Projet ANR-15-CE24-0014-01
COntrôler la ProPagation des Ondes de LAmb (COPPOLA)
Programme CE24 2015
Coordinateur ALEXANDRE AUBRY (2016 - 2019)
Contrôler, masquer et focaliser les ondes élastiques guidées grâce à la réfraction négative
Quelle que soit la nature des ondes, leur contrôle est d’un intérêt fondamental pour de nombreuses applications allant de l’imagerie du vivant au contrôle non destructif dans l’industrie en passant par les télécommunications et la défense. D’une part, on peut les manipuler à travers des milieux complexes en contrôlant leur(s) source(s) de manière active. C’est le principe des techniques de contrôle cohérent du front d’onde en optique. D’autre part, on peut s’appuyer sur des phénomènes tels que la réflexion ou la réfraction négative pour les contrôler de manière passive. Ces concepts permettent en effet de camoufler certaines zones de l’espace ou encore de focaliser les ondes sur des échelles plus petites que la demi-longueur d’onde. L’objectif du projet COPPOLA a été de développer ces deux aspects dans le contexte des ondes élastiques guidées. Ces dernières, communément appelées ondes de Lamb, font en effet l’objet d’un grand intérêt pour la conception de nouveaux composants passifs pour les ondes radiofréquence, pour l’élaboration de nouveaux capteurs/actionneurs acoustiques en technologie MEMS, ainsi qu’en contrôle non destructif. Pour toutes ces applications, le contrôle des ondes de Lamb est essentiel.
Modulation spatio-temporelle des ondes de Lamb
Les ondes élastiques guidées sont des candidates idoines pour l’application du concept de réfraction négative. D’une part, elles présentent un caractère dispersif riche et complexe avec notamment l’existence un point à vitesse de groupe nul au-dessus duquel cohabite des modes à vitesse de phase positive et négative. En modifiant de manière abrupte l’épaisseur d’une plaque, un mode à vitesse de phase positive peut être converti en un mode à vitesse de phase négative, donnant lieu ainsi aux phénomènes de réfraction et réflexion négatives. D’un point de vue théorique, nous avons développé un modèle analytique pour optimiser cette conversion. D’un point de vue numérique, un code à différences finies nous a permis de fixer les conditions expérimentales pour l’implémentation d’une lentille élastique parfaite. D’un point de vue expérimental, nous avons combiné les méthodes ultrasons-laser à des techniques de contrôle du front d’onde pour exciter sélectivement les modes de Lamb autour du point à vitesse de groupe nul et montrer comment camoufler ou focaliser les ondes de Lamb sur des dimensions bien plus petites que leur longueur d’onde.
Résultats majeurs du projet
– L’implémentation de miroirs à conjugaison de phase passifs basés sur la réflexion négative
– L’annulation de la diffraction des ondes de Lamb en adjoignant des zones d’indices de réfraction complémentaires
– Le camouflage du milieu de propagation en tirant profit des phénomènes de réflexion et réfraction négatives
– La mise en évidence de modes sub-longueur d’onde le long d’une marche d’épaisseur, ouvrant la voie à l’implémentation d’une lentille parfaite
– La mise en évidence expérimentale de modes de Lamb sub-longueur d’onde piégés par des puits thermiques et/ou par la rugosité des plaques
(A) Une onde plane induite par une lame piézoélectrique est diffusée par une marche d’épaisseur en forme de croissant. (B) Le champ de déplacement normal à la plaque est mesuré par interférométrie. (C) Une bande d’indice complémentaire est ajouté en aval du diffuseur. (D) L’onde obtenue en sortie du dispositif est désormais analogue à l’onde plane incidente : le diffuseur est camouflé par son anti-objet.
Production scientifique (jusqu’à maintenant...)
– B. Gérardin, J. Laurent, C. Prada, A. Aubry, « Negative reflection of Lamb waves at a free edge : Tunable focusing and mimicking phase conjugation » J. Acoust. Soc. Am. 140, 591, 2017 - arXiv:1604.01321
– F. Legrand, B. Gérardin, J. Laurent, C. Prada, A. Aubry, “Negative refraction of Lamb waves : A theoretical study”, Phys. Rev. B 98, 214114, 2018 – arXiv:1808.10273
– B. Gérardin, J. Laurent, F. Legrand , C. Prada, A. Aubry, « Negative reflection of elastic guided waves in chaotic and random scattering media », Sci. Rep. 9, 2135, 2019 - arXiv:1710.06150
– F. Legrand, B. Gérardin, F. Bruno, J. Laurent, F. Lemoult, C. Prada, A. Aubry, "Cloaking, trapping and superlensing of lamb waves with negative refraction", Sci. Rep. 11, 23901, 2021 - arXiv:2102.0883, 2021
Le projet COPPOLA est un projet de recherche exploratoire coordonné par Alexandre Aubry de l’institut Langevin. Il s’agit d’un projet ANR Jeunes Chercheurs qui a également associé Claire Prada, Jérôme Laurent et Fabrice Lemoult en tant que chercheurs permanents ; François Legrand, Benoît Gérardin et François Bruno en tant que doctorant et post-doctorants. Le projet a commencé en Septembre 2016 et a duré 36 mois. Il a bénéficié d’un contrat ANR d’un montant de 254582€.
