ULTRASONS - Propriétés physiques

ULTRASONS - Propriétés physiques

On qualifie d’ultrasonores les ondes élastiques dont la fréquence est comprise entre quinze kilohertz et plusieurs centaines de mégahertz; en deçà de cette bande, on a affaire à des sons ou à des infrasons ^{[cf. ACOUSTIQUE]}, au-delà à des hypersons ^{[cf. HYPERSONS]}. Les ultrasons possèdent toutes les propriétés générales des ondes élastiques (cf. ONDES - Physique), et ils n’en ont point de spécifiques. Ce que leur comportement a parfois de particulier est relatif à leur interaction avec le milieu où ils se propagent, laquelle prend des aspects remarquables lorsque la longueur d’onde des ultrasons est du même ordre de grandeur que certaines dimensions caractéristiques: diamètre des grains ou longueur des chaînes de molécules composant le milieu, ou bien longueur d’onde d’une autre radiation présente dans le même milieu. Or, grâce à l’immense étendue spectrale des ultrasons (15 octaves), cette condition se réalise aisément dans de nombreux cas pratiques: solides à structure granulaire, hauts polymères en solution, suspensions colloïdales, aérosols, tissus biologiques, essaims d’animalcules. De plus, la petitesse des longueurs d’onde ultrasonores leur assure une propagation quasi optique avec peu de diffraction. Si l’on ajoute qu’on sait les produire avec de bons rendements et à des niveaux énergétiques élevés, on comprend que les ultrasons soient devenus un outil très commode et parfois irremplaçable pour étudier la matière et agir sur elle.

1. Production et détection

La production et la détection des ultrasons font appel à une grande variété de principes physiques; le rendement des appareils utilisés dépend, en général, d’un effet de résonance qui leur impose une bande de fréquences optimale de fonctionnement.

2. Générateurs mécaniques ou électromécaniques

En toute rigueur, les générateurs mécaniques ou électromécaniques ne méritent pas le nom de transducteurs, car ils ne sont pas réversibles. L’archétype en est le sifflet à chien, dont le «son» excède de peu la fréquence limite de la perception humaine. L’élément essentiel des appareils de ce type est un dispositif résonant (cavité ou lame biseautée) excité au moyen d’un jet de fluide (gaz ou liquide), tubulaire, conique ou tangentiel. Leur domaine de fonctionnement n’excède pas 50 kilohertz, mais la puissance émise peut atteindre 100 watts.

Dans les sirènes, le jet de fluide est interrompu par un dispositif tournant. Il existe également une sirène «statique» (Levavasseur) où l’oscillation du jet est auto-entretenue par un tourbillon prélevé sur le jet lui-même. Dans le générateur de Holtzmann, un barreau de verre ou de métal est amené dans un état d’auto-oscillation par le frottement d’une courroie.

Un arc électrique alimenté en fréquence assez haute fournit aussi une émission ultrasonore. De même, avec un fil fin conducteur que l’on vaporise par le passage d’un courant électrique suffisamment intense, on obtient une impulsion unique dont le spectre peut s’étendre de 2 à 200 kilohertz.

De ces émetteurs mécaniques ou électromécaniques, il faut rapprocher les émetteurs biologiques ^{[cf. BIONIQUE]}. De nombreuses espèces animales émettent en effet des signaux ultrasonores de communication ou d’«écholocation». Les chiroptères et les cétacés détectent les proies et les obstacles à l’aide de «clicks» à bande large (de 20 à 200 kilohertz) qu’ils émettent et dont ils perçoivent les échos grâce à des organes hautement spécialisés.

3. Transducteurs électromagnétiques

Paul Langevin, le premier, eut l’idée d’appliquer à la production et à la réception d’ultrasons le phénomène de la piézo-électricité ^{[cf. PIÉZO-ÉLECTRICITÉ]}, découvert par Pierre et Jacques Curie. Excités par un courant électrique de haute fréquence, le quartz et les autres cristaux piézo-électriques (sel de Seignette, niobate de lithium, tartrates et phosphates de potassium ou d’ammonium, etc.) vibrent mécaniquement à la même fréquence. Ces vibrations sont surtout intenses lorsqu’une des dimensions du cristal favorise la résonance: dans le mode fondamental, une lame de quartz épaisse de 2,85 mm vibre en demi-onde à la fréquence de 1 mégahertz. La même plaque vibrerait, sur des modes plus élevés, jusqu’à des fréquences hypersonores; mais des lames très minces de niobate de lithium sont utilisées sur leur mode fondamental à 200, voire 400 mégahertz. Par ailleurs, à l’aide de films piézo-électriques évaporés d’oxyde de zinc (ZnO), on peut émettre des vibrations mécaniques allant jusqu’à plusieurs gigahertz, les longueurs d’onde associées étant de l’ordre du micromètre.

La magnétostriction, découverte en 1842 par James P. Joule, permet d’exciter une vibration mécanique dans un matériau ferromagnétique soumis à un champ magnétique oscillant. Mais la fréquence obtenue est le double de la fréquence d’excitation, sauf si l’on polarise le matériau au moyen d’un champ magnétostatique suffisamment intense. Il faut éviter que l’échauffement ne dépasse le point de Curie (cf. MAGNÉTISME, chap. 1), au-delà duquel l’effet de magnétostriction disparaît.

Un phénomène analogue, l’électrostriction (cf. DIÉLECTRIQUES, chap. 7), se produit dans les matériaux ferro-électriques. Les plus usités pour produire ou détecter les ultrasons sont le titanate de baryum, le zircotitanate de plomb et le niobate de plomb. Ils se présentent sous forme de céramiques frittées, auxquelles on peut imposer une polarisation permanente et donner par moulage ou meulage les formes qu’on désire en vue d’obtenir les modes de vibration les plus variés: longitudinale, transversale, de flexion, de torsion, etc. Leur point de Curie se situe entre 100 et 200 ⁰C, plus bas que pour les composés ferro-magnétiques.

4. Détection

Les détecteurs électromagnétiques sont de loin les plus employés (cf. Transducteurs électromagnétiques ). On les appelle aussi sondes ou capteurs. Seuls les capteurs piézo-électriques couvrent tout le spectre ultrasonore. On trouve également des dispositifs de détection non réversibles, fondés sur la pression de radiation ou les effets thermiques ou optiques des ultrasons.

La pression de radiation résulte de l’effort moyen qu’exerce sur un objet immergé le fluide qui propage un rayonnement ultrasonore. Elle varie selon le carré de la pression acoustique et possède donc une valeur moyenne non nulle, mesurable à l’aide d’un dispositif statique: disque de Rayleigh, pendule de Bergmann, balance radiométrique, radiomètre à plongeur, sonde de Laville.

Les effets thermiques se détectent, comme pour toute autre radiation, par des bolomètres (thermomètres à résistance) ou par des thermocouples. Une autre technique, empruntée à l’aérodynamique, est celle du fil chaud de Richardson, mais elle ne convient que pour la partie inférieure du spectre ultrasonore.

La visualisation des champs ultrasonores peut se faire avec les procédés de l’aérodynamique ou de l’hydrodynamique (strioscopie, «ombrographie», stroboscopie), pourvu évidemment que les longueurs d’onde restent assez grandes pour laisser voir la structure ondulatoire. La propagation des ultrasons est révélée aux courtes longueurs d’onde par la diffraction de la lumière par les ultrasons , phénomène prévu par Léon Brillouin et Paul Langevin dès 1923 et découvert simultanément en 1932, en Amérique, par Peter Debye et F. W. Sears, et en France par P. Biquard et R. Lucas: un milieu quelconque, parcouru par une onde acoustique, devient un véritable réseau de diffraction à trois dimensions, et ce réseau sera d’autant plus efficace qu’il aura davantage de «traits au millimètre», c’est-à-dire que la longueur d’onde sera plus courte. Aux fréquences les plus hautes, ce phénomène prend un aspect quasi discontinu analogue à la réflexion de Bragg des rayons X dans les cristaux. Associé, aux fréquences plus basses, à un dispositif à ondes acoustiques stationnaires, il aboutit à une véritable interférométrie ultrasonore .

Il existe aujourd’hui de nombreux dispositifs acousto-optiques utilisant l’interaction, en régime de Bragg, d’un faisceau laser avec les ultrasons. Les déflecteurs ou déviateurs, les modulateurs et interrupteurs acousto-optiques sont couramment associés aux lasers, dans les montages optiques.

5. Directivité et imagerie ultrasonore

La directivité est la propriété d’une antenne d’envoyer dans une direction bien déterminée un pinceau d’ondes suffisamment fin. Elle est d’autant meilleure que les dimensions du dispositif rayonnant sont plus grandes par rapport aux longueurs d’onde. La petitesse de ces dernières assure aux ultrasons une propagation quasi optique. Un faisceau ultrasonore, de largeur nettement supérieure à la longueur d’onde, peut être orienté comme un faisceau lumineux. De plus, la cohérence d’une onde ultrasonore émise par un transducteur électromagnétique et le contrôle électronique de la phase de l’onde émise permettent de synthétiser électroniquement, par des réseaux de transducteurs, des faisceaux orientés et focalisés dans des directions et à des distances diverses. Inversement, on peut, par un traitement de signal adéquat, extraire, à partir d’une antenne à réseau, l’onde émise par une source dans une direction et à une distance choisies, ce qui permet de réaliser des systèmes d’imagerie assurant l’exploration de milieux opaques à la lumière, mais relativement transparents aux ultrasons, tels que l’océan ou les tissus biologiques ^{[cf. SONAR]}. De même, les concepts holographiques appliqués à l’onde laser sont-ils transposables, encore plus naturellement, au rayonnement ultrasonore. Ils ont conduit à la réalisation de dispositifs, dans lesquels une image optique est construite directement à partir de l’onde ultrasonore diffusée par l’objet à visualiser.

Tous ces concepts peuvent être fondés sur une analyse de Fourier spatiale du rayonnement, qui s’applique tant aux rayonnements acoustiques qu’aux rayonnements optiques cohérents.

6. Absorption et spectrométrie ultrasonores

Lorsqu’elles se propagent dans un milieu réel, les ondes perdent de l’énergie, ce que ne prévoit pas l’équation trop simple de d’Alembert. Les causes principales de cette dissipation sont la viscosité et la conduction thermique . La théorie classique exprime ces faits en ajoutant à l’équation des ondes un terme en 煉³u / 煉x ² size=1^煉t , et on obtient pour l’amortissement 見ⁿ , l’expression:

où 兀 est un coefficient de viscosité, 塚 le rapport des chaleurs spécifiques C^p /C^v, K la conductibilité thermique, f la fréquence de l’onde considérée et A un coefficient de proportionnalité. Mais, sauf pour les gaz monoatomiques, l’amortissement mesuré est nettement supérieur à celui que prévoit la formule. On en retiendra cependant la proportionnalité au carré de la fréquence, qui est vérifiée dans la majeure partie de la gamme ultrasonore.

Toutefois, si l’on pousse l’exploration au-delà du mégahertz, on trouve une ou plusieurs bandes d’absorption anormale, au-delà desquelles la vitesse de propagation aura également changé, passant d’une valeur c ⁰ a une valeur c size=1^秊. On dit qu’il y a relaxation et on ajoute à l’amortissement «normal» 見ⁿ un terme correctif de la forme:

B étant un coefficient de proportionnalité. Dans le cas d’une bande unique, centrée sur la fréquence f ^r , la constante de temps est définie par 精 = c size=1^秊/2 神c ⁰f ^r . On considère que l’absorption anormale est due à des échanges d’énergie entre les modes de vibration, de translation et de rotation des molécules, échanges qui se produisent lorsque les molécules entrent en collision pendant une durée de l’ordre de la période de l’onde. S’agissant de gaz polyatomiques ou de liquides «normaux» à faible interaction entre les molécules, on peut admettre que la température des modes de translation intervient seule dans l’équation d’état (relaxation «thermique» de Karl F. Hertzfeld et de M. H. Rice); mais pour les liquides «associés» (où plusieurs molécules forment un groupe), ou pour ceux où coexistent différents niveaux d’énergie, ou encore pour les mélanges et les «polydispersions», il faut faire intervenir une théorie plus élaborée (relaxation «structurelle») dont différents modèles ont été proposés, entre lesquels il est malaisé de choisir a priori. Une façon globale de présenter les choses consiste à envisager un module d’élasticité complexe, ou encore un second coefficient de viscosité, calculables à partir de c et de 見. Il faut noter aussi que c (T) présente un minimum aigu au voisinage du point critique.

Pour ce qui est des solides cristallins, la mesure de c et de 見 permet de déceler les défauts et dislocations, de montrer l’effet des contraintes et de reconnaître, dans l’apparition de pics d’absorption (effet Bordoni ), certains dommages d’irradiation (par rayons 塚 notamment). Plus généralement, l’onde ultrasonore est une sonde sensible aux modifications du réseau critallin et aux changements d’organisation de la matière.

7. Action énergétique

Les effets d’une synergie résonance-intensité sont souvent spectaculaires et ont reçu de nombreuses applications pratiques.

Pour les liquides, le phénomène central est la cavitation . Elle se produit dans des conditions bien différentes de celles de l’hydraulique (cf. PROPULSION NAVALE, chap. 1) et pour des dépressions très inférieures à celles qui seraient théoriquement nécessaires pour surmonter la cohésion du liquide: on admet qu’il existe dans le liquide des microdomaines fragiles («germes de cavitation»), qui ne peuvent être constitués que par des bulles de gaz ou de vapeur accrochées aux aspérités de particules en suspension ou subsistant isolément (et, dans ce cas, créées par exemple par un rayonnement de haute énergie); leur stabilité s’expliquerait par la formation d’une cuirasse de charges ioniques. Ces petites bulles sont mises en pulsation par le champ ultrasonore, auquel elles empruntent ainsi de l’énergie. Aux surpressions oscillatoires faibles, les bulles grossissent et montent à la surface (effet de dégazage du liquide); pour une intensité plus forte, on a une suspension stable de bulles, et, si celles-ci entrent en résonance, il se produit un bruit . Enfin, à des pressions encore plus fortes, les bulles sont instables, et «s’effondrent» en restituant leur énergie sous forme d’ondes de choc. D’importants effets d’érosion mécanique peuvent alors se manifester. L’écrasement des bulles crée des effets mécaniques et thermiques considérables (surpressions de l’ordre de 10³ atmosphères, échauffements de l’ordre de 10⁴ degrés). Maintenue dans des limites convenables, l’érosion permet de nettoyer et de décaper des solides immergés, des suspensions et des émulsions stables peuvent se former (mercure dans l’eau, par exemple), des réactions chimiques sont favorisées, des modifications de liaisons moléculaires produites (polymérisation, dépolymérisation). Il est probable que la charge électrique des bulles joue un rôle important dans plusieurs de ces phénomènes, comme elle régit la sonoluminescence de certains liquides (due sans doute à des micro-étincelles entre ions).

Pour les solides, c’est la mobilisation par vibration et l’échauffement qui sont les principales sources d’action des ultrasons; mentionnons le décapage des pellicules d’oxydes et l’usinage par ultrasons, qui utilise la vibration de particules abrasives. La soudure s’obtient par échauffement ou par diffusion moléculaire et permet d’assembler des matériaux réputés non soudables entre eux. Dans la matière vivante, les ultrasons produisent des effets de massage et de diathermie utilisables en thérapeutique.

8. Interfaces et interactions

Étant des ondes mécaniques, les ultrasons manifestent une sensibilité remarquable aux milieux qu’ils traversent. C’est bien là une de leurs propriétés les plus intéressantes pour les applications. Les réactions sont particulièrement importantes au franchissement des interfaces, par exemple entre deux solides différents ou entre un solide et un fluide. Elles se traduisent alors par la production d’ondes à configurations spéciales qu’on appelle «ondes de surface». On en distingue de nombreuses variétés: ondes de Rayleigh, de Stoneley, de Lamb, de Love, de Bleustein-Gulyaev, etc. Leur nombre se multiplie encore lorsqu’il existe des stratifications entre les deux milieux, les strates jouant le rôle de guides d’ondes. Les interactions au niveau de ces transitions sont fort complexes, car c’est à ces emplacements que se manifestent les tensions de radiation induites par le rayonnement ultrasonore.

Il existe un autre type d’interface qui est encore plus occulte car il se manifeste au sein même d’un matériau hétérogène dans sa masse. L’exemple le plus typique en est la propagation du son dans l’hélium liquide, aux températures voisines du zéro absolu. On y observe quatre propagations acoustiques différentes, du fait de la coexistence de deux fluides dont l’un jouit de la propriété d’hyperfluidité.

Un autre type d’interaction résulte du fait qu’aux intensités élevées la propagation devient non linéaire. Si l’on excite à des puissances assez fortes et à deux fréquences différentes f et f un système de deux transducteurs voisins, on observera, du fait de la non-linéarité, l’apparition de fréquences de combinaison aux valeurs mf 梁 nf (m et n étant des nombres entiers).

Ce principe a été mis à profit dès 1960 par les Soviétiques V. A. Zverev et A. I. Kalachyov et l’Américain P. Westervelt pour réaliser des antennes acoustiques paramétriques. Excitée à 100 et 110 kilohertz, une antenne paramétrique pourra produire, par exemple, des ondes de combinaison aux fréquences 10 kilohertz (m = n = 1) et 20 kilohertz (m = n = 2), la première audible et la seconde ultrasonore. Ce mode de génération est spécialement apprécié en hydroacoustique, car il permet de constituer des faisceaux sonars très déliés.

9. L’avenir des ultrasons

Les ultrasons possèdent, d’ores et déjà, des applications si nombreuses que leur liste exigerait plusieurs pages; de plus, il a été observé que le nombre de ces applications s’est considérablement développé.

L’arsenal de moyens que les ultrasons mettent à la disposition des ingénieurs et des chercheurs est en effet d’une richesse exceptionnelle. Son efficacité est la résultante d’une série de propriétés remarquables: étendue du spectre (15 octaves), aptitude à transporter des énergies élevées, sensibilité aux milieux traversés, facilité de génération et de détection, polyvalence des interactions, etc. Parmi les spécialités qui en sont issues, on note le traitement du signal au moyen des ondes de surface et l’acousto-optique, dont les progrès rapides vont de pair avec ceux de la micromécanique et de la microélectronique, en se prêtant de mutuels appuis.

On a mis au point des miroirs acoustiques capables de renvoyer les ondes acoustiques émises par un objet quelconque, cela peut s’appliquer à l’imagerie médicale, à la destruction des calculs vénaux, au contrôle des matériaux ou la détection sous-marine.

Encyclopédie Universelle. 2012.