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La lévitation ultrasonore

Alexa Dive Jimena Alvarez Isabel Quesada

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Table des matières I. Introduction .............................................................................................................................................. 2

II. Approche théorique ............................................................................................................................... 3

A. Comment fonctionne la lévitation ultrasonore? ..................................................................... 3

B. Piézoélectricité .................................................................................................................................... 5

III. Mise en œuvre expérimentale ....................................................................................................... 7

A. Démarche expérimentale ................................................................................................................ 7

B. Montage final ........................................................................................................................................ 9

IV. Conclusion .......................................................................................................................................... 16

V. Sources ..................................................................................................................................................... 17

I. Introduction « La lévitation est le fait, pour un être ou un objet, de se déplacer ou de rester en

suspension au-dessus du sol, sous l’effet d’une force plus forte que la gravitation, sans contact physique solides. » De nos jours, il en existe plusieurs types toutes générés par des forces diverses. Ainsi, il existe la lévitation magnétique qui est la plus commune, la lévitation aérodynamique et la lévitation acoustique la moins connues mais aussi la plus surprenante. C’est à cette dernière que nous nous intéresserons toute au long de notre projet car elle comporte de nombreux avantages par rapport aux autres types de lévitation existants. Elle peut par exemple être utilisée avec n’importe quels objets, aussi bien liquides que solides, sans qu’ils aient besoin d’être magnétisés. Des espèces dont le contact avec une surface quelconque altèrerait les propriétés chimiques, deviendraient alors facilement manipulables. Ainsi nous verrons tout d’abord brièvement l’origine et le principe de la lévitation ultrasonore étroitement lié à la piézoélectricité. Ensuite nous décrirons le protocole que nous avons décidé de mettre en œuvre pour réaliser cette expérience et auquel nous avons consacrée la plus grande partie de notre temps.

Comment expliquer l’influence d’ondes ultrasonores sur la lévitation d’une particule ?

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II. Approche théorique Les premières expérimentations menées sur la lévitation acoustique se font vers les années 1975, mais il faudra attendre 2005, pour que le phénomène suscitant l’intérêt de nombreux chercheurs, soit plus amplement étudié. C’est alors que de nouvelles expériences, possibles grâces aux nouveaux matériaux disponibles sur le marché, sont réalisées, faisant l’objet de plusieurs thèses. Cependant, la lévitation ultrasonore, incluant de nombreux paramètres physiques se révèle être très complexe, et n’en est toujours qu’au stade de la recherche. En effet, si d’un point de vue purement théorique elle devrait être possible à l’infini, et pourrait permettre la lévitation d’un homme, les scientifiques s’accordent pour dire que d’un point de vue physique, elle ne serait possible qu’avec des particules très légères. Elle permettrait néanmoins la suspension d’objets solides ou liquides dans n’importe quel milieu ou les ondes sonores se propagent, en créant une pression acoustique.

A. Comment fonctionne la lévitation ultrasonore?

La lévitation ultrasonore est basée sur l’aller-retour d’ultrasons d’une fréquence 22KHz. Ces ondes sonores, sont donc inaudibles par l’homme qui n’entend qu’entre 16Hz et 20KHz. Lorsque l’on place un émetteur d’ultrasons, aussi appelé transducteur ultrasonore (capable de transformer une énergie en une autre), et que l’on place un réflecteur au-dessus, les ondes incidentes, vont théoriquement se réfléchir dans le sens contraire pour former des ondes stationnaires1.. 1. Onde résultante de la propagation (dans un milieu donné) de deux ondes de même fréquence dans des directions opposées.

Fig.1 Lévitation acoustique

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Une onde sonore crée en vibrant, des différences des pressions variables, c’est la pression acoustique, exprimée en pascals (Pa)

Dans une onde stationnaire, il existe alors : Des zones de pression normale appelées nœuds

où les vibrations des deux ondes se neutralisent. Des zones de pression maximale appelées anti

nœuds ou ventres, où les vibrations des deux ondes s’additionnent.

C’est au niveau de ces nœuds, où la gravité s’annule, que les objets vont rester en suspension. Notons que si la réflexion est totale, il n’existera pas de différence entre l’amplitude de l’onde incidente et de l’onde réfléchie. Sachant qu’une réflexion parfaite est difficile à obtenir, il existera toujours une légère différence d’amplitude entre les deux ondes venant perturber l’onde stationnaire et donc la stabilité de la particule.

Fig.2 Pression acoustique

Fig.4 Simulation d’une onde stationnaire En haut : onde incidente (verte) et onde réfléchie (jaune) En bas : onde stationnaire (bleue)

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La génération d’ultrasons dans notre projet est basée sur un phénomène piézoélectrique que nous proposons de décrire ci-après.

B. Piézoélectricité Il existe des matériaux qui sous l’effet d’une contrainte mécanique sont capables en se polarisant électriquement de produire de l’électricité et réciproquement. Ce phénomène se nomme piézoélectricité et fut tout d’abord étudie par Pierre et Jacques Curie en 1880.

Un matériau piézoélectrique, lorsqu’il est déformé, génère un courant électrique. Il en existe plusieurs, d’origine naturelle. Par exemple le quartz et la topaze qui sont des cristaux ainsi que des minéraux comme l’os ou l’émail dentaire. Il existe aussi des céramiques et des cristaux d’origine synthétique (fabriqués par l’homme), en raison de leur forte utilisation dans des appareils de la vie quotidienne comme les bippers (ou buzzers en anglais). Ainsi, lorsqu’un matériau piézoélectrique est déformé, il génère un courant électrique : c’est l’effet piézoélectrique direct. Réciproquement, lorsqu’on applique à ce type de matériaux une tension électrique, il se déforme : c’est l’effet piézoélectrique inverse.

Pour comprendre ce phénomène, il faut se pencher sur la composition moléculaire des cristaux. Tout d’abord, il faut savoir que dans un cristal, suivant la manière dont les molécules sont formées et s’accommodent, elles se polarisent (une extrémité est plus chargée négativement que l’autre), c’est ce qu’on appelle un dipôle. Il faut alors imaginer des vecteurs définissant l’orientation de chacune de ces molécules selon leur polarisation. Dans un monocristal, tous ces vecteurs sont de même sens et de même direction, on dit alors que le cristal est symétrique, car si on le coupait en deux parties, on verrait que les vecteurs prennent tous la même direction. En revanche, dans un polycristal, dit asymétrique, ces vecteurs vont tous dans des sens et des directions différentes.

Fig. 4 Effet piézoélectrique

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Fig. 5 Orientation molécules dans un monocristal et un polycristal

Pour produire l’effet piézoélectrique, on utilise le polycristal, car lorsqu’on le chauffe par un fort champ électrique, les molécules se déplacent très facilement (sous l’effet de la chaleur), et tous les dipôles s’alignent dans la même direction (sous l’effet du champ électrique).

Fig.6 Effet piézoélectrique par polarisation de la céramique piézoélectrique.

La figure 7 montre que lorsque l’on compresse et que l’on étire le matériau piézoélectrique on obtient des tensions égales mais de sens inverse. En répétant cette opération successivement, on obtient un courant alternatif. Dans le cas de l’effet piézoélectrique inverse, un courant alternatif est appliqué au matériau. Celui-ci vibre alors à la même fréquence que le courant alternatif. Le transducteur2. que nous utilisons fonctionne sur ce même principe. 2. Dispositif transformant une grandeur physique

en une autre. Ainsi le transducteur pour ultrason

convertit une énergie électrique en énergie

acoustique dans la gamme des ultrasons.

Fig.7 Schéma de l’effet piézoélectrique directe et de l’effet piézoélectrique inverse.

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III. Mise en œuvre expérimentale Apres avoir compris la lévitation ultrasonore ainsi que les notions précédemment expliquées, nous voulions savoir s’il était possible de reproduire ce phénomène à l’aide de matériaux simples.

A. Démarche expérimentale Notre premier objectif a été de réaliser un dispositif fonctionnel. Nous avons donc commencé par faire des essais de montages capables de créer des ondes stationnaires. Notre premier réflexe a été de positionner deux haut-parleurs du laboratoire l’un au-dessus de l’autre, alignés. Nous les avons connectés à un générateur de fréquence réglé à 22 KHz et les avons testés avec de petites gouttes d’eau positionnées avec une seringue.

Malheureusement nous n’avons pas réussi à léviter des particules de cette manière. Les haut-parleurs, étant plutôt destinés à reproduire des sons se situant dans la gamme audible, ne pouvaient probablement pas émettre des ultrasons de façon constante. Face à ce premier échec, nous avons décidé de nous renseigner plus amplement sur le sujet. Nous avons donc décidé de commander des Etats-Unis deux transducteurs ultrasonores d’une puissance de 60 Watt et pouvant délivrer des ondes de fréquence allant jusqu’à 28 KHz. Au bout d’un mois environ, nous avons reçu les transducteurs. Notre deuxième montage a été le même que le précèdent et nous n’avons changé que les vieux haut-parleurs par les transducteurs ultrasonores soumis cette fois-ci à une fréquence de 28 KHz.

Premier montage

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Une nouvelle fois, ce montage n’a pas fonctionné. Ayant les bons transducteurs le problème ne venait à l’évidence pas d ‘ici. Nous avons alors pensé qu’il valait finalement mieux n’utiliser qu’un transducteur et un réflecteur afin d’être certain que les deux ondes incidentes et réfléchies soient cohérentes. Nous avons donc effectué un troisième montage en plaçant un transducteur comme émetteur d’ultrason, toujours soumis à une fréquence de 28 KHz, et au-dessus une plaque de plexiglas en guise de réflecteur. Pour le tester nous avons cette fois-ci utilisé de petites billes de polystyrène car elles sont plus légères que l’eau et donc plus susceptibles de léviter.

Cette fois-ci, en approchant de très près le réflecteur (à environ 1 cm du transducteur), le polystyrène bougeait très légèrement. Nous pensons néanmoins que ceci n’était pas du à la lévitation ultrasonore mais plutôt à l’électricité statique produite par le plexiglas. Nous en avons conclu que le réflecteur employé n’était pas idéal car il faussait les résultats et qu’il valait mieux utiliser l’aluminium. Mais aussi que si l’expérience ne fonctionnait pas à une distance raisonnable du transducteur, c’était parce que l’onde qu’il émettait n’était d’assez forte amplitude.

Transducteur piézoélectrique utilisé Deuxième montage

Troisième montage

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A partir de là, nous avons cherché la manière d’amplifier le signal reçu par le transducteur. C’est alors qu’une vidéo de Mike Harison (mise en ligne sur You Tube le 26 juillet 2013) sur la lévitation ultrasonore nous est apparue. Nous avons été agréablement surpris de constater qu’elle proposait un montage analogue au troisième que nous avions réalisé. L’unique différence était que la fréquence n’était non pas produite par un générateur de fréquence mais par une source d’alimentation couplée à un driver3.. (lien de la vidéo: https://www.youtube.com/watch?v=qy1w6rTpC2g)

3. Terme pouvant être employée pour désigner un circuit intégré contrôlant un commutateur de forte puissance.

B. Montage final En nous inspirant des travaux de Mike Harisson le montage que nous avons réalisé est le suivant :

Afin réaliser l’expérience avec plus de précision, il nous fallait construire un support métallique réglable permettant d’ajuster la distance émetteur-réflecteur. Pour ce faire, nous avons contacté l’ingénieur Alfredo Azofeifa, spécialisé dans les ultrasons et les transducteurs piézoélectriques, qui nous en a fait les plans.

Montage final

Plans du support piézoélectrique

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Nous avons ensuite calculé la distance théorique permettant la formation d’une onde stationnaire la plus précise possible. Sachant que :

λ= 𝑉

𝐹 avec :

λ=

340

28000 ≈ 0,01214 m soit 1,214 cm

Il faut que la distance émetteur-récepteur soit un multiple de cette longueur d’onde. Ainsi

nous l’avons multiplié par 2x. Si l’on choisit x=5, la distance sera de 25*1,24 donc d’environ

38,5 cm.

De plus nous avions besoin de :

une source d’alimentation variable (power supply en anglais) délivrant un courant continu ; dans notre cas de 9V et 3V.

Un driver Un transducteur piézoélectrique

λ en mètres V en mètres par secondes F en hertz

Support fabriqué

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Ainsi, le courant continu (DC) délivré par la source d’alimentation passe dans le driver afin d’être amplifié et de devenir alternatif (AC), et rentrer dans le transducteur (à une fréquence proche de 28 KHz) qui le transformera en vibration et donc en onde sonore. Nous avons tenté de contacter Mike Harrison et obtenu des informations sur le circuit utilisé par le driver.

Ayant peu de connaissances en électronique, c’est à la construction de ce driver que nous avons consacré la plus grande partie de notre temps. En effet, il nous a fallu identifier les composants du schéma à partir de leurs symboles, les commander pour certains des Etats Unis car ils n’étaient pas tous disponibles au Costa Rica et ensuite, apprendre à les disposer intelligemment sur une plaque d’expérimentation. Tout d’abord, il faut savoir qu’un driver est un circuit électrique qui sert à réguler le courant électrique. Il contrôle la tension rentrante et répare les anomalies du système électrique en analysant les signaux reçus. Comme dit précédemment, dans notre cas, il va transformer le courant continu (DC) en un courant alternatif (AC) de fréquence d’environ 28 KHz.

Fig. 8 Schéma de l’expérience. Source : http://electricstuff.co.uk/levit.html

Schéma du driver http://electricstuff.co.uk/levit.html

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Pour construire ce driver il nous fallait :

Un condensateur de 100 μf (en microfarad) Un condensateur de 1000 μf et 25 V Deux condensateurs de 100 nf (en nanofarad) Un condensateur de 1 nf Un circuit intégré 555 Une résistance de 100 Ohms Une résistance de 47 Ohms Une résistance de 18 KOhms Une résistance de 1 KOhms Un potentiomètre de 10 KOhms à 10 tours (commandé des Etats-Unis) Un transistor à effet de champ à grille isolée (MOSFET) IRFP 250N

(commandé des Etats-Unis) Un transformateur électrique 110V/12V Une plaque d’expérimentation

En attendant que les deux éléments manquant arrivent, nous avons fait un premier driver ‘’d’essai’’ sur une plaque d’expérimentation avec soudure. Notre plaque d’expérimentation étant configurée de façon assez spéciale, nous avons du repenser entièrement le schéma du driver et imaginer manière de disposer les composants afin qu’ils remplissent bien leurs fonctions assignées. Ceci fait, nous avons soudé les composants achetés ici, en remplaçant les deux manquant des similaires pensant que cela n’altèrerait pas les propriétés du driver. La réalisation de ce circuit a été pour nous l’occasion d’apprendre à souder.

Croquis du circuit du driver

Comme il est visible sur ce schéma, nous avons été forcé de changer le sens de notre circuit intégré afin de pourvoir le connecter. Effectivement, notre plaque d’expérimentation nous a obligées à changer la disposition de tous les composants.

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Nous avons testé ce driver dans le montage décrit ci-dessus, mais comme prévu, celui-ci ne comportant pas le bon transistor, ni le bon potentiomètre, ne fonctionnait pas.

Il est important de noter, que nous avons placé, le transformateur 110V/12V à l’envers afin de transformer du 12V en du 110V et avons utilisé l’unique source d’alimentation qui était à notre porté, délivrant 1,5 A au lieu des 3A requis.

Premier Driver

Transducteur piézoélectrique

Source d’alimentation

9V

Composants du driver

Transformateur électrique 110V/12V

Photo du montage final avec le premier driver

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Une fois les composants arrivés, nous avons donc entrepris la construction du second driver, mais en utilisant cette fois-ci un plaque d’expérimentation sans soudure pour gagner du temps.

A l’aide de deux LED (une aurait suffi) placées en sortie, c’est à dire après le MOSFET, nous avons pu vérifier le bon fonctionnement de notre driver. En effet, celles-ci se sont allumées.

Second Driver

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Cependant, notre driver délivrant 28KHz, nous ne pouvions pas, pour des raisons physiologiques, observer le phénomène de clignotement. Grâce à un logiciel en ligne simulant le fonctionnement d’un circuit intégré 555, nous avons pu déterminer la valeur du condensateur C1 permettant la réduction de la fréquence délivrée par le driver. Nous avons donc remplacé le condensateur de 1nF par un autre de 100 mF, 100000 fois plus gros.

Test du driver avec les LED

Logiciel permettant de changer la valeur du condensateur

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Ainsi nous avons pu observer les LED s’allumer successivement selon la fréquence alternative. Ceci nous a également permis de prouver l’efficacité de notre potentiomètre pour faire varier la fréquence car en l’ajustant les lampes s’allumaient plus ou moins rapidement. Cependant, nous ne sommes pas parvenus à faire léviter de particule. Une raison possible expliquant l’absence de lévitation est l’utilisation d’un transformateur mal adapté au driver. Si la possibilité nous est donnée de poursuivre nos travaux, nous allons devoir résoudre un défi majeur, qui est de générer un signal adapté au transducteur piézoélectrique notamment en adaptant son impédance4.. Pour ce faire, nous pensons nous procurer ou fabriquer un transformateur adapté. 4. L’impédance Z est l’extension de la résistance au courant alternatif.

IV. Conclusion

Tout au long de ce projet, nous avons pu nous rendre compte de la complexité de la

lévitation ultrasonore, qui sous apparences très simples, s’avère difficile à mettre en

œuvre, à cause notamment des nombreux paramètres physiques qui interviennent. Ce

phénomène captivant requiert en fait une grande précision dans sa mise en œuvre.

Le montage que nous avons réalisé n’est qu’un exemple de la manière de produire de la

lévitation sonore à petite échelle. Comme toute expérience récente, la lévitation sonore

est en pleine étude et a besoin d’être approfondie. Peut-être un jour, deviendra-t-elle un

phénomène de la vie courante utilisé dans des appareils de tous les jours ?

Pour l’instant, certains laboratoires pharmaceutiques suisses commencent tout juste à

s’y intéresser car elle permettrait la fabrication médicaments amorphes engendrant

moins d’effets secondaires que les médicaments cristallins actuels. Cependant elle reste

trop peu étudiée et peu connu du grand public.

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V. Sources http://science.howstuffworks.com/acoustic-levitation.htm http://en.wikipedia.org/wiki/Acoustic_levitation http://fr.wikipedia.org/wiki/Lévitation_acoustique http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/physique-levitation-acoustique-bien-plus-physique-amusante-51378/ http://www.tuxboard.com/levitation-acoustique-en-3d-avec-des-ondes-sonores/ http://fr.wikipedia.org/wiki/Piézoélectricité http://www2.ac-lyon.fr/etab/lycees/lyc-69/descartes/IMG/pdf/Poirel_2_-_piezo.pdf http://www.universalis.fr/encyclopedie/piezo-electricite/ http://fr.wikipedia.org/wiki/Transducteur http://www.laplace.univ-tlse.fr/IMG/pdf/Transducteurs_transfos_piezos.pdf http://en.wikipedia.org/wiki/Driver_circuit http://en.wikipedia.org/wiki/Transistor http://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_circuit http://www.mines-stetienne.fr/~dutertre/documents/2_MOS_final_projection_web.pdf http://www.vishay.com/docs/91212/91212.pdf http://accrodavion.be/Accrodavions/lescondensateurs.html http://www.sonelec-musique.com/electronique_theorie_potentiometre.html http://phymain.unisciel.fr/faire-un-potentiometre-avec-une-mine-de-crayon/ http://en.wikipedia.org/wiki/Power_supply http://electronicdesign.com/power-sources/what-autoranging-power-supply http://www.web-sciences.com/documents/terminale/tedo02/teco02.php http://www.cnrtl.fr/definition/ultra-sonore http://www.sinaptec.fr/FR/Transducteurs-piezoelectriques-67.html