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À droite : dispositif de détection d'hélium inspiré du Kagome-biki. À gauche : la structure triangulaire du dispositif aide à déterminer l'emplacement.

À droite : dispositif de détection d'hélium inspiré du Kagome-biki. À gauche : la structure triangulaire du dispositif permet de déterminer l'emplacement des fuites d'hélium dans un espace 2D. (Crédit : Wang et al.)

Utiliser les ondes sonores pour détecter l’hélium

par La rédaction
20 décembre 2025
en Recherche, Technologie

Les fuites d’hélium sont difficiles à détecter. L’hélium est inodore, incolore, insipide et ne réagit pas avec d’autres substances chimiques.  Non seulement nous ne pouvons ni le voir ni le sentir, mais les capteurs de gaz traditionnels ont du mal à détecter cet élément car ils reposent sur des réactions chimiques. Malgré cela, identifier une fuite d’hélium reste crucial, car un excès d’hélium peut déplacer l’oxygène dans un espace confiné, laissant moins d’oxygène à respirer pour les personnes. 

Des chercheurs de l’Université de Nanjing ont développé un dispositif qui utilise des ondes sonores pour détecter l’hélium.

Les chercheurs ont construit un dispositif inspiré d’une technique traditionnelle japonaise de tissage en bambou appelée « Kagome-biki ». La structure triangulaire Kagome résultante se compose de neuf cylindres disposés en trois sous-triangles qui partagent leurs sommets. Des microphones enregistrent le signal sonore dans les cylindres d’angle, et de petits tubes entre chaque cylindre permettent à l’air de remplir l’appareil.

Des haut-parleurs placés sous les cylindres d’angle génèrent des ondes sonores, qui sont localisées au niveau des cylindres d’angle de la structure. Les ondes sonores sont des vibrations qui transportent de l’énergie à travers un milieu, comme l’air ou l’eau. La forme d’une onde sonore détermine sa hauteur, son volume et sa vitesse — également appelée sa fréquence — son amplitude et sa vitesse de propagation. Dans leur dispositif de détection de l’hélium, les chercheurs ont tiré parti de la manière dont la vitesse du son change dans différents milieux.

Les ondes sonores se propagent plus vite dans les milieux plus denses — elles sont les plus rapides dans un solide, plus lentes dans l’air et ne peuvent pas se transmettre dans le vide.Tous les objets ont une fréquence de résonance, qui est la vitesse naturelle à laquelle ils vibrent, et ajouter de l’énergie à quelque chose à cette fréquence de résonance augmente considérablement son amplitude.

Lorsque l’hélium remplit le dispositif, la densité du gaz à l’intérieur change. Les ondes sonores traversant l’appareil changent soudainement de vitesse et ne font plus vibrer les cylindres à leur fréquence de résonance particulière. Cela provoque un changement radical de l’amplitude que les microphones enregistrent, et ce décalage de fréquence indique aux chercheurs la concentration d’hélium dans la pièce.

« Parce que la sensibilité relative de notre capteur reste constante et n’est pas liée aux conditions de fonctionnement, telles que la température et l’humidité, le capteur peut être utilisé à une température extrêmement basse, ce qui reste un défi pour les capteurs de gaz traditionnels fonctionnant avec des matériaux sensibles », explique l’auteur Li Fan.

Le dispositif triangulaire permet également aux chercheurs de déterminer l’emplacement des fuites d’hélium dans un espace 2D en mesurant quel coin subit un décalage de fréquence en premier.

L’équipe espère étendre le dispositif pour localiser les points de fuite dans l’espace 3D et développer le système en un appareil portable.

L’article, « A sensor for helium leakage detection and orientation based on a two-dimensional acoustic topological material », est rédigé par Zhao-yi Wang, Zhan-tao Zhou, Li Fan, Xiao-dong Xu, Li-ping Cheng et Shu-yi Zhang. Il paraîtra dans Applied Physics Letters le 16 décembre 2025 (DOI : 10.1063/5.0288849). Après cette date, il sera accessible à l’adresse 10.1063/5.0288849.

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Tags: acoustiquecapteurdetectionhelium
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WASHINGTON, Dec. 16, 2025 — Helium leaks are hard to detect. Helium is odorless, colorless, tasteless, and does not react with other chemical substances.  Not only can we not see or smell it, but traditional gas sensors have trouble detecting the element because they rely on chemical reactions. Despite this, identifying a helium leak is still crucial, because excess helium can displace oxygen in a confined space, leaving less oxygen for people to breathe. 

In Applied Physics Letters, by AIP Publishing, researchers from Nanjing University developed a device that utilizes sound waves to detect helium.

The researchers built a device inspired by a traditional Japanese bamboo weaving technique called “Kagome-biki.” The resulting triangular Kagome structure consists of nine cylinders arranged in three sub-triangles that share their apexes. Microphones record the sound signal in the corner cylinders, and small tubes between each cylinder allow air to fill the device.

Speakers placed under the corner cylinders generate sound waves, which are localized at the structure’s corner cylinders. Sound waves are vibrations that carry energy through a medium, such as air or water. The shape of a sound wave determines its pitch, loudness, and speed — also called its frequency — amplitude, and sound velocity. In their helium-detection device, the researchers took advantage of how sound velocity changes in different media.

Sound waves travel faster in denser media — they are fastest in a solid, slower through air, and cannot transmit in a vacuum. All objects have a resonant frequency, which is the natural speed at which they vibrate, and adding energy to something at that resonant frequency drastically increases its amplitude.

When helium fills the device, the density of the gas in the device changes. The sound waves traveling through the device suddenly change speed and no longer vibrate the cylinders at their special resonant frequency. This causes a drastic change in the amplitude that the microphones record, and this shift in frequency tells the researchers the concentration of helium in the room.

“Because the relative sensitivity of our sensor remains constant and is not related to working conditions, such as temperature and humidity, the sensor can be applied at an extremely low temperature, which remains challenging for traditional gas sensors working with sensitive materials,” says author Li Fan.

The triangular device also allows the researchers to determine the location of helium leaks in a 2D space by measuring which corner experiences a frequency shift first.

The team hopes to expand the device to locate leakage points in 3D space and develop the system into a portable device.

###

The article, “A sensor for helium leakage detection and orientation based on a two-dimensional acoustic topological material,” is authored by Zhao-yi Wang, Zhan-tao Zhou, Li Fan, Xiao-dong Xu, Li-ping Cheng, and Shu-yi Zhang. It will appear in Applied Physics Letters on Dec. 16, 2025 (DOI: 10.1063/5.0288849). After that date, it can be accessed at https://doi.org/10.1063/5.0288849.

ABOUT THE JOURNAL 

Applied Physics Letters features rapid reports on significant discoveries in applied physics. The journal covers new experimental and theoretical research on applications of physics phenomena related to all branches of science, engineering, and modern technology. See https://pubs.aip.org/aip/apl.

Journal

Applied Physics Letters

DOI

10.1063/5.0288849

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