Généralité sur les ultrasons

Définition
Les ultrasons se définissent comme des ondes mécaniques qui nécessitent un milieu matériel élastique, solide, liquide ou gazeux pour se propager. Elles sont de même nature que les sons mais leur fréquence est trop élevée (entre 20 KHz et 20 MHZ).

Classification des sons selon la fréquence
L’oreille humaine perçoit les ondes sonores pour les fréquences f comprises entre 20 Hz (son grave) et 20000 Hz (son aigu). Cependant, le domaine du son est beaucoup plus étendu.On distingue :
Les infra-sons : inaudibles ; vitesse de propagation lente
Les sons : audibles ; vitesse de propagation intermédiaire
Les ultras sons : inaudibles ; vitesse de propagation rapide
Les hyper sons >100 GHz.

Historique

Les ultrasons originellement appelé supersoniques sont restés pendant longtemps seulement un sujet de recherche. En 1883, Galton produisît par un sifflet des vibrations justes au-dessus des fréquences audibles perçues par l’oreille humaine afin de connaitre la limite du spectre audible. [7] Pendant trente ans les ultrasons resteront une curiosité assez mal connue dont on n’imaginait pas d’autres applications que le sifflet à chien. L’intérêt pour ces vibrations a été éveillé par la catastrophe du Titanic en avril 1912. À cette occasion, L. F. Richardson entrevoit la possibilité d’utiliser une méthode d’écho ultrasonore pour la détection d’obstacles immergés comme les icebergs, les épaves, récifs et autres écueils océaniques. Cette idée prend corps durant la Première Guerre mondiale pour le repérage des sousmarins ennemis et un système de détection rudimentaire, mais opérationnel, est mis au point par Langevin en 1918 [8], utilisant le phénomène de la piézoélectricité. C’est l’ancêtre du sonar (Sound Navigation And Ranging), équivalent au radar (Radio Detection And Ranging) pour les déplacements en mer. Les ultrasons se développèrent par la suite en bénéficiant des progrès parallèles de l’électronique. Apres la première guerre mondiale, l’électronique a connu des développements considérables et c’est en 1925 que Pierce utilisa des transducteurs en quartz et en nickel pour générer des ultrasons atteignant des fréquences de quelques mégahertz. Puis en 1932, les équipes de Debye et Sears, d’une part, de Lucas et Biquard, d’autre part, travaillant indépendamment l’une de l’autre, réalisent les premières expériences de diffraction de la lumière par les ultrasons et vérifient les prévisions théoriques de L. Brillouin faites en 1922. Les expériences de propagation des ultrasons, d’abord limitées aux fluides, s’étendent ensuite aux solides. L’utilisation des ultrasons pour la détection des défauts dans les matériaux denses remonte aux travaux de Sokolov en 1934, qui peuvent être considérés comme les premiers pas en contrôle non destructif (NDT Non Destructive Testing). Ces techniques se développeront beaucoup après la deuxième guerre mondiale dans les domaines de l’industrie, des services et de la médecine. Des ultrasons de très hautes fréquences, on peut en produire jusqu’à 100 GHz, peuvent être générés à l’heure actuelle. Leur utilisation concerne la recherche physique de base et trouve également son application dans les télécommunications et les techniques modernes des calculateurs [9]. Aujourd’hui nous connaissons un progrès sans précédent dans des domaines pluridisciplinaires qui font appel aux ultrasons.

Principe de génération des ultrasons

Les signaux ultrasonores sont habituellement générés par un transducteur, leurs applications étant très diverses, On décrira donc essentiellement les transducteurs les plus répandus, ceux utilisant l’effet piézoélectrique.

Le transducteur piézoélectrique

Le terme transducteur devrait être distingué du terme capteur (sensoren anglais), par définition le premier est un convertisseur d’énergie d’une forme à une autre, par contre, le second convertit un stimulus vers un signal électrique.

Le transducteur de ce type est constitué principalement d’un cristal piézoélectrique qui se met à vibrer lorsqu’une variation de tension est appliquée à ces bornes, une onde de pression alors est produite.

Phénomène de piézo-électricit

Le terme piézoélectricité nous vient du grec « piézein » signifiant presser ou appuyer. Ainsi qu’il désigne la propriété que présentent certains corps de se polariser électriquement. Le phénomène de la piézo-électricité est un effet physique permettant de coupler des contraintes mécaniques à des champs électriques. Elle a été découverte en 1880 par les frères Pierre et Jacques Curie.

Ils ont montré qu’ils ont alors non seulement apporté la preuve expérimentale de son existence – si un cristal de quartz, taillé perpendiculairement à l’un de ses axes électriques, est soumis à une pression mécanique, il génère des charges électriques.-, mais aussi théorisé les principales lois qui le régissent.

Effet direct et indirect de la piézo-électricité

La piézoélectricité est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique (effet direct) et, réciproquement, de se déformer lorsqu’on leur applique un champ électrique (effet inverse).

Les applications de l’effet piézoélectrique

L’effet piézo-électrique trouve un très grand nombre d’applications dans l’industrie : Le Capteur de pression piézoélectrique est une application industrielle : ils sont notamment utilisés pour l’automobile (mesure de la pression des pneus…), l’aéronautique (mesure de la pression dans les tuyères…), ainsi que pour les mesures de niveau. La piézo-électricité est également utilisée en acoustique pour transformer des ondes acoustiques en signal électrique : microphones, haut-parleurs… Les moteurs et actionneurs piézo-électriques utilisent l’effet inverse : transformation de la tension appliquée en déplacement. On les trouve par exemple les émetteurs.

Propagation des ultrasons dans différents milieux

Les ondes ultrasonores sont des vibrations mécaniques représentatives d’un déplacement particulaire. La propagation d’une onde sonore est fortement dépendante de la nature du milieu dans lequel elle se propage soit un milieu solide, liquide ou gazeux mais ne peuvent être pas transmises dans le vide.

Propagation des ultrasons dans un milieu gazeux

Dans un gaz comme l’air la propagation du son résulte d’une propriété essentielle : la mobilité des molécules, avec une vitesse moyenne de l’ordre de 480 m/s dans les conditions normales. Mais cette agitation n’a pas d’orientation privilégiée : elle diffuse l’énergie de la secousse dans toutes les directions.

Or la vitesse de propagation du son dans l’air, que l’on appelle célérité, implique que toutes les molécules situées dans un très petit volume (la particule fluide) subissent un même déplacement ordonné et collectif. Ceci explique que la célérité du son, bien que liée à la vitesse moyenne des molécules, ne soit qu’une fraction de cette vitesse moyenne, de l’ordre de 340 m/s.

Propagation des ultrasons dans un milieu liquide

Les ultrasons se propagent dans tous les milieux, notamment dans les liquides comme l’eau. Dans les mers ce phénomène présente un intérêt considérable, puisque, la lumière ne pénétrant pas dans les grandes profondeurs, il fournit l’un des moyens de diagnostic privilégiés. C’est avec des ultrasons que les géographes relèvent les reliefs sous-marins et que les marines nationales du monde entier repèrent les navires et les submersibles amis ou ennemis présents dans leur voisinage. C’est aussi avec des ultrasons que les mammifères marins communiquent. La gamme des fréquences utilisables dans l’eau de mer s’étend de 30 Hz à 1,5 MHz, une valeur 100 fois plus élevée que la limite audible pour l’homme, voisine de 15 000 Hz. La célérité de l’ultrason dans l’eau est voisine de 1450 à 1550 m s-1 . Elle varie surtout avec la température et la profondeur, c’est à dire avec la pression, mais elle est peu sensible aux variations de salinité.

Propagation des ultrasons dans un milieu solide

Dans les milieux solides, les ultrasons se propagent encore plus rapidement que dans les liquides. Ceci tient au fait que les solides sont encore moins compressibles que les liquides. La célérité de l’ultrason dans un solide est de l’ordre de 5000 m/s. L’émission d’impulsions ultrasoniques dans un solide produit deux effets : un effet thermique qui dépend de la puissance acoustique de l’onde et qui engendre une propagation de la chaleur dans le milieu et un effet mécanique qui est la transmission.