Vers des diodes et des transistors acoustiques opérationnels
Publié par Redbran le 04/09/2019 à 14:00
Source: CNRS INSIS

© LAUM
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 genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) le son dans un sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant...), et bloquent complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur de limiter la...) sa propagation dans le sens opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits opposés...). 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 (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des sons et des ondes mécaniques. Elle fait appel aux phénomènes ondulatoires et à la mécanique vibratoire.) efficace permettrait de réaliser des traitements du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les hommes...) sonore, avec des applications potentielles en imagerie médicale (L'imagerie médicale regroupe les moyens d'acquisition et de restitution d'images à partir de différents phénomènes physiques (Résonance magnétique, réflexion...), en isolation phonique, en récupération d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) vibratoire, ou encore dans la réalisation de systèmes furtifs. Une équipe du Laboratoire d'acoustique de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation...) du Mans (LAUM, CNRS/Le Mans Université) a réalisé et testé une diode acoustique qui transmet parfaitement l'énergie dans un sens tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en bloquant efficacement le signal dans le sens inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un...). 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 (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) de quatre couches: aluminium/eau/air/aluminium (voir le schéma). Quand une onde acoustique (Le son est une onde produite par la vibration mécanique d'un support fluide ou solide et propagée grâce à l'élasticité du milieu environnant sous forme d'ondes longitudinales. Par extension physiologique, le son désigne...) est envoyée dans le sens direct, le phénomène de pression de radiation (La pression de radiation est la pression exercée sur une surface exposée à un rayonnement électromagnétique. Cet effet fut déduit théoriquement par James Maxwell en 1871 et fut détecté...) acoustique déforme l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner...) eau-air: il se forme une bosse d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), et finalement un pont (Un pont est une construction qui permet de franchir une dépression ou un obstacle (cours d'eau, voie de communication, vallée, etc.) en passant par-dessus...) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) qui vient toucher (Le toucher, aussi appelé tact ou taction, est l'un des cinq sens de l'homme ou de l'animal, essentiel pour la survie et le développement des êtres...) la couche supérieure d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la...). L'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) est alors parfaitement transmise. Dans l'autre sens, en revanche, l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière....) 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 (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.). 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 (Dans cette simple équation d’onde :) de déclenchement de la diode, afin de rendre le dispositif opérationnel pour des niveaux de signaux acoustiques usuels.


© LAUM.
Schéma du dispositif créé par l'équipe du LAUM constitué d'un empilement vertical de quatre couches: aluminium/eau/air/aluminium.

Références:
Acoustic radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration (par exemple : radioactivité α)....) pressure for nonreciprocal transmission and switch effects,
Thibaut Devaux, Alejandro Cebrecos, Olivier Richoux, Vincent Pagneux & Vincent Tournat.
Nature Communications volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) 10, 2019.
https://www.nature.com/articles/s41467-019-11305-7

Contact chercheur:
Chercheur
Vincent Tournat
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