Le projet BRENNUS vise à créer des dispositifs passifs ajustés sur de l’instrumentation ultrasonore classique (métasurfaces), qui autorisent le contrôle spatial du son (focalisation, vortex) sur des courtes distances (inférieur à la longueur d’onde). Les matériaux constituants ces métasurfaces possèdent des indices acoustiques très élevés et ont été développés dans le cadre de l’ingénierie de la matière molle.
Les métamatériaux acoustiques constituent une nouvelle génération de matériaux très prometteurs dont les propriétés hors du commun, basées sur des valeurs «exotiques« de leur indice acoustique (nulle, infinie, imaginaire ou encore négative), laissent entrevoir des solutions avancées pour de nombreuses applications telles que le contrôle spatial de champ (imagerie haute résolution et filtrage spatial) ou encore l’ultra-absorption et l'invisibilité acoustique (isolation et furtivité). Parmi les différentes classes de métamatériaux, les milieux localement résonants et/ou à très forts indices acoustiques permettent de contrôler la propagation des ondes de grandes longueurs d’onde, avec de faibles épaisseurs, grâce à des petits résonateurs basse fréquence et à des matériaux poreux à matrice élastomère.<br />Il y a actuellement un engouement certain pour des applications telles que l’isolation sonore dans le domaine de l’audible et la furtivité en acoustique sous-marine. Par ailleurs, l’instrumentation ultrasonore et l’imagerie représentent également des enjeux de taille. Cependant, beaucoup de métamatériaux acoustiques restent encore à l’état de concepts à l’heure actuelle. L’objet de ce projet est donc d’aborder la fabrication de ces matériaux avec des techniques de synthèses empruntées à l’ingénierie de la matière molle (techniques très répandues et éprouvées) et de proposer des preuves de concept technique de leur utilisation pour le contrôle spatial du son, à travers des réalisations concrètes de métasurfaces acoustiques s’ajustant sur de l’instrumentation traditionnelles. Les types de contrôle ciblés sont par exemple la focalisation à très courte distance, la génération de vortex acoustiques
Les techniques de fabrication empruntées au monde de la matière molle ouvrent de nombreuses pistes quant à la réalisation de nouveaux matériaux tant elles sont nombreuses et variées en termes de procédés mis en jeu et de propriétés physico-chimiques des constituants (polymères par exemple). Forts de nos récents développements sur les résonateurs macro-poreux de type mousse de polymère, véritables briques élémentaires de nos métamatériaux acoustiques, nous pouvons sérieusement envisager la fabrication de plusieurs dispositifs acoustiques grâce à la large gamme d’indice acoustique que nous avons atteinte expérimentalement.
Ce projet est un projet pluridisciplinaire entre trois laboratoires bordelais impliquant des experts de la physique des ondes, de la matière molle et de la micro-fluidique. Le consortium collabore activement depuis 10 ans autour des métamatériaux acoustiques obtenus par des techniques de la matière molle.
Le défi «matériaux« consiste à développer une nouvelle classe de revêtements acoustiques basés sur des concepts type métamatériaux, faciles à mettre en forme et à produire en grandes quantités. La «méta-matière« est constituée d’une émulsion bi-phasique polymère/eau (donc sans forme) qu’il s’agit de pouvoir sécher efficacement pour atteindre des propriétés acoustiques cibles de façon bien contrôlée du milieu poreux final, puis est mise en forme par différentes techniques selon l’application telles la microfluidique (billes résonnantes pour les métamatériaux), le moulage (matériaux à gradient d’indice pour les métasurfaces), la lithographie douce. Dans ce projet, les possibilités de synthèse et de structuration des matériaux sous forme de dispositifs acoustiques sont très larges grâce aux nombreuses techniques qui sont employées.
Le défi «physique des ondes« concerne la conception et la démonstration de fonctions acoustiques ciblées. Les fonctions choisies, en lien avec des ruptures technologiques très attendues dans le domaine, auront pour vocation première le contrôle spatial de champs pour le filtrage spatial, la modulation de front d’onde.
Les résultats scientifiques majeurs du projet (retracés dans 7 articles de revues scientifiques et 1 brevet) se synthétisent par :
1) la maitrise de deux techniques de séchage des matériaux macroporeux à matrice élastomère permettant des propriétés acoustiques finales ciblées et stables (non rétractation des porosités) : a) par séchage super-critique CO2, b) par une technique impliquant du peroxyde d'hydrogène (H2O2) ;
2) mise en évidence de la réfraction négative par un métamatériau 3D localement résonant ;
3) fabrication et mesures ultrasonores de métasurfaces à fonctionnalité 3D : lentilles plates pour la focalisation 3D ; lentilles plates pour la génération de vortex acoustiques ;
4) fabrication de lentilles conventionnelles (réfractives) quasi-plates à distance focal très courte.
Les recherches de BRENNUS ont abouti à :
1) l’acceptation d’un brevet pour la France, et extension programmée pour l’étranger sur la thématique des métasurfaces acoustiques ;
2) trois nouveaux partenariats dont le projet ANR ASTRID PANAMA (2018-2021) avec Naval Group sur la thématique des revêtements anéchoïques pour l’acoustique sous-marine.
Le projet a permis une avancée certaine dans la maitrise de la fabrication de matériaux solides et souples avec une vaste gamme de valeurs d’indices acoustiques. Les différents concepts impliqués dans les propriétés physiques macroscopiques de ces matériaux (forts indices par porosité contrôlée, diffusion résonante par des microbilles, gradients d’indice multidimensionnels...) sont autant de possibilités pour créer des dispositifs ou structures avec des fonctionnalités acoustiques ciblées. Si les applications directes dans le domaine ultrasonore (Méga Hertz) nécessitent des travaux additionnels pour que les dispositifs soient plus efficaces vis-à-vis des effets d’absorption « parasites », une application dans le domaine kilo Hertz s’est très vite mise en place à travers un projet ANR DGA ASTRID concernant spécifiquement des revêtements anéchoïques et de masquage en acoustique sous-marine (partenariat entre le présent consortium et Naval Group).
Les résultats scientifiques principaux de ce projet ont été valorisés dans 7 publications à comité de lecture dans des journaux scientifiques internationaux. Une communication un peu plus « grand public » a aussi été effectuée auprès d’acteurs professionnels du monde du son et de l’ingénierie à travers 1 article de synthèse dans la série Techniques de l’Ingénieur, et 1 article généraliste sur les métasurfaces dans la revue Acoustique et Techniques du Centre d’Information sur le Bruit (CidB) et de la Société Française d’Acoustique. Par ailleurs, le principe des métasurfaces à gradients d’indice dans le contexte de la matière molle poreuse a été valorisé par un brevet national accepté, et international en cours d’acquisition.
Les métamatériaux acoustiques constituent une nouvelle génération de matériaux très prometteurs dont les propriétés hors du commun, basées sur des valeurs "exotiques" de leur indice acoustique (nulle, infinie, imaginaire ou encore négative), laissent entrevoir des solutions avancées pour de nombreuses applications telles que le contrôle spatial de champ (imagerie haute résolution et filtrage spatial) ou encore l’ultra-absorption et l'invisibilité acoustique (isolation et furtivité). Parmi les différentes classes de métamatériaux, les milieux localement résonants permettent de contrôler la propagation des ondes de grandes longueurs d’onde, avec de faibles épaisseurs, grâce à des petits résonateurs basse fréquence.
Il y a actuellement un engouement certain pour des applications telles que l’isolation sonore dans le domaine de l’audible et la furtivité en acoustique sous-marine. Par ailleurs, l’instrumentation ultrasonore et l’imagerie représentent également des enjeux de taille. Cependant, beaucoup de métamatériaux acoustiques restent encore à l’état de concepts à l’heure actuelle.
Les techniques de fabrication empruntées au monde de la matière molle ouvrent de nombreuses pistes quant à la réalisation de nouveaux matériaux tant elles sont nombreuses et variées en termes de procédés mis en jeu et de propriétés physico-chimiques des constituants (polymères par exemple). Forts de nos récents développements sur les résonateurs macro-poreux de type mousse de polymère, véritables briques élémentaires de nos métamatériaux acoustiques, nous pouvons sérieusement envisager la fabrication de plusieurs dispositifs acoustiques grâce à la large gamme d’indice acoustique que nous avons atteinte expérimentalement.
Ce projet est un projet pluridisciplinaire entre trois laboratoires bordelais impliquant des experts de la physique des ondes, de la matière molle et de la micro-fluidique. Le consortium collabore activement depuis 5 ans autour des métamatériaux acoustiques obtenus par des techniques de la matière molle. Cette collaboration étroite bénéficie d’une proximité géographique et de compétences complémentaires pour relever de nombreux défis en termes de formulation et de mises en évidence de phénomènes acoustiques complexes.
Le défi "matériaux" consiste à développer une nouvelle classe de revêtements acoustiques basés sur des concepts type métamatériaux, faciles à mettre en forme et à produire en grandes quantités. Dans un premier temps, la "méta-matière" pourra se présenter sous la forme d’une dispersion fluide de type peinture qui pourra ensuite être polymérisée sur de grandes surfaces pour obtenir des revêtements souples qui pourront également être structurés par lithographie douce et mis en forme par moulage. Dans ce projet, les possibilités de synthèse et de structuration de nos résonateurs sous forme de dispositifs acoustiques sont très larges grâce aux nombreuses techniques qui seront employées.
Le défi "physique des ondes" concerne la conception et la démonstration de fonctions acoustiques ciblées. Les fonctions choisies, en lien avec des ruptures technologiques très attendues dans le domaine, auront pour vocation première l’absorption par des revêtements sub-longueur d’onde dans un contexte d’isolation et de furtivité, puis le contrôle spatial de champ pour le filtrage spatial, la modulation de front d’onde et l'invisibilité acoustique.
Le déroulement du programme BRENNUS est le suivant:
1. Chimie et synthèse de micro-résonateurs selon divers critères (géométrie, traitement de surface, production de masse) et formulation de la matrice hôte
2. Structuration et mise en forme des métamatériaux en utilisant des techniques de matière molle dans le but de réaliser des revêtements acoustiques souples
3. Réalisation de trois types de démonstrateurs:
a. Revêtements sub-longueur d’onde pour l’isolation et la furtivité
b. Revêtements de transducteurs ultrasonores pour le filtrage spatial
c. Couches anisotropes pour capes d’invisibilité
Monsieur Olivier PONCELET (Institut de Mécanique et d'Ingénierie)
L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
CRPP Centre de Recherche Paul Pascal
LOF Laboratoire du Futur
I2M Institut de Mécanique et d'Ingénierie
Aide de l'ANR 460 120 euros
Début et durée du projet scientifique :
décembre 2015
- 42 Mois
