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ultrason

Vibration de même nature que le son, mais de fréquence trop élevée (plus de 20 kHz à plusieurs centaines de mégahertz) pour que l'oreille humaine puisse la percevoir. (Les ultrasons ont de nombreuses applications : sonar, écholocation, échographie médicale, contrôle non destructif industriel.)

ACOUSTIQUE

Les ultrasons sont des vibrations de fréquence comprise de 15 à 20 kHz et plusieurs milliers de kilohertz. Pour les produire ou les détecter on utilise les phénomènes de piézoélectricité ou de magnétostriction. Les applications des ultrasons sont nombreuses : détection sous-marine ; sonar ; échographie ; usinage de pièces, exploration de la surface d'un matériau ; localisation des défauts à l'intérieur d'une pièce ; mesure de l'épaisseur des matériaux.

Par leurs actions mécanique et thermique, les ultrasons trouvent aussi des applications en chimie et en biologie, par exemple : réalisation d'émulsions stables, de mélanges, coagulation de particules, nettoyage de pièces placées dans un liquide. Leurs propriétés de propagation quasi optiques sont utilisées dans le microscope acoustique ou pour produire des hologrammes.

La production des ultrasons

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. Actuellement trois phénomènes sont utilisés ; dans les trois cas l'énergie électrique transportée par des courants alternatifs de fréquence élevée est transformée en énergie mécanique (oscillations d'un système mécanique).

Les générateurs piézoélectriques

La piézoélectricité a été utilisée par Langevin pour réaliser un générateur d'ultrasons dans lequel l'élément essentiel est constitué par une sorte de mosaïque de lamelles de quartz, d'orientation et d'épaisseur rigoureusement identiques, collées entre deux disques d'acier. L'ensemble est appelé un triplet. On relie les deux disques métalliques aux deux bornes d'une source de courant alternatif. Les lames de quartz présentent la propriété de se déformer 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.

Les émetteurs magnétostrictifs

Les émetteurs magnétostrictifs constituent une application d'une propriété des corps ferromagnétiques qui consiste en une variation des dimensions du corps lorsque celui-ci est placé dans un champ magnétique variable (magnétostriction). Par exemple, on peut utiliser un empilement de tôles de nickel et le placer à l'intérieur de deux enroulements, l'un parcouru par un courant continu (pour obtenir un champ magnétique constant convenable), l'autre parcouru par un courant alternatif (pour produire un champ magnétique variable). Le champ résultant permet d'obtenir une contraction relative assez importante et donc une vibration d'amplitude assez grande. Ces émetteurs sont très robustes mais ils ne permettent pas de produire des ultrasons de fréquence supérieure à 50 000 Hz.

L'électrostriction

L'électrostriction de certaines céramiques (titanate de baryum, zirconate de baryum ou de plomb) consiste en une variation des dimensions du corps lorsque celui-ci est placé dans un champ électrique variable. L'utilisation de cette propriété permet d'obtenir des vibrations ultrasonores.

La détection des ultrasons

La détection et la mesure des ultrasons sont réalisées au moyen d'appareils divers. Les phénomènes piézoélectriques, magnétostrictifs et électrostrictifs étant réversibles, les dispositifs utilisés à l'émission peuvent constituer des récepteurs. Dans ce cas, les vibrations mécaniques engendrent une tension électrique de même fréquence que les ultrasons à détecter et c'est cette tension qui est étudiée. Les ultrasons exercent une pression de radiation qui devient appréciable quand l'énergie de rayonnement est suffisamment grande. La poussée qui est alors exercée sur une petite palette de surface connue peut être mesurée. Les ultrasons sont aussi détectés au moyen de différents dispositifs interférométriques ou d'appareils conçus pour étudier les ondes stationnaires.

Les propriétés des ultrasons

La possibilité de produire des ultrasons de fréquence et de puissance toujours plus grandes a permis de mettre en évidence des propriétés spécifiques aux ondes ultrasonores. La vitesse de propagation dans les gaz, d'abord égale à celle des sons audibles, croît rapidement avec la fréquence ; elle se stabilise ensuite à une nouvelle valeur. Dans les liquides, de fortes puissances font apparaître des phénomènes de cavitation ultrasonore sous l'influence de variations de pression que provoque le passage de l'onde. Dans certains liquides tels que la glycérine et le nitrobenzène, la propagation s'accompagne de luminescence. Les variations de pression provoquent aussi des changements d'indice de réfraction dans le liquide ; cela explique les phénomènes de diffraction que l'on constate lorsqu'un pinceau lumineux chemine normalement à la direction de propagation d'une onde ultrasonore. Dans un milieu homogène et isotrope, les ultrasons se propagent en ligne droite.

Dans le domaine chimique, les ultrasons améliorent les propriétés catalytiques de certains corps, font cesser les états d'équilibre instable, provoquent la division des macromolécules d'amidon et de gélatine (par dépolymérisation elles se transforment en molécules plus petites). En biologie, sous l'action de ces ondes on observe la désagrégation de noyaux cellulaires, l'éclatement des hématies et l'arrêt des fermentations. L'exploitation de ce domaine peut conduire à d'importantes applications en médecine.

Les applications des ultrasons

Le repérage d'obstacles

En 1917, Langevin met au point le premier projecteur ultrasonore permettant d'obtenir des faisceaux suffisamment intenses et bien dirigés ; cet appareil est destiné à détecter les 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, d'une part, le temps séparant l'émission de l'onde et la réception de l'écho, d'autre part la vitesse de l'ultrason dans l'eau de mer (environ 1 500 m/s), il est facile de déduire la distance de l'obstacle dans la direction du faisceau. Cette méthode a été adaptée à d'autres problèmes : repérage d'obstacles tels que les icebergs, sondage, téléphonie sous-marine, repérage des bancs de poissons. Lors de la guerre de 1939-1945, le problème du repérage des sous-marins est redevenu d'actualité et de nombreux appareils appelés « asdics » puis « sonars » ont été construits.

L'utilisation industrielle

En métallurgie, les ultrasons sont utilisés pour le dégazage des métaux, pour la détection de défauts, pour l'usinage et la soudure de certains matériaux. Pour le perçage, un foret solidaire de la partie mobile d'un générateur d'ultrasons effectue des mouvements de va-et-vient à la fréquence des ultrasons. Bien que facilitée par la présence d'une pâte abrasive, cette opération est cependant relativement lente. Une précision de quelques micromètres est obtenue très facilement. De surcroît les matières les plus dures peuvent être percées par ce moyen.

Les ultrasons sont employés également pour l'amélioration des émulsions photographiques, 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 et la soudure entre elles de matières plastiques souples ou rigides. Au point de vue médical, des succès ont déjà été obtenus dans le traitement des névralgies, de certains spasmes d'origine neurovégétative, de certaines formes d'artériosclérose. Les ultrasons ont été utilisés pour déterminer des lésions localisées de certains organes ou tissus (les ultrasons sont plus ou moins absorbés durant leur trajet à travers les tissus humains). Cette méthode d'étude a notamment été employée pour la recherche d'anomalies dans la boîte crânienne, au niveau des cordes vocales, pour l'observation de l'œil et pour des observations gynécologiques (en début de grossesse). Des cannes spéciales pour aveugles contiennent un émetteur d'ultrasons ; un récepteur recevant les ondes réfléchies par un obstacle utilise leur énergie pour la production de sons audibles.

L'utilisation des ultrasons en médecine

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'affections des tissus mous (muscles, ligaments, tendons). Cette technique, appelée ultrasonothérapie, qui fait appel à des ondes de haute fréquence, permet de réduire l'inflammation en améliorant la circulation locale. Les ultrasons sont également utilisés par une technique, appelée lithotripsie, pour fragmenter des calculs, surtout urinaires, par voie externe.