Des déplacements d’objets sans contact à l’aide d’ondes acoustiques
Les ondes de tous types possèdent de la quantité de mouvement qu’elles peuvent échanger avec les corps, qu’ils soient gazeux, liquides ou solides, qu’elles rencontrent sur leur passage.
Ces variations de quantité de mouvement créent des forces dites de rayonnement sur les objets. Mais celles-ci sont très limitées, d’une part par les lois de la réflexion et de la réfraction des ondes et d’autre part par le profil et la taille de l’objet à manipuler.
Des chercheurs du Départment of Mechanical Engineering, University of Minnesota, Minneapolis, USA, ont démontré qu’en transformant la surface des objets en une métasurface, c’est-à-dire un pavage d’éléments de taille inférieure à la longueur d’onde, on pouvait s’affranchir de ces contraintes et manipuler les objets de façon contrôlée à l’aide d’ondes acoustiques.
Un arrangement dûment calculé de la métasurface permet d‘obtenir, à l’échelle de grands objets, des mouvements qui soient indépendants de leur forme et leur taille.
La figure 1 résume schématiquement les divers types de régimes de force que l’on peut obtenir à partir de diverses métasurfaces placées sur des blocs rectangulaires.
On y voit d’abord, en a), une métasurface dont les cellules unités sont arrangées pour qu’une variation de quantité de mouvement latérale engendre une force parallèle à la surface de l’objet. Ceci est bien différent de la réflexion sur surface conventionnelle sur laquelle la seule force qui s’exerce est normale à celle-ci.
En 1b) est figurée une métasurface capable d’autoguidage, c’est –à-dire qu’elle suivra le mouvement de la source d’onde acoustique.
Enfin, en 1c), on montre des modes de traction où la métasurface est tirée vers la source de rayonnement.
Fig.1. Profils de forces sans contact obtenues avec des métasurfaces exposées à des ondes acoustiques.
a) La force locale F(r) est proportionnelle à la variation dans le temps de la quantité de mouvement Δp/Δt (en bleu).
C’est la disposition et le dessin des cellules unités de la métasurface qui induit la génération de forces de profils complexes et donc de nouveaux mécanismes de déplacements sans contact.
b) Les métasurfaces auto-guidantes permettent de se bloquer sur la source d’onde et la suivre. Leur aptitude à se mouvoir avec le déplacement de la source tient à l’assymétrie de la réflexion qui fixe la métasurface à l’axe de la source d’onde (ligne en tirets rouges). Quand la métasurface a son axe aligné avec celui de la source la force est nulle (vue du milieu) mais si la source s’est déplacée, la métasurface va suivre (vues de gauche et de droite).
c) Force d’attraction : Les métasurfaces peuvent, non seulement être poussées par le rayonnement de la source mais aussi attirées par celui-ci. (On a figuré ici la source sous la forme de deux ondes incidentes indépendantes).
L’image en bas à droite représente une métasurface un peu différente basée sur des cellules unités dite à enroulement.
Tiré de Shaping contactless radiation forces through anomalous acoustic scattering Matthew Stein , Sam Keller , Yuji4.0e Luo & Ognjen Ilic 1Nature Communications, 13, 6533 (2022); CC-BY 4 .0.
La figure 2 montre un exemple de bloc rectangulaire muni d’une métasurface gravée et un schéma de mesure du déplacement
Fig.2. Détails d’une métasurface et mesure du déplacement
a) Bloc muni d’une métasurface constituée de nombreuses cellules unités
dont on voit le détail de l’une d’elles à droite. La métasurface est optimisée pour obtenir une force paralllèle à son grand côté.
b) Une métasurface est montrée à côté d’une pièce de 1 cent, à titre d’échelle.
c) Schéma de l’appareil de mesure du déplacement avec les transducteurs ultrasonores utilisés
Tiré de Shaping contactless radiation forces through anomalous acoustic scattering, Matthew Stein , Sam Keller , Yuji4.0e Luo & Ognjen Ilic Nature Communications, 13, 6533 (2022); CC-BY 4 .0.
La longueur d’onde du son à 20 kHz étant de 1,7 cm, il est très facile de réaliser des métasurfaces avec des éléments inférieurs en taille à la longueur d’onde.
Les 3 vidéos suivantes présentent 3 modes de déplacement sans contact avec tractions ou autoguidage grâce à des métasurfaces adaptées à chaque cas..
Vidéo 1 : Une métasurface (en blanc, face dirigée vers la droite) est mise en mouvement par la source acoustique (en bleu, face dirigée vers la gauche).
Les transducteurs acoustiques sont excités 3 secondes après le début de la vidéo. Le son de la source acoustique (20 kHz est inaudible.
Enregistrement accéléré 10 fois par rapport à la prise originale.
Les transducteurs acoustiques sont excités 3 secondes après le début de la vidéo. Le son de la source acoustique (20 kHz) est inaudible.
Vidéo 2 : Une métasurface (en blanc, face vers le bas)est mise en mouvement par la source acoustique(en orange).
Enregistrement accéléré 10 fois par rapport à la prise originale.
Les transducteurs acoustiques sont excités 3 secondes après le début de la vidéo. Le son de la source acoustique (20 kHz) est inaudible.
Vidéo 3 : Une métasurface calculée pour l’autoguidage, (vue de dessus, face vers le bas) suit la source acoustique (verte, face vers le haut) en mouvement. ).
Enregistrement accéléré 10 fois par rapport à la prise originale.
Les transducteurs acoustiques sont excités 3 secondes après le début de la vidéo. Le son de la source acoustique (20 kHz est inaudible.
Ces 3 vidéos sont tirées de Shaping contactless radiation forces through anomalous acoustic scattering, Matthew Stein , Sam Keller , Yuji4.0e Luo & Ognjen Ilic Nature Communications, 13, 6533 (2022); CC-BY 4 .0.
Ces recherches montrent qu’en utilisant des ondes acoustiques et des métasurfaces, on peut réaliser des manipulations mécaniques sans contact qui ouvrent la voie à de nouveaux systèmes de déplacement au-delà des limites des méthodes conventionnelles.
La possibilité de façonner spatialement la pression de radiation avec une précision inférieure à la longueur d’onde permet de modifier la réponse acousto-mécanique d’un objet indépendamment de ses dimensions et de sa forme.
Pour en savoir plus :
Shaping contactless radiation forces through anomalous acoustic scattering Matthew Stein , Sam Keller , Yuji4.0e Luo & Ognjen Ilic
Nature Communications, 13, 6533 (2022); CC-BY 4 .0.
