S’appuyant sur leur avancée de 2019, les chercheurs dévoilent un nouveau métamatériau ultra-ouvert qui réduit au silence une gamme plus large de bruits tout en préservant la ventilation.
Une nouvelle avancée du laboratoire Zhang de l’université de Boston fait des vagues dans le monde du contrôle du son. Dirigée par le professeur Xin Zhang (ME, ECE, BME, MSE), l’équipe a publié un nouvel article dans Scientific Reports intitulé « Phase gradient ultra open metamaterials for broadband acoustic silencing » (métamatériaux ultra ouverts à gradient de phase pour la réduction du bruit à large bande). Le premier auteur est Zhiwei Yang, candidat au doctorat dans le laboratoire de Zhang. L’article marque une avancée majeure dans le projet de silencieux acoustique à métamatériaux, mené de longue date par le laboratoire.
Le laboratoire Zhang est réputé dans les domaines des métamatériaux et des microsystèmes pour ses progrès continus dans les applications du monde réel. En 2019, ses recherches sur un silencieux à métamatériaux acoustiques – ou « bouclier sonore » – visaient à « bloquer le son de manière significative tout en maintenant le flux d’air, sur la base des effets de résonance de Fano« , selon les termes du laboratoire. À l’époque, les applications se concentraient sur les ventilateurs, les hélices et les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation, visant à réduire les bruits à bande étroite tout en préservant le passage de l’air.
Depuis, le laboratoire de Zhang a étendu ses travaux à l’exploration d’une gamme plus large de stratégies de réduction des bruits acoustiques, y compris des approches multibandes, à large bande et accordables, rendant la technologie viable dans de nouveaux environnements tels que les usines, les bureaux et les espaces publics, où des fréquences sonores diverses et imprévisibles sont courantes et où la circulation de l’air reste essentielle.
Leur dernière avancée est centrée sur le silencieux à large bande. Bien que ce contrôle élargi s’accompagne d’un compromis modeste au niveau des performances maximales de réduction du bruit – un défi courant lors du passage d’une suppression à bande étroite à une suppression à large bande -, il a ouvert de nouvelles possibilités puissantes. Cette avancée a été rendue possible par l’utilisation de métamatériaux à gradient de phase, donnant naissance au métamatériau ultra-ouvert à gradient de phase (PGUOM).
« Les conceptions antérieures basées sur la résonance de Fano, développées par notre équipe, revenaient à régler une radio pour bloquer une seule station« , explique M. Zhang. « Le PGUOM adopte une approche plus intelligente, plus proche d’un casque anti-bruit, en réduisant efficacement au silence une large bande de sons indésirables. Il reste très efficace même si le bruit change de tonalité ou de volume, ce qui le rend beaucoup plus pratique dans des environnements dynamiques tels que les bureaux ouverts, les systèmes de ventilation ou les plateformes de transport, où les sources sonores sont imprévisibles et couvrent une large gamme de fréquences.«
D’autres avancées dans le projet ont offert à l’équipe une plus grande souplesse de conception, leur permettant de préserver le flux d’air tout en adaptant la structure aux systèmes du monde réel. Zhang explique que le métamatériau est composé de supercellules simples ou répétées, chacune étant constituée de trois cellules unitaires de longueur d’onde inférieure. Des barrières solides sont incorporées dans les première et troisième cellules unitaires pour induire des déphasages contrôlés dans les ondes sonores entrantes, tandis que la cellule unitaire centrale reste ouverte pour permettre une circulation de l’air sans entrave. Ces déphasages génèrent un gradient de phase de 2π à travers chaque supercellule, convertissant les ondes sonores entrantes en ondes de surface parasites – les contreparties acoustiques des plasmons de surface électromagnétiques – qui sont piégées et dissipées le long de la surface.
Résultat : le bruit à large bande est supprimé efficacement, tandis que l’écoulement de l’air et l’adaptabilité géométrique sont maintenus.
« Notre conception n’est pas unique et c’est une force« , précise M. Zhang. « Il est possible de personnaliser à la fois la gamme de fréquences et le niveau de débit d’air, en fonction de l’application. » Contrairement aux structures traditionnelles à gradient de phase avec des cellules unitaires uniformes, leur conception élargit la cellule centrale pour s’adapter aux différents besoins en matière de débit d’air sans compromettre les performances en matière de silencieux.
La motivation de ces travaux est claire : « L’exposition chronique à un bruit excessif – souvent négligée par rapport à la pollution de l’air et de l’eau – peut avoir de graves répercussions sur la santé humaine, en contribuant à la perte d’audition, à la perturbation du sommeil, à l’augmentation du niveau de stress et même aux maladies cardiovasculaires« , note M. Zhang.
Mais l’impact ne s’arrête pas à l’homme – la pollution sonore perturbe également la faune et la flore, modifiant les schémas d’accouplement et de chasse et déstabilisant les écosystèmes. Grâce à de récentes avancées en matière de conception, axées sur des matériaux plus légers, plus ouverts et capables de fonctionner à large bande, l’équipe s’attaque désormais à ces défis à plus grande échelle, ce qui lui permettra d’avoir un impact plus important dans le monde réel.
Ces avancées ne sont pas seulement théoriques. L’équipe est passée avec succès de la simulation aux prototypes physiques et envisage maintenant un déploiement futur.
« Nous nous concentrons sur l’intégration de nos conceptions dans des produits et des applications spécifiques, tout en optimisant les métamatériaux pour des processus de fabrication évolutifs« , ajoute M. Zhang. « Nous nous efforçons également d’améliorer encore les performances de blocage du bruit, en visant une atténuation élevée sur des bandes de fréquences encore plus larges, tout en préservant une faible résistance au flux d’air et en minimisant l’épaisseur totale. »
En fin de compte, le laboratoire Zhang développe des solutions polyvalentes et évolutives qui peuvent être appliquées à tous les secteurs d’activité afin de rendre le monde plus silencieux et plus sain.
Article : « Phase gradient ultra open metamaterials for broadband acoustic silencing » – DOI : 10.1038/s41598-025-04885-6
