Ultrason : qu'est-ce que c'est ?

Un ultrason est une onde de même nature que les ondes sonores, mais dont la gamme de fréquence se situe entre 20 kilohertz et plusieurs centaines de mégahertz. Cette gamme est trop élevée pour que l'oreille humaine puisse la percevoir.

Découverte et premières utilisations des ultrasons

La découverte et l'utilisation des ultrasons remontent à plusieurs siècles, mais leur étude scientifique approfondie a commencé beaucoup plus récemment. Les premiers rapports sur les effets des ultrasons remontent au milieu du XVIII^e siècle, lorsque le scientifique italien Lazzaro Spallanzani, un biologiste italien, a mené des expériences sur les chauves-souris, découvrant que celles-ci naviguaient en utilisant l'écholocationécholocation, un processus qui implique des ultrasons. Bien que la nature exacte de ce phénomène ne fut pas comprise à l'époque, ses travaux ont jeté les bases de la compréhension des ultrasons dans le monde naturel et ont influencé les recherches ultérieures sur le sujet.

Ce n'est qu'au XIX^e siècle que les ultrasons ont commencé à être étudiés scientifiquement. En 1877, le physicienphysicien anglais Lord Rayleigh a publié sa « Théorie du son », dans laquelle il a prédit l'existence d'ondes sonores au-delà de la portée de l'audition humaine. Parallèlement, Francis Galton, un savant britannique, mène aussi ses recherches sur la capacité des humains et des animaux à entendre des sons à différentes fréquences.

Au début du XX^e siècle, avec le développement de la technologie, les scientifiques ont commencé à créer des dispositifs capables de produire et de détecter des ultrasons. Pendant la Première Guerre mondiale, le physicien français Paul LangevinPaul Langevin a développé un dispositif d'écho sonar pour détecter les sous-marinssous-marins, qui utilisaient des ultrasons.

 Les échographes médicaux utilisent des ultrasons pour produire des images des tissus et des organes à l'intérieur du corps. © New Africa, Adobe Stock

Quel ultrason pour quel usage ? 

Les ultrasons peuvent être classés en différentes catégories en fonction de leur fréquence, de leur puissance et de leurs applications. Voici quelques-unes des catégories courantes d'ultrasons :

• Ultrasons diagnostiques : ils sont utilisés dans le domaine médical pour produire des images des tissus et des organes à l'intérieur du corps. Ils ont généralement une fréquence comprise entre 2 et 18 mégahertz (MHz) ;
• Ultrasons thérapeutiques : ils sont utilisés pour traiter diverses affections médicales, telles que les douleursdouleurs musculaires et articulaires, les fractures osseuses et les tumeurstumeurs. Ils ont généralement une fréquence comprise entre 0,8 et 3 MHz et une puissance plus élevée que les ultrasons diagnostiques.
• Ultrasons industriels : ils sont utilisés dans diverses applications industrielles, telles que le nettoyage, la découpe, le soudage et l'inspection non destructive des matériaux. Ils ont généralement une fréquence comprise entre 20 et 400 kilohertz (kHz) et une puissance élevée.
• Ultrasons à haute intensité : ils sont utilisés dans des applications telles que la sonochimie, la destruction des cellules cancéreuses et la fragmentation des calculs rénauxcalculs rénaux. Ils ont généralement une fréquence comprise entre 20 kHz et 2 MHz et une puissance très élevée.
• Ultrasons à basse fréquence : ils sont utilisés dans des applications telles que la communication avec les animaux, la détection de fuites de gaz et la mesure de distance. Ils ont généralement une fréquence comprise entre 20 et 100 kHz.

Les ultrasons et les animaux

De nombreux vertébrésvertébrés terrestres, les chienschiens par exemple, peuvent entendre les ultrasons. D'autres, comme les chauves-sourischauves-souris, sont même capables d'en émettre pour caractériser leur environnement, ce phénomène est l'écholocation ou écholocalisation.

L'écholocation

L'écholocation est un processus par lequel certains animaux utilisent des sons pour localiser des objets ou des proies dans leur environnement. Le terme « écholocation » est dérivé des mots écho et localisation, car les animaux émettent des sons et écoutent les échos qui reviennent pour déterminer la distance, la taille et la forme des objets.

  Les dauphins sont capables de se diriger grâce aux rebonds des ultrasons qu’ils envoient. © Eva Polikarpova, Adobe Stock

Les chauves-souris sont probablement les animaux les plus connus pour utiliser l'écholocation. Elles émettent des ultrasons par leur bouche ou leur neznez, qui se reflètent sur les objets environnants et reviennent à leurs oreilles sous forme d'échos. Elles peuvent déterminer la distance, la taille et la forme des objets en fonction du temps qu'il faut pour que les échos reviennent et de la force de l'écho. Les dauphins et les baleines utilisent également l'écholocation pour naviguer dans l'eau et trouver de la nourriture. Ils émettent des clics à haute fréquence à travers leur melonmelon (une structure graisseuse dans leur tête) et écoutent les échos qui reviennent pour localiser les objets. Certains oiseaux (guacharos des cavernes et engoulevents) et certains insectes (papillons de nuitpapillons de nuit et coléoptèrescoléoptères) aussi utilisent l'écholocation.

Produire des ultrasons

Les ultrasons sont produits par transformation d'une énergieénergie électrique, transportée par des courants alternatifscourants alternatifs de fréquence élevée, en énergie mécanique. Comme les autres ondes sonores, les ultrasons sont des ondes mécaniques qui se propagent dans un milieu matériel (comme l'airair, l'eau ou un solidesolide) en provoquant des vibrationsvibrations des particules du milieu. Les ultrasons ont des longueurs d'ondelongueurs d'onde plus courtes et des fréquences plus élevées que les ondes sonores audibles, ce qui leur confère des propriétés uniques qui les rendent utiles dans diverses applications.

Artificiellement, les ultrasons peuvent être produits à l'aide de divers dispositifs. Il existe trois types d'émetteurs d'ultrasons :

• les générateursgénérateurs piézoélectriques sont des dispositifs qui convertissent l'énergie électrique en énergie mécanique (et vice-versa) en utilisant l'effet piézoélectriqueeffet piézoélectrique. Ils sont composés de lamelles de quartzquartz collées entre deux disques d'acieracier. Lorsqu'un courant alternatif parcourt les disques, les lames se déforment à la même fréquence que celle de la tension appliquée. Elles produisent des vibrations mécaniques transmises au milieu ;
• les émetteurs magnétostrictifs utilisent un matériaumatériau qui se dilate ou se contracte en réponse à un champ magnétique. Ils jouent sur la variation des dimensions d'un corps ferromagnétiqueferromagnétique lorsque celui-ci est placé dans un champ magnétiquechamp magnétique variable. Lorsqu'un courant alternatif est appliqué à un fil enroulé autour du matériau, celui-ci vibre à la fréquence du courant, produisant des ultrasons.
• les émetteurs électrostrictifs sont des dispositifs qui utilisent le phénomène d'électrostriction pour produire des ultrasons. L'électrostriction est une propriété des matériaux qui provoque une déformation mécanique lorsqu'un champ électriquechamp électrique est appliqué. Dans un émetteur électrostrictif, un matériau électrostrictif est soumis à un champ électrique alternatif, ce qui provoque des vibrations mécaniques à haute fréquence qui génèrent des ultrasons.
• la cavitationcavitation acoustique se produit lorsqu'une onde sonore de haute intensité traverse un liquideliquide, provoquant la formation et l'effondrementeffondrement de bulles de vapeur. L'effondrement des bulles produit des ondes de choc qui peuvent générer des ultrasons.