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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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Développements et perspectives2. Métamatériaux et applications
2.1 Domaine acoustique
Un ensemble de travaux menés depuis l’année 2000 a permis de dégager une définition et les principales caractéristiques de ce qu’est un métamatériau acoustique. Il s’agit d’une structure artificielle composite conçue pour posséder une masse volumique effective négative et/ou une compressibilité effective négative dans un domaine de fréquence acoustique donné. Elle est fabriquée par l’insertion dans une matrice solide ou liquide « 3D » ou dans une plaque « 2D » de résonateurs mécaniques de tailles caractéristiques bien plus petites, dans le domaine de fréquences considéré, que la longueur d’onde des ondes élastiques se propageant dans la matrice. Cela permet d’obtenir un matériau composite homogénéisable décrit par des grandeurs effectives. Bien que la périodicité ne soit pas une condition nécessaire, les résonateurs sont généralement organisés de façon périodique. Les courbes de dispersion présentent alors des bandes plates qui résultent du couplage entre l’onde incidente et le résonateur à des fréquences bien inférieures à celle du gap de Bragg. Les propriétés effectives du métamatériau sont reliées aux résonances de ces constituants.
Il peut sembler que les applications tardent à voir le jour car les métamatériaux tirent leurs propriétés des résonateurs qui les composent et sont sujets à de l’amortissement important. C’est d’ailleurs la raison pour laquelle en acoustique pour l’isolation phonique, les métamatériaux super-absorbants et sub-longueur d’onde en épaisseur, connaissent une activité de recherche importante. Ainsi, les métasurfaces bio-inspirées pourraient être rendues dynamiques avec des murs végétalisés alimentés par des circuits d’eau.
HAUT DE PAGE2.1.1 Isolation acoustique par des matériaux bio-inspirés
Les matériaux d’origine biologiques (soie de la toile d’araignée, os, émail, etc.) sont réputés pour leurs caractéristiques mécaniques exceptionnelles, qui peuvent même dépasser celles de matériaux synthétiques. Le caractère...
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Métamatériaux et applications
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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