Humidificateur à ultrasons

Un humidificateur à ultrasons ajoute de l'eau à l'air sans la faire bouillir. Un disque de céramique placé sous une mince couche d'eau vibre bien au-delà de ce que l'oreille entend, soulève une petite fontaine à la surface et en arrache un brouillard de fines gouttelettes, qu'un ventilateur souffle dans la pièce. Robert Wood et Alfred Loomis ont décrit en 1927 des brouillards produits par des ultrasons intenses, et Friedrich Tillmann a demandé en 1951 en Allemagne un brevet pour un humidificateur de locaux fondé sur cet effet. Les nébuliseurs d'hôpital l'ont exploité dans les années 1960, et des modèles compacts pour les maisons et les bureaux ont suivi dans les années 1970. La brume emporte tout ce que contient l'eau : le réservoir doit rester propre.

Ce que c’est

Un humidificateur à ultrasons est un petit appareil qui charge l’air intérieur trop sec d’eau, sous forme d’une brume froide et visible. Il ne chauffe pas l’eau. Un disque de céramique piézoélectrique, encastré au fond d’une cuvette peu profonde, secoue l’eau avec un son bien trop aigu pour être entendu, et la surface se brise en gouttelettes assez légères pour flotter.

On s’en sert en hiver, quand l’air chauffé dessèche le nez, la gorge, les lèvres et la peau. Le même principe fait marcher les nébuliseurs d’hôpital, qui changent un médicament liquide en brouillard à respirer.

Comment ça marche

Coupe d’une cuvette d’eau peu profonde vue de trois quarts, un disque de céramique encastré dans son fond, un petit cône d’eau dressé à la surface au-dessus du disque et un nuage de fines gouttelettes qui monte de sa pointe Au-dessus du disque qui vibre, l’eau monte en une petite fontaine, et un brouillard de fines gouttelettes s’échappe de sa pointe.

Un oscillateur électronique envoie au disque de céramique une tension alternative à sa propre fréquence de résonance. La céramique piézoélectrique change d’épaisseur sous une tension : le disque gonfle et se contracte au rythme du courant et envoie un faisceau de son vers le haut à travers l’eau. Là où le faisceau atteint la surface, il soulève une petite fontaine et en arrache de fines gouttelettes. Robert Lang a constaté en 1962 que les gouttelettes partent des crêtes de fines rides à la surface : une fréquence plus élevée, qui raccourcit les rides, donne des gouttelettes plus petites. Un brevet DeVilbiss pour un appareil d’inhalation ajoute qu’une puissance excessive ne fait que lancer un jet haut et mince, qui produit peu de gouttelettes de la bonne taille.

Un ventilateur pousse de l’air au-dessus de la cuvette et emporte le brouillard par une buse. Les gouttelettes s’évaporent dans la pièce, et la brume reste froide puisque rien ne bout. Un réservoir plus grand remplit la cuvette à mesure que l’eau s’en va. Un brevet d’humidificateur de Mikuni Kogyo décrit la disposition habituelle : le vibreur sous le fond du bac à eau, le générateur haute fréquence et le ventilateur à moteur dans le même meuble.

Tout ce que l’eau contient passe dans la brume. Les minéraux de l’eau du robinet se déposent sur les meubles en une poussière blanche, et les bactéries ou moisissures qui poussent dans l’eau stagnante peuvent être respirées. L’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA) range les humidificateurs à ultrasons et à turbine parmi ceux qui dispersent le plus de minéraux et de micro-organismes.

Comment faire

Un gobelet en carton coupé, à moitié rempli d’eau, un mouchoir en papier plié dressé dedans, un mince disque cerclé de métal posé sur le mouchoir juste au-dessus de l’eau, un panache blanc qui monte du disque et deux fils fins menant à une petite carte électronique posée sur la table, d’où un câble plat à quatre fils sort de l’image Une mèche de mouchoir amène l’eau au disque atomiseur, qui la rejette en un panache de brume.

Un module atomiseur tout fait montre l’effet sans danger, en basse tension. Le module Grove Water Atomization de Seeed Studio, par exemple, se compose d’une petite carte de commande et d’un disque mince relié par deux fils. La carte ne produit de brume que tant que sa broche de commande est à l’état haut : il lui faut donc une carte à microcontrôleur, par exemple une carte compatible Arduino munie d’un shield Grove, alimentée par le port USB d’un ordinateur ou par une batterie USB.

Coupez un gobelet en carton à mi-hauteur environ et remplissez-le d’eau distillée. Enfoncez dans l’eau un mouchoir en papier plié pour qu’il tienne debout comme une mèche. Posez le disque sur le mouchoir, face creuse vers le bas : le dessous doit toucher le papier mouillé et le dessus rester hors de l’eau. Placez les deux cartes sur une surface sèche, loin du gobelet, et reliez la carte de commande à un port numérique du shield par un câble Grove.

Chargez un petit programme qui met la broche de ce port à l’état haut pour lancer la brume et à l’état bas pour l’arrêter ; le programme d’exemple de Seeed déclenche une bouffée à chaque contact sur un capteur tactile. Tant que la broche est à l’état haut, un panache de fine brume monte du disque. Arrêtez quand le mouchoir commence à sécher, puis videz et séchez le gobelet.

Sécurité. La carte de commande porte les broches du disque à une tension bien plus élevée que son alimentation, et une bobine de la carte chauffe : ne touchez ni les broches ni la bobine tant que la carte est alimentée.

Histoire et évolution

En 1927, le physicien Robert Wood et le banquier et savant amateur Alfred Loomis décrivent les effets de sons de haute fréquence très intenses produits dans le laboratoire de Loomis à Tuxedo Park, dans l’État de New York. Une plaque de quartz posée dans un bain d’huile, excitée par un puissant oscillateur, soulève au-dessus d’elle une butte d’huile, et parmi les effets qu’ils rapportent figure la formation d’émulsions et de brouillards. En 1951, Friedrich Tillmann demande en Allemagne un brevet pour un humidificateur pour les locaux de travail, les logements et les salles de réunion : l’eau, versée goutte à goutte sur des plaques métalliques mises en vibration par des têtes à ultrasons, se brise en une brume fine qu’un ventilateur, aidé au besoin d’un réchauffeur, porte dans la pièce.

Un nébuliseur à ultrasons des années 1960 : un meuble métallique trapu avec des boutons en façade, un gobelet de plastique amovible posé dessus, un tuyau annelé qui part du gobelet et un brouillard blanc visible à l’intérieur Les nébuliseurs d’hôpital des années 1960 faisaient du brouillard avec le son avant l’arrivée des humidificateurs compacts dans les maisons.

En 1962, Robert Lang publie son étude de l’atomisation des liquides par ultrasons ; une histoire des aérosols thérapeutiques parue en 2017 y voit l’introduction du nébuliseur piézoélectrique et note que les premiers cristaux étaient peu fiables.

William D. Gauthier et Robert J. Della Flora, de la DeVilbiss Company à Toledo (Ohio), font breveter un appareil à ultrasons pour l’inhalothérapie. Son disque de céramique envoie le son à travers une couche d’eau de couplage et une mince fenêtre de plastique dans un gobelet de liquide, et une soufflerie à moteur porte le brouillard jusqu’au patient par un tuyau. Le brevet mentionne aussi l’emploi de l’aérosol pour humidifier un gaz anesthésique.

Dans les années 1970, des humidificateurs à ultrasons compacts sont conçus pour les pièces d’habitation. Siemens en fait breveter un en Allemagne, avec une plaque mise en vibration par un oscillateur à transistors et une soufflerie à moteur, pensé pour être plus silencieux que les modèles à turbine qui gênaient dans les salons et les chambres ; l’entreprise japonaise Mikuni Kogyo, un autre à poser au sol dans une maison ou un bureau. Les humidificateurs sont aujourd’hui courants dans les foyers. Pour ceux à ultrasons, l’EPA conseille une eau distillée ou peu minéralisée, de vider et sécher l’appareil chaque jour, de le nettoyer tous les trois jours et de ne pas dépasser 50 % d’humidité intérieure.