Ultrason

L'ultrason est un son, c'est-à-dire une onde mécanique et élastique, diffusée par les gaz, les liquides, les tissus mous (chair, organes) ou les solides (partie métallique comme la sonotrode), dont la fréquence est supérieure à 20 000 Hz.

Le nom vient du fait que leur fréquence est trop élevée pour être audible pour l'oreille humaine (le son est trop aigu), de la même façon que les infrasons désignent les sons dont la fréquence est trop faible pour être perceptible par l'oreille humaine.

Histoire

C’est Lazzaro Spallanzani qui, en 1794, soupçonna le premier l’existence des ultrasons. Ils ont été découverts en 1883 par le physiologiste anglais Francis Galton.

Le physicien français Paul Langevin a ensuite inventé le triplet de Langevin.

Le « triplet de Langevin »

Le principe de ce convertisseur est l'association de deux (ou quatre ou six) céramiques piézoélectriques serrées et mises en précontrainte entre deux masses métalliques pour éviter leur destruction. Les deux masses métalliques servent également à étalonner cet ensemble acoustique à une fréquence prédéfinie qui peut être comprise habituellement entre 20.000 Hz et 70.000 Hz.

Sous l'excitation d'un signal sinusoïdal appliqué aux céramiques (de quelques centaines de volts à quelques milliers de volts), celles-ci se déforment en se contractant. L'accord en fréquence du triplet ou de l'ensemble acoustique (triplet de Langevin qui peut s'appeler communément convertisseur ou émetteur) est obtenu quand la consommation électrique est minimale avec un déplacement maximal des masses mises en mouvement. Pour cela, la fréquence électrique du signal appliqué au triplet doit être en concordance avec sa fréquence de résonance mécanique. Un exemple simple est celui d'une cloche d'église de plusieurs tonnes qui peut être mise en mouvement par un seul homme. Cette vibration ainsi créée dans les céramiques est transmise aux deux masses métalliques. L'amplitude du déplacement des masses métalliques peut être de quelques microns à plus de 20 microns crête/crête. Le déplacement peut être augmenté en rajoutant un booster (amplificateur mécanique accélérant la propagation de l'onde de vibration ainsi créée) et une sonotrode, qui est en fait l'outil où sera utilisée cette vibration. L'amplitude du déplacement obtenu peut atteindre facilement 100 microns, le rendement électrique est exceptionnel, pouvant atteindre 95 à 98 %. Sans cette invention l'industrie n'exploiterait pas cette technologie. Leur comportement est dû à leurs interactions avec le milieu ou elles se propagent.

Dans le monde animal

De nombreux animaux, comme par exemple les chiens ou les chauve-souris, peuvent entendre ces sons. Certains peuvent en émettre : les chauves-souris émettent des ultrasons qui se répercutent sur les objets environnants, ce qui leur permet ainsi de percevoir leur environnement (voir écholocation).

Comme les cétacés, les chiroptères et certains rongeurs, Amolops tormotus est une espèce de grenouille chinoise capable d'émettre et de percevoir des ultrasons, de plus de 100 kHz. C'est la seule espèce non mammifère connue ayant cette propriété. Elle vit près des sources d'eau chaude de Huangshan. Le mâle pousse des cris semblables à un chant d'oiseau et possède un tympan concave.

Applications

Les applications des ultrasons sont variées :

• en médecine, avec notamment l'échographie et la thermothérapie par ultrasons focalisés ;
• en laboratoire (biologie, chimie, etc.) : la sonication est l'utilisation d'ultra-sons pour rompre les membranes cellulaires ou des agrégats moléculaires, pour nettoyer ou désinfecter du matériel, en utilisant un sonicateur, par exemple ;
• dans l'industrie, par exemple pour les essais non destructifs de matériaux, pour la coupe ou soudure des thermoplastiques (non-tissé, ruban,sangle, PE et PP), la soudure des métaux non ferreux (Cuivre/aluminium par exemple) nettoyage par U.S l'une des toutes premières applications industrielles ; en alimentaire pour la découpe des fromages, des pâtes, viandes, poissons, gâteaux à très haute vitesse et sans pertes ;
• pour la manipulation et caractérisation des particules - Une expérience scientifique a permis de découvrir l'action de piégeage des fibres de pâte à papier en suspension dans l'eau et leur orientation parallèle aux plans équidistants de pression acoustique produits dans un champ d'ondes stationnaires ultrasonores^[1]. Le temps d'orientation fournit un moyen de mesure rapide de la longueur moyenne de ces fibres. Une autre application de cet effet sont les brucelles acoustiques (acoustic tweezers) où deux champs d'ondes de surface stationnaires piègent les particules aux intersections des plans équidistants de pression acoustique. Les domaines d'utilisation possibles sont les sciences des matériaux, la biologie, la physique, la chimie et la nanotechnologie.
• en agriculture, par vibration (nébullisation) de l'eau qui se transforme en aérosol et alimente le système racinaire et en oxygène ;
• en télémétrie, le sonar pour mesurer les distances; par exemple, dans l'industrie automobile, afin d'éviter les obstacles ;
• calcul du débit par ultrason (via le temps de transit ou effet doppler^[2]) ;
• pour certaines activités de loisir, par exemple pour créer des brouillards d'eau ;
• en coiffure pour les implants de rallonges capillaires ;
• pour chasser des animaux réputés nuisibles, tels les rongeurs, sans produit chimique toxique (générateurs Pest Chaser) ; Les avis sont partagés sur l'impact écologique qu'ont de telles pratiques...
• en téléphonie, comme sonnerie inaudible, appelée aussi « ultrasonnerie », « ultra-sonnerie » ou « sonnerie anti-adulte », car les sons de fréquences élevées deviennent inaudibles pour les adultes à partir de 25 ans environ. On l'appelle parfois « teen buzz » ou « sonnerie mosquito », en référence aux moustiques ; Il s'agit cependant dans ce cas d'une appellation de mercatique (marketing). Par définition, les vrais ultrasons sont inaudibles pour n'importe quel être humain sans systèmes de conversion...

En avril 2008, une polémique est née suite à la commercialisation en Europe d'un appareil destiné à éloigner les jeunes de certains endroits, en émettant des fréquences proches de l'ultrason, perceptibles seulement par des individus jeunes ce qui est en vrai en théorie mais pas en pratique. En effet, l'audition humaine perd la faculté d'entendre les sons aigus avec l'âge. Néanmoins, suivant les personnes et surtout suivant l'hygiène de vie acoustique (écouteurs de baladeur trop forts ou soirées musicales trop fortes endommagent irrémédiablement l'audition), des personnes plus âgées peuvent entendre des sons plus aigus que certains jeunes. Le procédé se heurte à une opposition importante, tant pour des raisons éthiques que médicales et de nombreuses voix s'élèvent pour en demander l'interdiction.^{[réf. nécessaire]}

Notes et références

1. ↑ Ultrasonic inspection of fiber suspensions by Jean-Luc Dion, Alessandro Malutta and Paolo Cielo, The Journal of the Acoustical Society of America, Volume 72, Issue 5, November 1982, pp.1524-1526.
2. ↑ Principe de mesure du débit par ultrasons

Voir aussi

Articles connexes

• Écholocation
• Pollution sonore
• infrason
• Hyperson
• Bruit
• bain à ultrasons