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Ondes acoustiques émises par un point source (croix jaune en haut à gauche de chaque carte), à différents instants. À gauche (t= 35,6 ms): début de l'interaction avec la cape d'invisibilité. Au centre (t=71,2 ms): étape intermédiaire. À droite (t=1,424 s): en régime établi, la diffraction due aux obstacles rigides (ronds noirs) est masquée par la cape.
© LMA - IRL Abraham de Moivre
Les métamatériaux, étudiés depuis une quinzaine d'années, sont des matériaux microstructurés qui, en déformant le trajet suivi par une onde, parviennent à rendre un objet invisible. Ces ''capes d'invisibilité'' dissimulent la présence de l'objet qu'elles entourent, qui semble alors invisible pour un observateur extérieur. Il est même possible d'obtenir le même phénomène sur des objets situés non plus à l'intérieur de la cape, mais à proximité. C'est ce qu'ont montré des chercheurs du Laboratoire de mécanique et d'acoustique (LMA, CNRS/Aix-Marseille Université/École Centrale Marseille) et de l'International Research Laboratory Abraham de Moivre (CNRS/Imperial College London), en travaillant sur des ondes acoustiques. Par simulation numérique, l'équipe a mis en évidence l'effet de cape d'invisibilité externe, qu'elle a étudié en dynamique en montrant l'évolution du phénomène au cours du temps.
Le système simulé comprend une source d'ondes acoustiques, qui se propagent dans un milieu dont les paramètres physiques sont ceux d'un élastomère, et un métamatériau constitué d'un coeur et d'une enveloppe (d'un rayon de 2 m et 3,5 m, respectivement) en deux matériaux très différents. Ce métamatériau a des propriétés physiques inhabituelles, puisqu'il se comporte comme si sa densité et sa compressibilité étaient négatives. A sa surface sont disposés des objets d'environ six centimètres de rayon, qui diffractent l'onde envoyée par la source émettrice. Les calculs de simulation montrent qu'au bout d'un certain temps (voir la vidéo) les ondes diffractées par les objets sont très réduites, et que l'onde acoustique se propage derrière eux comme s'ils n'étaient pas présents: les objets sont devenus ''invisibles'' pour un observateur.
Le prochain défi sera de trouver une microstructure dont les paramètres acoustiques permettront la réalisation expérimentale d'une cape d'invisibilité externe. À long terme, ce type d'études sur des ondes mécaniques pourrait trouver des applications dans la protection antisismique des bâtiments.
Évolution en dynamique de l'effet de cape d'invisibilité externe.
© LMA - IRL Abraham de Moivre.
© LMA - IRL Abraham de Moivre.
Notes:
Les équations utilisées correspondent indifféremment à l'acoustique (ondes dans un fluide) ou au mouvement anti-plan 2D d'un solide élastique, qui est le cas traité ici.
Références:
Time-domain investigation of an external cloak for antiplane elastic waves
S. Guenneau1, B. Lombard, and C. Bellis.
Applied Physics Letters. 2021
https://doi.org/10.1063/5.0048910
Contacts:
- Bruno Lombard - Directeur de recherche CNRS au Laboratoire de mécanique et d'acoustique (CNRS/Aix-Marseille Université/École Centrale Marseille) - lombard at lma.cnrs-mrs.fr
- Communication INSIS - insis.communication at cnrs.fr