La lévitation ultrasonore

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.
V.
Conclusion .......................................................................................................................................... 16
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?
Fig.1 Lévitation acoustique
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 audessus, les ondes incidentes, vont théoriquement se réfléchir dans le sens contraire pour
former des ondes stationnaires1..
Onde résultante de la propagation (dans un milieu donné) de deux ondes de même fréquence dans des
directions opposées.
1.
3
Une onde sonore crée en vibrant, des différences des pressions variables, c’est la
pression acoustique, exprimée en pascals (Pa)
Fig.2 Pression acoustique
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.4 Simulation d’une onde stationnaire
En haut : onde incidente (verte) et onde réfléchie (jaune)
En bas : onde stationnaire (bleue)
4
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.
Fig. 4 Effet piézoélectrique
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.
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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.
Fig.7 Schéma de l’effet piézoélectrique directe et de l’effet
piézoélectrique inverse.
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.
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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 audessus 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.
Premier montage
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.
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Transducteur piézoélectrique utilisé
Deuxième montage
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.
Troisième montage
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.
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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)
Terme pouvant être employée pour désigner un circuit intégré contrôlant un commutateur de forte
puissance.
3.
B. Montage final
En nous inspirant des travaux de Mike Harisson le montage que nous avons réalisé est le
suivant :
Montage final
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.
Plans du support piézoélectrique
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Support fabriqué
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 en mètres
V en mètres par secondes
F en hertz
340
λ= 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
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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.
Fig. 8 Schéma de l’expérience. Source : http://electricstuff.co.uk/levit.html
Schéma du driver
http://electricstuff.co.uk/levit.html
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.
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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.
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.
Croquis du circuit du driver
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Premier Driver
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.
Composants
du driver
Source
d’alimentation
9V
Transducteur
piézoélectrique
Transformateur
électrique
110V/12V
Photo du montage final avec le premier driver
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.
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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.
Second Driver
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.
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Test du driver avec les LED
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.
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/physiquelevitation-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
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