Wave momentum shaping for moving objects in heterogeneous and dynamic media

Light and sound waves have the fascinating property that they can move objects through the transfer of linear or angular momentum. This ability has led to the development of optical and acoustic tweezers, with applications ranging from biomedical engineering to quantum optics. Although impressive manipulation results have been achieved, the stringent requirement for a highly controlled, low-reverberant, and static environment still hinders the applicability of these techniques in many scenarios. Here, we overcome this challenge and demonstrate the manipulation of objects in disordered and dynamic media, by optimally tailoring the momentum of sound waves iteratively in the far field. The method does not require information about the object's physical properties or the spatial structure of the surrounding medium but relies only on a real-time scattering matrix measurement and a positional guidestar. Our experiment demonstrates the possibility of optimally moving and rotating objects, extending the reach of wave-based object manipulation to complex and dynamic scattering media. We envision new opportunities for biomedical applications, sensing, or manufacturing

Analytical modeling of one-dimensional resonant asymmetric and reciprocal acoustic structures as Willis materials

As building blocks of acoustic metamaterials, resonant scatterers have demonstrated their ability to modulate the effective fluid parameters, which subsequently possess extreme properties such as negative bulk modulus or negative mass density. Promising applications have been shown such as extraordinary absorption, focusing, and abnormal refraction for instance. However, acoustic waves can be further controlled in Willis materials by harnessing the coupling parameters. In this work, we derive the closed forms of the effective parameters from the transfer matrix in three asymmetric and reciprocal one-dimensional resonant configurations and exhibit the differences in terms of coupling coefficients. The way in which Willis coupling occurs in spatially asymmetric unit cells is highlighted. In addition, the analysis shows the absence of odd Willis coupling for reciprocal configurations. These effective parameters are validated against experimental and numerical results in the three configurations. This article paves the way of a novel physical understanding and engineering use of Willis acoustic materials

Nonreciprocal and even Willis couplings in periodic thermoacoustic amplifiers

hermoacoustic amplifiers are analyzed in the framework of nonreciprocal Willis coupling. The closed form expressions of the effective properties are derived, showing that an applied temperature gradient causes the appearance of a nonreciprocal Willis coupling. Even and nonreciprocal Willis couplings are exhibited already in the first-order Taylor expansion of the solution and are of equal modulus but opposite sign, thus suggesting that the even Willis coupling is a reaction to the nonreciprocity introduced by the temperature gradients. These Willis couplings cause a coalescence point in the k space, which deviates from Re(k) = 0 (with k the wave number) and is thus a zero-group-velocity point, as well as the opening of an amplification gap at low frequency. Effective parameters and scattering properties are found in excellent agreement with experimental results. This article paves the way to further control the acoustic waves at very low frequencies with nonreciprocal systems

Contrôle actif modulé dans le temps pour la manipulation des ondes

Les métamatériaux " floquet-temporels ", c'est-à-dire des milieux acoustiques artificiels modulés dans le temps, ont suscité beaucoup d'intérêt ces dernières années et ont ouvert de nouveaux champs de recherche dans le domaine des métamatériaux. La conception minutieuse de tels systèmes peut permettre de forcer une non-réciprocité, une non-herméticité, ou une dispersion conique au centre de leur zone de Brillouin, offrant ainsi de multiples possibilités de manipulation des ondes (gain non-réciproque, indice de réfraction nul, ...). Dans cette présentation, nous utilisons des haut-parleurs contrôlés activement pour explorer les propriétés de scattering de ce type de système. Le dispositif est rendu Floquet-temporel en imposant une modulation périodique basse fréquence à la fonction utilisée pour le contrôle actif de l'impédance d'entrée du haut-parleur. La modulation génère un transfert d'énergie vers des fréquences harmoniques dépendant de la fréquence de contrôle et de la fréquence de modulation. Ce transfert d’énergie est analysé par un modèle analytique considérant le système comme un haut-parleur avec une résistance variant périodiquement et est vérifié par des simulations numériques et des expérimentations

Non-linear bubbly Helmholtz resonator

International audienc

Backpropagation-free Training of Deep Physical Neural Networks

Recent years have witnessed the outstanding success of deep learning in various fields such as vision and natural language processing. This success is largely indebted to the massive size of deep learning models that is expected to increase unceasingly. This growth of the deep learning models is accompanied by issues related to their considerable energy consumption, both during the training and inference phases, as well as their scalability. Although a number of work based on unconventional physical systems have been proposed which addresses the issue of energy efficiency in the inference phase, efficient training of deep learning models has remained unaddressed. So far, training of digital deep learning models mainly relies on backpropagation, which is not suitable for physical implementation as it requires perfect knowledge of the computation performed in the so-called forward pass of the neural network. Here, we tackle this issue by proposing a simple deep neural network architecture augmented by a biologically plausible learning algorithm, referred to as "model-free forward-forward training". The proposed architecture enables training deep physical neural networks consisting of layers of physical nonlinear systems, without requiring detailed knowledge of the nonlinear physical layers' properties. We show that our method outperforms state-of-the-art hardware-aware training methods by improving training speed, decreasing digital computations, and reducing power consumption in physical systems. We demonstrate the adaptability of the proposed method, even in systems exposed to dynamic or unpredictable external perturbations. To showcase the universality of our approach, we train diverse wave-based physical neural networks that vary in the underlying wave phenomenon and the type of non-linearity they use, to perform vowel and image classification tasks experimentally

Metamatériaux acoustiques passifs pour la conception de lignes de retard

International audienceLes structures périodiques composées de résonateurs de quart de longueur d'onde ou de Helmholtz ont été largement utilisées dans la conception de métamatériaux acoustiques. Un phénomène intéressant réalisable avec l’hybridation de telles structures est le son lent (slow sound), qui résulte de la forte dispersion produite par les résonances locales. Il donne lieu à de nombreuses applications telles que les absorbeurs sub-longueur d'onde ou les métadiffuseurs. Toutes les applications proposées jusqu'à présent ont été analysées uniquement dans le domaine fréquentiel (état stationnaire). Dans ce travail, nous proposons un traitement passif qui peut être utilisé en acoustique des salles, ce qui nécessite de considérer le domaine temporel et toutes les réflexions multiples. Nous concevons analytiquement une ligne à retard à partir d'une métasurface composée de résonateurs de Helmholtz, en utilisant la propagation plus lente de l’onde acoustique. Nous prouvons numériquement et expérimentalement que de telles structures peuvent retarder une impulsion et ainsi reproduire la perception sonore d'une propagation sur une distance donnée, plus grande que la taille réelle du traitement. Les limites de la propagation des impulsions en temps réel, de la dispersion et des pertes sur la fidélité du son sont discutées

Metamatériaux acoustiques passifs pour la conception de lignes de retard

International audienceLes structures périodiques composées de résonateurs de quart de longueur d'onde ou de Helmholtz ont été largement utilisées dans la conception de métamatériaux acoustiques. Un phénomène intéressant réalisable avec l’hybridation de telles structures est le son lent (slow sound), qui résulte de la forte dispersion produite par les résonances locales. Il donne lieu à de nombreuses applications telles que les absorbeurs sub-longueur d'onde ou les métadiffuseurs. Toutes les applications proposées jusqu'à présent ont été analysées uniquement dans le domaine fréquentiel (état stationnaire). Dans ce travail, nous proposons un traitement passif qui peut être utilisé en acoustique des salles, ce qui nécessite de considérer le domaine temporel et toutes les réflexions multiples. Nous concevons analytiquement une ligne à retard à partir d'une métasurface composée de résonateurs de Helmholtz, en utilisant la propagation plus lente de l’onde acoustique. Nous prouvons numériquement et expérimentalement que de telles structures peuvent retarder une impulsion et ainsi reproduire la perception sonore d'une propagation sur une distance donnée, plus grande que la taille réelle du traitement. Les limites de la propagation des impulsions en temps réel, de la dispersion et des pertes sur la fidélité du son sont discutées

On the use of plate-type metamaterials to experimentally highlight a non-delayed propagation in Density Near Zero metamaterials

International audienc

Zero-Phase Propagation in 1D Realistic Plate-Type Acoustic Metamaterials

International audienc