Cette surface en métamatériau a été conçue pour contrôler parfaitement et simultanément la transmission et la réflexion des ondes sonores entrantes. Crédit :Junfei Li
Des chercheurs en métamatériaux de l'Université Duke ont démontré la conception et la construction d'un matériau mince qui peut contrôler la redirection et la réflexion des ondes sonores avec une efficacité presque parfaite.
Alors que de nombreuses approches théoriques pour concevoir un tel dispositif ont été proposées, ils ont eu du mal à contrôler simultanément la transmission et la réflexion du son exactement de la manière souhaitée, et aucun n'a été démontré expérimentalement.
La nouvelle conception est la première à démontrer complète, contrôle presque parfait des ondes sonores et est fabriqué rapidement et facilement à l'aide d'imprimantes 3D. Les résultats paraissent en ligne le 9 avril dans Communication Nature .
« Contrôler la transmission et la réflexion des ondes sonores de cette manière était un concept théorique qui n'avait pas de chemin vers la mise en œuvre - personne ne savait comment concevoir une structure pratique en utilisant ces idées, " a déclaré Steve Cummer, professeur de génie électrique et informatique à Duke. "Nous avons résolu ces deux problèmes. Non seulement nous avons trouvé un moyen de concevoir un tel appareil, nous pourrions aussi en fabriquer un et le tester. Et voilà, ça marche vraiment."
La nouvelle conception utilise une classe de matériaux appelés métamatériaux, des matériaux artificiels qui manipulent les ondes comme la lumière et le son à travers leur structure plutôt que leur chimie. Par exemple, alors que ce métamatériau particulier est fait de plastique imprimé en 3D, ce ne sont pas les propriétés du plastique qui sont importantes, ce sont les formes des caractéristiques de l'appareil qui lui permettent de manipuler les ondes sonores.
Le métamatériau est constitué d'une série de rangées de quatre colonnes creuses. Chaque colonne mesure près d'un demi-pouce de côté avec une ouverture étroite coupée au milieu d'un côté, le faisant ressembler un peu au port Ethernet le plus profond du monde. Alors que l'appareil présenté dans l'article mesure 1,6 pouces de haut et près de 3,5 pieds de long, sa hauteur et sa largeur n'ont pas d'importance - il pourrait théoriquement s'étendre indéfiniment dans les deux sens.
Les chercheurs contrôlent la façon dont l'appareil manipule le son à travers la largeur des canaux entre chaque rangée de colonnes et la taille de la cavité à l'intérieur de chaque colonne individuelle. Certaines colonnes sont grandes ouvertes tandis que d'autres sont presque fermées.
L'espacement entre les rangées et la quantité de remplissage de chaque colonne individuelle fonctionnent ensemble pour contrôler parfaitement la transmission et la réflexion d'une fréquence de son spécifique lors de son passage. Crédit :Junfei Li
Pour comprendre pourquoi, pensez à quelqu'un qui souffle de l'air sur le dessus d'une bouteille en verre - le pas de la bouteille dépend de la quantité de liquide qui reste à l'intérieur de la bouteille. De la même manière, chaque colonne résonne à une fréquence différente en fonction de la quantité de plastique remplie.
Lorsqu'une onde sonore traverse l'appareil, chaque cavité résonne à sa fréquence prescrite. Cette vibration affecte non seulement la vitesse de l'onde sonore mais interagit avec ses cavités voisines pour apprivoiser à la fois la transmission et la réflexion.
"Les appareils précédents pouvaient façonner et rediriger les ondes sonores en modifiant la vitesse de différentes sections du front d'onde, mais il y avait toujours une dispersion indésirable, " dit Junfei Li, doctorant au laboratoire de Cummer et premier auteur de l'article. "Vous devez contrôler à la fois la phase et l'amplitude de la transmission et de la réflexion de l'onde pour atteindre des rendements parfaits."
Pour compliquer les choses, les colonnes vibrantes interagissent non seulement avec l'onde sonore, mais aussi avec leurs colonnes environnantes. Li avait besoin d'écrire un « programme d'optimisation informatique évolutif, ' pour travailler à travers toutes les permutations de conception.
Les chercheurs fournissent au programme les conditions aux limites nécessaires de chaque côté du matériau pour dicter le comportement des ondes sortantes et réfléchies. Après avoir essayé un ensemble aléatoire de solutions de conception, le programme mélange diverses combinaisons des meilleures solutions, introduit des "mutations aléatoires, " puis exécute à nouveau les nombres. Après de nombreuses itérations, le programme finit par "évoluer" un ensemble de paramètres de conception qui fournissent le résultat souhaité.
Dans le journal, Cummer, Li et ses collègues démontrent qu'un tel ensemble de solutions peut rediriger une onde sonore venant directement du métamatériau vers un angle de sortie net de 60 degrés avec une efficacité de 96 %. Les appareils précédents auraient eu la chance d'atteindre 60 % d'efficacité dans de telles conditions. Bien que cette configuration particulière ait été conçue pour contrôler une onde sonore à 3, 000 Hertz—un ton très aigu qui n'est pas sans rappeler un "bourdonnement dans les oreilles"—les métamatériaux pourraient être mis à l'échelle pour affecter presque toutes les longueurs d'onde du son.
Les chercheurs et leurs collaborateurs envisagent ensuite de transférer ces idées à la manipulation des ondes sonores dans l'eau pour des applications telles que le sonar, bien qu'il n'y ait pas d'idées d'applications dans l'air. Au moins pas encore.
"Quand on parle de vagues, Je me rabats souvent sur l'analogique d'un objectif optique, " a déclaré Cummer. " Si vous essayez de fabriquer des lunettes vraiment minces en utilisant les mêmes approches que ces types d'appareils ont utilisé pour le son, ils pueraient. Cette démonstration permet désormais de manipuler les ondes sonores avec une extrême précision, comme un objectif pour le son qui serait bien meilleur qu'auparavant."
