Utiliser les ondes sonores pour détecter l’hélium

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.