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Comment les mousses de savon bloquent-elles le son ?

mardi 6 mai 2014, par La Rédaction

Ce cliché offre une belle vue de la répartition de la phase liquide dans une mousse de savon. On y aperçoit en effet nettement les canaux liquides sur lesquels sont tendus des films fins, dont certains sont visibles ici. Le comportement de ces deux éléments sous l’effet d’une onde acoustique permet de comprendre les propriétés acoustiques inédites des mousses de savon. © Laboratoire « Matière et systèmes complexes » (CNRS/Université Paris Diderot)

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La mousse de savon possède une caractéristique très étonnante : elle bloque complètement la transmission du son dans une large gamme de fréquences. Des physiciens du CNRS et des universités Paris Diderot et Rennes 1 (1) ont étudié comment le son est atténué dans la mousse de savon. Leurs résultats, publiés dans Physical Review Letters, ouvrent la voie à la création d’outils, des sondes acoustiques, qui permettront de contrôler la qualité des mousses utilisées dans l’industrie, notamment minière et pétrolière.

De nombreuses recherches sont menées en acoustique pour comprendre comment le son se propage dans la matière. Une des démarches classiques consiste à envoyer une onde sonore dans la matière et à écouter la réponse pour en déduire des informations essentielles sur le matériau. Qui n’a jamais essayé de déterminer si un mur était creux en écoutant le son produit en le frappant ? C’est pourquoi les chercheurs analysent comment différents matériaux, des plus simples aux plus complexes, réagissent quand on les "frappe".

Pourtant, un matériau résiste toujours à la curiosité des chercheurs : la mousse de savon. C’est un matériau difficile à étudier : il est éphémère et le son n’y pénètre pas facilement. Jusqu’à présent aucune sonde acoustique n’existe pour les mousses. Les sondes les plus répandues utilisent la conduction électrique pour déterminer la quantité de liquide contenue dans une mousse, mais certaines compositions mousseuses sont constituées de liquide non conducteur et il est alors impossible de les caractériser. Ajouter les mousses de savon à l’inventaire des matériaux sondables par les ondes acoustiques est donc un enjeu important afin que tous les types de mousses puissent être utilisés en étant parfaitement caractérisés.

Comment les mousses de savon bloquent-elles le son ? Un élément de réponse décisif vient d’être apporté par une étude récente des chercheurs du laboratoire « Matière et systèmes complexes » (CNRS/ Université Paris Diderot) et de l’Institut de physique de Rennes (CNRS/Université Rennes 1). Dans le cadre d’un projet financé par l’ANR, cette étude réunit pour la première fois des acousticiens et des spécialistes des mousses : il est en effet essentiel de caractériser ces dernières pour pouvoir mesurer la vitesse et l’atténuation du son dans des mousses de composition bien connue. Les résultats montrent que la propagation du son est très différente selon la fréquence de l’onde utilisée. Les chercheurs proposent une interprétation simple de ces observations. La mousse est composée d’air à 90% et de liquide et ce liquide est réparti entre des films et des canaux qui les soutiennent (voir figure). Or ces deux structures ont des géométries et des masses très différentes : les films ont une grande surface pour une faible masse tandis que les canaux sont plus étroits mais plus massifs. La vibration de l’air due à l’onde acoustique entraîne les films qui tirent sur les canaux. À basses fréquences, la vitesse du son est très faible (environ 30 mètres par seconde) : le son est ralenti par le mouvement coordonné des films et des canaux mais n’est pas bloqué. À hautes fréquences, la vitesse du son devient plus importante (environ 220 mètres par seconde) : seuls les films bougent, le son peut alors aussi traverser la mousse. Cependant, à des fréquences intermédiaires, les films se comportent anormalement : ils se déplacent « à l’envers », c’est-à-dire qu’ils bougent vers la gauche quand l’air déplacé par le son les pousse vers la droite, ce qui empêche un déplacement des canaux. Le son est ainsi bloqué dans les bulles de savon dans une large gamme de fréquences.

Ces travaux contribuent donc à percer le mystère de l’acoustique des mousses de savon. Ils permettront le développement de sondes acoustiques appliquées à ces matériaux omniprésents dans notre quotidien et très utilisés en industrie.

(Portail sciences - 23 avril 2014)

Note

1- Du laboratoire « Matière et systèmes complexes » (CNRS/Université Paris Diderot) et de l’Institut de physique de Rennes (CNRS/Université Rennes 1