Un métamatériau qui redirige parfaitement le son

Des chercheurs de la Duke University aux Etats-Unis ont fabriqué un métamatériel capable de rediriger et réfléchir des ondes sonores de manière presque parfaite, en préservant donc leur amplitude et leur phase et dans une direction déterminée.

Un certain nombre d’approches théoriques ont essayé d’imaginer un système capable à la fois de réfléchir un son dans la direction désirée et d’en préserver les caractéristiques. Mais personne n’avait jamais construit et expérimenté un tel système. C’est maintenant chose faite et c’est relaté dans un article Nature Communications.

C’est la forme qui importe

Le métamatériau conçu par ces chercheurs est fabriqué par une impression 3D de plastique, mais peu importe le matériau de construction, c’est la forme qui importe, c’est elle qui change la manière dont les ondes sonores sont transmises et réfléchies.

La structure de base est une série de rangées de colonnes creuses d’environ 13mm de large et qui sont coupées par une étroite fente verticale (voir photo). Au total, la longueur du système construit est d’un mètre pour 40 mm de hauteur, mais ces proportions peuvent être changées.

Les ondes sonores vont être contrôlées en fonction de l’espacement entre chaque rangée de colonne et la taille des cavités internes à chaque colonne. Certaines colonnes sont très ouvertes, d’autres presque pleines. Cela recrée quelque chose approchant le système des bouteilles plus ou moins pleines de liquide qui, lorsque qu’on les frappe, émettent des sons différents.

Eviter les dispersions

Le défi c’est d’assurer à la fois la réflexion et la transmission complète du signal de l’onde sonore. En effet, généralement, les dispositifs existants quand ils arrivent à transmettre le signal en le modulant ou non, le font généralement sans contrôle de sa direction de réflexion, avec beaucoup de dispersion. Dans le système imaginé par ces chercheurs, les colonnes résonnent à la fréquence prévue mais interagissent aussi avec leur voisines, il a donc fallu mettre au point un programme d’optimisation qui prennent en compte ces interactions.

Après de nombreux calculs et essais, l’équipe a réussi à créer une conformation qui permet de rediriger une onde qui arrive face au matériau vers une direction formant un angle de 60° et ce avec une efficacité de 96 %. Ceci a été testé sur une onde de 3000Hz, mais le métamatériau peut être mis à l’échelle pour contrôler à peu près n’importe quelle longueur d’ondes. Selon l’angle de sortie de l’onde sonore, l’efficacité de retransmission du signal est plus ou moins forte.

L’application prévue par les chercheurs pour cette découverte est de manipuler des ondes dans l’eau pour une utilisation comme sonar.

Sophie Hoguin