Un métamatériau acoustique révolutionnaire

Notre monde moderne baigne dans un brouhaha insupportable. Heureusement, une équipe de chercheurs de l’université de Boston a développé un matériau permettant d’atténuer jusqu’à 94 % du son, tout en laissant l’air circuler librement. Imprimé en 3D, peu coûteux et léger, ce métamatériau pourrait éliminer une grande partie des bruits de moteurs et de ventilation.

L’effet Fano et l’atténuation des ondes acoustiques

Le physicien Ugo Fano a été le premier à théoriser le phénomène d’interférence quantique dont il a décrit le principe en 1961. Mais ce phénomène, qui intervient souvent en spectroscopie sous la forme d’une asymétrie des raies spectrales, a également des applications dans le domaine acoustique. En effet, la transmission asymétrique d’une onde acoustique, résultant en une atténuation par effet d’interférence, présente un certain nombre d’applications dans le domaine du filtrage et de l’isolation acoustique.

Les avancées de la recherche sur les métamatériaux

Les métamatériaux sont des milieux artificiels dont la structure est ordonnée de manière périodique. Cette particularité leur confère des propriétés électromagnétiques hors du commun, par exemple le phénomène de réfraction négative. Néanmoins, du point de vue acoustique, ceci a également un intérêt certain, car la propagation du son dans les métamatériaux est dominée par la forme de la structure, bien plus que par les propriétés des matériaux constitutifs. Si les métamatériaux ont déjà fait leurs preuves dans le domaine acoustique pour la modulation des fronts d’onde ou avec le phénomène de « cape d’invisibilité acoustique » (acoustic cloaking), il leur reste encore des défis à relever.

La problématique : atténuer le son tout en laissant l’air circuler

Comment atténuer le son tout en permettant à l’air de circuler librement ? C’est le challenge qu’a voulu relever l’équipe de l’université de Boston. En effet, bien que les métamatériaux étudiés jusqu’à présent soient capables d’atténuer le son de manière efficace, la section permettant à l’air de passer librement est souvent réduite pour favoriser la performance de l’amortissement. De tels matériaux sont ainsi inutilisables pour de la ventilation forcée. Afin de résoudre ce problème, les chercheurs ont proposé une méthodologie de conception d’un métamatériau à structure ultra ouverte (ultra-open metamaterials ou UOM) ayant la forme d’un anneau.

Modélisation mathématique et impression 3D

La structure UOM a été dimensionnée à partir des résultats d’une simulation numérique par éléments finis. Une fois la forme fixée, celle-ci a été fabriquée en utilisant un procédé d’impression 3D FDM à partir de plastique ABS, puis les porosités de l’objet imprimé ont été refermées en utilisant une résine époxy.

Afin de vérifier ses propriétés acoustiques, la pièce a ensuite été soumise à des essais en conditions réelles. L’équipe de chercheurs a mis au point un test simple et représentatif : un tube PVC a été placé à l’extrémité d’une enceinte audio et le métamatériau a été positionné à l’autre bout du tube. Les résultats sont visibles sur cette vidéo et parlent d’eux-mêmes : le métamatériau agit quasiment comme un bouton « mute ». En comparant les niveaux sonores avec et sans ce matériau, les chercheurs ont même calculé qu’il pouvait éliminer environ 94 % du bruit.

De nombreuses applications pour un monde plus silencieux

Leur prototype ayant fait ses preuves, les chercheurs sont dorénavant en quête de nouvelles applications pour rendre le monde réellement moins bruyant. L’application la plus évidente concerne tous les systèmes utilisant des ventilateurs, ce qui représente énormément de cas de figure, que ce soit dans la vie de tous les jours ou dans le monde industriel, avec en premier lieu les systèmes d’air conditionné ou de chauffage de type pompe à chaleur. Par ailleurs, ce matériau pourrait s’avérer très utile dans un futur proche, pour l’isolation acoustique des drones. En effet, des entreprises comme Amazon affirment vouloir utiliser des drones pour effectuer des livraisons aux particuliers, mais les nuisances sonores causées par les hélices sont fréquemment considérées comme des freins. Ce nouveau métamatériau, parce qu’il est léger et performant, serait donc un bon candidat pour résoudre ce problème.