Ultrason

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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). La gamme de fréquences des ultrasons se situe entre 16 000 et 10 000 000 Hertz.

Le nom vient du fait que leur fréquence est trop élevée pour être audible pour l'oreille humaine (le son est trop aigu: la gamme de fréquences audibles par l'Homme se situe entre 20 et 20 000 Hertz), de la même façon que les infrasons désignent les sons dont la fréquence est trop faible pour être perceptible par l'oreille humaine.

L'utilisation des ultrasons est très variée et est fonction de leur fréquence: diagnostic médical, nettoyage de pièces (voir Bain à ultrasons), le dégazage de liquide, l'extraction végétale.

Histoire[modifier | modifier le code]

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 »[modifier | modifier le code]

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. 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.

Le domaine ultrasonore[modifier | modifier le code]

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

  • les ultrasons de puissance compris 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 1 à 10 MHz. Ils permettent de déterminer las caractéristiques physico-chimiques 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[2]:

  • 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).

Dans le monde animal[modifier | modifier le code]

De nombreux animaux vertébrés terrestres[3], comme les chiens ou les chauve-souris, peuvent entendre certaines gammes d'ultrasons et/ou les utiliser pour communiquer[4]. (de 15 kHz ou plus jusqu'à 200 kHz selon les espèces[4], dans une gamme de sons inaudibles par l'homme sans appareils spéciaux de détection/transduction[5]). Les utrasons 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[6].

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 écholocation). Les souriceaux perçoivent des ultrasons émis par leur mère allaitante[7] et il a été montré que le cerveau de certains animaux (souris par exemple) comportait une zone dédiée à l'interprétation des ultrasons perçus par l'animal[8].

Les oiseaux ont longtemps été considérés comme insensibles ou peu sensibles aux ultra-sons (pour ceux qui ont été testés et dans les conditions où ils ont été testés)[9],[10],[11]. Selon les données disponibles dans les années 1970, les oiseaux n'entendraient pas le 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 (selon Fay 1988[12] ou 8 selon Loftus-Hills, 1970[13]), mais des chercheurs ont ensuite constaté qu'un oiseau[14] et des amphibiens[15],[16] (dont un anoure de Bornéo[17] et un autre de Chine émettent des harmoniques ultrasonores, intégrées dans leur chant audible[18]. La grenouille Odorrana tormota (autrefois nommée Amolops tormotus) et un passereau chanteur Abroscopus albogularis vivant près de torrents bruyants insèrent dans leur chant des harmoniques d'ultrasons. sont capables de générer des composants sonores d'appels à ultrasons et devraient stimuler la recherche d'espèces ultrasons supplémentaires

Comme les cétacés (baleines, dauphins[19]), les chiroptères et certains rongeurs[20],[21] et amphibiens anoures[22],[23] (par exemple avec Amolops tormotus, une grenouille vivant dans le centre de la Chine capable d'émettre et de percevoir des ultrasons, de plus de 100 kHz. C'est la première espèce non mammifère à avoir été découverte, dotée de 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 une anatomie de l'oreille inhabituelle, avec notamment un tympan concave.

Plusieurs méthodes d'effarouchement d'espèces jugées indésirables dans certains contexte reposent sur la diffusion d'ultrasons[24], y compris pour les oiseaux quand la diffusion se fait au-delà d'une certaine puissance[25]. 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[26], qui probablement les perturbent dans le repérage des fleurs. Pour d'autres espèces de chiroptère, le bruit pourrait les gêner leur perception auditive[27],[28],[29] (et notamment la perception de leurs proies, ou de certains obstacles ou prédateurs).

(Remarque : concernant l'autre côté du spectre sonore, quelques espèces, dont par exemple le pigeon sont sensibles aux infra-sons, qui peuvent endommager leur oreille interne[30])

Applications[modifier | modifier le code]

Les applications des ultrasons sont variées :

  • en esthétique, avec des ultrasons basse fréquence (avec ou sans cavitation) ou haute fréquence pour permettre la vidange des adipocytes par combinaison des effets mécaniques et thermiques des ultrasons. L'application externe est réalisés sur la peau avec un gel conducteur d'ultrasons similaire à ceux utilisés lors des échographies[31].
  • en kinésithérapie pour de nombreuses applications [32]
  • 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 bain à ultrasons, 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[33]. 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[34]) ;
  • 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...
  • Contrôle des algues par ultrasons. Les cellules des algues commencent à osciller à la fréquence des ondes acoustiques. La pression du son provoque la rupture de la cellule de l'algue qui finit par mourir[35].
  • barriques de vin, avec des ultrasons à haute puissance, le tartre accumulé dans une barrique ou fût de vin durant plusieurs élevages est détruit par les ultrasons. Durant le traitement de détartrage les ultrasons rompent les parois cellulaires des bactéries et levures libérant de nouveau les arômes du bois qui peuvent boiser les vins[36].

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[37].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Chemat, F. Eco-Extraction du végétal - Procédés innovants et solvants alternatifs DUNOD, 2011, p91-118
  2. PETRIER, C., GONDREXON, N. et BOLDO, P. Ultrasons et sonochimie. TECHNIQUES DE L'INGENIEUR. 2008
  3. Arch, V. S., & Narins, P. M. (2008). “Silent” signals: Selective forces acting on ultrasonic communication systems in terrestrial vertebrates. Animal behaviour, 76(4), 1423.
  4. a et b Pye, J. D., & Langbauer Jr, W. R. (1998). Ultrasound and infrasound. In Animal acoustic communication (p. 221-250). Springer Berlin Heidelberg.
  5. Pye, J. D., & Flinn, M. (1964). Equipment for detecting animal ultrasound. Ultrasonics, 2(1), 23-28.
  6. Pye, J. D. (1979). Why ultrasound?. Endeavour, 3(2), 57-62. (résumé)
  7. Ehret G, Haack B. Categorical perception of mouse pup ultrasound by lactating females. Naturwissenschaften. 1981;68:208–209.
  8. Stiebler, I. (1987). A distinct ultrasound-processing area in the auditory cortex of the mouse. Naturwissenschaften, 74(2), 96-97 (Lien vers l'éditeur springer)
  9. Schwartzkopff J. On the hearing of birds. Auk. 1955;72:340–347.
  10. Beason, R. C. (2004), What Can Birds Hear?. USDA National Wildlife Research Center-Staff Publications, 78., PDF, 6 pp
  11. Dooling RJ. Auditory perception in birds. In: Kroodsma DE, Miller EH, editors. Acoustic Communication in Birds. New York: Academic Press; 1982. p. 95–129.
  12. Fay RR (1988), Hearing in Vertebrates: A Psychophysics Databook Hill- Fay, Winnetka, IL
  13. Loftus-Hills J.J, Johnstone B.M (1970),Auditory function, communication, and the brain-evoked response in anuran amphibians ; J. Acoust. Soc. Am 47 1131–1138. doi:10.1121/1.1912015 (résumé")
  14. Pytte CL, Ficken MS et Moiseff A (2004), Ultrasonic singing by the blue-throated hummingbird: a comparison between production and perception J. Comp. Physiol. A 190 665–673 (résumé).
  15. Feng AS, Narins PM, Xu CH, Lin WY, Yu ZL, Qiu Q., ... & Shen JX (2006), Ultrasonic communication in frogs. Nature, 440(7082), 333-336.
  16. Shen, J. X., Feng, A. S., Xu, Z. M., Yu, Z. L., Arch, V. S., Yu, X. J., & Narins, P. M. (2008). Ultrasonic frogs show hyperacute phonotaxis to female courtship calls. Nature, 453(7197), 914-916 (résumé).
  17. Arch, V. S., Grafe, T. U., & Narins, P. M. (2008). Ultrasonic signalling by a Bornean frog. Biology Letters, 4(1), 19-22.
  18. Narins, P. M., Feng, A. S., Lin, W., Schnitzler, H. U., Denzinger, A., Suthers, R. A., & Xu, C. (2004). Old World frog and bird vocalizations contain prominent ultrasonic harmonics. The Journal of the Acoustical Society of America, 115, 910.
  19. Au WWL (1993), The Sonar of Dolphins ~ Springer-Verlag, New York
  20. Sewell GD (1970), Ultrasonic communication in rodents. Nature. ;227:410.
  21. Nyby, J., & Whitney, G. (1978). Ultrasonic communication of adult myomorph rodents. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 2(1), 1-14 (résumé)
  22. Feng, A. S., Narins, P. M., Xu, C. H., Lin, W. Y., Yu, Z. L., Qiu, Q., ... & Shen, J. X. (2006). Ultrasonic communication in frogs. Nature, 440(7082), 333-336.
  23. Shen, J. X., Feng, A. S., Xu, Z. M., Yu, Z. L., Arch, V. S., Yu, X. J., & Narins, P. M. (2008). Ultrasonic frogs show hyperacute phonotaxis to female courtship calls. Nature, 453(7197), 914-916.
  24. ex. : Lenhardt, M. L., & Ochs, A. L. (2001). U.S. Patent No. 6,250,255. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.
  25. Hamershock, D. M. (1992). Ultrasonics as a method of bird control (No. WL-TR-92-3033). WRIGHT LAB WRIGHT-PATTERSON AFB OH.
  26. Schaub, A., Ostwald, J., & Siemers, B. M. (2008).Foraging bats avoid noise ; Journal of Experimental Biology, 211(19), 3174-3180.
  27. Huebner, M. and Wiegrebe, L. (2003). The effect of temporal structure on rustling-sound detection in the gleaning bat, Megaderma lyra. J. Comp. Physiol. A 189,337 -346.
  28. Goerlitz, H. R., Greif, S. and Siemers, B. M. (2008). Cues for acoustic detection of prey: insect rustling sounds and the influence of walking substrate. J. Exp. Biol. 211,2799 -2806.
  29. Griffin, D. R. and Grinnell, A. D. (1958). Ability of bats to discriminate echoes from louder noise. Science 128,145 -147
  30. Stahle, J. (1964). Some Effects of Ultrasound on the Inner Ear: Morphological and functional studies on the domestic pigeon. Acta Oto-Laryngologica, 58(S192), 192-198.
  31. Électrothérapie et physiothérapie, éditions ELSEVIER MASSON, Francis CREPON, oct 2012
  32. http://www.courskine.fr/ultra_sons_350.htm
  33. 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, p. 1524-1526.
  34. Principe de mesure du débit par ultrasons
  35. LG Sonic Controle d'algues avec ultrasons
  36. Comparaison de procédés de nettoyage des fûts
  37. http://lci.tf1.fr/france/societe/2008-04/appareil-anti-jeunes-fait-tolle-4888598.html

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]