront testés en imagerie en utilisant une approche expérimentale corrélée aux modèles numériques. Les performances des microscopes BEAT seront évaluées et analysées (résolution latérale et résolution en profondeur). De plus, le comportement en phase et en amplitude du coefficient de réflexion sur différents échantillons sera étudié afin d’extraire la position et les propriétés mécaniques de chacun d’eaux à partir d’une unique mesure afin de démontrer les possibilités de mesures topographiques complexes. Les capacités de super-résolution seront enfin exploitées en étudiant l'influence de la position d'un objet rigide dans l'eau sur l’amplitude et la phase du champ acoustique en utilisant un mode de balayage 2D.
En améliorant la résolution spatiale des images acoustiques en dessous de la limite de diffraction avec un métamatériau à large bande basé sur le phénomène de transmission extraordinaire des ondes acoustiques, le projet BEAT a pour ambition d’ouvrir de nouvelles perspectives pour le contrôle et l'évaluation non destructifs, l'imagerie et la détection.