Faire décoller une goutte, ou comment utiliser des ultrasons pour sculpter de l’eau

Publié par Université de Tours, le 30 mai 2023   690

Ceci n’est pas une goutte qui tombe, mais bien une goutte qui décolle… poussée par des ultrasons.

Pour la faire décoller, nous avons disposé sous la surface de l’eau un type de haut-parleur qui génère des ultrasons (un transducteur acoustique). Il est orienté vers l’interface entre deux fluides, par exemple ici entre l’eau et l’air, mais cela fonctionne aussi avec d’autres fluides. Quand les ultrasons atteignent une intensité suffisamment élevée, une goutte d’eau peut se former, se soulever et même se détacher de la surface. Ici, l’intensité est juste en dessous de ce seuil et la goutte reste « attachée ».

Si le signal acoustique continue, plusieurs gouttes d’eau sont successivement formées et éjectées. On parle de fontaine acoustique.

Faire léviter des petits objets avec des ultrasons… et les déplacer

En première approximation, la pression de radiation est un effet du second ordre, donc une grandeur nettement plus petite que la pression acoustique dont elle est la moyenne temporelle. La pression de radiation se manifeste comme une force mécanique lorsqu’elle s’applique sur une surface. Grâce à cette force acoustique, on peut manipuler de petits objets de l’ordre du millimètre tels que des gouttes d’eau, des composants électroniques et même de petits insectes. Dans ces cas, l’objet est directement poussé par le faisceau acoustique.

En orientant un transducteur vers l’objet et en dimensionnant judicieusement le système, il est possible d’avoir une force de radiation acoustique qui compense les effets de la gravité terrestre et permet alors à l’objet de léviter dans l’espace. En ajoutant des transducteurs acoustiques, des tourbillons (ou vortex) acoustiques peuvent être créés afin de manipuler de façon précise l’objet en lévitation : en modifiant le faisceau acoustique, on modifie l’œil de la tornade et on peut déplacer l’objet. On parle alors de « pince acoustique ».

Ce phénomène intéresse notamment pour les applications dans le domaine du biomédical où on recherche à déplacer des médicaments, contrôler à distance des dispositifs médicaux implantés dans le corps humain, ou effectuer des interventions chirurgicales très précises à l’échelle microscopique – des recherches qui restent exploratoires pour le moment.

Contrôler la forme de surfaces

Pour contrôler précisément l’éjection de gouttes et le mouvement de la particule en lévitation, nous avons besoin de bien comprendre la force de radiation acoustique.

Les physiciens ont tendance dans ces cas à se pencher sur des systèmes relativement simples, par exemple une interface entre de l’eau et de l’air. En disposant un transducteur acoustique dans l’eau et en l’orientant vers la surface, quels vont être les paramètres ayant une influence sur la force de radiation acoustique ? Quelle déformation de l’interface en résulte ? Est-il possible de contrôler précisément dans le temps et dans l’espace cette déformation ?

Dans nos travaux, nous avons proposé un nouveau dispositif de mesure de cette déformation, qui utilise simultanément un laser confocal et un appareil photographique avec un objectif macroscopique. Ces mesures précises couplées à des simulations numériques montrent l’influence du transducteur (sa forme et sa puissance notamment).

Ces études ont révélé que selon l’excitation acoustique, la forme de la déformation change : sur la bosse d’eau se forme une tétine (ou une goutte) qui se détache si on augmente le temps d’excitation ou l’intensité acoustique générée par le transducteur – en d’autres termes, la goutte décolle.

Sculpter des formes plus complexes

Pour mieux comprendre l’interaction entre les ondes acoustiques et une interface, nous étudions aussi d’autres couples de fluides, comme l’eau et l’huile par exemple.

Mais nous cherchons également à obtenir des formes plus complexes sur une interface eau-air, en utilisant plusieurs transducteurs ultrasonores couplés entre eux. Nous aimerions ainsi un jour sculpter à façon la surface de l’eau grâce à l’énergie acoustique.

En effet, à plus long terme, les scientifiques aimeraient utiliser la pression de radiation sur des milieux plus complexes tels que les métamatériaux. Un objectif serait par exemple de réaliser des dispositifs qui absorbent les ondes acoustiques venant dans l’air (des absorbeurs acoustiques), et que l’on peut contrôler en temps réel pour les adapter aux ondes à absorber.

Thibaut Devaux, Maître de Conférences en Acoustique, Université de Tours; Félix Sisombat, Doctorant en acoustique physique, Université de Tours; Lionel Haumesser, Maitre de Conférences HdR en acoustique ultrasonore, Université de Tours et Samuel Callé, Professeur des universités en acoustique, Université de Tours

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.