Brevet FR3059428A1 — publié le 20180601

DIODE ONDULATOIRE BASEE SUR LA DEFORMATION DU MILIEU DE PROPAGATION. 1. Domaine de l'invention. L'invention concerne un dispositif mécanique permettant la transmission contrôlée d'une onde, et plus particulièrement un dispositif capable d'opérer tel une diode mécanique en privilégiant un sens de 10 propagation. 2. Etat de l'art. Différents types de dispositifs de contrôle de la propagation des 15 ondes sont connus et trouvent des applications dans des domaines tels que la médecine, l'imagerie médicale ou encore des systèmes de communications sous-marines. La demande de brevet US 20,160, 013, 871 traite d'un dispositif destiné à générer un signal acoustique collimaté à partir d'un signal d'entrée, notamment aux fins d'accroitre la directivité du signal et 20 de protéger alors des communications entre engins sous-marins. La publication scientifique intitulée «Asymmetric acoustic propagation of wave packets via the self-demodulation effect » de T. Devaux, V. Tournat, O. Richoux, et V. Pagneux, parue dans la revue « Physical Review Letters » le 2 décembre 2015 décrit un système asymétrique et traite de la 25 caractérisation expérimentale de la transmission d'ondes dans un guide d'onde comprenant une couche de sélection et une couche de conversion, laquelle met en oeuvre un effet d'auto-démodulation. Cependant, les solutions existantes font intervenir au moins une 30 conversion fréquentielle ou requièrent un apport en énergie extérieure, en plus de celle propre à l'onde. 3059428 2 3. Résumé de l'invention. L'invention permet de palier au moins certains inconvénients de 5 l'art antérieur en proposant un dispositif pour transmettre une première onde mécanique entre un premier pôle et un second pôle, le dispositif comprenant un premier transducteur couplé au premier pôle, un second transducteur couplé au second pôle, un premier volume attenant au premier pôle et comprenant un premier matériau, un second volume attenant au second pôle et au premier volume, et comprenant un second matériau, une surface de jonction (encore appelée surface d'interface) sensiblement plane entre les premier et second volumes, cette surface étant préférentiellement orientée perpendiculairement à un axe défini par des positions respectives des premier et second pôles dans le dispositif, le dispositif mécanique étant configuré de sorte que les premier et second matériaux délimités par la surface présentent respectivement des impédances mécaniques dont un rapport est supérieur à 1. Avantageusement les premier et second matériaux sont des fluides. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comporte en outre un troisième pôle couplé à un troisième transducteur et attenant au premier volume, de sorte qu'une seconde onde mécanique générée par le troisième transducteur soit transmise au premier matériau. Selon un mode de réalisation de l'invention, le premier matériau est de l'eau et le second matériau est de l'air, ou vice-versa, en fonction de l'orientation « haut / bas » du dispositif (l'eau devant être positionnée dans le volume bas). 3059428 3 Avantageusement, et lors de l'utilisation de matériaux fluides tels que l'eau et l'air, le rapport des impédances mécaniques respectivement associées aux matériaux est supérieur à 3000. 5 Le dispositif permet astucieusement de briser la réciprocité du système ondulatoire en mettant à profit la déformation du milieu de la propagation du fait de la pression de radiation. Ce phénomène, mis en oeuvre par le dispositif selon l'invention permet avantageusement une propagation unidirectionnelle de l'onde sans requérir de conversion 10 fréquentielle et sans nécessiter d'apport en énergie depuis l'extérieur du dispositif. Avantageusement, le principe mis en oeuvre par le dispositif peut s'appliquer aux ondes acoustiques. Par exemple, selon le sens de propagation, dans le cas d'un premier matériau qui est de l'eau et d'un 15 second matériau qui est de l'air, la succession des trois couches eau, air et solide (transducteur) devient une succession de couches eau et solide qui présente de bonnes caractéristiques de transmission, sans distorsion importante de l'onde incidente. Avantageusement, la capacité de propagation d'un tel système dans un sens, comparée à la capacité de propagation dans 20 le sens inverse présente un facteur de l'ordre de 106. Avantageusement, et lorsque le dispositif comprend un troisième pôle tel que cela a été précédemment décrit, il est possible d'opérer une fonction interrupteur acoustique à la diode mécanique mettant en oeuvre des 25 couches d'eau et d'air. 3059428 4 4. Liste des figures. 5 L'invention sera mieux comprise, et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 représente un dispositif diode mécanique 10 selon un mode de réalisation particulier et non limitatif de l'invention. - la figure 2 représente le dispositif de la figure 1 lorsqu'une onde mécanique est appliquée à son pôle P2. - la figure 3 représente le dispositif de la figure 1 15 lorsqu'une onde mécanique est appliquée à son pôle P1. 5. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention. 20 Sur les figures 1 à 3, les modules représentés sont des unités fonctionnelles, qui correspondent ou non à des unités physiquement distinguables. Par exemple, ces modules ou certains d'entre eux sont regroupés dans un unique composant, ou constitués des fonctionnalités d'un même logiciel. A contrario, selon d'autres modes de réalisation, certains 25 modules sont composés d'entités physiques séparées. La figure 1 représente un dispositif diode mécanique MECADIODE selon un mode de réalisation particulier et non limitatif de l'invention. Le dispositif MECADIODE comprend deux pôles P1 et P2 et deux 30 transducteurs T1 et T2 respectivement associés aux pôles P1 et P2. Les transducteurs T1 et T2 sont des éléments configurés pour transformer un 3059428 5 signal de nature quelconque en onde mécanique et inversement, dans l'autre sens, un signal mécanique en signal de nature quelconque. Ainsi dans le cas où un signal appliqué à T2 existe déjà sous la forme d'une onde mécanique, tel que par exemple l'onde MW1, T2 peut être un simple élément solide 5 réalisé dans un matériau adapté à transmettre l'onde. Selon un autre exemple, un signal entrant dans T2 est électrique et T2 est un transducteur adapté à la transformation d'un signal électrique en onde mécanique (un élément piézo-électrique, par exemple). Le même raisonnement s'applique à T1, mais en sens opposé. Ainsi les pôles P1 et P2 ne sont soumis qu'à des 10 signaux de type ondes mécaniques et les raisonnements utiles à la compréhension de la présente invention sont indépendants des descriptions détaillées des transducteurs T1 et T2. Selon le mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif 15 MECADIODE est utilisé dans une position verticale de sorte qu'un axe longitudinal du dispositif soit vertical ou sensiblement vertical. Sur les figures 1 à 3, cet axe est représenté par l'axe z. P2 constitue un pôle dit inférieur et P1 un pôle dit supérieur. Un élément 'contenant' central compris entre P1 et P2 peut se décomposer en deux volumes V1 et V2 séparés par la surface de 20 jonction SINT (encore appelée surface d'interface) dès lors que le volume central entre P1 et P2 est occupé par deux matériaux différents. Selon le mode de réalisation préféré, le volume central comprend le volume V2 empli d'un matériau M2 qui est de l'eau et comprend en outre le volume V1 empli d'un matériau M1 qui est de l'air. Considérant la position de l'ensemble du 25 dispositif selon l'axe z et la gravité, la surface de séparation SINT est sensiblement plane et perpendiculaire à un l'axe longitudinal vertical entre les pôles P2 et P1 (et donc parallèle à z) en l'absence de signal d'entrée. En effet l'absence de signal en entrée de T2 ou T1 implique l'absence d'onde mécanique entre P1 et P2, dans les volumes V1 et V2. 30 Avantageusement, et du fait d'un très grand rapport d'impédance mécanique entre les matériaux M2 et M1, soit respectivement de l'eau et de l'air, la propagation dans l'ensemble du dispositif d'une onde mécanique appliquée à 3059428 6 P2, ne s'effectue pas de la même façon que la propagation d'une même onde mécanique appliquée à P1. En effet, la pression de radiation dans le matériau fluide M2 qui est de l'eau, déforme celui-ci. Ainsi et si l'onde mécanique MW1 appliquée à P2 par l'intermédiaire de T2 présente une forte 5 amplitude, elle se propage à l'eau M2 qui se déforme sous l'effet de la pression de radiation, elle aussi de forte amplitude, ce qui a pour conséquence de modifier la forme de la surface d'échange SINT qui peut alors, toujours en fonction de l'amplitude, entrer en contact avec le pôle P1 et transmettre une partie conséquente de l'onde mécanique MW1. A l'inverse, 10 si la même onde MW1 (de même amplitude) est appliquée au pôle P1 et transmise au matériau M1 qui est de l'air, la pression de déformation de l'air n'étant pas identique à celle de l'eau, la surface SINT ne se déformera pas de la même façon, et n'entrera pas en contact avec le pôle P2, pour une même amplitude (à savoir pour une amplitude de MW1 qui permet à la surface SINT 15 d'entrer en contact avec P1 dans l'exemple précité). Astucieusement, la mise en oeuvre du dispositif diode mécanique MECADIODE selon l'invention permet de créer une asymétrie conséquente en termes de propagation d'une onde mécanique, ce qui confère au dispositif une caractéristique unidirectionnelle importante en termes de propagation. 20 Dans le cas de l'eau et de l'air, le rapport des impédances mécaniques est de l'ordre de 3600. Il est à noter que les termes « onde mécanique » comprennent ici une onde acoustique, aussi bien qu'une onde optique. La figure 2 représente le dispositif MECADIODE de la figure FIG. 25 1 soumis à un signal d'entrée appliqué au transducteur T2, qui se traduit en une onde mécanique MW1 à partir de T2, appliquée au pôle P2 puis, au matériau M2. L'onde mécanique MW1 appliquée au matériau M2 déforme la surface d'interface SINT entre les matériaux M2 et M1 du fait de la rupture d'impédance mécanique entre les deux matériaux M2 et M1. Si l'onde 30 présente une amplitude conséquente, la déformation de la surface d'interface SINT est telle que le matériau M2 peut entrer en contact avec le pôle P1 et permettre ainsi la transmission de l'onde du pôle P2 vers le pôle P1. Le 3059428 7 dispositif MECADIODE agit ainsi comme une diode mécanique en mode « passant ». La figure 3 représente le dispositif MECADIODE déjà 5 représenté sur les figures FIG. 1 et FIG. 2 soumis à un signal d'entrée appliqué au transducteur T1, qui se traduit en une onde mécanique MW1 à partir de T1, appliquée au pôle P1 puis, au matériau M1. L'onde mécanique MW1 appliquée au matériau M1 ne peut dans ce cas déformer la surface d'interface SINT entre les matériaux M1 et M2 du fait de la rupture 10 d'impédance mécanique entre ces deux matériaux. L'onde est en effet réfléchie par le matériau M2 et il n'intervient pas de déformation de la surface d'interface SINT susceptible de faire entrer ce matériau en contact avec le pôle P1 puis de permettre alors la transmission de l'onde du pôle P1 vers le pôle P2. Le dispositif MECADIODE agit dans ce sens ainsi comme une diode 15 mécanique en mode « bloqué ». Ainsi, les différences d'impédances mécaniques ZM2 et ZMI des matériaux M2 et M1créent pour une onde transmise à l'un des deux pôles P1 ou P2, une rupture d'impédance qui va permettre à l'onde d'être transmise 20 ou non à l'autre pôle, selon le sens d'application et selon la nature des matériaux M1et M2. Selon le mode de réalisation préféré de l'invention, dans lequel M2 est de l'eau et M1 est de l'air, le rapport des impédances mécaniques ZM2 Zmi est égal à 3676,6. 25 En effet, l'impédance mécanique des matériaux est définie par le produit de la masse volumique du matériau considéré (rho) avec la vitesse de propagation des ondes dans ce matériau (c). Ainsi, pour l'eau, la masse volume étant de 1000 kg / m3 et la vitesse de propagation des ondes étant de 1500 m/s, l'impédance mécanique est de 1500000 Pas/m. 30 Selon un raisonnement similaire, l'impédance mécanique ZM1 de l'air est égale à sa masse volumique (1.2 kg/m3) que multiplie la vitesse de 3059428 8 propagation des ondes mécaniques dans l'air (340 m/s), ce qui conduit à une valeur de 408 Pas/m. Il est dès lors possible de définir une énergie transmise T de sorte 5 que : T = (4 x ZM1 x ZM2 ) (ZM1+ZM2)2 Dans le cas précité, l'énergie transmise dans le sens passant, lorsque l'onde se propage correspond à une valeur T = 1, notée T+ et 10 l'énergie transmise dans le sens opposé, lorsque l'onde se dirige de l'air vers l'eau à une valeur T=0,0011 notée T-. Il est alors possible de définir un rapport d'efficacité de la diode mécanique, encore appelé rapport de rectification : 15 R= T+ / T- = 920. Selon une variante du mode de réalisation, la diode MECADIODE peut comprendre un matériau M2 de type Silice et un matériau M1 de type 20 duralumin, par exemple. Le duralumin est un alliage d'aluminium et de cuivre plus déformable que la silice. Ainsi l'impédance mécanique ZM2 serait de 17342000 Pas/m et l'impédance mécanique ZM1 serait de 18502000 Pas/m. En d'autres termes, la seule rupture d'impédance mécanique entre 25 les deux matériaux M1 et M2 dans le dispositif MECADIODE selon l'invention amène avantageusement le dispositif à opérer comme une diode bloquée ou passante selon le sens d'application d'une onde (de P1 vers P2 ou de P2 vers P1). 30 REVENDICATIONS1. Dispositif (MECADIODE) pour transmettre une première onde mécanique (MW1) entre un premier pôle (P1) et un second pôle (P2), ledit dispositif (MECADIODE) comprenant - un premier transducteur (T1) couplé audit premier pôle (P1), - un second transducteur (T2) couplé audit second pôle (P2), - un premier volume (V1) attenant audit premier pôle (P1) et comprenant un premier matériau (M1), - un second volume (V2) attenant audit second pôle (P2) et audit premier volume (V1), et comprenant un second matériau (M2), une surface (SINT) de jonction sensiblement plane entre lesdits premier et second volumes (V1, V2), ladite surface SINT étant orientée perpendiculairement à un axe (z) défini par des positions respectives desdits premier et second pôles (P1, P2) dans ledit dispositif MECADIODE, ledit dispositif mécanique MECADIODE étant caractérisé en ce que : lesdits premier matériau (M1) et second matériau (M2), délimités par ladite surface (SINT) présentent respectivement des impédances mécaniques ZM1 et ZM2 dont un rapport est supérieur à 1. 2. Dispositif (MECADIODE) selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits matériaux (M1, M2) sont des fluides. 3. Dispositif (MECADIODE) selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un troisième pôle (P3) couplé à un troisième transducteur (T3) et attenant audit premier volume (V1), de sorte qu'une seconde onde mécanique (MW2) générée par ledit troisième transducteur (T3) soit transmise audit premier matériau (M1). 4. Dispositif (MECADIODE) selon l'une quelconque des revendications 2 à 3 caractérisé en ce que ledit premier matériau est de l'eau et ledit second matériau est de l'air.