Ce « métamatériau » contrôle la façon dont le son se réfléchit en contrôlant la vitesse et l'amplitude de l'onde sonore à travers les canaux et les formes construits à l'intérieur. Crédit :Steve Cummer, université de Duke
Des chercheurs de l'Université Duke et de l'Université Aalto (Finlande) ont construit un dispositif "méta-miroir" capable de refléter parfaitement les ondes sonores dans n'importe quelle direction. La démonstration de la preuve de principe est analogue à regarder directement dans un miroir et à ne voir que la personne à côté de vous au lieu de votre propre visage.
La recherche a été publiée en ligne le 15 février dans le journal Avancées scientifiques .
"Quand tu te regardes dans un miroir de tous les jours, la lumière suit la loi de la réflexion :la lumière doit rebondir sur elle sous le même angle qu'elle est entrée, " dit Junfei Li, doctorant en génie électrique et informatique à l'Université Duke. Les mêmes règles s'appliquent généralement au son, mais "nous voulions voir si nous pouvions plutôt envoyer une vague dans une direction différente."
Pour briser la loi de la réflexion avec les ondes sonores, les chercheurs ont dû concevoir un appareil capable de contrôler avec précision l'amplitude (intensité) et la vitesse tout au long de l'onde, ce qui est encore plus difficile qu'il n'y paraît.
« Une façon d'y parvenir est de lancer comme par magie une onde sonore contrôlée avec précision qui « frappe » l'onde sonore entrante comme des balles sur une table de billard, " a déclaré Li. "Mais essayer de faire cela causerait tellement de problèmes que ce n'est pas une idée pratique."
Au lieu de recourir à la magie, Li et ses collègues se sont tournés vers les métamatériaux, des matériaux artificiels qui manipulent les ondes comme la lumière et le son à travers leur structure plutôt que leur chimie. Par exemple, tandis que le métamatériau particulier que les chercheurs ont conçu est en plastique, ce ne sont pas les propriétés du plastique qui sont importantes; ce sont les formes des caractéristiques de l'appareil qui lui permettent de diriger les ondes sonores dans n'importe quelle direction.
Le « méta-miroir » a été soigneusement conçu pour qu'une onde sonore venant directement sur lui se reflète sous un angle différent sans aucune perte de diffusion. Crédit :Steve Cummer, université de Duke
La surface du métamatériau ressemble beaucoup à une vague elle-même, gravé avec une série de canaux de différentes profondeurs. Ces profondeurs sont conçues pour contrôler avec précision la vitesse à laquelle l'onde sonore se reflète sur divers points du méta-miroir. Leur positionnement ondulatoire contrôle l'amplitude de l'onde sonore.
"Parce qu'une onde sonore transporte de l'énergie, il faut lui donner un coup de pied pour le rediriger, " a déclaré Steve Cummer, professeur de génie électrique et informatique à Duke. "Mais pour le faire parfaitement, vous devez soit redistribuer activement l'énergie le long de la surface du méta-miroir, ce qui n'est pas faisable, ou il faut judicieusement choisir une forme où la répartition de l'énergie finit par être la même partout."
Alors qu'une onde sonore frappe le méta-miroir, il se reflète sur ses surfaces courbes et interfère avec lui-même. Entre la forme du méta-miroir et la profondeur de ses canaux, ce motif d'interférence entraîne la réflexion de l'onde sonore dans une direction souhaitée sans qu'aucune de son énergie ne soit absorbée ou diffusée dans une direction indésirable.
Dans la démonstration de preuve de concept, le dispositif de métamatériau prend une onde sonore se déplaçant directement vers lui en 3, 000 Hertz, un ton très aigu qui ressemble à un "bourdonnement dans les oreilles, " et le reflète parfaitement sous un angle de 70 degrés.
Modèles théoriques et résultats expérimentaux d'une onde sonore (fronts rouges et bleus alternés) se reflétant dans une direction étrange sur un « méta-miroir » relativement plat. Crédit :Steve Cummer, université de Duke
Alors que le prototype de dispositif est spécifiquement adapté à une fréquence et à un angle de réflexion, les chercheurs prévoient de rechercher un dispositif dynamique qui pourrait changer de forme pour refléter différentes fréquences dans différentes directions. Ils prévoient également de travailler sur des dispositifs similaires pour des applications acoustiques sous-marines.
Un dispositif similaire pourrait également être créé pour contrôler les ondes lumineuses, bien que ses caractéristiques devraient être conçues à une échelle beaucoup plus petite, car les longueurs d'onde de la lumière sont plus courtes. Un tel appareil serait non seulement capable de réfléchir la lumière dans différentes directions, cependant, il pourrait également diviser une seule onde en deux directions arbitraires.
"Non seulement avons-nous trouvé un moyen de concevoir des métasurfaces très efficaces, nous pouvons également adapter le design pour différentes fonctionnalités, " a déclaré Ana Díaz-Rubio, un chercheur postdoctoral à l'Université Aalto qui a dirigé les travaux sur la théorie sous-jacente du projet. "Ces métasurfaces sont une plate-forme polyvalente pour le contrôle arbitraire de la réflexion."
