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Les bulles à facettes, 
ou comment stabiliser des bulles grâce à l’impression 3D


publié le , mis à jour le

Les bulles d’air dans l’eau constituent d’excellents résonateurs acoustiques, bons candidats pour la fabrication de métamatériaux acoustiques, mais présentent l’inconvénient d’être difficile à garder en place, en plus de se dissoudre rapidement. Nous avons montré qu’il était possible de créer des “bulles à facettes” fixées à des supports imprimés en 3D, pour remédier aux problèmes des bulles sphériques classiques, tout en conservant leurs propriétés acoustiques.

Prenez une bulle d’air dans de l’eau et envoyez-lui un son dessus. Pour une fréquence bien particulière — la fréquence de Minnaert — la bulle va entrer en résonance et se mettre à osciller très fortement, et ré-émettre le son dans toutes les directions. Une particularité de l’onde ré-émise est que sa longueur d’onde est environ 500 fois plus grande que la taille de la bulle. Cette particularité fait de la bulle un excellent candidat pour les “métamatériaux acoustiques”, matériaux innovants exhibant des propriétés originales telles qu’une absorption augmentée, des indices de réfraction négatifs ou encore la possibilité de focaliser des champs sur des distances plus petites que la longueur d’onde. La difficulté est que les métamatériaux requièrent un arrangement très précis des résonateurs, alors qu’une bulle dans l’eau a la fâcheuse tendance de bouger et de se dissoudre. 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 facile à organiser.
Nous avons imaginé une nouvelle méthode très astucieuse pour contourner ces problèmes. Celle-ci consiste à fixer une bulle à un support millimétrique cubique réalisé en impression 3D (figure). En insérant ce support dans l’eau, de l’air est emprisonné dans ce dernier par capillarité. La bulle ainsi créée est alors fixée au support, l’empêchant de remonter à la surface 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 cubiques, avec cependant la complexité que les six faces interagissent entre elles via l’air, mais aussi via l’eau. Par conséquent, de façon étonnante, il est possible de modifier la fréquence de résonance de la bulle cubique en changeant son nombre de faces ouvertes !
En proposant une méthode originale de fixer une bulle sans l’empêcher d’osciller, ces résultats ouvrent la voie à une nouvelle façon de créer facilement des métamatériaux à bulles.

Ce résultat a fait la couverture de Phys. Rev. Lett. :


Voir en ligne : Maxime Harazi, Matthieu Rupin, Olivier Stephan, Emmanuel Bossy, and Philippe Marmottant, “Acoustics of cubic bubbles : six coupled oscillators” Phys. Rev. Lett., december 2019