En utilisant un nouveau type de sifflet dit à « ondes tournantes », des chercheurs sont parvenus à propager des ondes sonores dans une seule direction. Alors que les ondes se propagent généralement dans deux directions (vers l’avant et vers l’arrière), le système dispose d’un auto-oscillateur aéroacoustique permettant de diffuser l’onde sonore uniquement vers l’avant et ce, sans aucune perte d’intensité. La technique pourrait aussi être appliquée aux ondes électromagnétiques, ouvrant ainsi la voie à de nombreuses applications.
Les ondes, qu’elles soient électromagnétiques, sonores ou mécaniques, se propagent toutes de la même manière, notamment dans deux directions différentes (vers l’avant et vers l’arrière) selon un phénomène appelé « propagation réciproque ». Leur propagation est ainsi symétrique entre le récepteur et l’émetteur. Cela est par exemple observé lors d’une conversation entre deux personnes situées à une certaine distance l’une de l’autre. Les mots échangés sont entendus des deux côtés de la même manière en raison de la propagation réciproque.
Bien que cette réciprocité soit essentielle pour les phénomènes physiques régissant notre quotidien, sa rupture peut être très utile dans le domaine de la recherche. Propager une onde dans une seule direction permettrait par exemple d’éviter les réflexions (réverbérations) indésirables dans certaines expériences, éliminant ainsi le bruit (parasitage) dans les résultats. Une telle propagation non réciproque a par exemple été explorée pour les ondes électromagnétiques et mécaniques.
En effet, il y a environ 10 ans, des chercheurs sont parvenus à propager des ondes acoustiques unidirectionnelles en utilisant une cavité résonante à l’intérieur de laquelle circulait un flux d’air polarisé. Cependant, les ondes sonores propagées vers l’avant avaient systématiquement tendance à perdre en intensité.
Dans cette nouvelle étude, des chercheurs de l’École polytechnique fédérale de Zürich (ETH Zürich) et de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), en Suisse, proposent de surmonter ce problème en intégrant un système innovant pour compenser cette perte.
Des pertes compensées par un système d’auto-oscillation
La technique proposée par les chercheurs suisses est basée sur un dispositif de synchronisation permettant de compenser la dissipation des ondes sonores unidirectionnelles. « J’ai passé une bonne partie de ma carrière à calculer de tels phénomènes », indique dans un communiqué de l’ETH Zürich Nicolas Noiray, coauteur principal de l’étude. Pour ce faire, Noiray et le reste de l’équipe ont utilisé un auto-oscillateur permettant aux systèmes dynamiques de présenter des comportements répétitifs périodiques.
Plus précisément, les experts ont développé un auto-oscillateur aéroacoustique permettant aux ondes sonores de se propager dans une seule direction sans aucune perte d’intensité, à travers un circulateur. L’atténuation inévitable des ondes est systématiquement compensée par les auto-oscillations du circulateur. Ces dernières sont synchronisées avec les ondes entrantes, permettant ainsi à celles-ci de gagner de l’énergie et de s’amplifier au lieu de s’atténuer.
Le circulateur est constitué d’un disque creux à travers lequel de l’air tourbillonnant est soufflé d’un côté, à partir d’une ouverture en son centre. Une vitesse de soufflage spécifique combinée à une intensité de tourbillonnement précise permet ensuite d’obtenir un sifflement. « 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 de l’ETH Zürich, auteur principal de l’étude.
Dans un deuxième temps, trois « guides d’ondes » acoustiques ont été ajoutés au sifflet à ondes tournantes. Il s’agit de dispositifs d’isolation en forme de triangle disposés le long du bord du circulateur et permettant de guider les ondes entrantes dans une seule direction. Les ondes sonores pénétrant par le premier guide peuvent se déplacer dans le circulateur vers le second. Cependant, une onde pénétrant par le deuxième guide ne peut pas « revenir en arrière » par le premier guide, mais peut en revanche s’acheminer vers le troisième.
Une propagation unidirectionnelle amplifiée
Pour tester le nouveau système — décrit dans la revue Nature Communications —, les experts y ont diffusé une onde sonore d’une fréquence d’environ 800 hertz (soit l’équivalent d’un sol aigu d’un soprano), puis ont mesuré sa qualité de propagation à travers le deuxième et le troisième guide d’ondes. L’onde n’a pas atteint le troisième guide. En revanche, elle a atteint le deuxième (c’est-à-dire en se déplaçant vers l’avant) sans perte d’intensité et en étant même significativement amplifiée.
Selon Noiray, « ce concept de propagation d’ondes non réciproque avec compensation des pertes est un résultat important qui peut également être transféré à d’autres systèmes ». En d’autres termes, le dispositif pourrait être un excellent modèle pour manipuler la réciprocité d’autres ondes. Il pourrait par exemple être appliqué aux métamatériaux (des matériaux composites qui présentent des propriétés physiques qu’on ne retrouve pas dans la nature) pour la propagation d’ondes électromagnétiques. Les micro-ondes des systèmes radar pourraient aussi être orientées de manière optimale, tandis que les signaux des systèmes de communication pourraient être mieux acheminés à travers des circuits spécialisés.