🔬 Métamatériaux Acoustiques

Les matériaux acoustiques ordinaires tirent leurs propriétés de la chimie — les atomes et liaisons du milieu massif. Les métamatériaux acoustiques tirent au contraire leurs propriétés d'une structure sous-longueur d'onde conçue : des réseaux périodiques de cellules unitaires résonantes (comme des résonateurs de Helmholtz) qui répondent au son de façons qu'aucun matériau homogène naturel ne peut, y compris un module de compressibilité effectif négatif ou une densité de masse négative près de la résonance.

Non. Cela signifie que sur une bande de fréquence étroite près de la fréquence propre des résonateurs, la réponse dynamique dépendante de la fréquence du matériau à une pression oscillante est déphasée par rapport à la pression excitatrice — le module effectif utilisé dans l'équation d'onde inverse son signe dans cette bande. Le matériau lui-même est parfaitement normal ; c'est la description effective excitée et dépendante de la fréquence qui devient négative.

Une bande interdite est une plage de fréquences pour laquelle aucune solution d'onde propagative n'existe dans la structure périodique. Le son entrant dans le matériau à une fréquence de bande interdite ne peut le traverser comme une onde oscillante ; son amplitude décroît plutôt exponentiellement avec la distance (une onde évanescente), la structure agit donc comme une barrière acoustique très efficace, souvent sous-longueur d'onde, à ces fréquences.

Un résonateur de Helmholtz est une cavité reliée à l'extérieur par un col étroit ; l'air dans le col agit comme une masse et l'air dans la cavité comme un ressort, lui donnant une unique fréquence de résonance propre. Comme un résonateur de Helmholtz peut être fabriqué bien plus petit que la longueur d'onde sonore à laquelle il répond, des réseaux de ceux-ci permettent de construire un métamatériau à résonance locale dont la cellule unitaire est bien plus petite que la longueur d'onde du son qu'il contrôle.

La réfraction négative survient quand la vitesse de phase effective du son dans un métamatériau pointe à l'opposé de la direction où l'énergie s'écoule réellement (la vitesse de groupe), de sorte qu'un faisceau incident se courbe du même côté de la normale que le faisceau entrant plutôt que du côté opposé. Elle survient près d'une résonance où le module de compressibilité effectif et/ou la densité effective deviennent négatifs simultanément, produisant un indice de réfraction effectif négatif pour le son.

Les applications incluent de fins panneaux d'insonorisation à résonance locale bloquant les basses fréquences bien mieux que leur masse seule ne le permettrait, des lentilles et super-lentilles acoustiques pour l'imagerie sous-longueur d'onde, des dispositifs de camouflage acoustique routant les ondes sonores autour d'un objet, et des barrières antibruit basse fréquence compactes pour les machines, gaines CVC, et le bruit routier.

Ce sont des cousins mathématiques. Les métamatériaux électromagnétiques utilisent des résonateurs en anneau fendu et des réseaux de fils pour créer une permittivité ou perméabilité effective négative, décrite par la dispersion d'oscillateur de Lorentz. Les métamatériaux acoustiques utilisent des résonateurs de Helmholtz ou des résonateurs masse-ressort locaux pour créer un module de compressibilité ou une densité de masse effectifs négatifs, décrits par les mêmes mathématiques d'oscillateur de Lorentz — seuls les champs physiques diffèrent.

Oui, et c'est une de leurs propriétés les plus utiles. L'isolation sonore classique par loi de masse nécessite d'ajouter de la masse pour bloquer les basses fréquences. Un panneau métamatériau à résonance locale peut présenter une densité de masse effective très grande (ou négative) près de la fréquence propre de ses résonateurs, bloquant une bande basse fréquence cible bien plus efficacement que ne le prédit la loi de masse pour la même masse physique — un véritable contournement de la loi de masse classique dans une bande étroite.

L'amortissement et les pertes matérielles rétrécissent et atténuent la bande interdite par rapport à la prédiction idéalisée sans pertes. Les effets forts sont aussi intrinsèquement à bande étroite, centrés sur la fréquence de conception du résonateur, et les tolérances de fabrication décalent cette fréquence dans les dispositifs réels. Obtenir une performance large bande ou multi-bande nécessite généralement d'empiler plusieurs conceptions de résonateurs à différentes fréquences de résonance.