Vers des diodes et des transistors acoustiques opérationnels
Des chercheurs du LAUM ont réalisé un dispositif innovant qui laisse passer une onde acoustique dans un sens tout en bloquant sa propagation dans le sens inverse. Les performances inédites de cette diode acoustique permettent d'envisager à terme des applications pratiques. Les résultats sont publiés dans la revue Nature Communications.
Depuis quelques années des laboratoires s'efforcent de réaliser des diodes acoustiques, c'est-à-dire des dispositifs qui laissent passer le son dans un sens, et bloquent complètement sa propagation dans le sens opposé. L'objectif est d'obtenir, pour les ondes acoustiques, l'équivalent des diodes électriques, qui sont des composants de base des circuits électroniques, notamment des transistors. Une diode acoustique efficace permettrait de réaliser des traitements du signal sonore, avec des applications potentielles en imagerie médicale, en isolation phonique, en récupération d'énergie vibratoire, ou encore dans la réalisation de systèmes furtifs. Une équipe du Laboratoire d'acoustique de l'université du Mans (LAUM, CNRS/Le Mans Université) a réalisé et testé une diode acoustique qui transmet parfaitement l'énergie dans un sens tout en bloquant efficacement le signal dans le sens inverse. De plus, contrairement aux dispositifs proposés jusqu'ici, la nouvelle diode fonctionne sur une large bande de fréquences ultrasonores, et ne distord pas le signal transmis.
Pour briser la symétrie de la transmission du signal acoustique, les chercheurs du LAUM ont créé un milieu constitué d'un empilement vertical de quatre couches : aluminium/eau/air/aluminium (voir le schéma). Quand une onde acoustique est envoyée dans le sens direct, le phénomène de pression de radiation acoustique déforme l'interface eau-air : il se forme une bosse d'eau, et finalement un pont liquide qui vient toucher la couche supérieure d'aluminium. L'onde est alors parfaitement transmise. Dans l'autre sens, en revanche, l'onde rencontre les interfaces aluminium-air, puis air-eau : plus de 99,9% de l'énergie émise est réfléchie ou absorbée.
Les performances mesurées sur un prototype montrent pour la première fois que des applications pratiques d'une diode acoustique seraient envisageables. Les chercheurs du LAUM ont même réalisé en acoustique l'équivalent d'un transistor électrique : le passage de l'onde est contrôlé par une autre onde acoustique indépendante. Mais plusieurs verrous doivent encore être levés. Le système doit d'abord s'affranchir de sa sensibilité à la gravité. Dans ce but, la couche d'eau pourrait être remplacée par un métamatériau élastique non linéaire ayant le même type de comportement. Les chercheurs veulent également abaisser le seuil d'amplitude de déclenchement de la diode, afin de rendre le dispositif opérationnel pour des niveaux de signaux acoustiques usuels.
Schéma du dispositif créé par l’équipe du LAUM constitué d'un empilement vertical de quatre couches : aluminium/eau/air/aluminium.
Références :
Acoustic radiation pressure for nonreciprocal transmission and switch effects,
Thibaut Devaux, Alejandro Cebrecos, Olivier Richoux, Vincent Pagneux & Vincent Tournat
Nature Communications volume 10, 2019
https://www.nature.com/articles/s41467-019-11305-7