Une lentille acoustique plate

Un cristal phononique est un matériau de structure périodique constitué d’éléments identiques disposés à intervalles réguliers. Ces derniers ont des propriétés élastiques distinctes, l’ensemble est conçu pour influer sur la propagation d’ondes acoustiques. On y retrouve des propriétés de filtrage, de guidage, de focalisation et de localisation identiques à celles observées pour les ondes électromagnétiques dans les cristaux dits photoniques.

Des chercheurs de l’Université Aix Marseille, de l’Université de Toulouse, de l’Imperial College , Londres, UK., de The University of Queensland, Brisbane, Australie et de Multiwave Technology AG, Genève, Suisse ont réussi à construire un cristal phononique constitué de sphères dures disposées dans l’air selon un réseau cubique qui réfracte le son comme une lentille convergente le fait pour la lumière.

La structure du cristal phononique

La lentille acoustique plate (parce qu’elle ne présente aucune courbure) est construite en utilisant des sphères de 1,38 cm de diamètre en polyactide. Elles sont usinées sur une imprimante 3D. Quatre cent d’entre elles sont ensuite montées  par collage pour former un réseau cubique occupant un volume de 10 cm x 10 cm x 4 cm avec un intervalle entre centres des sphères de 1,5 cm.

Le polyactide est un polymère thermoplastique, produit à partir d’une biomasse renouvelable comme le maïs, la betterave sucrière ou la canne à sucre.

Ce réseau constitue un “métamatériau” qui possède des propriétés par rapport à la propagation du son que l’on ne retrouve pas dans un  matériau naturel.
Ces propriétés sont analogues à celles qu’ont d’autres métamatériaux, les cristaux photoniques utilisés en optique, pour la propagation de la lumière.

Les cristaux phononiques ont des dimensions caractéristiques (proportionnelles  aux longueurs d’ondes, ici λ~ 3cm-) bien supérieures)à celles des cristaux photoniques (λ~ 0,5 µm).

Sur la figure 1 ci-dessous, on voit une photo et un schéma de la lentille acoustique plate réalisée par les chercheurs.

Fig.1 Schéma vu de haut de l'appareillage et photographie dans l'encart Le senseur interférométrique est constitué d'une diode laser du commerce avec photodiode incorporée, optique de focalisation, miroir réflecteur et électronique de contrôle. Ce système interférométrique est sensible à la pression, donc à l'intensité, de l'onde sonore. Les deux platines de translation à fort débattement permettent, en déplaçant l'ensemble source lentille plate de balayer un large domaine sonore devant la lentille. Tiré de Acoustic flat lensing using an indefinite medium M. Dubois, J. Perchoux, A. L. Vanel, C. Tronche, Y. Achaoui, G. Dupont, K. Bertling PHYSICAL REVIEW B 99, 100301(R) (2019) Avec autorisation

Fig.1 Schéma vu de haut de l’appareillage et photographie dans l’encart
Le senseur interférométrique est constitué d’une diode laser du commerce avec photodiode incorporée, optique de focalisation, miroir réflecteur et électronique de contrôle. Ce système interférométrique est sensible à la pression, donc à l’intensité, de l’onde sonore. Les deux platines de translation à fort débattement permettent, en déplaçant l’ensemble source lentille plate de balayer un large domaine sonore devant la lentille.
Tiré de Acoustic flat lensing using an indefinite medium M. Dubois, J. Perchoux, A. L. Vanel, C. Tronche, Y. Achaoui, G. Dupont, K. Bertling PHYSICAL REVIEW B 99, 100301(R) (2019) Avec autorisation

Le réseau cubique  de sphères est excité par un haut parleur. Les ondes sonores ayant traversé la lentille (le cristal phononique) sont détectées par un interféromètre optique à contre réaction à laser. Ce système est sensible à la pression de l’onde sonore. Il a l’avantage  d’être compact et d’une grande simplicité tout en fournissant des images du champ de pression de l’onde sonore de bonne qualité.

La fréquence utilisée est de 10,6 kHz. Le haut parleur est commandé par un générateur de fonctions produisant des trains d’onde espacés de 12 secondes. Il est monté sur un bâti métallique portant aussi le cristal photonique. L’ensemble est déplacé  par pas de 1,5 mm par deux platines de translation qui balayent une surface de 150 mm x 210 mm. Le système interférométrique est fixe.

Pour reconstituer la distribution instantanée de pression, donc de son, chaque mesure est synchronisée avec le générateur de fonction. on peut ainsi obtenir l’enveloppe de l’amplitude de la pression, comme le montre la figure 2 à un instant 1, 1 ms après le départ du train d’onde. On peut y observer la focalisation due à la lentille acoustique plane.

Fig.2. Enveloppe de l'amplitude de la pression. Ces résultats de mesure interférométrique sont captés à 1,1 ms après le départ de chaque train d'ondes acoustiques. La distance haut-parleur-lentille acoustique vaut : a)6,4 cm, b) 4,8 cm, c) 3,2 cm. Une ellipse pointillée entoure le foyer de la lentille acoustique. L'échelle de couleur linéaire est en unité arbitraire d'ampltude sonore. Elle est la même pour les 3 courbes. Tiré de Acoustic flat lensing using an indefinite medium M. Dubois, J. Perchoux, A. L. Vanel, C. Tronche, Y. Achaoui, G. Dupont, K. Bertling PHYSICAL REVIEW B 99, 100301(R) (2019) Avec autorisation

Fig.2. Enveloppe de l’amplitude de la pression.
Ces résultats de mesure interférométrique sont captés
à 1,1 ms après le départ de chaque train d’ondes acoustiques.
La distance haut-parleur-lentille acoustique vaut :
a) 6,4 cm, b) 4,8 cm, c) 3,2 cm.
Une ellipse pointillée entoure le foyer de la lentille acoustique.
L’échelle de couleur linéaire est en unité arbitraire d’amplitude sonore. Elle est la même pour les 3 courbes.
Tiré de Acoustic flat lensing using an indefinite medium M. Dubois, J. Perchoux, A. L. Vanel, C. Tronche, Y. Achaoui, G. Dupont, K. Bertling PHYSICAL REVIEW B 99, 100301(R) (2019) Avec autorisation.

La vidéo suivante montre la dynamique de propagation des ondes acoustiques correspondant à la figure précédente dans l’intervalle de temps allant de 0,624 ms à  2,176 ms.

Tiré de Acoustic flat lensing using an indefinite medium  M. Dubois, J. Perchoux,  A. L. Vanel, C. Tronche,  Y. Achaoui,  G. Dupont,  K. Bertling   PHYSICAL REVIEW B 99, 100301(R) (2019) Sup. Mat. Avec autorisation.

 

Ces résultats indiquent que le cristal photonique joue le rôle d’une lentille convergente.
Ceci ouvre une nouvelle voie pour la conception de métamatériaux acoustiques analogues aux métamatériaux optiques.
En focalisant le son sur un absorbant, par exemple, on peut l’atténuer fortement.

Une application prometteuse pourrait être un système diminuant la perception du bruit des machines à IRM, si pénible pour les patients. En outre, ceux-ci bougeant moins, l’imagerie en serait améliorée. Enfin on pourrait  ainsi éviter d’avoir à anesthésier les jeunes enfants soumis à cet examen.

 

 

 

Pour en savoir plus :
Acoustic flat lensing using an indefinite medium  M. Dubois, J. Perchoux,  A. L. Vanel, C. Tronche,  Y. Achaoui,  G. Dupont,  K. Bertling   PHYSICAL REVIEW B 99, 100301(R) (2019).