Conception et optimisation de métamatériaux adaptatifs : applications au contrôle distribué de la diffusion d'énergie vibroacoustique

Au LMSSC, Cnam, Paris, le 7 mai 2010 à 14h

Manuel Collet
Chargé de Recherches CNRS, Département de Mécanique Appliquée, Institut FEMTO-ST, Besançon, France
Morvan Ouisse
Maître de conférences, École Nationale Supérieure de Mécanique et des Microtechniques (ENSMM), Besançon
La recherche constante pour développer de nouveaux matériaux mieux adaptés aux nouvelles applications humaines de plus en plus performantes, intégrant de plus en plus de nouvelles contraintes liées par exemple aux nuisances écologiques (impact écologique, bruits, recyclabilité…), a conduit au développement d’une nouvelle classe de matériaux ‘composites’ artificiels : les Métamatériaux. Ces nouveaux matériaux présentant des propriétés physiques qu'on ne retrouve pas dans un matériau naturel, ont été initialement élaborés en électromagnétisme pour synthétiser des indices de permittivité ou de perméabilité négatifs [1]. Or depuis ces dernières années, de nouveaux travaux de recherche ont montré que les concepts utilisés pouvaient être transcrits dans d’autres domaines de la physique tels que l’acoustique, la mécanique voir même la robotique [2,6,7,8]. Ainsi la réalisation de matériaux structurés a permis de mettre en évidence de nouvelles fonctionnalités physiques tout à fait intéressantes pouvant conduire à la réalisation de structures multi-fonctionnelles intégrées capables de contrôler leur forme, leur vibration [4,6,7] ou la diffusion d’énergie acoustique [2,5,8] et/ou photonique.
Jusqu’à présent les acteurs de ces nouvelles recherches, issus de différentes disciplines de la physique, travaillaient en parallèle sans pouvoir aborder globalement le problème visant à la synthèse fonctionnelle de ces nouveaux matériaux. Basées essentiellement sur la réalisation de structures périodiques à différentes échelles, les réalisations expérimentales sont essentiellement passives [2,3] au sens où la fonction obtenue par le nouveau matériau n’est pas ‘active’ et n’est pas reconfigurable au cours du temps.
Durant ces dernières années, la révolution technologique observée dans les domaines des Micro Systèmes Electro Mécaniques permet d’élargir profondément le spectre de développement des futures structures adaptatives. Nous savons aujourd'hui que l'intégration complète de systèmes hybrides constitués de matériaux adaptatifs, d’électronique, de moyens de calcul et de systèmes d'alimentation est tout à fait envisageable [4,5,8]. Ainsi, il apparaît clairement, aujourd’hui, qu’une nouvelle classe de métamatériaux adaptatifs peut être envisagée et devraient conduire à de nouvelles applications tout à fait pertinentes telles que le contrôle des nuisances acoustiques, des vibrations, la réalisation de translateurs surfaciques intégrés ou la réalisation de micro-dispositifs acousto-optiques adaptatifs.
Nous présenterons donc un ensemble de résultats méthodologiques et expérimentaux visant à modéliser, à optimiser et à caractériser cette nouvelle classe de systèmes distribués intégrés actifs ou hybrides déployés des structures. On montrera alors comment contrôler finement le comportement physique du matériau et venir lui conférer les propriétés vibroacoustiques n’existant pas dans la nature et ne pouvant être introduites par des approches ‘passives’. Les prototypes de plusieurs types «de structures adaptatives distribuées intégrées» seront décrits et caractérisés. Finalement, nous dresserons les nouvelles perspectives et axes de travail visant à la réalisation de nouveaux métamatériaux hybrides intelligents.
Références
[1] V.G. Veselago, Electrodynamics of substances with simultaneously negative value of sigma and mu, Soviet Physics Uspekhi, 10 (4), 509-514, 1968.
[2] N. Fang, D. Xi, J. Xu, M. Ambati, W. Srituravanich, C. Sun, X. Zhang, Ultrasonic metamaterials with negative modulus, Nature Materials, 5, 452-456, 2006.
[3] T.C. Wu, T.T. Wu, J.C. Hsu, Waveguide and frequency selection of lamb waves in plate with periodic stubbed surface, Physical Review B, 79 (10), 104306, 2009.
[4] M. Collet, K.A. Cunefare, M.N. Ichchou, Wave motion optimization in periodically distributed shunted piezocomposite beam structures, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 20 (7), 787-808, 2009.
[5] M. Collet, P. David, M. Berthillier, Active acoustical impedance using distributed electrodynamical transducers, The Journal of the Acoustical Society of America, 125 (2), 882–894, 2009.
[6] O. Thorp, M. Ruzzene, A. Baz , Attenuation and localization of wave propagation in rods with periodic shunted piezoelectric patches, Smart Materials and Structures, 10, 979-989, 2001.
[7] O. Thorp, M. Ruzzene, A. Baz , Attenuation of wave propagation in fluid-loaded shells with periodic shunted piezoelectric rings, Smart Materials and Structures, 14, 594-604, 2005.
[8] F. Casadei, M. Ruzzene, L. Dozio, Noise control of plates featuring periodic arrays of shunted piezoelectric patches, SPIE, SMS Conference San Diego, 2009.