CPF
Travaux Pratiques Encadrés
L'exploitation du son dans d'autres domaines que l'audible: Une solution pour le futur?
ANNEE 2013-2014
b) Relation température/onde sonore: Le réfrigérateur thermo-acoustique
Une onde sonore est une onde de pression longitudinale, onde pour laquelle la déformation du milieu se fait dans la même direction que la propagation.
Lors de sa propagation, elle déplace le gaz autour d’une position moyenne tout en le comprimant puis le détendant. Rappelant qu’un gaz comprimé voit sa température s’élever et qu’un gaz détendu voit sa température chuter, l’onde sonore engendre donc une variation locale de la température du gaz sur son passage. À titre d’exemple, lors de nos conversations, le son de la voix fait varier la température de l’air sur son passage de quelques dix millièmes de degrés… Si le gaz est mis en contact avec une paroi solide telle qu’une plaque en inox, il se crée un échange de chaleur induit par l’onde sonore à l’interface entre ces deux milieux. C’est cette propriété qui est utilisée dans les machines thermoacoustiques.
Et voilà donc le principe d’une machine « thermoacoustique » : elle convertit de la puissance acoustique en énergie thermique et vice-versa. Pour construire un réfrigérateur thermoacoustique, il suffit donc de confier à une onde sonore le rôle du piston, ce qu’elle fait en comprimant et détendant cycle après cycle les molécules du gaz.
L'architecture la plus simple d’un réfrigérateur thermoacoustique repose sur quatre pièces clés : d’abord, un long tube dans lequel se propage l’onde sonore ; ensuite un empilement de plaques placées entre deux échangeurs, constitués de matériaux poreux, et qui assurent les échanges de chaleur entre le gaz et le milieu extérieur ; puis un gaz, généralement de l’hélium, qui se comprime et se détend au passage du son ; et enfin une source d’énergie sonore.
Faire du froid en faisant du bruit. L’idée peut paraître surprenante, elle n’est pourtant pas nouvelle. Car les liens entre température et son intéressent les scientifiques depuis bientôt deux siècles.
Avant même qu’ils ne s’emparent de la question, les verriers avaient depuis longtemps constaté que leurs vases se mettaient parfois à siffler lorsqu’ils les chauffaient pour les souffler… Ils furent ainsi les premiers à observer qu’une différence de température peut provoquer un son.
Mais c’est le phénomène inverse, c’est-à-dire un son créant une différence de température, qui intéressa le français Simon Laplace en 1816 : en comprenant que le son modifiait la température de l’air lorsqu’il s’y propageait, le physicien pu corriger de quelques pourcents le calcul de la vitesse du son effectué avant lui par Newton. Et il jeta sans le savoir, il y a presque deux cents ans, les premières bases de la future thermoacoustique.
Pour comprendre ce qui se passe, il faut plonger à l’échelle des molécules (plus précisément, l’échelle mésoscopique, c’est à dire d’un paquet de molécules). Car le son voyage en comprimant puis détendant tour à tour les molécules d’air les unes contre les autres comme nous l'avons préciser avant: c’est une onde de pression. Nous allons expliquer cela plus precisement:
Lorsque l’on parle, par exemple, la variation de pression créée dans l’air est de l’ordre du millionième. Or un gaz comprimé s’échauffe : gonfler son vélo avec une pompe à air qui devient brûlante au fur et à mesure de l’opération suffit à s’en convaincre. A l’inverse, un gaz qui se détend se refroidit. Autrement dit, lorsque l’onde sonore comprime puis détend l’air sur son passage, ce dernier subit une variation de température.
Pour que le dispositif fonctionne et soit efficace, la longueur du tube ne doit pas être choisie au hasard : en effet le tube fermé se comporte comme un résonateur dont la fréquence de résonance est définie par sa longueur. De cette fréquence découlera l’épaisseur de la couche de gaz « active ». Par ailleurs, le tube étant fermé il a le bon goût de confiner le son entre ses parois. Pas de risque, donc, de se percer les tympans en faisant du froid thermoacoustique. Mieux encore : cette résonance de l’onde sonore garantit de grandes oscillations de pression, indispensables pour obtenir des différences de températures conséquentes (on ne peut pas se contenter de millièmes de degrés comme dans le cas de la voix parlée). Le design des échangeurs non plus n’est pas réalisé au hasard : il faut que l’épaisseur de la couche de gaz « active » en contact avec le matériau poreux respecte certaines conditions limites imposées par les lois de la physique. A chaque extrémité du tube, le gaz traverse donc un empilement de fines plaques espacées de quelques dixièmes de millimètres seulement pour assurer les transferts de chaleur entre le gaz et le solide. Comment tous ces éléments s’articulent-ils entre eux ? Selon un cycle de fonctionnement qui se répète sans cesse, puisque l’onde créée par la source sonore se réfléchit d’une extrémité à l’autre du résonateur. Ce faisant, à chacun de ses passages, elle entraîne les molécules de gaz d’un côté puis de l’autre, les comprimant puis les détendant. Le gaz est donc chauffé, puis refroidi au niveau des plaques à chaque aller-retour. Et de fait, la chaleur est évacuée vers l’extérieur (en contact avec l’échangeur « chaud ») tandis qu’elle est pompée dans un compartiment qui, du coup, refroidi (en contact avec l’échangeur « froid »). Résultat : mis au point sur ce modèle, les prototypes de réfrigérateurs thermoacoustiques du Limsi sont capables de descendre à des températures de… -150°C !
