Un système nouveau pour détecter dans l’air les sons émis dans l’eau

 

Les ondes sonores sont presque entièrement réfléchies à l’interface eau-air. Il est donc quasi impossible de détecter  dans l’air des sons d’origine sous-marine ou dans l’eau des sons émis dans l’air. Ce n’est que 0,1 % de l’énergie acoustique émise dans l’eau qui est transmise dans l’air à l’interface. Cela s’explique par l’énorme différence des impédances acoustiques des 2 milieux.

L’impédance acoustique d’un milieu caractérise la résistance du milieu à la propagation de cette onde. Celle de l’eau est environ 3600 fois plus élevée que celle de l’air.

Ce problème est analogue à celui de la transmission de la lumière à une interface verre-air dans les objectifs photos. On le résout dans ce cas par un traitement anti-reflets : on applique sur l’interface des couches savamment calculées de matériaux d’indices divers et d’épaisseurs de l’ordre des longueurs d’onde de la lumière, obtenant ainsi une réflexion quasi-nulle, donc une transmission presque totale. Un tel procédé est irréalisable pour le son : les longueurs d’onde du son sont trop élevées (de l’ordre du mètre à une fréquence de 200 Hz) et les matériaux nécessaires peu courants.

Des physiciens Sud-Coréens (Yonsei University, Seoul, Corée du Sud) et Japonais (Hokkaido University, Sapporo, Japon)  ont conçu et réalisé une structure matérielle nouvelle très simple et peu encombrante qui, placée à la surface de l’eau, permet aux ondes sonores de passer facilement de l’eau à l’air et inversement.

Pour cela, ils ont imaginé de réaliser ce que les physiciens appellent des méta-surfaces d’épaisseur bien inférieures aux longueurs d’onde du son qu’on pourrait ainsi placer à l’interface eau-air.

Le préfixe méta exprime le changement, la nouveauté. Ainsi on appelle méta-matériaux des structures de divers composants qui présentent une propriété qu’aucun de ceux-ci ne peut permettre d’obtenir seul.

Ces surfaces  sont composées de méta-éléments, appelés un peu abusivement méta-atomes par les  chercheurs, qui permettent  une transmission presque complète  du son de l’eau dans l’air.

Une membrane lestée par une masse a des qualités d’absorption du son. Les chercheurs s’en sont inspirés et ont adjoint à une membrane centrale lestée d’une masse  quatre membranes périphériques et une cavité cylindrique. L’ensemble  constitue le méta-élément.

La figure ci-dessous représente la structure de l’un de ces méta-éléments et schématise son  fonctionnement dans un dispositif de test.

Fig.1 Structure du méta-atome et schéma d’utilisation a)Le méta-atome est composé d’un élément massique et d’une cavité cylindrique. La masse centrale de 60 mg a un diamètre de 7 mm et le diamètre hors-tout de l’ensemble mesure 30 mm. b) Méta-atome installé dans un tube guide d’onde sonore. L’onde acoustique est incidente de l’eau vers l’air.Ce dispositif permet de tester le fonctionnement du méta-atome. Figure reproduite avec autorisation à partir de Metasurface for Water-to-Air Sound Transmission Eun Bok, Jong Jin Park, Haejin Choi, Chung Kyu Han, Oliver B. Wright, and Sam H. Lee, PHYSICAL REVIEW LETTERS 120, 044302 (2018) . Copyright (2018) by the American Physical Society.

Fig.1 Structure du méta-élément et schéma d’utilisation
a) Le méta-atome est composé d’un élément massique et d’une cavité cylindrique. La masse centrale de 60 mg a un diamètre de 7 mm et le diamètre hors-tout de l’ensemble mesure 30 mm.
b) Méta-atome installé dans un tube guide d’onde sonore. L’onde acoustique est incidente de l’eau vers l’air. Ce dispositif permet de tester le fonctionnement du méta-atome.
Figure reproduite avec autorisation à partir de   Metasurface for Water-to-Air Sound Transmission
Eun Bok, Jong Jin Park, Haejin Choi, Chung Kyu Han, Oliver B. Wright, and Sam H. Lee, PHYSICAL REVIEW LETTERS 120, 044302 (2018) .  Copyright (2018) by the American Physical Society.

 

Ce procédé a été testé théoriquement, par simulation et expérimentalement dans un tube guidant l’onde sonore

La Fig.2 est une photo du montage utilisé pour démontrer expérimentalement la réussite du procédé

Fig.2. Photographie du montage expérimental de mesure de la transmission du son par le méta-atome dans un guide d’onde sonore cylindrique. L’onde sonore est émise par le vibreur de l’eau vers l’air. La terminaison anéchoïque absorbe toute l’onde sonore évitant tout réflexion. Les hydrophones mesurent l’intensité de l’onde se propageant dans l’eau, le microphone celle de l’onde transmise dans l’air Figure reproduite avec autorisation à partir de Supplementary Material Metasurface for Water-to-Air Sound Transmission Eun Bok, Jong Jin Park, Haejin Choi, Chung Kyu Han, Oliver B. Wright, and Sam H. Lee, PHYSICAL REVIEW LETTERS 120, 044302 (2018) . Copyright (2018) by the American Physical Society.

Fig.2. Photographie du montage expérimental de mesure de la transmission du son par le méta-atome dans un guide d’onde sonore cylindrique.
L’onde sonore est émise par le vibreur de l’eau vers l’air. La terminaison anéchoïque absorbe toute l’onde sonore, évitant tout réflexion.
Les hydrophones mesurent l’intensité de l’onde se propageant dans l’eau, le microphone celle de l’onde transmise dans l’air
Figure reproduite avec l’aimable autorisation du professeur Sam H. Lee à partir de Supplementary Material Metasurface for Water-to-Air Sound Transmission
Eun Bok, Jong Jin Park, Haejin Choi, Chung Kyu Han, Oliver B. Wright, and Sam H. Lee, PHYSICAL REVIEW LETTERS 120, 044302 (2018) . Copyright (2018) by the American Physical Society.

 

La puissance de l’onde sonore (de fréquence 705 Hz) transmise de l’eau dans l’air par le méta-atome est égale à 30% de la puissance émise dans l’eau. . Ceci est énorme par rapport au 0,1% transmis par l’interface eau-air seule. Si on utilise dans l’air un microphone d’une sensibilité classique de 50 mV/Pa (1 Pa ≈ 1/100 000 de la pression atmosphérique normale) avec un méta-atome à l’interface eau,-air,  on obtient un détecteur de son dans l’eau d’une sensibilité de 0,456 mV/Pa, environ dix fois plus grande que celle des meilleurs hydrophones. Et ceci avec un méta-élément d’une épaisseur de 4,8 mm seulement, 100 fois plus petite que la longueur d’onde sonore.On peut très bien concevoir une cavité remplie d’air contenant un microphone et communiquant avec l’eau où on la plonge par un méta-atome : on obtient un montage détecteur de l’onde sonore ou ultrasonore émise dans l’eau environ 1000 fois plus sensible que les hydrophones les plus performants.

 

Les chercheurs suggèrent de faire des réseaux à deux dimensions de méta-atomes, constituant des méta-surfaces. De telles surfaces seraient accordables, par exemple, en jouant sur la tension des membranes ou les épaisseurs des cavités associées. Cela serait d’un grand intérêt pour des applications pratiques comme la réception dans l’air d’ondes  sonores ou ultrasonores émises dans l’eau ou, réciproquement, de la réception dans l’eau de telles ondes provenant de sources aériennes.  Ce procédé pourrait aussi conduire à augmenter la sensibilité de l’échographie médicale par ultrasons.

 

 

 

Pour en savoir plus :

Meta-surface for Water-to-Air Sound Transmission

Eun Bok, Jong Jin Park, Haejin Choi, Chung Kyu Han, Oliver B. Wright, and Sam H. Lee,  PHYSICAL REVIEW LETTERS 120, 044302 (2018)

 

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