La sonoluminesence

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Présentation, étude et mise en pratique du phénomène de Sonoluminescence 12 pages par F.Moulin.

Extrait du document: étude de la sonoluminescence

Introduction

La sonoluminescence est la conversion de « son en lumière ». Elle se produit lorsqu’une ou plusieurs bulles, piégées à l’intérieur d’un liquide par un champ acoustique sinusoïdal, sont forcées à osciller pendant les phases de compression et dépression de l’onde acoustique. Le comportement non-linéaire de chaque oscillateur-bulle devient alors très particulier. En effet, quand l’amplitude de la pression acoustique incidente sur la bulle dépasse le bar, on observe alors, après une phase d’expansion de la bulle, une phase de compression très brutale qui conduit à l’effondrement de la bulle au cours duquel des conditions extrêmes de pression et de température sont atteintes à l’intérieur de la bulle. Parmi tous les phénomènes intéressants qui sont alors observés, l’émission de lumière par la bulle est certainement le plus intrigant.

Malgré les avancées importantes effectuées sur ce sujet, le mécanisme de production de lumière ainsi que l’estimation de la température atteinte à l’intérieur de cette bulle ne sont pas encore totalement compris et plusieurs théories tentent d’expliquer ce mécanisme.

Histoire de la Sonoluminescence

Le phénomène de sonoluminescence apparaît quand une petite bulle de gaz s’effondre rapidement dans un fluide. Il existe deux classifications de la sonoluminescence : la sonoluminescence émise par de multiples bulles (Multiple Bubble SonoLuminescence, MBSL) et la sonoluminescence émise par une seule bulle (Single Bubble Sonoluminescence, SBSL). En 1933, N. Marines et J. J. Trillat ont observés que les plaques photographiques étaient impressionnées par immersion dans un liquide agité par ultrasons, découvrant ainsi la MBSL. En 1934, H. Frenzel et H. Scholtes, de l’université de Cologne, ont écrit qu’ils pouvaient produire de manière reproductible une lumière faible mais visible dans l’eau en utilisant des ultrasons. Il est difficile d’étudier la MBSL car les bulles ne perdurent que durant quelques cycles acoustiques, n’émettent de la lumière que durant quelques nanosecondes et sont en mouvement constant.

Ces limitations ont stoppé la recherche sur la sonoluminescence jusqu’à ce qu’on parvienne à produire la SBSL, découverte en 1988 quand H. G. Flynn écrivit une compilation des modèles théoriques du mouvement des bulles mues acoustiquement. A partir de cette information, D. F. Gaitan, alors étudiant en thèse, fut le premier à observer et contrôler le phénomène de sonoluminescence avec une seule bulle qui implosait sans se détruire environ 20 000 fois par seconde sous l’effet d’une onde de pression stationnaire produite par des ultrasons. La SBSL est beaucoup plus facile à étudier car une bulle unique est piégée de manière stationnaire dans une cuve. Cette bulle peut être extrêmement stable et briller pendant plusieurs minutes, rendant possible l’étude de la bulle et de la lumière émise visible à l’oeil nu. C’est ce type de sonoluminescence que nous vous proposons de mettre en évidence et d’étudier expérimentalement ici.

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Vidéo d’une sonoluminescence visible à l’oeil nu

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