Ultrason

Le domaine ultrasonore, c'est-à-dire la gamme de fréquences dans laquelle se situent les ultrasons, est comprise entre 16 000 Hertz et 1 000 000 Hertz (ou 1 MHz). On peut cataloguer les différents ultrasons en fonction de leur fréquence. Il est divisé en deux catégories. Ainsi, on distingue[2] :

• les ultrasons de puissance, de fréquence comprise entre 16 kHz et 1 MHz. Ils peuvent entraîner des modifications physiques et chimiques (décapage, dégazage, émulsification, modification de mécanisme réactionnel, production de radicaux libres) ;
• les ultrasons de diagnostic, de fréquence comprise entre 1 et 10 MHz. Ils permettent de déterminer les caractéristiques physicochimiques du milieu qu'ils traversent. Ces propriétés sont utilisées en imagerie médicale et en contrôle non destructif de matériaux.

Les ultrasons de puissance sont également divisés en 2 parties[3] :

• les ultrasons de basses fréquences (16 à 100 kHz),
• les ultrasons de hautes et de très hautes fréquences (supérieure à 100 kHz pour les hautes fréquences et à 1 MHz pour les très hautes fréquences).

Paul Langevin.

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.

Ce n'est qu'en 1917, sous l'influence des nécessités de la lutte anti-sous-marine, qu'est apparu le premier générateur d'ultrasons. Les Allemands ont positionné leurs U-boot, premiers sous-marins de combats réellement en service, autour de la Grande-Bretagne, coulant tout navire qui s’y dirigerait. Le sonar, alors appelé ASDIC, est envisagé. Le système est simple, des ultrasons, ondes très peu absorbées par l’eau, sont envoyés dans la mer, s’ils rencontrent un obstacle, ils sont renvoyés au navire, ainsi informé de la position de l’ennemi. Seulement, on ne sait pas encore produire ces ultrasons. Un français réfugié, Paul Langevin, physicien renommé, travaille depuis 1915 sur ce problème, et y remédie en créant le premier générateur d’ultrasons, depuis désigné sous le nom de « triplet Langevin »[1].

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 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. Une analogie simple est celle d'une cloche d'église de plusieurs tonnes pouvant 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.

Comportement d’une pastille piézoélectrique.

Actuellement, trois types d'émetteurs sont utilisés pour générer des ultrasons, utilisant la transformation de l'énergie électrique transportée par des courants alternatifs de fréquence élevée en énergie mécanique (oscillations d'un système mécanique)[1].

Les générateurs piézoélectriques

Les émetteurs magnétostrictifs

Principe de la magnétostriction

Ces émetteurs utilisent le principe de la magnétostriction : des corps ferromagnétiques (par exemple de type tôles de nickel) sont placés dans un champ magnétique variable. Il permet d'obtenir une contraction des corps assez importante, qui se transmet dans le milieu ambiant, généralement aérien. L'avantage de ses émetteurs est leur robustesse, leur inconvénient, ils ne permettent pas de produire des ultrasons de fréquence supérieure à 50 000 Hz[1].

Les émetteurs électrostrictifs

Les applications des ultrasons sont variées :

Le repérage d'obstacles

L'utilisation industrielle

L'utilisation des ultrasons en médecine

Une utilisation parfois controversée

De nombreux animaux vertébrés terrestres[7], comme les chiens, certains rongeurs[8]^,[9] ou les chauve-souris, peuvent entendre certaines gammes d'ultrasons et/ou les utiliser pour communiquer[10]. Les ultrasons en jeu dans le monde animal sont étudiés par la bioacoustique, qui a montré que de nombreux animaux utilisent des sons émis au-delà de la limite supérieure de l'audition humaine. Les hautes fréquences confèrent certains avantages à la communication et des possibilités telles que l'écholocation[11].

Émission et réception d'ultrasons chez les cétacés (principe de l'écholocalisation).

Certains peuvent en émettre : les chauve-souris émettent des ultrasons qui se répercutent sur les objets environnants, ce qui leur permet ainsi de percevoir leur environnement (voir écholocalisation). Les souriceaux perçoivent des ultrasons émis par leur mère allaitante[12].

Il en va de même chez les cétacés (baleines, dauphins[13]), qui utilisent les sons à très haute fréquence pour communiquer et percevoir leur environnement.

Pendant longtemps l'on a considéré la production et la perception d’ultrasons possibles uniquement chez les mammifères[14]^,[15]^,[16]. Selon les données disponibles dans les années 1970, les oiseaux n'entendraient pas les sons dont la fréquence dépasse 12 kHz selon Konishi (1973), et selon les données disponibles dans années 1980, l'audition des amphibiens étaient limités à 5 kHz (selon Fay 1988[17] ou 8 selon Loftus-Hills, 1970[18]). Cependant des chercheurs ont ensuite constaté qu'un oiseau[19] et des amphibiens anoures[20]^,[21]^,[22]^,[23] sont capables de les percevoir[24]. La grenouille Odorrana tormota et un passereau chanteur Abroscopus albogularis vivant près de torrents bruyants insèrent dans leur chant des harmoniques d'ultrasons. Ainsi, la grenouille Odorrana tormota est capable d'émettre et de percevoir des ultrasons, de plus de 100 kHz. C'est la première espèce non mammifère dotée de cette propriété à avoir été découverte. Le mâle pousse des cris semblables à un chant d'oiseau et possède une anatomie de l'oreille inhabituelle, avec notamment un tympan concave.

Il a par ailleurs été démontré que chez certains animaux (la souris par exemple) le cerveau comportait une zone dédiée à l'interprétation des ultrasons perçus par l'animal[25].

Plusieurs méthodes d'effarouchement d'espèces jugées indésirables dans certains contextes reposent sur la diffusion d'ultrasons[26], y compris pour les oiseaux quand la diffusion se fait au-delà d'une certaine puissance[27]. Certains animaux pourraient ainsi et pour d'autres raisons être victimes d'une pollution sonore inaudible par l'humain. On a par exemple constaté que les chauve-souris butineuses (qui jouent un rôle majeur pour la fécondation de certaines plantes) évitent les zones bruyantes[28], qui probablement les perturbent dans le repérage des fleurs. Pour d'autres espèces de chiroptères, le bruit pourrait gêner leur perception auditive[29]^,[30]^,[31] (et notamment la perception de leurs proies, ou de certains obstacles ou prédateurs).

Concernant l'autre côté du spectre sonore, quelques espèces, dont le pigeon, sont sensibles aux infra-sons, qui peuvent endommager leur oreille interne[32].

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