WO2019180270A1 - Masque de phase acoustique poreux - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un masque de phase acoustique, le masque de phase présentant une variation de l'indice acoustique n, caractérisé en ce que le masque de phase comprend un corps comprenant : - au moins une matrice formée en un matériau solide déformable, présentant un module de cisaillement inférieur à 10 MPa, et - des pores formés dans la matrice, les pores étant majoritairement remplis de gaz, le matériau solide déformable s'étendant entre les pores, le corps présentant une porosité φ inférieure ou égale à 50%, et un gradient de porosité φ contrôlé entraînant une variation de l'indice acoustique n spatialement dans le corps.
Description
MASQUE DE PHASE ACOUSTIQUE POREUX
DOMAINE DE L’INVENTION
L’invention concerne un masque de phase acoustique pour la manipulation spatiale de fronts d’ondes acoustiques, par exemple une lentille acoustique pour la focalisation d’une onde acoustique.
ETAT DE LA TECHNIQUE
La manipulation spatiale de fronts d’ondes acoustiques, et particulièrement la focalisation d’ondes acoustiques, est typiquement réalisée en utilisant des dispositifs en métamatériaux, notamment dans une gamme de fréquences correspondant aux fréquences audibles et/ou ultrasonores.
Zhu et al. (Zhu, H. , & Semperlotti, F. (2015), Improving the performance of structure- embedded acoustic lenses via gradient-index local inhomogeneities, International Journal of Smart and Nano Materials, 6(1 ), 1 - 13.) décrit par exemple un dispositif permettant de focaliser une onde ultrasonore se propageant dans une plaque d’aluminium. Des inhomogénéités ou inclusions sont formées par des ajours dans la plaque d’aluminium de manière à former un guide d’onde, permettant de focaliser une onde ultrasonore initialement radiale. Cette méthode est difficilement transposable industriellement à la manipulation d’ondes acoustiques en trois dimensions, et dans d’autres media de propagation de l’onde acoustique dans lesquels il n’est pas possible de créer des ajours.
Martin et al. (Martin, T. P. , Naify, C. J. , Skerritt, E. A. , Layman, C. N. , Nicholas, M. , Calvo, D. C. , ... & Sânchez-Dehesa, J. (2015), Transparent gradient-index lens for underwater sound based on phase advance, Physical Review Applied, 4(3), 034003. ) décrit un dispositif comprenant un réseau anisotrope de cylindres creux en aluminium arrangés de manière à former un gradient d’indice acoustique n dans le dispositif. Une onde acoustique sonore incidente, traversant le réseau de cylindres, est focalisée dans des régions prédéfinies de l’espace. La fabrication d’un tel dispositif nécessite un montage mécanique précis et onéreux, limitant son application industrielle.
RESUME DE L’INVENTION
Un but de l’invention est de réaliser un masque de phase acoustique plus facile à mettre en oeuvre ou à fabriquer que les dispositifs de l’art antérieur.
Ces buts sont atteints dans le cadre de la présente invention grâce à un masque de phase acoustique, le masque présentant une variation de l’indice acoustique n, caractérisé en ce que le masque de phase comprend un corps comprenant :
- au moins une matrice formée en un matériau solide déformable présentant un module de cisaillement inférieur à 10 MPa, et
- des pores formés dans la matrice, les pores étant majoritairement remplis de gaz, le matériau solide déformable s’étendant entre les pores,
le corps présentant une porosité f inférieure ou égale à 50%, et un gradient de porosité f contrôlé entraînant une variation de l’indice acoustique n spatialement dans le corps.
L'invention peut être avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises individuellement ou en l’une quelconque de leurs combinaisons techniquement possibles :
- le masque de phase est une lentille acoustique, le gradient de porosité étant tel que la lentille est apte à focaliser une onde acoustique plane incidente transmise par le masque de phase en au moins un point de l’espace,
- le masque de phase présente deux faces planes opposées s’étendant parallèlement à un plan principal et présentant au moins un gradient de porosité f orienté selon une direction parallèle au plan principal,
- la porosité est distribuée dans le corps de manière à correspondre à un indice n évoluant de manière linéaire selon la direction, dans au moins une partie du masque de phase,
- la porosité est distribuée dans le corps de manière à correspondre à un indice n évoluant de manière hyperbolique selon la direction, dans au moins une partie du masque de phase,
- le masque de phase comprend une juxtaposition de couches comprenant une matrice et des pores, chaque couche présentant une porosité f constante, la porosité d’une couche étant différente de la porosité d’une couche directement voisine,
- le masque de phase comprend un support présentant des alvéoles, chaque alvéole, contenant une matrice, au moins deux matrices présentant des porosités différentes,
- les deux faces planes opposées sont séparées par une épaisseur d, l’épaisseur d étant comprise entre 100pm et 10mm. En effet, cette gamme d’épaisseurs d est adaptée pour la manipulation d’ondes acoustiques présentant une longueur d’onde comprise entre 100kHz et 10MHz.
Un autre aspect de l’invention concerne un procédé de manipulation de fronts d’ondes acoustiques, comprenant une étape d’installation d’un masque de phase acoustique décrit précédemment dans l’espace de propagation d’une onde acoustique plane incidente présentant une longueur d’onde l.
Le masque de phase peut avantageusement présenter une épaisseur d selon une direction de propagation de l’onde acoustique incidente, l’épaisseur d étant strictement inférieure à la longueur d’onde l.
Un autre aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’un masque de phase décrit précédemment, le procédé comprenant des étapes de :
- formation d’une pluralité d’émulsions, chaque émulsion présentant d’une part une première phase liquide, et d’autre part, une deuxième phase comprenant des monomères et au moins un type d’agent de surface, de manière à former des gouttes de la première phase liquide dans la deuxième phase, au moins deux émulsions présentant des fractions respectives en première phase différentes,
- réticulation des monomères des émulsions de manière à former un matériau solide déformable définissant la ou les matrices et les pores comprenant la première phase liquide,
- séchage pour éliminer la première phase liquide de manière à remplir en majorité les pores de gaz.
L'invention peut être avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises individuellement ou en l’une quelconque de leurs combinaisons techniquement possibles :
- l’étape de séchage est une étape de séchage supercritique de la première phase liquide,
- la première phase liquide comprend, lors de l’étape de séchage supercritique successivement de l’eau, un liquide choisi parmi de l’éthanol et de l’acétone, et du dioxyde de carbone,
- la première phase liquide comprend un composé liquide adapté à se décomposer spontanément à température ambiante en un gaz et en un liquide, et dans lequel, lors de l’étape de séchage, on attend la décomposition du composé liquide de manière à former une phase gazeuse dans les pores,
- le composé est de l’eau oxygénée,
- la réticulation des monomères est mise en oeuvre par une exposition des émulsions à un rayonnement ultraviolet.
DESCRIPTION DES DESSINS
D’autres caractéristiques et avantages ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 illustre un masque de phase selon un mode de réalisation de l’invention,
- les figures 2a, 2b et 2c illustrent un procédé de fabrication d’un matériau poreux,
- la figure 3 illustre une étape de séchage supercritique,
- les figures 4a, 4b et 4c sont des microphotographies de matériaux poreux,
- la figure 5 est un diagramme illustrant l’évolution de la porosité d’un matériau poreux en fonction de la fraction volumique en première phase dispersée après un séchage pour différentes méthodes de séchage,
- la figure 6 illustre la manipulation d’une onde plane incidente par un masque de phase selon un mode de réalisation de l’invention,
- la figure 7 illustre l’évolution de la vitesse longitudinale d’une onde acoustique dans un matériau poreux élastomérique selon un mode de réalisation de l’invention en fonction de la porosité du matériau poreux élastomérique,
- les figure 8a, 8b, 8c, 8d, 8e et 8f illustrent un procédé de fabrication d’un masque de phase selon un mode de réalisation de l’invention,
- les figures 9a, 9b, 9c et 9d illustrent un procédé de fabrication d’un masque de phase selon un mode de réalisation de l’invention,
- les figures 10a et 10b illustrent la déflexion d’une onde plane incidente selon un angle prédéterminé, ainsi que le masque de phase adapté pour cette déflexion,
- les figures 1 1 a et 1 1 b illustrent la focalisation d’une onde plane incidente vers un point focal prédéterminé, ainsi que le masque de phase adapté pour cette focalisation,
- les figures 12a, 12b et 12c illustrent des mesures expérimentales permettant la déflexion et la focalisation d’ondes acoustiques réalisées par des masques de phase selon des modes de réalisation de l’invention.
DEFINITIONS
On désignera par « porosité » d’un matériau poreux le rapport entre, d’une part, le volume des pores du matériau poreux, et, d’autre part, le volume total du matériau poreux (c’est-à-dire la somme du volume des pores du matériau poreux et du volume de matériau plein s’étendant entre les pores).
On désigne par « manipulation » d’une onde acoustique (ou du front d’onde acoustique) toute modification volontaire et contrôlée dudit front (phase, amplitude et/ou polarisation locales), par exemple la déflexion ou la focalisation d’une onde acoustique.
On désigne par « masque de phase » tout dispositif permettant de modifier localement à façon la phase d’une onde incidente le traversant. De préférence, le masque de phase est un dispositif planaire.
On désigne par « émulsion » un mélange de deux substances liquides non miscibles, l'une étant dispersée sous forme de gouttes dans l'autre de manière homogène.
DESCRIPTION DETAILLEE D’UN MODE DE REALISATION DE L’INVENTION
Architecture générale d’un masque de phase acoustique
La figure 1 illustre une coupe d’un masque de phase 1 acoustique. Le masque de phase 1 comprend un corps 2. Le corps 2 permet une utilisation simplifiée du masque de phase 1 , au regard d’autres dispositifs connus, tels que des réseaux d’obstacles ou des réseaux de transducteurs.
Le corps 2 comprend au moins une matrice 3, formée dans un matériau solide déformable, et des pores 4 formés dans la matrice 3. La majorité des pores 4 est remplie de gaz, ce qui permet au corps 2 d’être compressible (la compressibilité est comprise entre 10 9Pa 1 pour le corps 2 non poreux à 10 6Pa 1 pour le corps 2 présentant 40% de pores remplis de gaz). Le matériau solide déformable s’étend entre les pores 4. Ce matériau présente un module de cisaillement préférentiellement inférieur à 10 MPa.
Les pores 4 confèrent au corps 2 une porosité f locale. Le corps 2 présente une porosité inférieure à 50 %, c’est-à-dire que la porosité locale en tout point du corps 2 est inférieure à 50 %. Autrement dit, la porosité maximale du corps 2 est inférieure à 50 %.
Le corps 2 présente un gradient de porosité f. Ce gradient de porosité dans le corps 2 est contrôlé et entraîne une variation spatiale de l’indice acoustique n dans le corps 2. La variation de l’indice acoustique n, ou le gradient d’indice acoustique n, permet d’entraîner une modulation du front d’onde incident lors de son passage à travers le masque de phase 1 , permettant par exemple de focaliser une onde incidente, particulièrement une onde plane incidente.
La figure 1 illustre un masque de phase 1 en coupe : le masque de phase 1 présente deux faces planes opposées s’étendant parallèlement à un plan principal 7 et le corps 2 du masque de phase 1 présente un gradient de porosité orienté selon une direction parallèle au plan principal 7. En référence à la figure 1 , le plan principal 7 est parallèle au plan défini par les axes x et y, et le gradient est orienté selon l’axe x. Plus précisément, le corps 2 présente une porosité f décroissante selon l’axe x.
Fabrication d’un matériau poreux
Le corps 2 est au moins en partie en matériaux poreux, c’est-à-dire un matériau comprenant la matrice 3 en matériau solide déformable, et les pores 4, le matériau solide déformable de la matrice 3 s’étendant entre les pores 4. Le matériau poreux est fabriqué par polymérisation d'une émulsion aqueuse dans un solvant polymérisable, par exemple thermiquement ou par irradiation sous UV puis par un séchage.
Le matériau solide déformable comprend des polymères élastomériques. Ces polymères présentent des températures de transition
vitreuse inférieures à la température ambiante. En particulier, les polymères du matériau solide déformable présentent une température de transition vitreuse inférieure à -50° C, de préférence inférieure à -80° C, et de préférence inférieure à -100° C.
De par une porosité élevée du matériau poreux, le remplissage des pores 4 majoritairement de gaz, et la déformabilité du matériau solide, le corps 2 peut présenter une compressibilité plus élevée que les matériaux poreux connus.
L'indice acoustique n d'un matériau peut être défini par la formule (1 ) : n — cref / cmat 0 ) où Cref et cmat sont respectivement les vitesses de propagation (ou célérités) des ondes acoustiques longitudinales dans un matériau de référence, c’est-à-dire l’eau dans l’invention, pour laquelle cre/ = 1 500 m.s 1, et dans le matériau considéré. Comme la vitesse de propagation d’une onde acoustique dans un matériau dépend de la porosité du matériau, l’indice acoustique n dépend de la porosité. Un gradient de porosité du matériau poreux entraîne ainsi un gradient d’indice acoustique n dans le corps 2 du masque de phase 1 .
Le matériau poreux peut présenter une large gamme de vitesse de propagation. En effet, la vitesse de propagation du son dans un matériau peut s'écrire cmat = (M/p)1/2, où p est la masse volumique du matériau et M le module élastique de compression du matériau. La célérité d’une onde acoustique dans le matériau poreux diminue lorsque à la fois le module élastique de compression du matériau poreux diminue et la densité du matériau poreux augmente.
Ainsi, la porosité du matériau poreux peut être ajustée pour présenter des vitesses de propagation comprises entre typiquement 10 m.s 1 et 1000 m.s 1. Les dispositifs connus ne permettent pas d’atteindre des variations de vitesses de propagation avec une amplitude aussi élevée.
En référence aux figure 2a, 2b et 2c, la fabrication d’un masque de phase 1 , et en particulier du matériau poreux d’une ou plusieurs matrices 3 du masque de phase 1 comprend les étapes consistant à :
a) former une pluralité d’émulsions 12, chaque émulsion 12 présentant, d’une part, une première phase 13 liquide, et d’autre part, une deuxième phase 14 comprenant des monomères et au moins un type d’agent de surface, de manière à former des gouttes de la première phase 13 liquide dans la deuxième phase 14.
Au moins deux émulsions 12 présentent des fractions respectives en première phase 13 différentes. L’étape de formation d’une émulsion est illustrée par la figure 2a.
b) réticuler les monomères des émulsions 12 de manière à former un matériau solide déformable 3 définissant la ou les matrices 3 et les pores 4 contenant la première phase 13 liquide.
L’étape de réticulation est illustrée par la figure 2b.
c) sécher le matériau poreux obtenu à l’étape b) pour éliminer la première phase 13 liquide de manière à remplir en majorité les pores 4 de gaz.
L’étape de séchage est illustrée par la figue 2c.
Lors de l’étape a), chaque émulsion 12 inverse est réalisée entre, d’une part, une deuxième phase 14 comprenant des monomères et d'un agent de surface adapté, et d’autre part une première phase 13 aqueuse. L’émulsion
12 peut être réalisée en utilisant un dispositif de cisaillement (par exemple Rayneri, Ultraturrax, ou tout appareil mécanique permettant un cisaillement suffisant des deux phases). L’émulsion peut être également formée en exposant la première phase 13 et la deuxième phase 14 à des ondes ultrasonores. On désigne par émulsion mère l’émulsion 12 ainsi obtenue. La fraction volumique de l’émulsion 12 mère en première phase 13 peut être comprise entre 0% et 90%. Le choix de l’agent de surface est adapté aux monomères choisis dans la deuxième phase 14. De manière générale, l’agent de surface présente un numéro HLB inférieur ou égal à environ 8. Ainsi, une émulsion 12 inverse, c’est-à-dire comprenant des gouttes de première phase
13 aqueuse dans une deuxième phase 14 lipidique est favorisée. Le diamètre des gouttes de première phase 13 formées dans la deuxième phase 14 est typiquement compris entre 0,1 et 100 pm.
Lors de l’étape b), les émulsions 12 sont déposées dans un ou plusieurs récipients. Au moins deux émulsions 12 présentent des fractions respectives en première phase 13 différentes. La fraction en première phase 13 peut
également varier de manière contrôlée au cours du dépôt d’une émulsion 12 dans un récipient, formant une pluralité d’émulsions 12 de manière continue. Le récipient peut être par exemple un moule ou une alvéole. Une paroi du récipient peut être formée par une émulsion 12 déjà réticulée. Une fois déposée, les monomères de la deuxième phase 14 de l’émulsion 12 sont réticulés de manière à former un matériau solide déformable. La réticulation des monomères peut être préférentiellement mise en oeuvre par une exposition des monomères à un rayonnement ultraviolet ou à un chauffage. A la fin de l’étape b), on obtient une ou plusieurs matrices 3 en matériau solide déformable. Des pores 4 sont formés par la ou les matrices 3. Ces pores 4 sont remplis de première phase 1 3.
Lors de l’étape c), on sèche la ou les matrices 3. Cette étape permet de remplacer, au moins en majorité et préférentiellement totalement, la première phase 13 liquide contenue dans les pores 14 par du gaz. Typiquement, le séchage de la première phase 13 est mis en oeuvre par pervaporation de la première phase 13 liquide à travers la matrice 3 en polymère.
Dans les méthodes de séchage connues, un front de séchage se propage dans la matrice 3, et plus particulièrement à l’interface entre la matrice 3 et les pores 4. La matrice 3 est alors soumise à une pression de séchage Pséchage égale à deux fois la tension de surface g de la première phase 13 liquide avec l'air, divisée par le rayon r des micropores par lesquels s’échappe la première phase 13 lors de la pervaporation, soit Pséchage = 2 g/r. S'il est difficile de connaître la valeur exacte de r, on peut estimer que r est typiquement inférieur ou égal à 1 nm. Ainsi, pour une première phase 13 d'eau ( g = 72 mN/m), Pséchage = 144 MPa. Cette valeur, indicative, est supérieure aux modules de cisaillement typiques du matériau solide déformable, en polymères élastomériques. En conséquence, on observe un écroulement des pores lors de la mise en oeuvre de méthodes de séchage connues, et la porosité d’un matériau poreux est ainsi limitée car aucun gaz ne remplace la disparition de première phase 1 3 dans les pores 4.
Selon un aspect de l’invention, l’étape de séchage est une étape de séchage supercritique du matériau poreux permettant d’éliminer la première phase 13 liquide. La méthode de séchage supercritique est connue pour le séchage de matériaux poreux fragiles, tels que les aérogels. Elle est par
exemple décrite par Marre et al. (Marre, S., fit Aymonier, C. (2016), Préparation of Nanomaterials in Flow at Supercritical Conditions from Coordination Complexes. In Organometallic Flow Chemistry (pp. 177-211). Springer, Cham.). Lors d’un séchage supercritique, une phase liquide contenue par les pores 4 est transformée en phase gazeuse, sans transition de phase, en imposant des conditions de température et de pression permettant de contourner le point critique du ou des composés contenus dans les pores 4. L’absence de passage par une ligne de transition de phase permet d’éviter un front de séchage entre une phase liquide et une phase gazeuse. Ainsi, la pression de séchage est diminuée ou égale à zéro, et il est possible d’éviter l’écrasement du matériau poreux sur lui-même lors du séchage.
Le fluide de séchage utilisé pour le séchage supercritique peut être le C02. Le C02 présente un point critique correspondant à une pression Pc = 73,9 atm et à une température de Te = 31 ° C. Ces conditions de température et de pression sont faciles et économique à mettre en oeuvre.
La figure 3 illustre le séchage supercritique du matériau poreux en utilisant du CO2. Suite à l’étape b), les pores 4 contiennent une première phase 1 3 aqueuse. La première phase 13 est d’abord échangée avec de l’éthanol liquide. Ainsi, le liquide contenu dans les pores 4 est miscible avec le CO2. L’échange de la première phase 1 3 avec une phase liquide d’éthanol est réalisé en immergeant le matériau poreux dans un bain de solution aqueuse qui est progressivement enrichi en éthanol par un système de pompes à température et pression ambiantes. L’échange se produit progressivement, sur une échelle de temps adaptée pour éviter d’imposer des contraintes mécaniques trop élevées au matériau solide déformable.
L’éthanol est ensuite extrait par le CO2. L’extraction est mise en oeuvre en plaçant le matériau poreux baignant dans l’éthanol pur dans un réacteur haute pression, dans lequel les conditions de pression et de température peuvent être ajustées au moyen de pompes d’injection et d’un régulateur de pression en sortie. La température du réacteur est tout d’abord ajustée au-delà de la température critique théorique du mélange CÜ2/éthanol (i. e. entre 45 et 50° C pour une composition 90/10 molaire) tandis que le réacteur est lentement pressurisé avec du CO2, jusqu’à une valeur supérieure à la pression critique du mélange CÜ2/éthanol (i. e. 1 10 bars). Ces variations
en pression et en température correspondent à la trajectoire illustrée en pointillés partant du point A et allant au point B dans la figure 3.
Le C02 est alors pompé en continu au travers du matériau poreux à débit constant (1 1 g/min), tandis que les conditions opératoires sont maintenues constantes (la pression est contrôlée grâce à un contrôleur de pression de sortie). Le C02 se mélange à l’éthanol et forme un mélange monophasique supercritique. Au cours de cette phase de mélange, l’éthanol contenu dans les pores 4 est peu à peu remplacé par un mélange supercritique CÜ2/éthanol qui s’enrichit progressivement en CO2. Dans le même temps, le mélange éthanol/C02 fluide est extrait du réacteur afin d’y conserver un volume interne de fluide constant. Une fois tout l’éthanol remplacé par du CO2, la pression du système est lentement ramenée à 1 bar, par exemple en une heure, de manière à ramener le CO2 en phase gazeuse sans repasser par l’état liquide. Cette variation de pression correspond à la trajectoire illustrée en pointillés partant du point B et allant au point I dans la figure 3.
Enfin, la température est diminuée jusqu’à la température ambiante. Cette variation de température correspond à la trajectoire illustrée en pointillés partant du point I et allant au point A dans la figure 3. Ainsi, le fluide contenu dans les pores 4 est remplacé de manière continue par un gaz, en évitant l’apparition d’une interface triple solide/liquide/gaz (de tension de surface non nulle) dans les pores 4.
Selon un autre aspect de l’invention, la première phase 3 liquide comprend un composé liquide adapté à se décomposer spontanément à température ambiante en un gaz et en un liquide. La cinétique de décomposition du liquide en gaz et en produit liquide peut être fixée par la proportion de liquide susceptible de se décomposer dans la phase dispersée. Cette cinétique peut être ajustée afin que le temps caractéristique d’apparition des bulles de gaz soit typiquement plus lent (c’est-à dire typiquement supérieur à 30 minutes) que le temps nécessaire à l’émulsification. Lors de l’étape de séchage, on attend la décomposition du composé liquide de manière à former une phase gazeuse dans les pores 4. Le composé 1 peut être du peroxyde d’hydrogène H2O2. Le peroxyde d’hydrogène se décompose, à température et pression constante ambiante en eau (liquide) et en dioxygène gazeux. La proportion de H2O2 dans la première phase 13 liquide peut être préférentiellement de 1 /3 en masse totale de première
phase 13. Pour une proportion en H2O2 dans l’eau de 1 /3, le temps caractéristique d’apparition des bulles de gaz est de l’ordre de 30 minutes. Cette cinétique peut être ralentie ou accélérée en jouant sur cette proportion ou bien en ajoutant un catalyseur en concentration contrôlée dans la phase dispersée (par exemple des ions iodures I qui sont connus pour catalyser la réaction de décomposition de H2O2 en oxygène et en eau). Cette méthode permet de compenser la pression potentiellement exercée, lors du séchage, par des lignes de contact dans les pores 4 par une augmentation de la pression gazeuse entraînée par la décomposition du composé. Il est ainsi possible d’éviter l’effondrement des pores 4 sur eux-mêmes lors du séchage du matériau poreux. Cette méthode ne nécessite pas de contrôle externe de la pression et/ou de la température imposées au matériau poreux. Ainsi, l’utilisation du composé permet de sécher le matériau poreux en utilisant un matériel plus simple et moins onéreux que lors d’un séchage supercritique. Le séchage par introduction du composé est par exemple réalisé en plaçant le matériau poreux dans une étuve, dans laquelle la température est contrôlée à 40° C, sous atmosphère ambiante.
Les deux procédés de séchage décrits précédemment (séchage supercritique et introduction d’un composé dans la première phase liquide 13) permettent d’obtenir une porosité du matériau poreux sensiblement égale à la fraction volumique en première phase 13 obtenue lors de l’étape a) du procédé.
Les figures 4a, 4b et 4c sont des microphotographies obtenues en microscopie à balayage électronique, illustrant des matériaux poreux du corps 2, présentant différentes porosités. En référence à la figure 4a, la porosité f du matériau poreux du corps 2 est sensiblement égale à 5%. En référence à la figure 4b, la porosité f du matériau poreux du corps 2 est sensiblement égale à 10%. En référence à la figure 4b, la porosité f du matériau poreux du corps 2 est sensiblement égale à 15%.
La figure 5 illustre l’évolution de la porosité d’un matériau poreux après une étape de séchage réalisée selon une méthode connue (illustrée par la courbe (a)), une étape de séchage supercritique (illustrée par la courbe (b)) et par une étape de séchage par introduction d’un composé dans la première phase 13 (illustrée par la courbe (c)). Les méthodes de séchage illustrées par les courbes (b) et (c) permettent d’obtenir un matériau poreux présentant
une porosité f sensiblement égale à la fraction volumique de la première phase 13 dans l’émulsion 12. En revanche, lors de l’utilisation d’un séchage par une méthode connue (par exemple un séchage simple en étuve), l’effondrement de la matrice 3 sur elle-même empêche une augmentation de la porosité au-dessus d’une valeur seuil (sensiblement 10%) et limite ainsi un possible gradient d’indice acoustique n du corps 2.
Exemples de fabrication du matériau poreux
Exemple 1
La deuxième phase 14 comprend de l’huile silicone Silcolease UV poly 200 de Bluestar Silicones, 4% massiques de catalyseur Silcolease UV cata 21 1 de Bluestar Silicones, 0,4% massiques de tensioactif (le 2-octyl-1 -dodecanol) et 200 ppm de Genocure ITX de Rahn. La première phase 13 comprend 1 ,5% massiques de chlorure de sodium. La quantité de phase aqueuse incorporée dans la phase organique est dépendante de la porosité souhaitée pour le matériau poreux. La formation d’une émulsion est réalisée dans un mortier en ajoutant la première phase 13 au goutte-à-goutte pendant le cisaillement, puis elle est affinée, soit à l'aide d'outils à pale (de type Rayneri ou Ultraturrax), soit par ultrasons. L’étape de réticulation est mise en oeuvre en exposant l’émulsion à un rayonnement ultraviolet grâce à la lampe BlueWave 200 de Dymax. Le matériau poreux est ensuite séché par séchage supercritique ou par introduction d’un composé, tel que décrit précédemment.
Exemple 2
La deuxième phase 14 comprend 64 % en masse d'ethylhexyl acrylate, 5,5 % en masse de Styrène, 10,5 % en masse de divinylbenzene et 20 % en masse de tensio-actif SPAN 80. La phase aqueuse présente des concentrations en chlorure de sodium de 25.10 3 mol/L et en peroxodisulfate de potassium de 5.10 3 mol/L. La quantité de première phase 13 incorporée dans la phase organique est dépendante de la porosité souhaitée pour le matériau final. La formation d’une émulsion est réalisée à l'aide d'un outil à pale de type Rayneri en ajoutant la première phase 13 au goutte-à-goutte pendant le cisaillement. La réticulation des monomères est réalisée par chauffage à une température de 60 ° C. Le matériau poreux est ensuite séché par séchage supercritique ou par introduction d’un composé, tel que décrit précédemment.
Exemple 3
Un matériau solide déformable à base de silicone (noté SiVi/SiH) peut être obtenu par polymérisation thermique du PDMS via une réaction d'hydrosilylation. La deuxième phase 14 comprend 8,8 g de PDMS-vinyl (BLUESIL FLD 621 V1500), 1 ,8 g de PDMS-silane (BLUESIL FLD 626V30H2.5) et de 0,352 g de catalyseur au platine (SCLS CATA1 1091 M), (Société BlueStar Silicones). Afin de pouvoir préparer les émulsions 12 avant la réticulation des monomères, 4,4 mg de retardateur de polymérisation (1 -ethynyl-1 - cyclohexanol, ECH de Sigma Aldrich) sont ajoutés. Pour stabiliser l'émulsion, on peut utiliser du 2-octyl-1 -dodecanol ou du Silube J208-812. Les émulsions 12 sont préparées par introduction d'une première phase 13 aqueuse comprenant 1 ,5 % massique de NaCl sous agitation. L'émulsion est ensuite versée dans un moule en Téflon puis chauffée à 60° C pendant 24 heures. Le matériau poreux est ensuite séché par séchage supercritique ou par introduction d’un composé, tel que décrit précédemment.
Fabrication d’un masque de phase 1 acoustique
De par la présence d’un gradient de porosité entraînant une variation spatiale de l’indice acoustique n dans le corps 2, il est possible de contrôler localement la célérité des ondes acoustiques et ainsi de courber à façon les rayons acoustiques par effet mirage (version 3D du milieu à gradient) ou encore de contrôler des retards/avances de phase à des fronts d'ondes (version 2D de ces milieux, par exemple un masque de phase 1 ). Ainsi, il est par exemple possible de concentrer les faisceaux acoustiques, c’est-à-dire les focaliser, de dévier les faisceaux acoustiques et/ou de séparer les faisceaux acoustiques. On entend par « manipulation » du front d’onde acoustique au moins l’un des effets précédemment décrits sur une onde acoustique incidente plane.
En référence à la figure 6 et selon un aspect de l’invention, le masque de phase 1 (illustré en coupe dans la figure 6) peut présenter une épaisseur sub-longueur d'onde. Le masque de phase 1 présente deux faces planes opposées s’étendant parallèlement au plan principal 7 et présente au moins un gradient de porosité f orienté selon la direction 8 parallèle au plan
principal 7. On désigne par épaisseur d la distance entre les deux faces planes opposées. La manipulation d’un front onde acoustique incident plan 6, de longueur l peut être mise en oeuvre avec un masque de phase 1 d’une épaisseur d strictement inférieure à la longueur d’onde l. Préférentiellement, les longueurs d’ondes incidentes 6 sont comprises entre 100kHz et 10MHz, en particulier pour l’eau comme milieu environnant. Ainsi, l’épaisseur d du masque de phase est préférentiellement comprise entre 100pm et 10mm.
La figure 6 illustre une onde acoustique plane incidente 6 présentant un front d'onde physique simple (uniforme/plan par exemple) en entrée du masque de phase 1 . L’onde transmise 19 ou onde cible 19 présente un front d'onde différent de celui de l’onde plane incidente 6, en sortie du masque de phase 1 . Le front d'ondes de sortie entraîne un champ acoustique volumique "cible" (un champ convergent par exemple pour la focalisation).
La figure 6 illustre également une méthode utilisant un masque de phase 1 pour générer un champ cible de pression acoustique pc (aux fronts de phase non plans) à partir d'une onde plane incidente 6 ou d'un front plan d'excitation (par un émetteur ultrasonore par exemple).
De manière générale, pour que le champ de pression de sortie se rapproche au mieux du champ cible (choisi par un utilisateur), le masque de phase 1 est fabriqué de manière à ce que la transmission d’une onde plane incidente 6 par le masque de phase 1 restitue exactement en sortie du masque de phase 1 le champ cible choisi, c’est-à-dire en z = 0, et préférentiellement sur une surface du plan défini par les axes x et z plus grande.
Le champ de pression cible peut, par exemple, être un champ harmonique de pulsation w . La pression cible peut s’écrire
est l’amplitude de la pression, Oc la phase cible, et t le temps. Le champ acoustique Pm immédiatement en sortie du masque de phase 1 est égal à
masque de phase 1 permet d’imposer la phase de l’onde transmise directement en sortie du masque de phase 1 , ce qui permet d’établir la relation
= F c (x,y,z = oj . U est possible de considérer que le masque de phase
1 présente un indice acoustique n variable dans le plan xy et constant dans son épaisseur d, supposée petite par rapport à l, c’est-à-dire de considérer que n dépend de x et y. Le masque de phase déphase localement le champ m(x,y)kQd
incident d’une quantité 6 en chaque point de la sortie du masque de phase 1 (x, y, z = d) tel que
. L’onde plane incidente 6 peut correspondre à un front de phase incident uniforme dans le plan xy c’est-à-dire inc x V z =
= F0 (qui peut être fixé arbitrairement égal à 0). Ainsi, la distribution spatiale de l’indice acoustique n du masque de phase 1 doit vérifier la formule :
pour être adapté à générer le champ cible Pc . La distribution de la porosité dans le masque de phase 1 est ainsi choisie de manière à fabriquer un masque de phase 1 présentant un indice acoustique n vérifiant la formule (2).
La figure 7 illustre l’évolution de la célérité d’une onde acoustique dans le masque de phase 1 avec la porosité du corps 2. Les célérités mesurées correspondent à un indice acoustique n compris entre environ 1 ,5 et 40. Le masque de phase 1 est, de manière générale, adapté pour présenter un indice acoustique compris entre 1 ,5 et 40.
En référence aux figures 8a, 8b, 8c, 8d, 8e et 8f, le corps 2 du masque de phase 1 peut être fabriqué en empilant des couches 9, chaque couche 9 comprenant une matrice 3 et des pores 4 et présentant une porosité f constante, la porosité d’une couche 9 étant différente de la porosité d’une couche 9 directement voisine.
En référence à la figure 8a, une première émulsion 12 est déposée dans un moule 19 comprenant un support en polytétrafluoroéthylène (PTFE) et deux parois latérales 20 transparentes.
En référence à la figure 8b, les monomères de l’émulsion 12 sont réticulés en exposant l’émulsion 12 au rayonnement UV. Cette exposition est possible grâce aux parois transparentes 20. Une réticulation thermique de l’émulsion 12 est également possible. L’épaisseur d du moule (distance entre les deux parois 20) peut être comprise entre 0,5 mm et 5 mm lorsque la
réticulation est mise en oeuvre par UV. L’épaisseur peut être supérieure lorsque la réticulation est mise en oeuvre par chauffage.
En référence à la figure 8c, une émulsion 12 de fraction volumique en première phase 13 différente de celle de l’émulsion 12 décrite dans la figure 8a, par exemple supérieure, est déposée dans le moule 19 sur la couche 9 réticulée décrite dans la figure 8b.
En référence à la figure 8d, les monomères de l’émulsion 12 décrite dans la figure 8c sont réticulés, de manière à former deux couches 9 juxtaposées.
Les différentes couches 9 peuvent être séchées avant chaque dépôt d’une nouvelle émulsion.
En référence à la figure 8e, les différentes couches 9 peuvent être extraites du moule 19. Les différentes couches 9 juxtaposées forment ainsi le corps 2 d’un masque de phase 1 .
La figure 8f est une photographie en vue de face d’un masque de phase 1 , fabriqué selon la méthode décrite dans les figures 8a à 8e. Le masque de phase 1 présente ainsi un gradient de porosité, la porosité étant maximale au milieu du masque de phase 1 et minimale aux extrémités basses et hautes du masque de phase 1 . Les lignes en pointillés correspondent aux limites entre les différentes couches 9.
Les couches 9 déposées présentent une hauteur h plus petite que la longueur d’onde l de l’onde acoustique incidente 6. Par exemple, pour une fréquence de 100 kHz, la longueur d’onde l d’une onde acoustique plane incidente 6 est de 15 mm. Les couches 9 présentent une hauteur égale à 8 mm (soit environ l/2), ce qui est suffisant pour que le gradient d’indice acoustique n soit effectivement perçu comme continu pour l’onde plane incidente 6. Il est bien évidemment possible de diminuer la largeur des bandes, par exemple jusqu’à environ 1 mm.
En référence aux figures 9a, 9b, 9c et 9d, le corps 2 peut comprendre un support 10 présentant des alvéoles 1 1 , chaque alvéole 1 1 contenant une matrice 3, au moins deux des matrices 3 présentant des porosités différentes.
En référence aux figures 9a et 9b, le support 10 peut par exemple être fabriqué par impression 3D. Les paramètres de l’impression 3D sont choisis de manière à fabriquer un support 10 dans lequel des alvéoles 1 1 sont délimitées par des minces épaisseurs (typiquement une centaine de
micromètres) de polymères type acide polylactique (PLA), polyamide (PA) ou tout autre polymère imprimable. Les émulsions 12 de différentes fractions volumiques en première phase 1 3 sont introduites dans les alvéoles 1 1 .
En référence à la figure 9c, les monomères de l’ensemble des émulsions 12 peuvent être réticulés simultanément, par exemple par une exposition aux UV au travers d’une paroi 20. Le masque de phase 1 peut comprendre le support 10. En effet, l’épaisseur du support 10 peut être typiquement de 0, 1 mm, et considérée comme négligeable par rapport aux longueurs d’ondes acoustiques. Les expériences acoustiques réalisées montrent que la présence d’un tel support 10, non rempli de matériau, n’introduit aucune modification du champ acoustique.
En référence à la figure 9d, le masque de phase 1 comprend le corps 2, le corps 2 comprenant une succession de bandes ou de couches 9 et le support 10. Le corps 2 présente un gradient de porosité de par la formation des différentes matrices 3 de porosités différentes.
Manipulation de fronts d’ondes acoustiques
Le masque de phase 1 peut comprendre une succession de bandes ou de couches 9, comme décrit précédemment.
En référence aux figures 10a et 1 0b, le masque de phase 1 peut permettre de modifier l’angle Q de propagation entre la direction de propagation d’une onde acoustique plane incidente 6 et celle d’une onde transmise 19, soit un angle de déflexion Q au regard du plan principale 7.
L’onde plane incidente 6 de champ incident Pin
est ai nsi transformée en onde plane transmise ou défléchie 19, de champ cible
_ ikQ sin qc ikQ cos qz — jui
Pc— P0 e e e La distribution spatiale de n vérifie étant l’indice au centre du masque de
phase 1 . Le gradient est préférentiellement constant, ce qui correspond à une évolution linéaire de la porosité du corps 2 dans l’espace. Dans ce cas, il est égal à sin 9 / d et orienté selon l’axe x.
En référence aux figures 1 1 a et 1 1 b, le masque de phase 1 peut permettre de focaliser une onde acoustique plane incidente 6. L’onde plane
incidente 6, en incidence normale avec le masque de phase 1 , pour manipuler
_ ik0z -iut
le champ Pinc— PQ e est ainsi transformée en onde cylindrique convergente au point de focalisation de coordonnée z = F par rapport au masque de phase 1 dont la face de sortie correspond à la coordonnée z = 0. En utilisant une approximation de champ lointain, le champ cible s’exprime sous la forme
distribution spatiale de l’indice n dans le masque de phase 1 est ainsi donnée par référence à la figure 1 1 b, l’indice
acoustique n évolue de manière hyperbolique dans une partie du corps 2.
Dans l’ensemble des modes de réalisation, il est possible de faire correspondre la porosité du corps 2 à un indice n déterminé, tel que décrit précédemment, en utilisant la relation mesurée entre la célérité de l’onde acoustique et la porosité du matériau traversé par l’onde acoustique, illustrée sur la figure 7.
En référence aux figures 12a, 12b et 12c, la déflexion, et en particulier la focalisation d’une onde plane incidente 6 par un masque de phase 1 sont testées. Des masques de phase 1 d’une épaisseur d égale à 2 mm sont déposés à la surface d’un transducteur ultrasonore (fourni par la société Imasonic) émettant à une fréquence centrale de 1 50 kHz et présentant des dimensions latérales de 150 mm x 40 mm dans le plan défini par les axes x et y. L’ensemble est plongé dans une cuve remplie d’eau autorisant des mesures en immersion, telles que réalisées en acoustique sous-marine. Le transducteur ultrasonore est positionné dans la partie supérieure de la cuve et sa face active est orientée vers le fond de manière à générer une onde plane incidente se propageant du haut vers le bas selon l'axe z. Le transducteur ultrasonore est alimenté via un générateur de fonctions (fourni par la société Agilent) pour générer dans l’eau un train d’ondes ultrasonores (30 cycles) centré à 150 kHz. La pression acoustique émise est ensuite cartographiée dans la zone centrale du champ proche de ce transducteur grâce à un hydrophone aiguille présentant un diamètre 1 mm (fourni par la société Précision Acoustics) dans le plan XZ (60 mm x 100 mm). Le pas en x et en z entre chaque mesure est de 2 mm, c’est-à-dire 5 fois plus petit que la longueur d’onde des ultrasons
utilisés. Les signaux temporels ont été enregistrés grâce à une carte d’acquisition (fournie par la société Alazartech) avec une fréquence d’échantillonnage de 1 MHz sur une durée de 300 ps pour chaque position de mesure.
En référence à la figure 12a, le transducteur n’est pas recouvert par un masque de phase 1 . Les fronts d’onde sont plans, parallèles et horizontaux, et sont caractéristiques d’une onde plane se propageant verticalement du haut vers le bas de la cuve comme attendu selon l'axe z.
En référence à la figure 12b, le transducteur est recouvert d’un masque de phase 1 . Le masque de phase 1 comprend un corps présentant un gradient constant d’indice acoustique (soit une variation d’indice acoustique n linéaire). Les fronts d’onde plans, parallèles et inclinés montrent une déflexion des ondes ultrasonores liée à la présence du masque de phase 1 en surface du transducteur ultrasonore. Comme anticipé théoriquement, l’angle Q de déflexion du faisceau ultrasonore est relié au gradient d’indice et à l’épaisseur du matériau poreux de 2 mm, et est sensiblement égal à 5° .
En référence à la figure 12c, le transducteur est recouvert d’un masque de phase 1 . Le masque de phase 1 comprend un corps présentant une variation d’indice acoustique n hyperbolique. La cartographie du champ acoustique diffracté dans la figure 12c illustre l’existence d’une petite zone centrale de largeur légèrement inférieure à la longueur d'onde (soit sensiblement de 10 mm) dans laquelle se concentre l’énergie du faisceau acoustique. Par ailleurs, les fronts d’onde courbes convergents (et divergents) respectivement visibles au-dessus et en dessous de cette tâche focale soulignent l’effet de focalisation du masque de phase 1 .
Claims
1. Masque de phase (1 ) acoustique, le masque de phase (1 ) présentant une variation de l’indice acoustique n, caractérisé en ce que le masque de phase (1 ) comprend un corps (2) comprenant :
- au moins une matrice (3) formée en un matériau solide déformable présentant un module de cisaillement inférieur à 10 MPa, et
- des pores (4) formés dans la matrice (3), les pores (4) étant remplis de gaz, le matériau solide déformable s’étendant entre les pores (4),
le corps (2) présentant une porosité f inférieure ou égale à 50%, et un gradient de porosité f contrôlé entraînant une variation spatiale de l’indice acoustique n dans le corps (2).
2. Masque de phase (1 ) acoustique selon la revendication 1 , le masque de phase (1 ) étant une lentille (5) acoustique, le gradient de porosité étant tel que la lentille est apte à focaliser une onde acoustique plane incidente (6) transmise par le masque de phase (1 ) en au moins un point de l’espace.
3. Masque de phase (1 ) acoustique selon la revendication 1 ou 2, le masque de phase (1 ) présentant deux faces planes opposées s’étendant parallèlement à un plan principal (7) et présentant au moins un gradient de porosité f orienté selon une direction (8) parallèle au plan principal (7).
4. Masque de phase (1 ) acoustique selon la revendication 3, dans lequel la porosité est distribuée dans le corps (2) de manière à correspondre à un indice n évoluant de manière linéaire selon la direction (8), dans au moins une partie du masque de phase (1 ).
5. Masque de phase (1 ) acoustique selon la revendication 3 ou 4, dans lequel la porosité est distribuée dans le corps de manière à correspondre à un indice n évoluant de manière hyperbolique selon la direction (8), dans au moins une partie du masque de phase (1 ).
6. Masque de phase (1 ) acoustique selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant une juxtaposition de couches (9) comprenant une matrice (3) et des pores (4), chaque couche (9) présentant une porosité f constante, la porosité d’une couche (9) étant différente de la porosité d’une couche (9) directement voisine.
7. Masque de phase (1 ) acoustique selon l’une des revendications 1 à 6, comprenant un support (10) présentant des alvéoles (11 ), chaque alvéole (11 ) contenant une matrice (3), au moins deux matrices (3) présentant des porosités différentes.
8. Masque de phase selon l’une des revendications 3 à 7, dans lequel les deux faces planes opposées sont séparées par une épaisseur d, d étant comprise entre 100pm et 10mm.
9. Procédé de fabrication d’un masque de phase acoustique (1 ) selon l’une des revendications 1 à 8, le procédé comprenant des étapes de :
- formation d’une pluralité d’émulsions (12), chaque émulsion (12) présentant d’une part une première phase (13) liquide, et d’autre part, une deuxième phase (14) comprenant des monomères et au moins un type d’agent de surface, de manière à former des gouttes de la première phase (13) liquide dans la deuxième phase (14), au moins deux émulsions (12) présentant des fractions respectives en première phase (13) différentes,
- réticulation des monomères des émulsions (12) de manière à former un matériau solide déformable (3) définissant la ou les matrices et les pores (4) comprenant la première phase (13) liquide,
- séchage pour éliminer la première phase (13) liquide de manière à remplir en majorité les pores (4) de gaz.
10. Procédé de fabrication d’un masque de phase (1 ) acoustique selon la revendication 9, dans lequel l’étape de séchage est une étape de séchage supercritique de la première phase (13) liquide.
1 1. Procédé de fabrication d’un masque de phase (1 ) acoustique selon la revendication 10, dans lequel la première phase (1 3) liquide comprend, lors de l’étape de séchage supercritique successivement de l’eau, un liquide choisi parmi de l’éthanol et de l’acétone, et du dioxyde de carbone.
12. Procédé de fabrication d’un masque de phase (1 ) acoustique selon la revendication 10, dans lequel la première phase (13) liquide comprend un composé liquide adapté à se décomposer spontanément à température ambiante en un gaz et en un liquide, et dans lequel, lors de l’étape de séchage, on attend la décomposition du composé liquide de manière à former une phase gazeuse dans les pores (4).
1 3. Procédé de fabrication d’un masque de phase (1 ) acoustique selon la revendication 12, dans lequel le composé est de l’eau oxygénée.
14. Procédé de fabrication d’un masque de phase (1 ) acoustique selon l’une des revendications 9 à 13, dans lequel la réticulation des monomères est mise en oeuvre par une exposition des émulsions à un rayonnement ultraviolet.
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Patent Citations (2)
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