Des scientifiques font léviter des objets par le son

La toute première « pince acoustique » a été réalisée en 2016 par des chercheurs du CNRS : un système complexe basé sur les ondes sonores, constitué d’émetteurs et de réflecteurs, qui parvient à piéger une particule et à la soulever ! Ce dispositif a ensuite été recréé partout dans le monde, puis amélioré de nombreuses fois. À la différence de la lévitation acoustique, qui permet de maintenir un objet en l’air préalablement déposé là où il doit léviter, cette technique fait décoller l’objet depuis une surface réfléchissante. Alors qu’ils avaient déjà réalisé un tel appareil l’année dernière, cette fois des chercheurs de l’université de Tokyo ont décidé d’améliorer sa stabilité, plus précisément celle de la particule une fois qu’elle est soulevée. Les détails de leur projet ont été présentés dans une étude, publiée dans le Japenese Journal of Applied Physics.

La pince acoustique, une évolution de la lévitation acoustique

Leur dispositif de pince acoustique repose sur l’utilisation de transducteurs à ultrasons, c’est-à-dire d’appareils qui convertissent un signal d’entrée en ultrasons. Pour les 180 transducteurs utilisés, les fréquences de sortie étaient à 40 kHz. À cette fréquence, l’oreille humaine n’est plus capable d’entendre le signal. Le tout a été placé sous la forme d’un réseau hémisphérique, avec pour but d’entourer la particule cible. Mais comment les ondes sonores peuvent-elles « piéger » une particule ? Tout repose sur la pression radiative acoustique : les ondes sonores exercent une pression sur le milieu dans lequel elles se propagent.

En utilisant soit plusieurs sources de même fréquence qui se combinent ou sont réfléchies, soit une seule qui est réfléchie, il est possible de générer ce que l’on appelle une onde stationnaire : une onde qui contient certains points nommés « nœuds », pour lesquels l’amplitude reste constante dans le temps, et entre ces nœuds des « ventres » où à l’inverse l’amplitude varie dans le temps.

Au niveau des nœuds, l’amplitude ne varie pas. Ainsi, en la réglant pour que la force exercée par les ondes compense la gravité, il est possible d’immobiliser une particule au niveau des nœuds de pression acoustique. C’est la lévitation acoustique ! Pour la pince acoustique, c’est plus compliqué. Les émetteurs doivent être réglés de sorte que la particule se déplace, et ce à l’aide d’une variation continue de la fréquence d’émission. « Une particule lévite aux nœuds d’une onde stationnaire. Par conséquent, modifier la fréquence du signal des transducteurs permet le transfert d’une particule », décrivent les chercheurs. Les nœuds sont ainsi déplacés petit à petit, et la particule en lévitation suivra ces nœuds. Le déplacement se fait cependant de manière unilatérale.

Deux modes, « en phase » et « hors phase », pour amener la particule à destination

La pince acoustique qu’ont développée les chercheurs repose sur un réseau hémisphérique de transducteurs ultrasonores. Les particules manipulées sont de l’ordre du millimètre, et se déplacent en suivant le champ de pression acoustique créé par ce réseau. Mais au sein de ce champ, la particule oscillait jusqu’à ce qu’ils mettent leur pince acoustique à jour : « une préoccupation majeure lors de la prise d’objets à l’aide de la force de rayonnement acoustique est l’effet de réflexion causé par la scène. Le champ sonore étant perturbé par cette réflexion, il n’est pas possible de tenir l’objet de manière stable », expliquent les chercheurs. Un problème qu’ont résolu les scientifiques par « un blocage et un contrôle de phase et d’amplitude à l’excitation d’un réseau de transducteurs ». 

Plus précisément, ils utilisent une « commutation adaptative entre les excitations en phase opposée et en phase ». La particule est d’abord captée depuis le sol par une excitation en phase, tous les transducteurs ne sont pas utilisés. Puis le déplacement vers le centre est effectué avec un mode hors phase (en phase opposée), cette fois de tout le réseau, et elle est ensuite maintenue par une utilisation du réseau complet, toujours en opposition de phase. Le signal ainsi créé permet de soulever doucement la particule, puis de la déplacer et la maintenir en position centrale. Ce type de dispositif pourrait avoir des applications dans divers domaines, notamment dans ceux où la manipulation de composants pourrait se faire sans contact : l’électronique, ou encore la chimie. Une telle expérience peut aussi être reproduite plus facilement dans l’espace, où la gravité n’est plus à compenser.