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Une introduction aux cristaux phononiques (2)


Ondes acoustiques et élastiques

Avant de parvenir au coeur de notre sujet, rappelons quelques idées générales sur les ondes acoustiques et élastiques. Ces ondes font partie de notre expérience quotidienne et de notre environnement le plus immédiat. Les ondes sonores se propagent dans l'atmosphère. Elles véhiculent la parole humaine et nous informent sur ce qui nous entoure. Les ondes acoustiques sont utilisées dans des domaines aussi variés que l'imagerie échographique du corps humain, la détection et la localisation d'objets sous-marins (le sonar), l'étude des séismes et des mouvements de l'écorce terrestre. Les quartz de nos montres utilisent des résonances particulières des cristaux, qui sont liées aux ondes acoustiques qui s'y propagent. Nos téléphones portables et nos télévisions comportent des filtres électroniques exploitant des ondes acoustiques à haute fréquence dans des cristaux synthétiques exotiques, tels le tantalate de lithium. Toutes les ondes acoustiques sont composées de vibrations progressives des atomes composant le milieu de propagation. Dans un solide par exemple, les atomes sont contraints de rester en moyenne autour de leur position d'équilibre, et l'onde se propage en mettant en mouvement une succession de plans cristallins. On parle dans ce cas volontiers d'ondes élastiques. Les vitesses mises en jeu sont de l'ordre de quelques milliers de mètres par seconde en général. Elles peuvent atteindre jusqu'à 20000 m/s dans le diamant par exemple. Dans le cas des ondes sonores, dans l'air, ou des ondes acoustiques, dans l'eau, les atomes du fluide ne sont pas assujettis à rester en une position donnée de l'espace, mais l'onde représente toujours un mouvement collectif se communicant d'atome en atome dans une direction donnée. Les vitesses mises en jeu sont de l'ordre de 340 m/s dans l'air et de 1480 m/s dans l'eau dans des conditions standard.

Le schéma ci-dessous indique les principales applications des ondes sonores, acoustiques et élastiques en fonction de la fréquence des signaux employés. La fréquence (dont l'unité est le Hertz) est une mesure directe du nombre d'oscillations par unité de temps, donc par seconde.

Domaines fréquentiels des ondes acoustiques

Domaines fréquentiels des ondes acoustiques