Ondes élastiques guidées

La dispersion des ondes élastiques guidées est très dépendante des propriétés élastiques du matériau. C’est en particulier le cas des modes à vitesse de groupe nulle (mode ZGV). Ces modes sont remarquablement bien observés par technique ultrason-laser et leurs applications aux contrôle non destructif des matériaux (mesures d’épaisseur, évaluation des propriétés élastiques) demeurent un sujet actif . Ils font l’objet de développement de méthodes numériques puissantes [1]. En collaboration avec l’Université d’Hokkaido, un mode ZGV engendré par impulsion femtoseconde a été filmé au GigaHertz dans une strucutre bi-couche nanométrique [2]. Avec l’Université Technique de Hambourg, les modes ZGV ont été utilisés pour caractériser des matériaux nano-poreux. Jouant un rôle grandissant dans la conception de matériaux fonctionnels, une meilleure connaissance des propriétés mécaniques de ces matériaux est recherchée. Les méthodes usuelles en contact n’étant pas adaptées, les modes guidés engendrés et détectés par laser, ont été eploités dans des membranes de silicium nano-poreux, ayant typiquement une épaisseur de 100 μm et une porosité de 55%. En particulier, l’effet significatif sur les fréquences ZGV, d’un chargement en fluide a été démontré. [3].

Les modes de ruban résultant du couplage entre mode de plaque et mode de cisaillement (modes in-plane) ont fait l’objet de différents travaux. Par des mesures US laser dans des rubans métalliques, nous avons confirmé que la dispersion de ces modes était indépendante de l’épaisseur et similaire à celles des ondes de Lamb et nous avons mis en évidence les résonances ZGV associées [4]. Ayant révélé l’existence d’un cône de Dirac dans les rubans incompressibles (coefficent de Poisson proche de 0.5), cette étude nous a conduits à étudier des ondes guidées dans des solides mous. Nous avons montré l’impact des pertes sur la dispersion des modes in-plane dans des membranes et des rubans visco-élastiques [5] [6] et modélisé l’effet conjoint de la rhéologie et de l’acousto-élasticité [7]. Ces avancées ouvrent la voie vers une rhéologie plus large bande des solides mous et vers une élastographie quantitative plus robuste.

Par ailleurs, à l’aide des techniques ultrasons laser, nous avons poursuivi l’étude des modes à dispersion négative existant au voisinage des modes ZGV dans les plaques [8]. Lors de l’ANR COPOLA portée par Alexandre Aubry, les effets de réflexion et de réfraction négative de ces modes ont été exploité pour créer différents systèmes de guidage : coin à double réfraction négative pour piéger l’onde, milieux complémentaires qui annihilent la propagation ou super lentille plate [9].

Enfin, si les US laser sont utiles pour observer finement les ondes de Lamb, les transducteurs multi-éléments présentent l’avantage de la simplicité d’utilisation. Nous avons développé un échographe à ondes de Lamb destiné à caractériser en temps réel des plaques anisotropes. L’analyse de la matrice de réflexion d’une sonde multi-éléments au contact de la plaque fournit les courbes de dispersion des ondes guidées. Ces courbes alimentent une méthode d’inversion rapide qui permet d’évaluer jusqu’à 5 constantes élastiques [10]. Cette méthode ouvre la voie à une caractérisation temps réel de milieux très anisotropes tels que les super-alliages de nickel ou les matériaux à matrice céramiques.

Contacts : Claire Prada, Sylvain Mezil, François Bruno, Fabrice Lemoult, Alexandre Aubry

Notes

[1

Computing zero-group-velocity points in anisotropic elastic waveguides: Globally and locally convergent methods
Kiefer, D. A., B. Plestenjak, H. Gravenkamp, and C. Prada
The Journal of the Acoustical Society of America 153, no. 2, 1386-1398 (2023)
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[2

Imaging gigahertz zero-group-velocity Lamb waves
Xie, Q., S. Mezil, P. H. Otsuka, M. Tomoda, J. Laurent, O. Matsuda, Z. Shen, and O. B. Wright
Nature Communications 10, no. 1 (2019)
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[3

Laser-excited elastic guided waves reveal the complex mechanics of nanoporous silicon
Thelen, M., N. Bochud, M. Brinker, C. Prada, and P. Huber
Nature Communications 12, no. 1 (2021)
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[4

In-plane backward and zero group velocity guided modes in rigid and soft strips
Laurent, J., D. Royer, and C. Prada
The Journal of the Acoustical Society of America 147, no. 2, 1302 (2020)
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[5

Dirac cones and chiral selection of elastic waves in a soft strip
Lanoy, M., F. Lemoult, A. Eddi, and C. Prada
Proceedings of the National Academy of Sciences, 202010812 (2020)
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[6

Soft elastomers: A playground for guided waves
Delory, A., F. Lemoult, M. Lanoy, A. Eddi, and C. Prada
The Journal of the Acoustical Society of America 151, no. 5, 3343-3358 (2022)
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[7

Guided elastic waves in a highly-stretched soft plate
Delory, A., F. Lemoult, A. Eddi, and C. Prada
Extreme Mechanics Letters, 102018 (2023)
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[8

Negative reflection of elastic guided waves in chaotic and random scattering media
Gérardin, B., J. Laurent, F. Legrand, C. Prada, and A. Aubry
Scientific reports 9, no. 1, 2135 (2019)
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[9

Cloaking, trapping and superlensing of lamb waves with negative refraction
Legrand, F., B. Gérardin, F. Bruno, J. Laurent, F. Lemoult, C. Prada, and A. Aubry
Scientific Reports 11, no. 1 (2021)
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[10

Towards real-time assessment of anisotropic plate properties using elastic guided waves
Bochud, N., J. Laurent, F. Bruno, D. Royer, and C. Prada
Journal of the Acoustical Society of America 143, no. 2, 1138-1147 (2018)
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