Depuis les écouteurs que nous utilisons pour écouter nos chansons ou podcasts préférés, au camouflage sonique employé par les sous-marins, la façon dont nous transmettons et expérimentons le son est un élément essentiel de la façon dont nous nous engageons avec le monde qui nous entoure. Les métamatériaux acoustiques sont des matériaux conçus pour contrôler, diriger et manipuler les ondes sonores lorsqu'elles traversent différents médiums. En tant que tel, ils peuvent être conçus et insérés dans une structure pour amortir ou transmettre le son.

Le problème est, les métamatériaux acoustiques traditionnels ont des géométries complexes. Souvent en métal ou en plastique dur, une fois créés, ils ne peuvent pas être modifiés. Prends pour exemple, un dispositif acoustique construit pour amortir le son émis dans un sous-marin, afin qu'il puisse atteindre la furtivité. Si une condition différente survenait, par exemple un allié avec lequel le sous-marin voulait communiquer passe, le même dispositif acoustique ne permettrait pas la transmission du son à l'extérieur.

Une équipe de chercheurs de l'USC, dirigé par Qiming Wang, professeur adjoint au département de génie civil et environnemental de Sonny Astani, a créé un nouveau matériau intelligent qui s'adapte aux changements de transmission acoustique à la demande. "Avec les métamatériaux acoustiques traditionnels, vous créez une structure et vous obtenez une propriété. Avec ce nouveau matériau intelligent, nous pouvons obtenir plusieurs propriétés avec une seule structure, " a déclaré Wang. En étudiant ce nouveau matériau, Wang et son équipe ont découvert que leur matériau intelligent avait la capacité de recréer des propriétés intrinsèques aux appareils électroniques tels que les commutateurs, montrant ainsi la promesse d'une transmission intelligente du son – un « ordinateur » sonore.

Wang et son équipe, y compris USC Viterbi Ph.D. candidats Kyung Hoon Lee, Kunhao Yu, An Xin et Zhangzhengrong Feng, et chercheur postdoctoral Hasan Al Baba'a, ont détaillé leurs découvertes dans leur article "Sharkskin-Inspired Magnetoactive Reconfigurable Acoustic Metamaterials, " récemment publié dans Recherche . Inspiré par les doubles propriétés créées par les denticules dermiques à la surface de la peau d'un requin, l'équipe a créé un nouveau métamatériau acoustique qui contient des nanoparticules magnétosensibles qui se plieront sous la force de stimuli magnétiques. Cette force magnétique peut changer la structure à distance et à la demande, prenant en charge différentes conditions de transmission.

Modulation de plusieurs propriétés acoustiques dans un seul appareil

Le métamatériau acoustique créé par les chercheurs est composé de caoutchouc et d'un mélange de nanoparticules de fer. Le caoutchouc offre de la flexibilité, permettant aux matériaux de se plier et de fléchir de manière réversible et répétée, tandis que le fer rend le matériau sensible au champ magnétique.

Pour rendre les structures sensibles aux entrées acoustiques, Wang et son équipe ont dû assembler les matériaux de telle sorte que la résonance entre eux - la résonance de Mie - permette des changements dans la transmission acoustique - soit en bloquant soit en conduisant une entrée acoustique. Si les piliers sont plus rapprochés, l'onde acoustique sera effectivement piégée et empêchée de se propager jusqu'à l'autre côté de la structure. Inversement, si les piliers sont plus éloignés, l'onde acoustique passera facilement à travers. "Nous utilisons le champ magnétique externe pour plier le pilier et déplier le pilier pour obtenir ce type de commutation d'état, " a déclaré l'auteur principal Lee. Le résultat est un changement d'une position qui bloque la transmission acoustique à une position qui conduit efficacement les ondes acoustiques. Contrairement aux métamatériaux acoustiques traditionnels, aucun contact direct ou pression n'est nécessaire pour modifier l'architecture des matériaux.

Un "Ordinateur" sonore

Wang et son équipe ont pu démontrer comment leur matériel intelligent pouvait imiter trois appareils électroniques clés :un interrupteur, une porte logique, et une diode. L'interaction des matériaux magnétosensibles avec le champ magnétique manipule la transmission acoustique de manière à créer des fonctions comme un circuit électrique.

Pour mieux comprendre cela, Regardons comment chacun de ces trois appareils électroniques fonctionne.

Un interrupteur permet d'allumer et d'éteindre un canal, par exemple, dans les casques antibruit. Dans cet exemple, en utilisant une structure construite du métamatériau acoustique intelligent, vous pouvez régler le champ magnétique de manière à ce que les piliers du résonateur Mie se plient et permettent le passage du bruit extérieur. Dans un autre cas, vous pouvez désactiver le champ magnétique et les piliers resteront verticaux, bloquer le passage du bruit extérieur, a dit Wang.

Une porte logique s'appuie sur cette idée, en déclenchant une prise de décision basée sur des stimuli entrant dans différents canaux d'entrée. Dans le cas d'un sous-marin, peut-être voulez-vous que l'appareil acoustique module plusieurs conditions, au lieu d'un singulier :attaque lorsqu'il reçoit un signal faible et un signal fort, mais fuyez quand il reçoit deux signaux forts. Afin de permettre à plusieurs scénarios de faire partie de la prise de décision, vous auriez traditionnellement besoin de plusieurs appareils, chacun conçu pour un scénario différent. Un opérateur de porte ET décrit un dispositif acoustique qui déclencherait une certaine réponse uniquement lorsque les canaux d'entrée sont tous les deux puissants. Un opérateur de porte OU décrit un dispositif acoustique qui déclencherait une certaine décision lorsque l'un des deux signaux est fort. Avec les métamatériaux acoustiques traditionnels, vous ne pouvez créer qu'un seul opérateur et donc répondre à une seule condition. Avec le nouveau métamatériau acoustique intelligent développé par les chercheurs, Wang dit que vous pouvez passer d'une porte ET à un opérateur de porte OU à la demande. Dans le cas du sous-marin, cela signifie utiliser le champ magnétique, vous pouvez modifier les conditions pour lesquelles une commande d'attaque est déclenchée sans construire un nouveau dispositif acoustique.

Finalement, il y a une diode. Une diode est un dispositif dans lequel l'intensité acoustique est élevée dans un sens et faible dans l'autre, ainsi, il offre un transport unidirectionnel de l'onde acoustique. Les métamatériaux acoustiques traditionnels vous permettront de le faire, mais, vous ne pouvez pas changer d'état. En utilisant le nouveau métamatériau acoustique intelligent, vous pouvez passer d'un état de diode à un état de conducteur, qui permet la transmission dans les deux sens, au lieu d'une seule direction. Cela entre en jeu dans l'exemple du camouflage sonique dans le sous-marin, où parfois vous voudrez que le dispositif acoustique permette au son de voyager dans une seule direction et d'autres fois, vous voulez qu'il soit transmissible dans les deux sens.

"Un tel changement n'a jamais été réalisé par les métamatériaux acoustiques traditionnels, " a dit Wang.

Prochaines étapes

À l'heure actuelle, Wang et son équipe ont testé leur matériel dans l'air. Prochain, ils espèrent tester les mêmes propriétés sous l'eau, pour voir s'ils peuvent atteindre les mêmes caractéristiques à une plage d'ultrasons.

"Le caoutchouc est hydrophobe, donc la structure ne changera pas, mais nous devons tester si les matériaux auront toujours une accordabilité sous un champ magnétique externe, " Wang a dit, noter que l'eau aura plus de résistance et ajoutera ainsi plus de friction à la situation.