Researchers make sound waves travel in one direction only, with implications for electromagnetic wave technology
by Oliver Morsch, ETH Zurich
par Oliver Morsch, ETH Zurich
Dans l'expérience de l'ETH, les oscillations automatiques (bleu-rouge) font que les ondes sonores (vertes, orange, violettes) ne se déplacent dans le circulateur que dans une seule direction. Crédit : Xin Zou
Des chercheurs de l'ETH Zurich ont réussi à faire voyager les ondes sonores dans une seule direction. À l'avenir, cette méthode pourrait également être utilisée dans des applications techniques avec des ondes électromagnétiques.
L'eau, la lumière et les ondes sonores se propagent généralement de la même manière vers l'avant que vers l'arrière. Par conséquent, lorsque nous parlons à une personne qui se trouve à une certaine distance de nous, cette personne nous entend aussi bien que nous l'entendons. Cela est utile lors d'une conversation, mais dans certaines applications techniques, on préférerait que les ondes ne puissent se déplacer que dans une seule direction, par exemple pour éviter les réflexions indésirables de la lumière ou des micro-ondes.
Il y a dix ans, des chercheurs ont réussi à supprimer la propagation des ondes sonores vers l'arrière, mais cela a également atténué les ondes se propageant vers l'avant.
Une équipe de chercheurs de l'ETH Zurich dirigée par Nicolas Noiray, professeur de combustion, d'acoustique et de physique des écoulements, en collaboration avec Romain Fleury de l'EPFL, a développé une méthode permettant d'empêcher les ondes sonores de se propager vers l'arrière sans altérer leur propagation vers l'avant.
Cette méthode, récemment publiée dans Nature Communications, pourrait également être appliquée aux ondes électromagnétiques.
La base de ce système à sens unique pour les ondes sonores est l'auto-oscillation, dans laquelle un système dynamique répète périodiquement son comportement. « J'ai passé une bonne partie de ma carrière à empêcher de tels phénomènes », explique Nicolas Noiray.
Il étudie notamment comment des oscillations thermoacoustiques auto-entretenues peuvent survenir suite à l'interaction entre les ondes sonores et les flammes dans la chambre de combustion d'un moteur d'avion, ce qui peut entraîner des vibrations dangereuses. Dans le pire des cas, ces vibrations peuvent détruire le moteur.
oiray a eu l'idée d'utiliser des oscillations aéroacoustiques auto-entretenues et inoffensives afin de permettre aux ondes sonores de passer dans une seule direction et sans aucune perte à travers un soi-disant circulateur. Dans son schéma, l'atténuation inévitable des ondes sonores est compensée par les auto-oscillations du circulateur qui se synchronisent avec les ondes entrantes, ce qui leur permet de gagner de l'énergie à partir de ces oscillations.
Le circulateur lui-même devait être constitué d'une cavité en forme de disque à travers laquelle de l'air tourbillonnant est soufflé d'un côté à travers une ouverture en son centre. Pour une combinaison spécifique de vitesse de soufflage et d'intensité du tourbillon, un son sifflant est ainsi créé dans la cavité.
"Contrairement aux sifflets ordinaires, dans lesquels le son est créé par une onde stationnaire dans la cavité, dans ce nouveau sifflet, il résulte d'une onde tournante", explique Tiemo Pedergnana, ancien doctorant du groupe de Noiray et auteur principal de l'étude.
De l'idée à l'expérience, il a fallu du temps. Noiray et ses collègues ont d'abord étudié la mécanique des fluides du sifflet à vagues en rotation, puis y ont ajouté trois guides d'ondes acoustiques, disposés en triangle le long du bord du circulateur.
Les ondes sonores qui arrivent par le premier guide d'ondes peuvent quitter le circulateur par le deuxième guide d'ondes. Cependant, une onde qui entre par le deuxième guide d'ondes ne peut pas sortir « en arrière » par le premier guide d'ondes, mais peut le faire par le troisième guide d'ondes.
Les ondes sonores comme modèle de jouet
Pendant plusieurs années, les chercheurs de l'ETH Zurich ont développé et modélisé théoriquement les différentes parties du circulateur ; ils ont enfin pu démontrer expérimentalement que leur approche de compensation des pertes fonctionne. Ils ont envoyé une onde sonore d'une fréquence d'environ 800 Hertz (à peu près le sol aigu d'une soprano) à travers le premier guide d'ondes et ont mesuré la qualité de sa transmission aux deuxième et troisième guides d'ondes.
Comme prévu, l'onde sonore n'a pas atteint le troisième guide d'ondes. Du deuxième guide d'ondes (dans le sens "avant"), une onde sonore encore plus puissante que celle envoyée à l'origine a cependant émergé.
"Ce concept de propagation d'ondes non réciproque avec compensation des pertes est, à notre avis, un résultat important qui peut également être transféré à d'autres systèmes", déclare Noiray. Il considère son circulateur d'ondes sonores principalement comme un puissant modèle de jouet pour l'approche générale de la manipulation des ondes à l'aide d'auto-oscillations synchronisées, qui peut par exemple être appliquée aux métamatériaux pour les ondes électromagnétiques.
De cette manière, les micro-ondes des systèmes radar pourraient être mieux guidées et des circuits dits topologiques pourraient être réalisés avec lesquels des signaux peuvent être transmis.
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COMMENTAIRES
1/urt les élèves cette question ;
En quoi les ondes électromagnétiques sont-elles différentes des ondes mécaniques ?
Les ondes mécaniques ont besoin d'un milieu pour se propager. Un milieu peut être solide, liquide ou gazeux. Les ondes électromagnétiques, en revanche, n'ont pas besoin d'un milieu pour se déplacer. Elles peuvent se déplacer vers n'importe quel milieu, mais elles peuvent toujours transférer de l'énergie à travers le vide spatial.
2/ Résultat interessant que cette acoustique mono directionnelle et
qu on peut grossièrement comparer à la polaisation des ondes électromagnétiques
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More information: Tiemo Pedergnana et al, Loss-compensated non-reciprocal scattering based on synchronization, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51373-y
Journal information: Nature Communications
Provided by ETH Z
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