En échographie, on utilise quasiment exclusivement des matériaux piezoélectriques pour transformer le courant électrique en onde acoustique. Lorsqu'on soumet un matériau piezoélectrique à une tension électrique, il se déforme, ce qui change son volume. Le petit déplacement à la surface du matériau peut alors se propager comme une onde acoustique. Inversement, si une onde acoustique atteint un matériau piezoélectrique, celui-ci est déformé, ce qui fait apparaitre une différence de potentiel (une tension) à ses bords.

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Principe d'un matériau piezoélectrique : lorsqu'on le contraint, on fait apparaitre une tension électrique à ses bornes (source)

Tous les matériaux ne sont pas piezoélectriques, loin de là. Les plus fréquents sont certains oxydes ferroélectriques, qui sont composés de deux types d'ions positifs et d'une multitude d'ion d'oxygène (négatifs). On trouve aussi le quartz ou oxyde de silice, généralement moins performant que les oxydes ferroélectriques mais plus facile à usiner. Enfin, les polymères, notamment le polyvinylidine (PVDF) sont de plus en plus utilisés.

Certains tissus biologiques sont mêmes piezoélectriques. Suivant le principe de "fais le juste parce que tu peux le faire", des chercheurs ont même pu produire des ultrasons à partir de morceaux d'os... avant de réorienter leurs recherches, car il n'y pas vraiment d'application pour le moment.

Ces matériaux sont très utilisés dans le domaine de l'acoustique médicale, grâce à leur fiabilité, leur rendement (il y a peu de perte d'énergie lors de la conversion du courant électrique en onde acoustique) et leur bas coût.

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Schéma d'une sonde ultrasonore typique : un matériau piezoélectrique est placé à la tête de la sonde, et des électrodes y appliquent une différence de tension pour le déformer et donc créer une onde acoustique (source)

Enfin, on peut remarquer que si on applique un champ électrique sur un matériau quelconque, pas forcément piezoélectrique, celui-ci sera déformé : c'est ce qu'on appelle l'électrostriction. Cet effet est dû à un alignement des domaines électriques du matériau avec le champ électrique. Cet effet est cependant plus faible que l'effet piezoélectrique lorsque celui-ci existe.

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L'application d'un champ électrique sur un matériau contenant différents domaines électriques fait réarranger ceux-ci, ce qui déforme le matériau : c'est l'électrostriction (source sur un brevet consacré à l'electrostriction)
Mais il existe aussi d'autres manières de transformer un courant électrique en une onde acoustique, et ce sera l'objet des deux prochains billets.

Références

  • Une vidéo Youtube sur l'effet piezoélectrique dans une imprimante d'un constructeur connu du grand public
  • Un article dans Nature sur l'effet piezoélectrique de l'os, bien que ça ait été découvert dix ans plus tôt par des Japonais, comme montré dans cet article