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RÉSUMÉ
Les métamatériaux sont des matériaux aux propriétés remarquables : des milieux composites dont la structure interne, interagit avec une onde incidente, de nature électromagnétique, acoustique ou sismique, de façon à créer des propriétés macroscopiques dites effectives, inhabituelles, ou du moins inobservées dans les matériaux naturels. Leur avènement en recherche et en ingénierie a été dopé par le formalisme des cristaux photoniques décrits à fin des années 1980, puis par le développement des cristaux phononiques.
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Metamaterials are materials with remarkable properties: composite media whose internal structure interacts with an incident electromagnetic, acoustic, seismic wave so as to create so-called effective macroscopic properties, unusual or at least unobserved in natural materials. Their advent in research and engineering was boosted by the formalism of photonic crystals described at the end of the 1980s, then by the development of phononic crystals.
Auteur(s)
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Stéphane BRÛLÉ : Chercheur-ingénieur Institut Fresnel, Marseille, France
-
Stefan ENOCH : Directeur de recherche Institut Fresnel, Marseille, France
-
Sébastien GUENNEAU : Directeur de recherche Abraham de Moivre, UMI CNRS-Imperial, Londres, Royaume-Uni
INTRODUCTION
Depuis la découverte des cristaux photoniques en 1987, les physiciens des ondes élaborent des modèles théoriques et numériques pour un contrôle accru de la lumière dans des matériaux structurés à l’échelle nanométrique, du son à l’échelle micrométrique, et s’en inspirent pour aller jusqu’à rechercher le contrôle des ondes élastiques de Rayleigh dans des sols structurés à l’échelle métrique. C’est ainsi qu’un « minéral » d’un nouveau genre, la yablonovite, constituée artificiellement d’un réseau de cylindres creux de quelques dizaines de nanomètres de diamètre dans un bloc de verre, a inspiré la structuration de la matière à différentes échelles. Le transfert de paradigme continue à s’opérer vers les métamatériaux électromagnétiques pour la photonique, et les métamatériaux sismiques pour le génie civil, avec des sols structurés et des métasurfaces avec des résonateurs à la surface terrestre. L’interaction entre les disciplines s’accélère avec des développements à bénéfices réciproques. Ainsi, l’émergence des métamatériaux élastiques à résonance locale montre un potentiel prometteur en vibro-acoustique. La transition vers des solutions d’ingénierie nécessite toutefois encore des prévisions de performances robustes. La prise en compte de l’amortissement dans les systèmes mécaniques étudiés conduit à de l’atténuation de crête mais apporte aussi des performances vibro-acoustiques souhaitées, à plus large bande. Cet article fait le point sur la révolution en marche de l’extension des principes de l’interaction des ondes avec la matière sur les technologies du quotidien.
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KEYWORDS
negative refraction | metamaterials | invisibility | flat converging lens
DOI (Digital Object Identifier)
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Accueil > Ressources documentaires > Matériaux > Matériaux fonctionnels - Matériaux biosourcés > Matériaux à propriétés électriques et optiques > Métamatériaux acoustiques, électromagnétiques et sismiques - Pour les ondes du nanomètre au mètre > Principes et fondamentaux
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Métamatériaux et applications1. Principes et fondamentaux
1.1 Définition
En grec, le préfixe « méta » signifie « au-delà de ». Les métamatériaux désigneraient donc une classe de matériaux dont les propriétés se situent au-delà de celles de matériaux réputés communs. Plus précisément, il s’agit de milieux composites dont la structure interne, conçue et réalisée par l’être humain, interagit avec une onde incidente (électromagnétique, acoustique, sismique) de façon à créer des propriétés macroscopiques dites « effectives » inhabituelles, voire inobservées dans les matériaux naturels. Il faut d’abord revenir aux cristaux phononiques, structures artificielles formées d’une distribution périodique d’au moins deux matériaux. Ces structures peuvent présenter des bandes de fréquences dans lesquelles la propagation des ondes acoustiques ou élastiques est évanescente.
Une onde évanescente est une onde plane dont l’amplitude diminue exponentiellement avec la distance à la source.
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L’observation de propriétés de propagation particulières à des basses fréquences, souvent liées à des conditions de résonances, a ouvert la voie aux métamatériaux acoustiques, classe de matériaux dont le comportement effectif est sans équivalent à l’état naturel [E 2 212]. Pour un matériau composite formé d’un réseau périodique d’inclusions insérées dans une matrice, c’est le jeu des interférences constructives ou destructives entre les ondes diffractées par les inclusions qui permet de rejeter la propagation des ondes acoustiques et élastiques. Cela se traduit par la notion de bande d’arrêt ou de bande interdite, qui définit une gamme angulaire ou fréquentielle pour laquelle la propagation d’ondes adopte un caractère évanescent (l’amplitude des ondes qui se propagent décroît exponentiellement avec la distance).
Un cristal photonique, appelé aussi matériau à bandes interdites photoniques, possède un profil diélectrique périodique, pouvant empêcher la lumière de se propager pour certaines fréquences ou longueurs d’onde selon une, deux ou plusieurs directions de polarisation. Ainsi, on considère qu’une gamme de...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GUIDA (G.), DE LUSTRAC (A.), PRIOU (A.) - An introduction to Photonic Band Gap (PBG) materials. - Progress In Electromagnetics Research, PIER, 41, p. 1-20 (2003).
-
(2) - BRÛLÉ (S.) - Propagation d’ondes sismiques dans les sols superficiels structurés artificiellement. Approche théorique et expérimentale. Les métamatériaux sismiques. - Thèse de Doctorat de l’Université Aix-Marseille (2022).
-
(3) - BA (A.), KOVALENKO (A.), ARISTÉGUI (C.), MONDAIN-MONVAL (O.), BRUNET (T.) - Soft porous silicone rubbers with ultra-low sound speeds in acoustic metamaterials. - Sci. Rep., 7, p. 40106 (2016).
-
(4) - PENDRY (J.), HOLDEN (A.), STEWART (W.), YOUNGS (I.) - Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures. - Phys. Rev. Lett., vol. 76, 25, p. 4773-4776 (1996).
-
(5) - GUENNEAU (S.), ZOLLA (F.) - Homogenization of three-dimensional finite photonic crystals. - Progress in Electromagnetics Research, PIER 27, p. 91-127 (2000).
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Calcul des structures pour leur résistance aux séismes. Partie 1 : Règles générales, actions sismiques et règles pour les bâtiments - Eurocode 8-4 NF EN 1998-1 - 2005
-
Calcul des structures pour leur résistance aux séismes. Partie 5 : Fondations, ouvrages de soutènement et aspects géotechniques - NF EN 1998-5 - 2005
ANNEXES
Circulaire du 23 juillet 1986 relative aux vibrations mécaniques émises dans l’environnement par les installations classées pour la protection de l’environnement. JO du 22 octobre 1986.
HAUT DE PAGE
Seismic Defence Structures WO 2018/073412 Al.
HAUT DE PAGE3.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
COMSOL – Logiciel de simulation multiphysique http://www.comsol.fr
Menard Group http://www.menard-group.com
SSI_2U http://ssi2u.wordpress.com
...
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