Une avancée révolutionnaire permet d’orienter les ondes sonores dans une seule direction, offrant des applications qui vont bien au-delà de l’acoustique. Les chercheurs d’ETH Zurich, sous la direction du professeur Nicolas Noiray, ont conçu un dispositif innovant qui promet d’optimiser des domaines tels que la technologie radar.
Dans un contexte où les ondes sonores se propagent généralement dans des directions avant et arrière, cette dynamique peut poser problème, notamment en raison de réflexions indésirables entraînant des interférences ou une efficacité réduite. Des chercheurs ont alors mis au point une méthode permettant aux ondes sonores de ne voyager que dans une seule direction. Cette innovation a des applications potentiellement considérables, au-delà de l’acoustique, comme dans le domaine du radar.
Après des années de recherche, des scientifiques de l’ETH Zurich ont réussi à faire voyager les ondes sonores dans une seule direction. Cette étude, dirigée par le professeur Nicolas Noiray, qui a passé une grande partie de sa carrière à étudier et à prévenir des oscillations thermo-acoustiques auto-entretenues potentiellement dangereuses dans les moteurs d’avion, pensait qu’il existait un moyen d’exploiter des phénomènes similaires pour des applications bénéfiques.
Le groupe de recherche, mené par le professeur Nicolas Noiray du département de génie mécanique et des procédés de l’ETH Zurich, en collaboration avec Romain Fleury de l’EPFL, a découvert comment empêcher les ondes sonores de se propager en arrière sans affaiblir leur propagation vers l’avant, en se basant sur des travaux similaires réalisés il y a une décennie.
Au cœur de cette percée se trouve un dispositif de circulateur qui utilise des oscillations aérodynamiques-acoustiques auto-entretenues. Le circulateur se compose d’une cavité en forme de disque à travers laquelle de l’air tourbillonnant est soufflé d’un côté par une ouverture centrale. Lorsque l’air est soufflé à une vitesse et une intensité de tourbillon spécifiques, il crée un son siffleur dans la cavité.
Contrairement aux sifflets conventionnels qui produisent un son par le biais des ondes stationnaires, cette nouvelle conception génère une onde tournante. Le circulateur comporte trois guides d’ondes acoustiques disposés en motif triangulaire le long de son bord. En théorie, les ondes sonores entrant dans le premier guide peuvent sortir par le deuxième ou le troisième, mais ne peuvent pas inverser leur course à travers le premier.
Un élément crucial est la façon dont le système compense l’atténuation inévitable des ondes sonores. Les auto-oscillations dans le circulateur se synchronisent avec les ondes entrantes, leur permettant de gagner en énergie et de maintenir leur force en avançant. Cette approche de compensation des pertes garantit que les ondes sonores non seulement se déplacent dans une seule direction, mais émergent également plus fortes qu’à leur entrée dans le système.
Pour tester leur conception, les chercheurs ont réalisé des expériences avec des ondes sonores d’une fréquence d’environ 800 Hertz, comparable à une note G haute chantée par une soprano. Ils ont mesuré l’efficacité de la transmission du son entre les guides d’ondes et ont constaté, comme prévu, que les ondes n’atteignaient pas le troisième guide mais sortaient du deuxième guide, plus fortes qu’à leur entrée.
« Contrairement aux sifflets ordinaires, où le son est produit par une onde stationnaire dans la cavité, dans ce nouveau sifflet, il provient d’une onde tournante », a déclaré Tiemo Pedergnana, ancien doctorant dans le groupe de Noiray et principal auteur de l’étude.
Bien que le prototype actuel serve de preuve de concept pour les ondes sonores, l’équipe croit que leur méthode de propagation d’ondes non réciproques compensée pour les pertes pourrait avoir des applications au-delà de l’acoustique, comme dans les métamatériaux pour les ondes électromagnétiques. Cette recherche pourrait aboutir à des avancées dans des domaines tels que la technologie radar, où un meilleur contrôle de la propagation des micro-ondes est essentiel.
De plus, la technique pourrait ouvrir la voie au développement de circuits topologiques, améliorant le routage des signaux dans les systèmes de communication futurs en fournissant un moyen de guider les ondes dans une seule direction sans perte d’énergie. L’équipe de recherche a publié son étude dans Nature Communications.