Les ingénieurs conçoivent des métasurfaces pour aider à contrôler la propagation des ondes de surface

Les ondes de surface des tremblements de terre, des explosions et d’autres activités humaines peuvent se propager à partir d’un épicentre, causant des ravages au fur et à mesure. Le contrôle de ces vagues pourrait prévenir les dommages et la destruction. À des échelles beaucoup plus petites, le filtrage et la manipulation des ondes de surface pourraient induire des propriétés souhaitables dans les dispositifs électroniques miniatures.

Aujourd’hui, les chercheurs du Penn State College of Engineering ont utilisé une approche de conception stratégique appelée méthode d’optimisation de la topologie (TOM) pour concevoir des feuilles fabriquées à motifs avec des propriétés ajustables, appelées métasurfaces, qui contrôlent les ondes de surface. Dirigée par Parisa Shokouhi, professeur de sciences de l’ingénieur et de mécanique, l’équipe a publié ses résultats dans Lettres JASA Express.

“Notre équipe multidisciplinaire a conçu une barrière de métasurface composée de structures résonnantes ou vibrantes pour empêcher les ondes de plaque de se propager dans une zone spécifique”, a déclaré Shokouhi.

Les ondes de surface ont une longue portée et peuvent voyager loin sans perdre beaucoup d’énergie, mais les structures résonnantes de la barrière de métasurface peuvent les interrompre.

“Le contrôle des ondes guidées a des applications sur des échelles de longueur allant des dispositifs à ondes acoustiques de surface – utilisés dans l’électronique et l’évaluation non destructive et la surveillance de la santé structurelle, comme l’inspection des pipelines – aux barrières sismiques”, a déclaré Shokouhi.

Les structures résonnantes de cette barrière sont réglées sur une fréquence spécifique, correspondant à la fréquence cible prédéfinie des ondes de surface se propageant à travers une plaque d’aluminium. Selon Shokouhi, les chercheurs ont formulé leur méthodologie de conception comme un problème d’optimisation de la topologie, en utilisant TOM. Visant à générer une bande interdite – une zone sans propagation – autour d’une fréquence spécifique, la méthode d’optimisation de la topologie conçoit automatiquement des résonateurs qui sont façonnés de manière optimale pour avoir certaines caractéristiques de résonance et d’antirésonance. Il en résulte ce que Shokouhi a appelé des métasurfaces élastodynamiques localement résonnantes.

“Dans cet article, nous démontrons que la méthodologie peut concevoir des résonateurs pour les métasurfaces capables de supprimer les ondes de plaques, appelées ondes de Lamb, mais cette méthode peut être étendue pour concevoir des métasurfaces résonnantes qui peuvent contrôler d’autres types d’ondes guidées quelle que soit la gamme de fréquences”, a déclaré Shokouhi, notant que c’est la première fois que TOM, initialement conçu dans les années 1980 pour résoudre des problèmes de conception structurelle, est appliqué de cette manière. “Cette stratégie de conception systématique peut être généralisée davantage, présentant une approche potentielle pour le contrôle des vagues dans d’autres domaines, tels que l’acoustique.”