Ultrason

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L'ultrason est une onde mécanique et élastique, qui se propage au travers de supports fluides, solides, gazeux ou liquides. La gamme de fréquences des ultrasons se situe entre 20 000 et 10 000 000 Hertz, trop élevées pour être perçues par l'oreille humaine.

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.

Les ultrasons sont utilisés dans l'industrie ainsi que dans le domaine médical[1].

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). 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 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 les 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[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).

Histoire[modifier | modifier le code]

Photographie de Paul Langevin - date inconnue

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.

Mais ce n'est qu'en 1917, sous l'influence des nécessités pressantes 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 dirigerai. Le sonar, alors appelé “asdic”, est envisagé. Le système est simple, des ultrasons, ondes très peu absorbés par l’eau, sont envoyés dans la mer, s’ils rencontrent un obstacle, ils sont renvoyés aux navire, ainsi informé de la position de l’ennemi. Seulement, on ne sait pas encore produire ces ultrasons. Un français réfugié sur la terre du Roi George V, 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 « triplet 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 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.

La production des ultrasons[modifier | modifier le code]

Illustration du 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[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Piézoélectricité.

L'élément essentiel de ce type de générateur est constitué d'un triplet, c'est à dire d'une mosaïque de lamelles de quartz d'orientation et d'épaisseur rigoureusement identiques, collées entre deux disques d'acier. Ces deux disques sont reliés aux bornes d'une source de courant alternatif. Les lamelles de quartz sont alors déformées à la même fréquence que celle de la tension qui leur est appliquée. Elles produisent des vibrations mécaniques qui sont transmises au milieu dans lequel se trouve l'appareil[1]. C'est cette méthode que Langevin utilisa pour créer les premiers émetteurs.

Les émetteurs magnétostrictifs[modifier | modifier le code]

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 éléctrostrictifs[modifier | modifier le code]

Le fonctionnement de ces émetteurs est proche des émetteurs magnétostrictifs, à la différence que les corps utilisés sont des céramiques placées dans un champ électrique variable. Les dimensions du corps varient alors, entraînant un mouvement mécanique des molécules d'air : des ultrasons.

Applications[modifier | modifier le code]

Les applications des ultrasons sont variées.

Le repérage d'obstacles[modifier | modifier le code]

La première utilisation des ultrasons fut le repérage de bâtiments sous-marins ennemis. Le principe de cette méthode est simple : les ultrasons se réfléchissent sur un obstacle et reviennent à leur point de départ en produisant un écho : connaissant le temps séparant l'émission de l'onde et la réception de l'écho et la vitesse de l'ultrason dans l'eau de mer (environ 1 500 m/s), il est facile d’en déduire la distance séparant l’émetteur de l’obstacle. Cette méthode n’est plus seulement militaire et a été adaptée à tout types de repérages d’obstacles.

L'utilisation industrielle[modifier | modifier le code]

En métallurgie, les ultrasons sont utilisés pour le dégazage des métaux, la détection de défauts, pour l'usinage, et la soudure de certains matériaux. Un foret solidaire de la partie mobile d'un générateur d'ultrasons peut-être utilisé pour le perçage, en effectuant des mouvements de va-et-vient à la fréquence des ultrasons. Une précision de quelques micromètres est obtenue, et ce même dans des matières extrêmement dures.

Les ultrasons sont également  employés pour la stérilisation de certains liquides, notamment du lait, la prospection de gisements minéraux, la déflagration d'explosifs commandée à distance, le nettoyage de certains corps, tels que les fûts de bois utilisé pour la fabrication du vin, et la soudure de matières plastiques.

L'utilisation des ultrasons en médecine[modifier | modifier le code]

Les ultrasons sont utilisés dans le diagnostic et le traitement de différentes affections.

Dans un but diagnostique, les ultrasons sont employés par l'échographie, qui explore les organes internes mous ou remplis de liquide par la réflexion et l'analyse d'un faisceau d'ultrasons, et par le Doppler ; cette dernière technique étudie la vitesse de la circulation artérielle et veineuse au moyen d'une sonde émettrice d'ultrasons qui se réfléchissent sur les globules rouges puis sont recueillis par un récepteur situé sur la même sonde.

Dans un but thérapeutique, les ultrasons sont exploités dans le traitement symptomatique d'infections des tissus mous (muscles, ligaments, tendons). Cette technique, appelée ultrasonothérapie, fait appel à des ondes de haute fréquence permettant de réduire l'inflammation en améliorant la circulation locale. Les ultrasons sont également utilisés  pour fragmenter des calculs, surtout urinaires, par voie externe, avec une technique appelée lithotripsie.

Une utilisation parfois controversée[modifier | modifier le code]

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 baladeurs 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[4].

Dans le monde animal[modifier | modifier le code]

De nombreux animaux vertébrés terrestres[5], comme les chiens, certains rongeurs[6],[7] ou les chauve-souris, peuvent entendre certaines gammes d'ultrasons et/ou les utiliser pour communiquer[8]. (de 15 kHz ou plus jusqu'à 200 kHz selon les espèces[8], dans une gamme de sons inaudibles par l'homme sans appareils spéciaux de détection/transduction[9]). 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[10].

Émission et récéption 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[11].

Il en va de même chez les cétacés (baleines, dauphins[12]), 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[13],[14],[15]. 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 kHz (selon Fay 1988[16] ou 8 selon Loftus-Hills, 1970[17]). Cependant des chercheurs ont ensuite constaté qu'un oiseau[18] et des amphibiens anoures[19],[20][21],[22] sont capables de les percevoir[23]. 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[24].

Plusieurs méthodes d'effarouchement d'espèces jugées indésirables dans certains contexte reposent sur la diffusion d'ultrasons[25], y compris pour les oiseaux quand la diffusion se fait au-delà d'une certaine puissance[26]. 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[27], qui probablement les perturbent dans le repérage des fleurs. Pour d'autres espèces de chiroptère, le bruit pourrait les gêner leur perception auditive[28],[29],[30] (et notamment la perception de leurs proies, ou de certains obstacles ou prédateurs).

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[31].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a, b, c, d et e « Ultrason », sur Encyclopédie Larousse [en ligne] (consulté le 8 mars 2015)
  2. Chemat, F. Eco-Extraction du végétal - Procédés innovants et solvants alternatifs DUNOD, 2011, p91-118
  3. PETRIER, C., GONDREXON, N. et BOLDO, P. Ultrasons et sonochimie. TECHNIQUES DE L'INGENIEUR. 2008
  4. http://lci.tf1.fr/france/societe/2008-04/appareil-anti-jeunes-fait-tolle-4888598.html
  5. Arch, V. S., & Narins, P. M. (2008). “Silent” signals: Selective forces acting on ultrasonic communication systems in terrestrial vertebrates. Animal behaviour, 76(4), 1423.
  6. Sewell GD (1970), Ultrasonic communication in rodents. Nature. ;227:410.
  7. Nyby, J., & Whitney, G. (1978). Ultrasonic communication of adult myomorph rodents. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 2(1), 1-14 (résumé)
  8. a et b Pye, J. D., & Langbauer Jr, W. R. (1998). Ultrasound and infrasound. In Animal acoustic communication (p. 221-250). Springer Berlin Heidelberg.
  9. Pye, J. D., & Flinn, M. (1964). Equipment for detecting animal ultrasound. Ultrasonics, 2(1), 23-28.
  10. Pye, J. D. (1979). Why ultrasound?. Endeavour, 3(2), 57-62. (résumé)
  11. Ehret G, Haack B. Categorical perception of mouse pup ultrasound by lactating females. Naturwissenschaften. 1981;68:208–209.
  12. Au WWL (1993), The Sonar of Dolphins ~ Springer-Verlag, New York
  13. Schwartzkopff J. On the hearing of birds. Auk. 1955;72:340–347.
  14. Beason, R. C. (2004), What Can Birds Hear?. USDA National Wildlife Research Center-Staff Publications, 78., PDF, 6 pp
  15. Dooling RJ. Auditory perception in birds. In: Kroodsma DE, Miller EH, editors. Acoustic Communication in Birds. New York: Academic Press; 1982. p. 95–129.
  16. Fay RR (1988), Hearing in Vertebrates: A Psychophysics Databook Hill- Fay, Winnetka, IL
  17. 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")
  18. 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).
  19. 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.
  20. 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.
  21. Feng AS, Narins PM, Xu CH, Lin WY, Yu ZL, Qiu Q., ... & Shen JX (2006), Ultrasonic communication in frogs. Nature, 440(7082), 333-336.
  22. 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).
  23. 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.
  24. 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)
  25. ex. : Lenhardt, M. L., & Ochs, A. L. (2001). U.S. Patent No. 6,250,255. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.
  26. Hamershock, D. M. (1992). Ultrasonics as a method of bird control (No. WL-TR-92-3033). WRIGHT LAB WRIGHT-PATTERSON AFB OH.
  27. Schaub, A., Ostwald, J., & Siemers, B. M. (2008).Foraging bats avoid noise ; Journal of Experimental Biology, 211(19), 3174-3180.
  28. 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.
  29. 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.
  30. Griffin, D. R. and Grinnell, A. D. (1958). Ability of bats to discriminate echoes from louder noise. Science 128,145 -147
  31. 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.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]