Un prisme acoustique inventé à l'EPFL
© 2016 EPFL / Alain Herzog
Des scientifiques de l’EPFL ont inventé un nouveau type de prisme, qui décompose le son en ses différentes fréquences. Leur prototype permet de localiser les sons.
Il y a presque 400 ans, Newton démontrait qu'il était possible de décomposer la lumière blanche en formant les couleurs de l’arc-en-ciel. Pour ce faire, il utilisait un prisme, où chaque couleur correspond à une fréquence particulière. Le prisme optique tire parti d'un phénomène physique, la réfraction, pour décomposer la lumière en ses différentes composantes.
Le même principe vient d'être appliqué aux ondes sonores. Hervé Lissek et son équipe de l’EPFL ont inventé un «prisme acoustique» qui décompose le son dans les fréquences qui le constituent, en utilisant uniquement des propriétés physiques. Ses applications dans la localisation des sons font l'objet d'une publication dans le Journal of the Acoustical Society of America.
Le prisme optique existe dans la nature, par exemple sous la forme de gouttes d’eau. Au contraire, son homologue accoustique est une pure invention humaine.
Cette innovation s’appuie sur l’interaction de l’onde sonore avec la structure du prisme acoustique pour décomposer le son selon les fréquences qui le constituent. Pour ce faire, le prisme acoustique modifie la manière dont l’onde se propage dans chaque fréquence, sans recourir à du calcul informatique ni à des composants électroniques.
Des membranes qui décomposent le son
Le prisme acoustique a l’allure d’un tube d’aluminium rectangulaire. Il présente dix trous parfaitement aligné sur un des côtés. Chaque trou donne accès à une cavité remplie d’air à l’intérieur du tube. Une membrane sépare deux cavités consécutives.
Lorsque le son est dirigé dans le tube à une de ses extrémités, les composantes à haute fréquence du son s’échappent du tube par les premiers trous, tandis que les basses fréquences s’échappent à travers les trous plus éloignés, vers de l’autre extrémité du tube. Le son est décomposé, de la même manière que la lumière avec un prisme optique, dans lequel l’angle de dispersion dépend de la fréquence.
Les membranes jouent un rôle essentiel. Elles vibrent et transmettent le son aux cavités voisines, avec un décalage dans le temps qui dépend de la fréquence. Le son retardé s’échappe alors à l’extérieur par les trous, ce qui produit la dispersion du son.
Un système simple pour localiser une source sonore
Voulant pousser le concept un peu plus loin, les chercheurs ont réalisé qu’ils pouvaient utiliser le prisme acoustique comme une antenne, afin de localiser la direction d’un son distant. Dans la mesure où chaque angle correspond à une fréquence particulière, il suffit de mesurer la composante principale de la fréquence d’un son reçu pour déterminer d’où provient ce son, sans devoir déplacer le prisme.
Le principe du prisme acoustique repose sur la conception des cavités, des conduits et des membranes, qui peuvent être construits facilement et même être miniaturisés. De quoi aboutir à des systèmes économiques de détection angulaire du son, en évitant de recourir à de coûteux réseaux de microphones ou d’antennes mobiles.
