L’étrange parcours des ondes dans les milieux hétérogènes et résonants
De la même manière que le brouillard transforme la lumière des phares en un halo diffus, certains milieux hétérogènes et résonants compliquent l’observation des ondes. Des chercheurs du laboratoire I2M et de l’université du Manitoba (Canada) sont cependant parvenus à montrer que, dans ces cas particuliers, l’énergie des ondes multiplement diffusées se transportait bien moins vite que les ondes balistiques. Ces travaux, qui touchent aussi bien à l’acoustique qu’à l’optique, sont publiés dans la revue Physical Review Letters.
Les ondes se propagent en ligne droite dans les milieux homogènes de manière balistique. Dans un environnement fortement hétérogène, elles subissent par contre de multiples diffusions qui les dispersent dans toutes les directions de l’espace. Si les particules en suspension dans le milieu sont d’une taille proche de la longueur d’onde des ondes balistiques, les particules entrent en résonance et cela accentue encore plus le phénomène de diffusion. Les ondes sont alors tellement diffusées qu’elles s’éteignent très rapidement au cours de leur propagation et leur énergie est diffusée dans toutes les directions de l’espace : la composante balistique devient presque invisible et l’on ne perçoit plus qu’un halo. C’est ce que l’on observe quand on allume les phares d’une voiture lors d’un épais brouillard.
Des chercheurs de l’Institut de mécanique et d’ingénierie de Bordeaux (I2M, CNRS/Université de Bordeaux/Arts et Métiers Paristech/Bordeaux INP) et du département de physique et d’astronomie de l’université du Manitoba au Canada ont exploré le phénomène, afin de mieux comprendre le transport des ondes dans ces milieux diffusants et résonants. Ils ont pour cela observé des ultrasons dans des émulsions résonantes. Ces gels aqueux contiennent des gouttelettes d’huile d’une taille extrêmement proche de la longueur d’onde des ultrasons. Les chercheurs ont alors constaté que le transport de l’énergie des ondes multiplement diffusées était nettement plus lent que la propagation des ondes qui traversent ce milieu complexe en ligne droite. Observée ici pour la toute première fois, cette grande différence de vitesse a été parfaitement corroborée par des calculs théoriques. Si ces travaux restent assez fondamentaux, ils pourraient permettre de mieux mesurer les vitesses des ondes dans les milieux hétérogènes et visualiser de manière directe ces effets assez spectaculaires de diffusions multiples.
© I2M
L’utilisation de détecteurs sensibles à la phase de l’onde autorise la mesure précise des vitesses de transport des ondes dans les milieux fortement diffusants. L’image montre l’amplitude du champ de pression acoustique mesuré dans une émulsion résonante (visible en filigrane sur la figure).
Références :
Impact of Strong Scattering Resonances on Ballistic and Diffusive Wave Transport
B. Tallon, T. Brunet, and J. H. Page
Physical Review Letters. 119, 164301 – Published 19 October 2017
DOI : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.164301