Dans une étude pilote, des chercheurs de la North Carolina State University et du Haverford College ont utilisé des vibrations acoustiques naturelles (ou ondes sonores) pour surveiller l'état des matériaux granulaires. Cette approche passive représente un moyen de sonder des matériaux désordonnés ou granulaires sans les perturber, et peut permettre aux chercheurs de prévoir la défaillance de ces matériaux.

Matériaux granulaires, comme le sol sous nos pieds, peut échouer à cause d'événements spontanés comme les tremblements de terre. Mais il est difficile de sonder ou de mesurer ces matériaux afin de prédire une défaillance. Ted Brzinski, physicien du Haverford College et ancien chercheur postdoctoral de l'État de Caroline du Nord, et Karen Daniels, physicienne de l'État de la Caroline du Nord, ont décidé d'examiner les ondes sonores émanant du matériau pour caractériser les différents modes vibrationnels du matériau.

Les modes vibrationnels sont les façons dont quelque chose peut osciller, ou déménager en interne. Une petite molécule ne peut osciller que de plusieurs manières, par exemple, mais les objets plus gros auront plus de modes, qui sont affectés à la fois par les emplacements et les masses des composants. Dans un système désordonné ou amorphe de matériaux granulaires, comme de la terre ou du gravier, le nombre de modes devient rapidement trop grand pour être prédit ou mesuré directement.

Cependant, chaque mode a une fréquence acoustique particulière qui lui est associée. L'approche de Brzinski et Daniels mesure les fréquences des modes vibrationnels actifs dans le matériau, en leur donnant un instantané acoustique de la « santé » globale du matériau.

Pour tester leur technique, ils ont créé un système granulaire composé de 8, 000 billes polymères circulaires et elliptiques. Ils ont enregistré les émissions acoustiques de plus de 1, 100 événements de stick-slip - ce qui se produit lorsque des plaques tectoniques glissent les unes sur les autres lors d'un tremblement de terre - et ont classé les fréquences présentes dans les signaux acoustiques associés à une défaillance imminente.

"Les basses fréquences sont associées aux modes 'floppy', ce qui signifie qu'il y a beaucoup plus de mouvement, tandis que des fréquences plus élevées sont associées à des modes rigides ou rigides, " dit Brzinski. " Ce que les gens ont vu dans les systèmes modèles, c'est que comme vous avez plus de modes de disquette que prévu, plus vous êtes proche de la perte de rigidité. Le glissement se produit lorsque la rigidité est perdue. Nos tests ont confirmé ces résultats de système de modèle :des échecs se sont produits lorsqu'il y avait plus de modes basse fréquence que prévu. »

« Mais il ne s'agit pas seulement d'écouter pour voir quelles fréquences sonores sont présentes ; nous devons regarder la proportion de modes, " dit Daniels. " Nous savons que les matériaux proches de la rupture ont beaucoup de modes basse fréquence. Notre méthode compte le nombre de certains types de modes afin de prédire la défaillance. La beauté de la technique est que vous pouvez surveiller le système sans aucune interférence, juste en écoutant. La méthode est assez simple, et cela peut nous permettre de prévoir le comportement de matériaux désordonnés. »

La recherche apparaît dans Lettres d'examen physique .