Comment fabrique-t-on les ultrasons ?
Il nous est impossible de fabriquer des ultrasons de la même façon que nous fabriquons des sons normaux – en frappant et en soufflant sur des objets, comme nous le faisons, par exemple, dans les instruments de musique. C’est parce que nous ne pouvons pas frapper et souffler les objets assez fort. Mais nous pouvons produire des ultrasons en utilisant des appareils électriques qui vibrent à une fréquence extrêmement élevée. Les cristaux de certains matériaux (comme le quartz) vibrent très rapidement lorsqu’ils sont traversés par de l’électricité – un effet appelé piézoélectricité. Lorsqu’ils vibrent, ils poussent et tirent l’air qui les entoure, produisant ainsi des ondes ultrasonores. Les dispositifs qui produisent des ondes ultrasonores en utilisant la piézoélectricité sont appelés transducteurs piézoélectriques. Les cristaux piézoélectriques fonctionnent également de manière inverse : si des ondes ultrasonores se déplaçant dans l’air entrent en collision avec un cristal piézoélectrique, elles compriment très légèrement sa surface, ce qui provoque une brève décharge électrique. Ainsi, si vous connectez un cristal piézoélectrique à un compteur électrique, vous obtenez un détecteur d’ultrasons instantané.
Artwork : Comment les ultrasons sont faits pour nettoyer les choses. 1) Une alimentation électrique alternative à haute fréquence envoie du courant à trois transducteurs piézoélectriques (2). Ceux-ci se trémoussent à des fréquences ultrasonores, envoyant leurs vibrations à une fine plaque de verre en quartz (3), qui transmet les ondes (4) dans un bassin rempli de fluide (5) dans lequel vous placez les objets à nettoyer.
Les ondes ultrasonores peuvent être produites en utilisant le magnétisme au lieu de l’électricité. Tout comme les cristaux piézoélectriques produisent des ondes ultrasonores en réponse à l’électricité, il existe d’autres cristaux qui produisent des ultrasons en réponse au magnétisme. Ces cristaux sont appelés cristaux magnétostrictifs et les transducteurs qui les utilisent sont appelés transducteurs magnétostrictifs. (L’effet magnétif est connu sous le nom de magnétostriction.)
À quoi servent les ultrasons ?
L’utilisation des ultrasons à des fins pratiques est parfois appelée ultrasons – et elle est utilisée pour tout, de la soudure industrielle et du forage à la production de lait homogénéisé et de films photographiques.
Échographie médicale
Photo : Cette femme enceinte regarde une échographie du bébé qui se développe dans son utérus. Notez l’échographe (en bas à droite) qui est déplacé lentement sur son abdomen, et le moniteur (en haut) qui montre l’image de son enfant.Photo de Rafael Martie avec l’aimable autorisation de l’US Navy.
L’exemple le plus connu d’ultrasons est probablement celui des tests médicaux.Pour éviter d’avoir à ouvrir votre corps pour détecter une maladie, les médecins peuvent simplement passer un échographe sur votre peau pour voir à l’intérieur. La sonde de l’échographe, qui ressemble souvent à une souris d’ordinateur, est équipée d’un transducteur intégré qui envoie des ondes ultrasonores inoffensives dans votre corps. Lorsque les ondes se déplacent à travers les différents os et tissus, elles sont réfléchies vers le haut. Le même transducteur (ou un autre à côté) reçoit les ondes réfléchies et un ordinateur fixé au scanner les utilise pour dessiner sur un écran une image détaillée de ce qui se passe en vous.Les scans de fœtus (bébés à naître qui se développent dans l’utérus) sont réalisés de cette façon.
Photo : Un gros plan d’une petite sonde à ultrasons. Photo de Rafael Martie avec l’aimable autorisation de l’US Navy.
Contrôle non destructif
Un équipement similaire est utilisé pour tester les défauts dans des machines telles que les moteurs à réaction des avions. S’il y a une fissure profonde dans un métal, l’inspecter de l’intérieur ne révélera pas le problème. Mais si vous faites passer un scanner à ultrasons sur l’extérieur du métal, la fissure à l’intérieur va perturber et renvoyer une partie des ondes ultrasonores, de sorte que le défaut apparaîtra sur votre écran d’essai. L’inspection des matériaux de cette manière est parfois connue sous le nom d’essais non destructifs, car vous n’avez pas besoin d’endommager ou de démonter les choses pour les vérifier.
Photo : Examen d’un moteur d’avion à l’aide d’un contrôle non destructif par ultrasons. L’inspectrice déplace une sonde à ultrasons sur un composant d’avion avec sa main droite. Elle ajuste en même temps le faisceau ultrasonore avec sa main gauche.Photo de Michelle Michaud avec l’aimable autorisation de l’US Air Force.
Usons de forte puissance
Les ondes ultrasonores relativement faibles sont utilisées pour les scans médicaux et les tests non destructifs. Les ondes ultrasonores beaucoup plus puissantes ont des utilisations très différentes. Si vous avez un calcul rénal douloureux, l’émission d’ondes ultrasonores puissantes depuis l’extérieur de votre corps peut faire vibrer le calcul et le faire éclater. Les ondes ultrasonores puissantes sont parfois utilisées pour détruire les tumeurs cancéreuses et les lésions cérébrales (régions endommagées du cerveau). De manière similaire, les ondes ultrasonores peuvent être utilisées pour nettoyer les bijoux, les montres, les fausses dents et un large éventail de pièces de machines qui peuvent être trop difficiles (ou inaccessibles) à nettoyer par d’autres moyens.
Sonar
Un autre usage populaire des ultrasons est celui des navires, à la fois pour la navigation et pour la localisation d’objets sous l’eau. Le son voyage plus rapidement dans l’eau que dans l’air, ce qui est très utile, car la lumière ne voyage pratiquement pas dans l’eau. La plupart des gens savent que les baleines peuvent utiliser des sons à basse fréquence pour communiquer à travers des océans entiers.Les sous-marins utilisent une astuce similaire avec un type de navigation appelé sonar(sound navigation and ranging), qui est un peu comme un équivalent sous-marin du radar.
Photo : Il faut de l’habileté et de la concentration pour surveiller un écran de balayage sonar. Ce système est à bord du navire USS Gladiator et est utilisé pour détecter les mines. Photo de Peter D. Lawlor avec l’aimable autorisation de l’US Navy.
Comment cela fonctionne-t-il ? Lorsqu’un sous-marin se trouve profondément sous la surface, il peut trouver son chemin en envoyant des bips sonores et en écoutant les échos – tout comme une chauve-souris utilisant l’écholocation. En chronométrant le temps que mettent les échos à revenir, le navigateur d’un sous-marin peut déterminer s’il y a d’autres navires, sous-marins ou autres obstacles à proximité. Le sonar est également utilisé par les navires pour calculer la profondeur de la mer (ou dessiner une carte du fond marin) en envoyant des faisceaux sonores directement vers le bas. Cette technique est connue sous le nom d’échosondage.
Sonar à balayage latéral
Photo : Un poisson remorqué typique de sonar à balayage latéral. Celui-ci utilise des ultrasons à une fréquence de 600 kHz, ce qui est bien au-dessus de la limite de l’audition humaine. Ici, il est relié à un équipement à bord d’un navire de recherche scientifique avant d’être mis à l’eau pour être traîné le long de la côte. Photo de John F. Williams avec l’aimable autorisation de l’US Navy.
Les différents systèmes sonar utilisent une très large gamme de fréquences sonores, depuis les infrasons très faibles (qui peuvent poser des problèmes aux baleines et autres créatures marines), en passant par les sons audibles (le bruit classique du « ping » que l’on entend dans les sous-marins de guerre dans les films), jusqu’aux ultrasons très élevés (typiquement utilisés dans les systèmes de localisation des poissons utilisés, entre autres, par les chalutiers industriels). Les sons à haute fréquence sont utilisés dans les sonars à balayage latéral, dans lesquels une petite unité de balayage en forme de torpille, appelée towfish, est traînée derrière un navire et envoie de larges faisceaux sonar de chaque côté. Le sonar à balayage latéral est utilisé en archéologie marine (pour localiser les épaves au fond de la mer), pour la recherche océanographique et pour la pêche pure et simple. Les poissons ne réfléchissent pas tous le son de la même manière et, avec de l’expérience et de l’habileté, il est possible de déterminer à partir du faisceau du sonar non seulement quels poissons sont présents mais aussi combien il y en a dans une zone donnée. En général, plus la fréquence sonore utilisée est élevée, plus les détails qui apparaissent sont nombreux, mais plus la portée sur laquelle elle est efficace est courte ; les fréquences élevées sont les meilleures pour un travail détaillé dans de petites zones d’eau relativement peu profonde, tandis que les fréquences plus basses sont nécessaires pour les eaux plus profondes ou la détection à longue portée.
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