Des matériaux opaques deviennent totalement transparents

La plupart des matériaux naturels présentent une structure atomique désordonnée, qui perturbe la propagation des ondes. A leur contact, les ondes (acoustiques ou électromagnétiques) se dispersent, ricochent et l’énergie se diffuse selon un schéma extrêmement complexe, perdant en intensité. A cause de ce phénomène, on ne peut pas exploiter pleinement le potentiel des ondes pour transmettre de l’information ou de l’énergie à travers des milieux multidiffusants.

Les systèmes de localisation des smartphones sont par exemple moins performants à l’intérieur des bâtiments, où les ondes radiofréquences ricochent dans toutes les directions. De même, en termes d’imagerie biomédicale ou de prospection géophysique, il y a un besoin réel de solutions pour transmettre des ondes à travers des milieux fortement désordonnés.

A l’EPFL, une équipe de chercheurs a montré que des ondes acoustiques pouvaient traverser des systèmes désordonnés, et en ressortir intactes. Cela grâce à de petits haut-parleurs utilisés comme relais acoustiques, qui compensent les ricochets des ondes. Leur théorie a été validée expérimentalement sur un système acoustique réel. La recherche, fruit d’une collaboration entre deux laboratoires de la Faculté des Sciences et Techniques de l’Ingénieur à l’EPFL, associés à des physiciens de l’Université Technique de Vienne et de l’Université de Crète, paraît dans Nature Physics.

Des haut-parleurs pour effacer les obstacles

La méthode des chercheurs repose sur l’utilisation de haut-parleurs relais, permettant d’amplifier, d’atténuer et de déphaser le son. Ces outils contrebalancent les effets indésirables dus à la diffusion sonore sur de nombreux obstacles, préservant le son intact d’un bout à l’autre du milieu.

Mais comment cela fonctionne-t-il ? « Pour contrecarrer le désordre, nous nous sommes aperçus que les relais devaient être capable de modifier l’amplitude et la phase de l’onde en des points stratégiques du milieu, soit pour l’amplifier, soit pour l’atténuer », explique Romain Fleury, directeur du Laboratoire d'Ingénierie des Ondes (LWE).

Pour réaliser une structure fortement désordonnée, les chercheurs de l’EPFL ont utilisé un tube rempli d’air d’environ 3,5 mètres de long, dans lequel ils ont placé des obstacles de diverses natures (murs, matériaux poreux, chicanes, etc). Cela afin qu’aucune transmission sonore ne soit possible. Ils ont ensuite disposé des haut-parleurs entre ces obstacles, dont ils ont adapté les propriétés acoustiques par contrôle électrique. « Nous travaillons depuis de nombreuses années sur l’utilisation de haut-parleurs contrôlés comme absorbeurs acoustiques actifs, et cela nous a paru naturel de les utiliser pour cette nouvelle application», commente Hervé Lissek, responsable du Groupe d’Acoustique au Laboratoire de Traitement des Signaux (LTS2). « Jusqu’à présent, nous n’avions besoin que d’atténuer le son. Pour cette recherche, il nous a fallu développer une nouvelle méthode de contrôle pour réaliser du gain acoustique, comme il existe déjà du gain optique dans les lasers », ajoute Etienne Rivet, auteur d’une thèse sur le sujet. Cette nouvelle méthode, appliquée en temps réel et simultanément sur plusieurs haut-parleurs relais grâce à des circuits logiques programmables, est unique en acoustique.

Rendre des objets invisibles

Ce type de contrôle acoustique actif, similaire à celui utilisé dans les casques anti-bruit, est potentiellement applicable aux sons riches en fréquences de notre environnement. La technologie pourrait donc servir à supprimer les échos lorsqu’une onde percute un objet comme un sous-marin, le rendant indétectable aux sonars. La théorie développée dans ce travail étant universelle, elle peut aussi inspirer des réalisations analogues dans le domaine de l’optique ou des ondes radiofréquences, pour rendre les objets invisibles, ou capturer des images à travers des milieux opaques.