Réduction active du bruit en ionisant l’air

Saviez-vous que les fils peuvent être utilisés pour ioniser l’air afin de fabriquer un haut-parleur ? En termes simples, il est possible de générer du son en créant un champ électrique dans un ensemble de fils parallèles, alias un transducteur à plasma, suffisamment puissant pour ioniser les particules d’air. Les ions chargés sont ensuite accélérés le long des lignes de champ magnétique, poussant l’air non ionisé résiduel de manière à produire du son.

Si un haut-parleur peut générer du son, il peut aussi l’absorber.

Bien que ce concept de haut-parleur à plasma ne soit pas nouveau, les scientifiques de l’EPFL ont pris les devants et ont construit une démonstration du transducteur à plasma, dans le but d’étudier la réduction du bruit. Ils ont proposé un nouveau concept, ce qu’ils appellent la « métacouche plasmaacoustique » active qui peut être contrôlée pour annuler le bruit. Leurs résultats sont publiés dans Communication Nature.

Les scientifiques ont été intrigués par l’idée d’utiliser le plasma pour réduire le bruit, car il se débarrasse de l’un des aspects les plus importants des haut-parleurs conventionnels : la membrane. Les haut-parleurs équipés de membranes, comme ceux de votre voiture ou de votre maison, font partie des solutions les plus étudiées pour la réduction active du bruit. Il est actif car la membrane peut être contrôlée pour annuler différents sons, par opposition à un mur qui fait le travail de manière passive.

Le problème avec l’utilisation du haut-parleur conventionnel comme absorbeur de son est que sa membrane limite la gamme de fréquences de fonctionnement. Pour l’absorption acoustique, la membrane se comporte mécaniquement, vibrant pour annuler les ondes sonores dans l’air. Le fait que la membrane soit relativement lourde, c’est-à-dire l’inertie de la membrane, limite sa capacité à interagir efficacement avec des sons changeant rapidement ou à des fréquences élevées.

« Nous voulions réduire au maximum l’effet de la membrane, car elle est lourde. Mais qu’est-ce qui peut être aussi léger que l’air ? L’air lui-même », explique Stanislav Sergeev, postdoc au Groupe Acoustique de l’EPFL et premier auteur. « Nous ionisons d’abord la fine couche d’air entre les électrodes que nous appelons une métacouche plasmacoustique. Les mêmes particules d’air, désormais chargées électriquement, peuvent répondre instantanément aux commandes de champ électrique externe et interagir efficacement avec les vibrations sonores dans l’air autour de l’appareil pour annuler les sortir. »

Sergeev poursuit : « Comme prévu, la communication entre le système de contrôle électrique du plasma et l’environnement acoustique est beaucoup plus rapide qu’avec une membrane. »

Non seulement le plasma est efficace aux hautes fréquences, mais il est également polyvalent puisqu’il peut également être réglé pour fonctionner aux basses fréquences. En effet, les scientifiques montrent que la dynamique des couches minces de plasma d’air peut être contrôlée pour interagir avec le son sur des distances profondes sous la longueur d’onde, pour répondre activement au bruit et l’annuler sur une large bande passante. Le fait que leur dispositif soit actif est primordial, car les technologies de réduction de bruit passives sont limitées dans la bande de fréquences contrôlables.

L’absorbeur de plasma est également plus compact que la plupart des solutions conventionnelles. Exploitant la physique unique des métacouches plasmacoustiques, les scientifiques démontrent expérimentalement une absorption acoustique parfaite : « 100% de l’intensité sonore entrante est absorbée par la métacouche et rien n’est réfléchi », explique Hervé Lissek, scientifique senior du groupe Acoustique de l’EPFL. Ils présentent également une réflexion acoustique accordable de plusieurs Hz à la gamme des kHz, avec des couches de plasma transparentes d’épaisseurs jusqu’à seulement un millième d’une longueur d’onde donnée, beaucoup plus petites que les solutions de réduction de bruit conventionnelles.

Pour donner une idée de la compacité de l’absorbeur de plasma, considérons une fréquence sonore faible et audible de 20 Hz, où la longueur d’onde sonore mesure 17 m de long. La couche de plasma n’aurait besoin que de 17 mm d’épaisseur pour absorber le bruit, alors que la plupart des solutions classiques de réduction du bruit, comme les murs absorbants, auraient besoin d’au moins 4 m d’épaisseur, ce qui limite souvent sa faisabilité.

« L’aspect le plus fantastique de ce concept est que, contrairement aux absorbants acoustiques conventionnels reposant sur des matériaux en vrac poreux ou des structures résonnantes, notre concept est en quelque sorte éthéré. Nous avons dévoilé un tout nouveau mécanisme d’absorption acoustique, qui peut être rendu aussi fin et léger que possible. possible, ouvrant de nouvelles frontières en termes de contrôle du bruit où l’espace et le poids comptent, en particulier dans les basses fréquences », explique Hervé Lissek.

L’EPFL s’est associée à Sonexos SA, une société de technologie audio basée en Suisse, pour développer des absorbeurs de son actifs de pointe qui utilisent le concept de métacouche plasmacoustique. Ensemble, ils visent à fournir des solutions innovantes et efficaces pour réduire le bruit dans un large éventail d’applications, y compris les secteurs de l’automobile, de la consommation, du commerce et de l’industrie.

« Cette collaboration stratégique s’appuie sur l’expertise de l’EPFL en science des matériaux et en acoustique, ainsi que sur l’expérience éprouvée de Sonexos dans la fourniture de solutions audio hautes performances », explique Mark Donaldson, PDG et fondateur de Sonexos.