Des bulles à facettes pour de nouveaux matériaux acoustiques

Publié par Adrien le 04/04/2020 à 09:00
Source: CNRS INP
Les bulles d'air dans l'eau constituent d'excellents résonateurs pour les fréquences acoustiques, et, à condition de pouvoir les stabiliser et contrôler leur organisation spatiale, elles sont une piste pour de nouveaux matériaux acoustiques immergés. À l'aide de supports imprimés en 3D, des physiciens grenoblois ont démontré qu'il est possible de générer des "bulles à facettes", plus durables et efficaces que les bulles sphériques classiques.


Figure 1. Photographie montrant une bulle cubique d'air dans de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.).
Ici seules trois interfaces sont visibles. La taille du cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus remarquables de...) est de 2.4 mm.
@ Maxime Harazi, LIPhy (CNRS/Université Grenoble Alpes)

Lorsqu'une bulle d'air dans l'eau reçoit une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) sonore d'une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps....) bien particulière - la fréquence de Minnaert -, elle entre en résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations propres. Celles-ci se produisent à la fréquence propre...) et se met à osciller très fortement. Elle réémet alors le son dans toutes les directions. Le son étant dispersé dans toutes les directions, son intensité peut être très atténuée lors de réverbérations multiples, ce qui permet une absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le photon est...) acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des sons et des ondes mécaniques. Elle fait appel aux...) très efficace. La longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie...) réémise à résonnance est environ 500 fois plus grande que la bulle. Cette différence d'échelle fait de la bulle un excellent candidat pour la conception de métamatériaux acoustiques, sur le modèle des métamatériaux optiques, avec à la clé de nombreuses applications originales. Plusieurs tentatives ont été réalisées ces dernières années pour fixer les bulles, comme les mettre dans un gel ou sous un filet. Si ces solutions sont intéressantes, elles présentent néanmoins quelques défauts: dans un gel, les bulles ne peuvent pas osciller aussi librement que dans l'eau ; et sous un filet, les bulles ne sont pas faciles à organiser.


Figure 2. Assemblage de bulles cubiques de 3 mm, reliés par des poutres
dans des arrangements plans ou volumiques, ce qui donne des métamatériaux.
@ Thomas Combriat, LIPhy (CNRS/Université Grenoble Alpes)

Des chercheurs grenoblois du Laboratoire interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) (LIPhy, CNRS/Université Grenoble Alpes) ont imaginé une méthode astucieuse pour contourner ces problèmes. Celle-ci consiste à fixer chaque bulle à un support cubique de quelques millimètres réalisé en impression 3D avec un polymère (Un polymère (étymologie : du grec pollus, plusieurs, et meros, partie) est un système formé par un ensemble de macromolécules de même nature chimique. Les termes « polymère »...) standard (figure 1). En insérant ce support dans l'eau, de l'air est emprisonné par capillarité (La capillarité est l'étude des interfaces entre deux liquides non miscibles, entre un liquide et l'air ou entre un liquide et une surface. Elle est mise en œuvre lorsque les buvards aspirent l’encre, ou...). La bulle ainsi créée est alors fixée au support, l'empêchant de remonter à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) comme c'est le cas habituellement. Par ailleurs, en adoptant la forme cubique du support, la bulle se retrouve en fait "facettée", avec six interfaces eau-air quasi planes. La planéité des interfaces fait que la bulle se dissout plus lentement qu'une bulle sphérique de même taille. En outre, les chercheurs ont montré, grâce à des expériences, des simulations et un modèle théorique, que la bulle cubique ainsi créée présentait une belle résonance, similaire à la résonance de Minnaert des bulles sphériques. On peut ainsi créer à loisir de grands assemblages où des séries de bulles encagées sont reliées par des montants (figure 2), et obtenir ainsi des métamatériaux.

Il a par ailleurs été observé que les bulles, en vibrant, s'influencent quand elles ont chacune beaucoup de voisines. Apparaissent alors des modes de vibration collective à plus basse fréquence, où toutes les bulles résonnent en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :), ce qui absorbe les ondes acoustiques et les redistribuent en vibrations internes.

En proposant une méthode originale pour fixer une bulle sans l'empêcher d'osciller, ces résultats ouvrent la voie à une nouvelle façon de créer facilement des métamatériaux à bulles.

Références

Acoustics of cubic bubbles: six coupled oscillators. Maxime Harazi, Matthieu Rupin, Olivier Stephan, Emmanuel Bossy, Philippe Marmottant, Physical Review Letters, le 16 décembre 2019.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.254501
Article disponible sur les bases d'archives ouvertes arXiv et HAL.

Acoustic interaction between 3D fabricated cubic bubbles. Thomas Combriat, Philippine Rouby-Poizat, Alexander A. Doinikov, Olivier Stephan, Philippe Marmottant, Soft Matter, le 14 février 2020.
DOI: 10.1039/C9SM02423A
Article disponible sur la base d'archives ouvertes HAL.
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