HAL Id: jpa-00215119
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Submitted on 1 Jan 1972
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GÉNÉRATION ET DÉTECTION DES ULTRASONS JUSQU’AUX FRÉQUENCES LES PLUS ÉLÉVÉESLES PREMIERS PAS DANS LES RECHERCHES SUR LES
ULTRASONS
P. Biquard
To cite this version:
P. Biquard. GÉNÉRATION ET DÉTECTION DES ULTRASONS JUSQU’AUX FRÉQUENCES LES PLUS ÉLÉVÉESLES PREMIERS PAS DANS LES RECHERCHES SUR LES ULTRASONS.
Journal de Physique Colloques, 1972, 33 (C6), pp.C6-1-C6-3. �10.1051/jphyscol:1972601�. �jpa- 00215119�
GENERA TIQAI ET DETECTION DES UL TRASQNS JUSQUX UX FREQUENCES LES PLUS ELFVEES
LES PREMIERS PAS DANS LES RECHERCHES SUR LES ULTRASONS
P. BIQUARD
Ecole SupCrieure de Physique et de Chimie, Laboratoire dYElectricitC GtnCrale, 75005 Paris, France
Rbum6. - En utilisant un certain nombre de documents rkemment retrouves, sont dkcrites les premikres tentatives de Paul Langevin dans la production et la rkceptio~l des ultrasons (conden- sateur chantant, microphones, quartz, triplet quartz-acier, etc ...). Certaines difficultCs techniques de 1'6poque sont soulign8es.
Les publications et le cours de Langevin au Collkge de France sont CvoquCs.
Abstract. - The first attempts by Langevin to produce and to receive ultrasonic waves are described, with the help of recently discovered documents. The first devices are mentioneted (vibrating condenser, microphones, piezo electric quartz ...) and the technical difficulties of this period are underlined.
Finally, publications and lectures by Langevin are recorded.
Le r81e de Paul Langevin dans la genbse des ultra- sons comme dans les dCveloppements scientifiques et techniques de ceux-ci a Ctt souvent dCcrit. Quelques mois seulement aprbs sa mort, le 25 mai 1947
A
Londres, un certain nombre de savants
-
dont Fr6dCric Joliot-Curie - rendirent hommage B son muvre de savant comme a la g6nCrositC de ses options humanitaires et sociales. Le fils de J. J. Thomson, sir George Thomson, prit la parole au cours de cette r6union et, Cvoquant ces annCes de la fin du xlxe sibcle, au cours desquelles Langevin travailla chez son pbre en compagnie de Rutherford, il fut amen6 a dire :cc On peut &tre parfois amend
a
penser qu'il devait 2tre extremement facile, a cette tpoque, de faire des d6couvertes importantes, alors qu'il y avait tant dCcouvrir. Mais je ne pense pas qu'il en Ctait ainsi.En outre de la difficult6 de penser clairement dans un monde d'idCes rCvolutionnaires et de rCsultats rapidement accumulCs - dont certains Ctaient faux -
les difficultts techniques Ctaient Cnormes, et je pense que sont peu nombreux ceux de la gCnCration actuelle qui s'en rendent compte (I). ))
Des manuscrits de Paul Langevin et des lettres B fui adresskes de Toulon par son tleve et collaborateur, Marcel Tournier, retrouvts rCcemment par son fils Andr6 Langevin - qui a bien voulu me les commu-
niquer, ce dont je le remercie vivement - illustrent pleinement le jugement de sir George Thomson.
Un de ces manuscrits est le plan de l'expost fait par Langevin, en octobre 1918, i la cr ConfCrence interal- like sur la recherche des sous-marins par la mkthode ultrasonore B.
Aprbs avoir rappelt la (( proposition Richardson (1912) )) d'utiliser les ondes ultrasonores tmises par voie mCcanique pour la ditection des obstacles a la navigation par la (c mCthode de l'tcho )) Langevin en vient B la proposition de I'ingtnieur d'origine russe, Constantin Chilowski. Ce dernier, la fin de 1914, avait proposC diverses inventions au gouver- nement fran~ais. Paul PainlevC, alors ministre, l'orienta vers Paul Langevin et Jean Perrin. En fkvrier 1915, dans son plan d'exposi, Langevin poursuit :
<< Chilowski propose d'utiliser les actions magnCti-
ques produites par des oscillations Clectriques de haute frCquence pour exciter synchroniquement tous les points d'une surface de grandes dimensions par rapport B la longueur d'onde ultrasonore dans l'eau et obtenir ainsi 1'Cmission d'un faisceau permettant la recherche et la localisation des sous-marins et des mines sous-marines. ))
Le problbme Ctait posC. Restait
A
trouver ce que nous nommons aujourd7hui le transducteurA
1'Cmis- sion et le dispositif de rCception de 1'Ccho.Dans son laboratoire de l'Ecole, assist6 de Marcel Tournier et de Fernand Holweck (qui devait en
(1) (( One is perhaps inclined to think that it must have been
extremely easy to make important discoveries in those days, stre puis fusillC par les nazis)7
when. as we now know. there was so much to be discovered. a recours tout d'abord Pour 1'CmisSion aux actions
but 1'do not think that
it
was. Apart altogether from the diffil Clectrostatiques dCvelop~Ces dans un condensateur .culty of thinking clearly in a world of revolutionary ideas and dent une tlectrode est constitute par une feuille of rapidly accumulating results - some of which, of course,were erroneous - the technical difficulties were enormous, mince de mica recouverte d'or. I1 calcule que si and I think that few of the present generations can realise (( cOndensateur chantant )) Cmet des ultrasons,
them. )) ceux-ci exerceront, sur un obstacle placC dans le
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1972601
C6-2 P. BIQUARD
faisceau, une pression de radiation mesurable gr2ce a un pendule de torsion convenablement dispod.
(( Ce n'est pas sans tmotion, aimait-il dire
A
ses visiteurs, que dans cet tvier de mon laboratoire 'ai vu, pour la premibre fois dtvier le pendule...
ce qui confirmait l'exactitude de mes calculs. ))
Mais pour la transmission sous-marine il faut un rkcepteur plus maniable et Langevin choisit de prendre un microphone. Les premiers essais, en cuve, sont encourageants et, de la rue Vauquelin, l'tquipe se transporte, de dtcembre 1915 a mars 1916, sur les bords de la Seine, pour expirimenter d'une rive B l'autre de ce fleuve.
En avril 1916, la (( mission Langevin )) se transporte ii Toulon. L'objectif est double : augmenter la puis- sance tmise, accroitre la sensibilitt du rtcepteur, de manikre
a
pouvoir passer de l'ttape de la trans- mission de signauxa
celle de la rtception d'un echo ultrasonore.La lecture des trois lettres adresstes de Toulon i Langevin, par Marcel Tournier, est rkvtlatrice des difficultts techniques qu'il fallait surmonter.
-
Choix de la frtquence (essais sur 15, 54 et 174 kHz).- RCglage et modulation de l'arc Cmetteur, puis d'une htttrodyne.
- Montage de l'tlectrode vibrante dans un ensemble Ctanche l'eau de mer, etc
...
Cependant des transmissions ont lieu jusqu'a 2 000 m2tres et d'avril 1916
A
fkvrier 1917 des expC- riences de rtflexion sont rCussies.Ces difficult& feraient sans doute sourire beaucoup de nos techniciens d'aujourd'hui
...
Ainsi, par exemple, dans ce meeting du 25 mai 1947, sir Henry Tizard souligna pour expliquer les succ2s de l'Cquipe fran-~ a i s e et les khecs de l'tquipe anglaise :
(( Nous ne savions pas a cette Cpoque que le dtpar- tement militaire fran~ais de dtveloppement de la tkltgraphie sans fil avait rtussi
a
construire des amplificateursa
6 et 8 lampes, lesquels Ctaient capables d'amplifier un tr6s petit couranta
un niveau tel qu'il rendait possible la dttection des sous-marins ('). )) De m&me, relatant ses difficultb, le 4 mars 1918, Marcel Tournier tcrit a Langevin :(< Nous ferions bien d'adopter comme source les
lampes amtricaines dont le Gtntral Ferric5 avait offert quatorze exemplaires
a
F. Holweck. ))Prtcistment, en fCvrier 19 17, Langevin se propose d'utiliser le quartz pour la rtception des signaux ultrasonores, et ce sera le premier exemple des appli- cations de la pitzo-ClectricitC.
(2) (( We did not know at that time that the French military department for the development of wireless had succeeded in making 6
-
valve and 8 - valve amplifiers which were able to amplify a very small current up to an amount which would makeit of practical use in the detection of submarines D.
I1 Ccrit :
(< Je songeai & utiliser, pour la reception tout
d'abord, les proprittts piCzo-tlectriques du quartz.
La grande amplitude de pression qui correspond dans l'eau
a
une puissance donnCe sous forme d'ondes Clastiques permettait d'esptrer que, malgrC la petitesse des phCnombnes pitzo-tlectriques, on pourrait tirer parti des remarquables proprittts du quartz dans des conditions parfaites au point de vue de la robus- tesse et de la fidtlitt (3). ))Immtdiatement se posa la question de l'utilisation Cventuelle de la resonance du quartz a la rCception puis B I'tmission.
La manikre dont Langevin rtsolut ce problkme en prtconisant l'utilisation de mosafques de quartz, et en faisant la thtorie du <( triplet quartz-acier )>
est trop connue pour qu'il soit nCcessaire d'y insister ici. Signalons toutefois que les premiers essais furent dtcevants : le 4 mars 1918, Tournier Ccrit :
(( Nous avons essay6 dans une cuve de faire rayonner la mosaique de quartz. Cet essai a CtC tout B fait infructueux. >>
Et pourtant les efforts entrepris permirent de progresser et Langevin pouvait rapporter en octo- bre 1918 :
(( ExpCriences de rCflexion sur sous-marin en utili- sant le m6me appareil a quartz comme Cmetteur et rtcepteur avec distance maximum d'tcho de 1 300 m. ))
Pour donner une idte de la sensibiliti, signalons que des ondes tlastiques dont l'amplitude Ctait de 10-l1 cm ttaient dttectables.
Aprbs avoir dtcrit l'ttat actuel de ses appareils, Langevin dressa un programme de recherches en sept points, dont quelques-uns sembleront nous tous 6tre encore d'actualitt, mCme s'ils sont transposCs dans d'autres domaines de frtquence et de tempb rature.
30 (< Perfectionnement des proctdts de collage des
surfaces quartz-acier par emploi de divers ciments isolants et amtlioration de la technique.
40 Atttnuation des effets de viscositk du ciment par oscillation autour d'une pression initiale positive par introduction de gaz sous pression dans la boite qui renferme l'oscillateur.
70 Etude des influences perturbatrices dues au milieu (absorption, mirage, diffusion, etc ...) (4). )>
(3) C f. Paul Langevin, mon pere par Andre Langevin. Les Editeurs francais rkunis, p. 81.
(4) Ces problemes dont l'actualite technique et militaire est tres actuetle (voir Scientific American de juillet 1972) ont kt6 traites en dCtail dans deux conferences de Langevin en juin 1929 et juin 1931, publikes par (( 1'As~ociation Technique maritime et aeronautique n.
LES PREMIERS PAS DANS LES RECHERCHES SUR LES ULTRASONS C6-3
Pour poursuivre ces recherches Langevin prtconise la crkation d'une cc Commission permanente pour le dkveloppement des mtthodes ultrasonores )> dont il suggbre la composition et les rkgles de travail.
Prtvoyant la fin de la guerre il a soin de prtciser : c( I1 est dtsirable qu'aucun perfectionnement rkalist en temps de paix ne soit gardt secret par les marines allites s'il peut Ctre utilist pour la protection des navires. ))
Le prtsident de la dCltgation britannique
A
cette confkrence d'octobre 1918 ttait sir Ernest Rutherford.I1 souligna :
(( la grande valeur et la haute importance des recherches du Professeur Langevin et de ses colla- borateurs, qui ont ouvert une voie nouvelle ( 5 ) . ))
Dans cette voie nouvelle Paul Langevin s'engagea encore personnellement comme le rappelle Louis de Broglie dans sa c( Notice sur la vie et l'ceuvre de Paul Langevin )) (p. 22) :
cc Ces recherches qu'il poursuivit encore de longues anntes aprbs la fin de la guerre, l'amengrent a examiner toutes sortes de problkmes connexes concernant la mesure des intensites sonores en valeur absolue ( 6 ) ,
l a propagation du son dans les tuyaux ( 7 ) , son absorp- tion par dtgagement de chaleur, la stabilitt des divers types d'ondes, 1e phtnomkne du mirage en acoustique sous-marine etc
...
))Dans le domaine des ultrasons, comme dans ceux de la relativitC et du magnttisme - pour ne citer que ceux-ci - Langevin prit le soin, dans son ensei- gnement au Collbge de France, d'effectuer des mises au point magistrales qui constituaient de vtritables
documents de base pour les chercheurs dtsireux de s'engager dans la voie en question. C'est ainsi qu'en 1923 il traita des ultrasons de manikre dCtaillte et dans bien des cas rtsolvant pour la premike fois un certain nombre de probllmes. Comme ce fut le cas pour la plupart de ses cours, Langevin n'en fit aucune publication - ses tleves le rtdigbrent en partie et - avec son autorisation - j'en publiai quelques elements dans la Revue d'Acoustique (').
I1 serait trop long d'tnumtrer tous les chapitres du cours de 1923, et je mentionnerai seulement :
- Electrostriction, magnetostriction, pitzodlectri- cite.
- Absorption des ondes tlastiques (viscositt ; conductibilitk calorifique).
- DCferlement, ondes en dents de scie.
- Emission d'une source plane, d'une sphere pulsante.
- RCflexion des ondes (en particulier sur une lame d'tpaisseur finie).
- L'amplificateur B lame liquide.
- La pression de radiation.
- La rtsistance de rayonnement.
I1 nous a paru ltgitime, cent ans aprls la naissance de Paul Langevin, de consacrer quelques instants au rappel des efforts des pionniers des ultrasons, ce domaine de la physique, devenu si vaste, que le present colloque ne pourra n'en aborder qu'un nombre limit6 d'aspects.
Certes, avant 1915, un certain nombre de physiciens avaient tentC, avec succbs, de produire des ondes klastiques d'une frtquence suptrieure
A
la limite auditive de l'homme, mais il est bien clair aujourd'hui que c'est avec Paul Langevin que s'ouvrit le champ des recherches thCoriques et exptrimentales et des( 5 ) A. Langevin, loc. cit., p. 83.
(6) En avec le physicien japonais M. M. Ishi- applications industrielles et medicales des ultrasons.
moto.
(7) En collaboration avec R. Hocart. (8) 1932, vol. 1 , p. 93 et 315: vol. 2, p. 288.
