La réverbération du son contrôlée électroniquement

La qualité acoustique des théâtres ou des salles de concert  est directement liée aux réflexions directes et indirectes des ondes sonores sur les parois. Ces réflexions constituent ce que l’on appelle la réverbération du lieu considéré. Les architectes et les acousticiens cherchent à la maîtriser pour  obtenir une bonne réception du son en tout point. Des chercheurs de l’Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong, Chine et de l’institut Langevin, CNRS, ESPCI, Université PSL, Paris ont mis au point une technique de contrôle ajustable de la réverbération du son dans une pièce.  A l’instar des modulateurs spatiaux de lumière qui modifient les ondes lumineuses, ils ont conçu et réalisé un modulateur  spatial de son (MSS).

Le MSS consiste en un panneau muni de cellules unités ayant deux états électroniquement programmables.

Il a des dimensions latérales de l’ordre de plusieurs longueurs d’onde mais ne couvre qu’une faible fraction de la surface totale de la pièce où il est disposé, il peut déformer radicalement le champ sonore qui y règne sans que la source sonore ni la forme de la pièce ne soient modifiées.

 

La cavité acoustique que constitue toute pièce

Le laboratoire où sont conduites les expériences constitue une cavité acoustique de forme approximativement cubique. La Fig.1 ci-dessous montre son plan.

Fig.1. Plan du laboratoire avec la place du panneau MSS Divers meubles et équipements introduisent de multiples réflexions qui brouillent les ondes. L’emplacement du MSS est indiqué en rouge. Reproduit de Shaping reverberating sound fields with an actively tunable metasurface Guancong Maa, Xiying Fanb, Ping Shenga , and Mathias Fink pnas.1801175115. C.C.A.4.0

Fig.1. Plan du laboratoire avec la place du panneau MSS
Divers meubles et équipements introduisent de multiples réflexions qui brouillent les ondes. L’emplacement du MSS est indiqué en rouge.
Reproduit de Shaping reverberating sound fields with an actively
tunable metasurface
Guancong Maa, Xiying Fanb, Ping Shenga , and Mathias Fink
pnas.1801175115. C.C.A.4.0

 

La figure 2  est une simulation des répartitions spatiales du son dans une cavité cubique ayant une taille et une forme analogue à celle du laboratoire. Ces ondes  stationnaires constituent ce que l’on appelle les modes propres de la cavité.

Fig.2. Modes propres d’une cavité de taille et forme semblables à celles du laboratoire. Ces images représentent les pressions sonores en tout point d’un plan de la cavité pour différentes fréquences du son émis. Ces ondes stationnaires constituent ce que l’on appelle les modes propres de la cavité. Reproduit de Shaping reverberating sound fields with an actively tunable metasurface. Guancong Maa, Xiying Fanb, Ping Shenga , and Mathias Fink pnas.1801175115. C.C.A.4.0

Fig.2. Modes propres d’une cavité de taille et forme semblables à celles du laboratoire.
Ces images représentent les pressions sonores en tout point d’un plan de la cavité pour différentes fréquences du son émis. Ces ondes stationnaires constituent ce que l’on appelle les modes propres de la cavité.  λ600Hz ~ 50 cm
Reproduit de Shaping reverberating sound fields with an actively tunable metasurface.
Guancong Maa, Xiying Fanb, Ping Shenga , and Mathias Fink
pnas.1801175115. C.C.A.4.0

λ

λ

λ

Pour pouvoir modifier l’onde sonore, les chercheurs ont choisi de jouer sur la phase de l’onde transmise à travers chaque cellule unité du MSS.

 

Le modulateur spatial de son (MSS)

Le MSS se présente comme un panneau de 360 cellules unités commandées par des microprocesseurs reliés à un ordinateur.

Fig.3. Photos montrant le MSS formé de 360 unités de résonateurs à membrane.
Les unités sont groupées par 4 pour former 1 pixel, chacun d’eux étant contrôlé électroniquement.
Reproduit de Shaping reverberating sound fields with an actively tunable metasurface.
Guancong Maa, Xiying Fanb, Ping Shenga , and Mathias Fink
pnas.1801175115. C.C.A.4.0

 

Pour modifier les ondes sonores stationnaires, les chercheurs ont choisi de de réaliser un modulateur de phase comprenant une matrice de pixels, chacun d’eux étant capable de changer la phase des ondes transmise  d’un facteur donné. Un tel appareil existait en optique mais non en acoustique. Le MSS est réalisé à partir de résonateurs à membrane dont on voit le schéma sur la Fig.4 suivante.

Fig.4 Schéma de chaque cellule unité du MSS A)La membrane, au centre de laquelle est fixé un aimant, peut être électriquement placée deux états, l’un, dénommé état-OFF, où elle a une seule limite circulaire fixe, l’autre, dénommé état-ON, où elle a deux limites circulaires fixes concentriques. B) Simulations des profils de vibration des deux états. Reproduit de Shaping reverberating sound fields with an actively tunable metasurface. Guancong Maa, Xiying Fanb, Ping Shenga , and Mathias Fink pnas.1801175115. C.C.A.4.0

Fig.4 Schéma de chaque cellule unité du MSS
A) La membrane, au centre de laquelle est fixé un aimant, peut être électriquement placée dans deux états, l’un, dénommé état-OFF, où elle a une seule limite circulaire fixe, l’autre, dénommé état-ON, où elle a deux limites circulaires fixes concentriques.
B) Simulations des profils de vibration des deux états.
 Reproduit de Shaping reverberating sound fields with an actively tunable metasurface.
Guancong Maa, Xiying Fanb, Ping Shenga , and Mathias Fink
pnas.1801175115. C.C.A.4.0.

Chaque résonateur a une membrane élastique circulaire (27 mm de diamètre)  tendue sur un support plastique. En son centre est fixé un petit aimant. En appliquant un courant continu à un électro aimant (Fig. 4A) fixe, on peut repousser la membrane qui n’a plus qu’une limite circulaire, c’est l’état OFF; en appliquant un courant  de signe opposé, la membrane est plaquée contre un deuxième cercle qui limite la membrane à un anneau, c’est l’état ON.

La fréquence de  résonance de la membrane dans l’état OFF est proche de 450 Hz, dans l’état ON de 850 Hz. Dans le domaine de fréquences 600-680 Hz, on observe que les ondes transmises présentent une différence de phase  d’environ 150°selon qu’elles sont passées par un pixel d’un état OFF ou d’un état ON.
Les scientifiques ont installé 360 résonateurs selon une matrice à deux dimensions (Fig.3). Le panneau mesure 2,3 m2, ce qui représente moins de 1% de la surface totale de l’enceinte du laboratoire. Il constitue une métasurface qui a une caractéristique particulière, elle est active et on peut modifier l’état de chaque pixel à volonté.

On appelle métasurface une surface formée d’éléments diffractants disposés périodiquement et dont les dimensions et la période spatiale sont petites devant la longueur d’onde de travail.

La capacité du MSS de contrôler la réverbération du son est démontrée par la création de zones de silence à des points particuliers  du laboratoire. Pour obtenir cela,le MSS doit minimiser l’intensité du son en un point pour une fréquence donnée. Un microphone est placé en ce point, il mesure l’intensité du son qui  fournit un signal de contre réaction utilisé pour guider l’optimisation du MSS.  On met  chaque pixel du MSS dans l’état qui minimise la pression sonre au point choisi. De la même façon, on peut programmer le MSS  à l’opposé et générer une zone de son maximum.

 

La vidéo suivante présente une telle expérience.

Tiré de Shaping reverberating sound fields with an actively tunable metasurface.

Guancong Maa, Xiying Fanb, Ping Shenga , and Mathias Fink

pnas.1801175115.Supporting Information C.C.A.4.0

 

Les chercheurs ont réalisé avec succès un modulateur spatial de son qui contrôle la réverbération du son. Les possibilités du MSS dépassent les méthodes habituelles. La réverbération a toujours été regardée comme une propriété intrinsèque d’un espace clos donné dont la complexité rend son contrôle extrêmement difficile. Sa modification nécessite un remaniement important de la pièce. L’obtention de zones de silence a déjà un intérêt pour la réduction des bruits et est fort recherchée par les acousticiens. Une zone de son maximum peut aussi servir à augmenter la qualité du son, ce qui peut être intéressant pour l’interprétation musicale ou la communication orale. En outre, la redistribution de l’énergie acoustique par le MSS peut affecter les propriétés acoustiques globales de la pièce. En effet, si en un point où existe une absorption statique élevée, on rend maximum l’intensité du son, cela peut entraîner une réduction du niveau du son dans toute la pièce.

Ces expériences ont été faites dans une bande étroite de fréquence autour de 636 Hz (longueur d’onde ~ 54 cm). Le MSS peut fonctionner dans un régime à large bande de fréquence (400 à 850 Hz) et on pourrait, pour augmenter encore celle-ci, facilement combiner dans chaque pixel des résonateurs à membrane ayant des fréquences de résonance différentes.

Le modulateur spatial de son ouvre peut-être la voie à une nouvelle ère pour l’acoustique des salles de concert à venir dont on pourrait facilement modifier l’acoustique selon le type de spectacle musical présenté.

 

 

 

 

Pour en savoir plus :

Shaping reverberating sound fields with an actively tunable metasurface.

Guancong Maa, Xiying Fanb, Ping Shenga, and Mathias Fink

pnas.1801175115. C.C.A.4.0