Des chercheurs de l'Institut de technologie de Californie (Caltech) ont construit un appareil qui produit très ciblée, des signaux acoustiques de grande amplitude baptisé "les balles sonores." Appelé une lentille acoustique non linéaire, le dispositif pourrait produire des images acoustiques supérieures à l'imagerie médicale par ultrasons classique, sonde pour dommages à l'intérieur des objets non transparents comme les ponts, les coques de navires, et des ailes d'avion, et sera utilisé pour développer des scalpels non invasives - bien qu'il y ait aucun mot sur si elle permettra le développement de tournevis sonique.

Chiara Daraio, professeur adjoint de l'aéronautique et de la physique appliquée à Caltech, et chercheur postdoctoral Alessandro Spadoni, construit la lentille acoustique par l'assemblage de 21 chaînes parallèles de sphères en acier inoxydable dans un tableau. Chacune des 21 chaînes a été enfilées avec des sphères 21 9,5 millimètres de large, - bien que des particules constituées d'autres matériaux élastiques et / ou avec différentes formes pourraient également être utilisées.

Dans la construction de la lentille acoustique les chercheurs se sont inspirés de Pendule de Newton, qui consiste en une ligne de billes identiques suspendues à un cadre par des fils. Lorsque l'une des boules d'extrémité est tiré vers l'arrière et libéré, il frappe la balle prochain dans la ligne et le ballon à l'extrémité opposée du berceau envole.

Les chaînes de particules à lentille acoustique de ce Daraio et Spadoni sont comme une version plus longue de berceau de Newton. Dans la lentille, une impulsion est excité à une extrémité par un impact avec une gâche, et ondes non linéaires sont générés au sein de chaque chaîne. Ces chaînes, Daraio dit, "sont la représentation la plus simple de guides d'ondes acoustiques fortement non linéaires, qui exploitent les propriétés des contacts de particules à régler les Formes des signaux acoustiques qui voyagent et leur vitesse de propagation, la création d'impulsions acoustiques compacts appelés ondes solitaires."

Contrairement aux clapotis des vagues produites par la chute d'un caillou dans un étang, ondes solitaires peuvent exister dans l'isolement, ni précédé ni suivi par d'autres vagues.

"Les ondes solitaires de maintenir toujours la même longueur d'onde spatiale dans un système donné," ajoute-t-elle, "et peuvent avoir de très forte amplitude sans subir de la distorsion dans la lentille, contrairement aux signaux produits par la technologie actuellement disponible."

Les chaînes sont pressés rapprocher - ou "précomprimés" - en utilisant la ligne de pêche. En changeant la quantité de pré-compression, Daraio et Spadoni étaient capables de faire varier la vitesse de l'onde solitaire. Quand une série de ces vagues quitter le réseau, ils se rassemblent à un endroit-un point en un matériau cible focale particulière (qui peut être un gaz, comme l'air d'un liquide ou un solide). Cette superposition des ondes solitaires au point focal constitue la balle une onde sonore très compact, de grande amplitude acoustique. Varier les paramètres du système peut également produire un barrage rapide-le-feu des balles sonores, tous formés à la même place.

Dans la conception actuelle, les sphères sont assemblés dans un arrangement à deux dimensions, avec chaque ligne indépendante de ses voisins. "Arrangements tridimensionnels seront tout aussi facile de créer et permettront le contrôle 3-D de l'apparence des balles sonores et le chemin de Voyage», dit Spadoni.

"Notre objectif introduit la possibilité de générer des signaux, de grande amplitude compacts dans un milieu linéaire, et aussi nous permet de contrôler dynamiquement l'emplacement du point focal," dit Daraio. Cela signifie qu'il est pas nécessaire de changer l'un des composants géométriques de la lentille pour modifier l'emplacement du point focal. Tout ce que nous faisons est ajuster la précontrainte pour chaque chaîne de sphères ".

Les chercheurs disent que cet ajustement simple devrait faire les balles sonores facile à adapter à une variété d'applications.

Actuellement opérateurs ultrasons doivent passer sondes selon les caractéristiques et l'emplacement dans le corps de ce qui est imagé. En comparaison, la lentille acoustique ne serait pas nécessiter le remplacement de l'un de ses composants, mais plutôt de simples ajustements de la pré-compression de chaque chaîne.

L'instrument a également le potentiel de surpasser la clarté et la sécurité de l'échographie médicale conventionnelle. Les impulsions produites par la lentille acoustique - qui sont un ordre de grandeur plus ciblée et plus ont des amplitudes qui sont des ordres de grandeur plus grand que peut être créé avec des appareils acoustiques classiques - "réduire les effets néfastes du bruit, produisant une image plus claire de la cible. " Ils ont également "peuvent voyager plus loin" -deeper dans le corps- »que des impulsions de faible amplitude," dit Daraio.

Le dispositif pourrait même permettre le développement d'un scalpel non-invasive qui pourrait domicile sur et détruire les tissus cancéreux situés profondément dans le corps.

"Les procédures médicales telles que la thérapie par hyperthermie cherchent à agir sur les tissus humains en augmentant localement la température. Cela se fait souvent en se concentrant signaux acoustiques de haute énergie sur une petite surface, nécessitant un contrôle significatif de la région focale" de sorte que le tissu sain est pas aussi chauffée et endommagé, Daraio explique. "Notre objectif produit une région focale très compact qui pourrait aider le développement des techniques d'hyperthermie."

Balles sonores pourraient aussi offrir de façon non destructive de sonder et d'analyser l'intérieur d'objets non transparents comme les ponts, les coques de navires, et des ailes d'avion, à la recherche de fissures ou d'autres défauts.

La lentille acoustique créé par Daraio et Spadoni était destinée à être une preuve de concept, et est probablement de nombreuses années loin d'être utilisé dans des applications commerciales. Attention à balles sont sans doute même plus loin.

Le document décrivant les recherches de l'équipe de Caltech, "Génération et contrôle de balles sonores avec une lentille acoustique non linéaire», a été financé par l'Army Research Office et la National Science Foundation et apparaît dans la Actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS).