14 Juin 2024

À la découverte de l’ultrason !

Aujourd’hui dans cet article de blog, nous allons nous intéresser à l’ultrason. Nous commencerons tout d’abord par en donner la définition avant de voir plus en détails les méthodes d’application et les applications qui en découlent.

Qu’est-ce qu’un ultrason ?

Un ultrason est une onde sonore dont la fréquence est supérieure à celle que l’oreille humaine peut percevoir. Généralement, cela signifie une fréquence au-delà de 20 000 hertz (Hz) pour les adultes et les enfants confondus (ces derniers pouvant entendre des sons que les adultes ne peuvent entendre). Les ultrasons sont utilisés dans de nombreux domaines, notamment en médecine pour les échographies (c’est très probablement à ce jour l’exemple le plus connu du grand public d’utilisation de l’ultrason), en industrie pour la détection de défauts ou d’aspérités sur des surfaces, pour le nettoyage de pièces ou d’équipements, ainsi que dans la navigation et la communication. Notons pour ce qui est de la communication que l’utilisation des ultrasons n’est pas réservée aux technologies créées par l’homme et qu’elle existe également dans le règne animal puisque certaines espèces comme les chauves-souris, les dauphins et certaines baleines les utilisent. Dans le domaine médical, ils permettent de créer des images de l’intérieur du corps sans utiliser de radiation, ce qui en fait un outil de diagnostic très utile et relativement sûr.

Quelles sont les différentes applications où on utilise les ultrasons ?

Chose promise, chose due, nous allons à présent voir quelques-unes des applications des ultrasons.

Navigation et détection

Le sonar, utilisé sous l’eau par les navires et les sous-marins, emploie des ultrasons pour détecter des objets, des obstacles ou le fond marin. Cette technique repose sur l’émission d’ondes sonores et l’analyse des échos reçus. Une technique dont les premiers travaux sont l’œuvre du français Paul Langevin à la fin de la première guerre mondiale comme le précise cette page sur les ultrasons.

Dans le domaine de la médecine

Dans le domaine médical, les ultrasons ont plusieurs applications différentes. Si l’échographie avec l’écran de contrôle et le transducteur ultrasonique est sans doute l’application la plus connue, permettant de visualiser les organes internes et de suivre le développement du fœtus pendant la grossesse ou de détecter certaines pathologies, ce n’est pas pour autant la seule. Par exemple, la thérapie par ultrasons aide à traiter des douleurs musculo-squelettiques et à favoriser la guérison des tissus.

Nettoyage par ultrason

Le nettoyage ultrasonique est largement utilisé pour éliminer la saleté et les débris de divers objets, allant des instruments médicaux aux bijoux, en passant par les pièces mécaniques. Ce processus tire parti de la cavitation ultrasonique (que nous allons expliquer plus en détail ci-dessous) pour nettoyer de manière efficace et délicate. De nos jours, ce processus est particulièrement utile pour nettoyer des objets ou équipements qui sont difficiles à nettoyer par des méthodes plus « conventionnelles » pour moult raisons : les autres méthodes ne sont pas suffisamment efficaces, les zones sont difficiles d’accès ce que les ultrasons peuvent contourner plus facilement, il faut pouvoir procéder à un nettoyage à sec, etc.

De nombreuses applications dans le domaine industriel

Dans l’industrie, les ultrasons jouent un rôle dans le soudage, le découpage et le perçage précis de plusieurs types de matériaux différents, ainsi que dans l’homogénéisation de liquides pour mélanger, disperser ou émulsionner des substances. Ils sont également utilisés pour le contrôle non destructif (CND), permettant de détecter des défauts dans les matériaux et les structures sans les endommager.

Recherche scientifique

Les ultrasons ont des applications importantes en recherche, notamment dans la spectroscopie ultrasonore pour étudier les propriétés des matériaux. Ils permettent également d’explorer les comportements des animaux, comme les chauves-souris et les dauphins, qui utilisent l’écholocation pour naviguer et chasser.

Qu’est-ce que la cavitation dont on parle quand on parle d’ultrasons ?

La cavitation, lorsqu’elle est mentionnée dans le contexte des ultrasons, se réfère à un phénomène physique qui survient lorsque la pression dans un liquide chute subitement à un niveau tel que de petites bulles de vapeur ou de gaz se forment dans le liquide. Ce processus est particulièrement pertinent dans les applications utilisant des ultrasons à haute fréquence, comme le nettoyage ultrasonique, certains types de traitements médicaux, et les études sur les matériaux.

Dans un dispositif à ultrasons, les ondes sonores de haute fréquence génèrent des variations rapides de pression dans le fluide. Lorsque la pression descend en dessous de la pression de vapeur du liquide, des bulles peuvent se former. Ces bulles ne sont pas stables et finissent par s’effondrer ou imploser violemment lorsqu’elles se déplacent dans des zones de pression plus élevée. L’implosion des bulles de cavitation produit des jets de liquide très puissants et des ondes de choc locales, qui peuvent exercer une force intense sur les surfaces ou les particules en contact avec le liquide.

Ces effets sont exploités de diverses manières :

  • Nettoyage ultrasonique : La force générée par l’implosion des bulles de cavitation est utilisée pour détacher les particules de saleté et les dépôts de la surface des objets immergés dans le bain ultrasonique.
  • Traitement médical : Dans certaines procédures médicales, comme la lithotritie (nous parlions des autres applications que l’échographie, en voici une justement), les ultrasons sont utilisés pour briser les calculs rénaux ou d’autres dépôts dans le corps. La cavitation contribue à la désintégration de ces matériaux en fragments plus petits, qui peuvent ensuite être éliminés naturellement par le corps.
  • Recherche et développement de matériaux : La cavitation peut être utilisée pour sonder les propriétés mécaniques des matériaux, faciliter des réactions chimiques ou modifier la structure des matériaux sur le plan microscopique.

La cavitation, malgré ses applications utiles, peut aussi causer de l’érosion ou des dommages aux équipements et aux matériaux, en particulier dans les situations où elle n’est pas contrôlée ou souhaitée. Sa maîtrise est un enjeu primordial dans de nombreux domaines, comme dans l’utilisation de pompes ou de turbines par exemple.

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