Principes d'utilisation des ultrasons : Partie II - Applications industrielles et commerciales - Code de sécurité 24

2. Effets sur la santé des ultrasons utilisés dans l'industrie ou dans le commerce

2.1 Exposition par contact

Il y a exposition par contact lorsqu'il n'y a pas de couche d'air entre le transducteur et le tissu. Cette exposition peut avoir lieu par contact direct et intime entre le transducteur et le tissu ou par couplage liquide ou solide. Dans certains cas, lors d'une exposition par contact, le transfert d'énergie du transducteur au tissu peut atteindre presque 100 p. 100. Par contre, la présence d'une couche d'air peut réduire le transfert d'énergie ultrasonore par des facteurs de l'ordre de plusieurs puissances de dix. Par exemple, si une personne plonge un doigt dans le bain d'un humidificateur à ultrasons, l'énergie transférée à l'os lors de cette exposition directe est de l'ordre de 65 p. 100 de l'énergie rayonnée; par contre, si la personne tient son doigt juste au-dessus de l'eau, l'énergie ultrasonore transférée au doigt est un million de fois plus faible.

Des données choisies sur les effets biologiques de l'exposition par contact aux ultrasons sur les tissus des mammifères sont résumées sur le graphique de la figure 1 (NCRP 83). Les courbes représentent les intensités au-dessous desquelles aucun effet biologique important confirmé indépendamment n'a été observé.

Des appareils tels que les humidificateurs à ultrasons, fonctionnant à des fréquences de quelques MHz seulement, peuvent provoquer des lésions tissulaires si et seulement si il y a exposition par contact. Certains incidents ont été signalés et l'on sait que, lorsque l'humidificateur à ultrasons fonctionne à pleine puissance, l'exposition par contact d'un doigt au faisceau ultrasonore provoquera une douleur aiguë en quelques secondes seulement, due probablement à un réchauffement excessif de l'os.

Figure 1.
Graphique représentant les intensités au-dessous desquelles aucun effet biologique important confirmé indépendamment n'a été observé dans les tissus des mammifères. La courbe supérieure (LF) s'applique aux lésions focales; les valeurs des intensités sont des valeurs in situ. La courbe inférieure (AIUM) est une représentation graphique de la déclaration relative aux effets biologiques des ultrasons sur les mammifères exposés in vivo du Bioeffects Committee de l'American Institute for Ultrasound in Medicine (AIUM). Les fréquences ultrasonores se situent dans la gamme de 1 à 10 MHz et les intensités de crête dans l'espace moyennes dans le temps, I(SPTA), sont mesurées dans l'eau (NCRP 83).

Les ultrasons de puissance élevée présentent aussi un danger à des fréquences inférieures au MHz. Par exemple, on utilise des ondes ultrasonores de grande puissance dans les appareils de nettoyage et les désintégrateurs de cellules ultrasonores en raison de leurs effets violents et destructeurs. Il est fort probable que le bain (eau ou solvant) de ces appareils soit le siège d'une cavitation relativement intense (AC 83; OMS 88). Néanmoins, les cas signalés de lésions tissulaires sont rares. Un rapport fait état de douleurs aux mains chez des volontaires qui s'étaient exposés aux faisceaux ultrasonores émis par des appareils de nettoyage fonctionnant à des fréquences comprises entre 20 et 40 kHz. Toutefois, aucun effet immédiat n'a été observé lors d'une exposition àun faisceau ultrasonore de 80 kHz (Fi 68) émis par un appareil de nettoyage.

Dans deux études sur les dangers des ultrasons utilisés dans l'industrie (Ac 77, Ac 83), Acton a été incapable de confirmer qu'une exposition continue à un faisceau ultrasonore par couplage liquide pouvait entraîner une nécrose ou une dégénérescence de l'os. Par ailleurs, selon une étude récente menée par Carnes et Dunn (Ca 86), des lésions testiculaires ont été observées chez seulement 4 souris parmi les 150 exposées à un faisceau ultrasonore émis par un homo-généisateur de tissus de 25 kHz fonctionnant àune intensité de 15 W/cm².

La documentation qui existe sur des appareils tels que les appareils de nettoyage à ultrasons et les homogénéisateurs de tissus porte à confusion : ces appareils ne semblent pas aussi dangereux qu'on pourrait s'y attendre, compte tenu des effets visés. Cependant, bien que l'on signale très peu d'effets biologiques, l'exposition aux ultrasons transmis dans un liquide, émis par ces appareils, peut effectivement provoquer des lésions et il convient de prendre des mesures de protection.

La documentation sur les dangers d'appareils tels que les machines à souder est encore plus rare. Néanmoins, un rapport récent (Fe 84) fait état d'une brûlure consécutive à une exposition par contact à un faisceau ultrasonore émis par une machine utilisée pour le soudage des matières plastiques, fonctionnant à une fréquence de 20 kHz. L'exposition n'a duré qu'une fraction de seconde, mais elle a été suffisante pour causer une grave brûlure localisée au doigt de l'opérateur.

Les appareils ultrasonores industriels sont conçus de façon que les personnes qui travaillent avec ces appareils ne soient pas exposées, directement ou par couplage liquide ou solide, aux transducteurs émettant des faisceaux ultrasonores de puissance élevée (ou de grand intensité). Cependant, un contact direct, à la suite d'un accident ou d'une négligence, est toujours possible. Il est donc important de prendre toutes les précautions nécessaires pour éviter une exposition accidentelle.

2.2 Ultrasons transmis dans l'air

On a commencé à se préoccuper des effets possibles de l'exposition au rayonnement ultrasonore ou aux fréquences audibles supérieures⁽¹⁾ transmis dans l'air à la fin des années 40, à la suite de la publication de certains rapports signalant des malaises dus aux ultrasons chez les personnes travaillant à proximité des avions à réaction (Da 48). On a alors entrepris des études sur les effets biologiques des ultrasons transmis dans l'air (effets sur l'ouïe et effets ne touchant pas l'ouïe).

2.2.1 Réchauffement et cavitation

Les mécanismes les plus plausibles des effets des ultrasons transmis dans l'air sur l'être humain, autres que les effets sur l'ouïe, sont le réchauffement et la cavitation. D'après les exemples de seuils de cavitation donnés par Neppiras (Ne 80), les ultrasons transmis dans l'air ne devraient pas donner lieu au phénomène de cavitation lorsque le niveau de pression acoustique est inférieur à environ 190 dB. Cette valeur est bien supérieure aux niveaux de pression acoustique auxquels il se produit un réchauffement.

Un certain nombre d'études sur les effets des ultrasons transmis dans l'air ont été entreprises sur des mammifères et des insectes. Les effets observés ont été attribués au réchauffement. À 160 dB⁽²⁾ et 20 kHz, Allen et coll. (Al 48) ont signalé la mort d'insectes et de souris à la suite d'expositions dont les durées variaient de 10 secondes à 3 minutes. Dans ces expériences, il a été établi que le réchauffement dû à l'absorption de l'énergie sonore était suffisant pour provoquer la mort. Parrack et ses collègues ont démontré que, aux fréquences ultrasonores, la majeure partie de l'absorption d'énergie observée dans les études avec les rats était due au poil des rats (Gi 49, Gi 52, Pa 66). Le rapport entre l'énergie absorbée et l'énergie incidente pour le corps humain était dix fois plus faible que pour un rat tondu. Danner et coll. (Da 54) ont trouvé que le seuil de réchauffement se situait à un NPA de 144 dB pour une souris avec son poil et de 155 dB pour une souris tondue, à des fréquences de 18-20 kHz. D'après ces résultats, le NPA devrait être d'au moins 155 dB pour qu'il y ait une élévation de température rapide et nocive chez les êtres humains et, d'après les calculs de Parrack (Pa 66), le niveau de pression acoustique létal pour les êtres humains serait de 180 dB.

On peut trouver d'autres renseignements sur le réchauffement dû aux ultrasons chez les êtres humains dans le rapport publié par Allen et coll. (Al 48). Ce rapport fait état d'expositions à un niveau de pression acoustique de 165 dB. A ce niveau, le réchauffement local dans les fentes entre les doigts a causé des brûlures presque instantanément. On a observé un réchauffement douloureux après plusieurs secondes d'exposition de surfaces plus étendues telles que la paume de la main. Par ailleurs, Acton (Ac 74) fait état de travaux non publiés réalisés par Parrack, selon lesquels on a observé un léger réchauffement des plis de la peau à des niveaux de pression acoustique situés entre 140 et 150 dB. Parmi les autres effets ne touchant pas l'ouïe à ces niveaux élevés, on note des sensations extrêmement désagréables dans les conduits nasaux.

Nous pouvons donc conclure que, à des niveaux de pression acoustique supérieurs à environ 155 dB, l'exposition àdes ultrasons transmis dans l'air provoquera des effets nocifs aigus chez l'être humain, dus principalement àl'absorption de l'énergie sonore et au réchauffement subséquent. Il est probable que des expositions prolongées chroniques à des niveaux compris entre 145 et 155 dB soient également nocives car elles pourraient élever la température du corps à des niveaux correspondant à une fièvre légère pendant les périodes d'exposition. Cependant, comme il est indiqué dans la section 3, ces niveaux de pression acoustique élevés n'ont jamais été observés à proximité des appareils commerciaux ou industriels.

2.2.2 Effets sur l'ouïe - effets auditifs et physiologiques

Les principaux effets des ultrasons transmis dans l'air que l'on peut observer en pratique sont associés à la réception des ondes ultrasonores par l'oreille. Les effets se classent en deux grandes catégories : les effets dits «subjectifs» sur le système nerveux central et les lésions de l'oreille. Les normes d'exposition sont principalement basées sur ces effets car ils se produisent à des niveaux de pression acoustique inférieurs aux niveaux qui entraînent un réchauffement.

Deux rapports font état d'une perte d'audition temporaire à des fréquences inférieures à 8 kHz, à la suite d'une exposition à des ultrasons transmis dans l'air avec un niveau de pression acoustique élevé. Parrack (Pa 66) a observé que, pour des expositions de cinq minutes à des fréquences choisies entre 17 et 37 kHz, à des niveaux de pression acoustique situés entre 148 et 154 dB, la sensibilité auditive était réduite aux fréquences sous-harmoniques. Des pertes légères d'audition se produisaient à l'occasion à la troisième sous-harmonique. Les personnes atteintes retrouvaient rapidement toute leur sensibilité. Dobroserdov (Do 67) a mesuré les réductions de sensibilité auditive à des fréquences de 4, 10, 14 et 15 kHz après une exposition d'une heure à des ultrasons de 20,6 kHz, à un niveau de pression acoustique de 120 dB. Il n'a observé aucun effet important lors d'expositions à des niveaux de pression acoustique de 100 dB.

On ne possède pas de preuves que des niveaux de pression acoustique inférieurs à 120 dB, à des fréquences ultrasonores, peuvent entraîner des pertes d'audition. Dans une étude portant sur 18 hommes travaillant avec des appareils de nettoyage et autres instruments à ultrasons, Knight (Kn 68) n'a découvert aucune preuve de perte d'audition attribuable à une exposition aux ultrasons. Dans une étude de 31 oreilles chez 16 sujets exposés à des niveaux de pression acoustique atteignant 110 dB dans les bandes de tiers d'octave centrées sur 20 et 25 kHz, Acton et Carson (Ac 67) n'ont observé aucun déplacement temporaire de seuil (TTS). Grigor'eva (Gr 66) a exposé cinq volontaires à un son pur de 20 kHz à 110-115 dB pendant une heure et n'a constaté aucune modification de la sensibilité auditive (ni du pouls ou de la température de la peau). Cependant, Grigor'eva a apparemment observé un déplacement temporaire de seuil lors d'expositions à des sons purs de 16 kHz pour des niveaux de pression acoustique supérieurs à 90 dB.

Récemment, Grzesik et Pluta (Gr 83) ont étudié l'ouïe de 55 opérateurs d'appareils à nettoyer et à souder ultrasonores. Ils n'ont observé aucune différence dans les seuils d'audition entre les personnes exposées et les témoins à des fréquences comprises entre 0,5 et 8 kHz. Toutefois, ils font état de différences d'audition significatives entre les sujets exposés et les témoins dans la plage de 10-20 kHz. Ils ont noté des élévations de seuil et un nombre décroissant de sujets répondant à des stimuli dans la plage supérieure des fréquences audibles. Dans une étude de suivi sur 26 de ces travailleurs, Grzesik et Pluta (Gr 86) ont conclu que l'exposition professionnelle de ces travailleurs aux champs acoustiques créés par les appareils à nettoyer et à souder ultrasonores entraînait une perte d'audition d'environ 1 dB/an dans la plage de fréquences de 13-17 kHz. Les spectres acoustiques de ces appareils (Gr 80, Gr 83) montrent que les niveaux de pression acoustique se situent entre 80 et 102 dB à des fréquences comprises entre 10 et 18 kHz (fréquences audibles supérieures) alors qu'ils se situent entre 100 et 116 dB à des fréquences supérieures &ag rave; 20 kHz. En l'absence d'une corrélation directe entre les spectres acoustiques et les effets mesurés sur l'audition, il est impossible de définir avec certitude les fréquences responsables des pertes d'audition aux fréquences élevées. Toutefois, il est plus probable que ce soit les fréquences audibles supérieures, et non le rayonnement ultrasonore, qui aient entraîné les pertes d'audition mesurées dans ces études puisque les niveaux de pression acoustique élevés étaient plus fréquents dans la plage des fréquences audibles supérieures que dans la plage des fréquences ultrasonores (Gr 80, Gr 83). Par ailleurs, comme il est mentionné ci-dessus, on a apparemment observé des déplacements temporaires de seuil chez des sujets exposés à des sons purs dans la gamme des fréquences audibles supérieures, entre 10 et 16 kHz, avec des niveaux de pression acoustique supérieurs à 90 dB. En outre, il n'y a pas d'autres preuves bien établies d'effets sur l'audition à des niveaux de pression acoustique ultrasonores inférieurs à 120 dB.

D'autres effets physiologiques des ultrasons transmis dans l'air risquent de se produire seulement à des niveaux de pression acoustique supérieurs ou égaux aux niveaux provoquant un déplacement temporaire de seuil. Knight (Kn 68) et Grigor'eva (Gr 66) n'ont trouvé aucune preuve d'effets physiologiques à des fréquences ultra-sonores. Dobroserdov (Do 677) a observé une perte importante d'équilibre et une réduction du temps de réponse motrice lors d'exposition à des niveaux de pression acoustique de 120 dB à 20 kHz, mais les effets étaient négligeables à 100 dB, à la même fréquence.

2.2.3 Effets «subjectifs»

On a signalé un certain nombre d'effets «subjectifs» des ultrasons transmis dans l'air, dont de la fatigue, des maux de tête, des nausées, des acouphènes et une perturbation de la coordination neuro-musculaire [Sk 65, Ac 67, Ac 68, Cr 77, FDA 81 (b)]. Skillern (Sk 65) a mesuré les spectres de bande de tiers d'octave de 10 à 31,5 kHz pour un certain nombre d'appareils à ultrasons et il a observé que les effets subjectifs étaient associés aux appareils qui produisaient des niveaux de pression acoustique supérieurs à 80 dB dans la gamme de fréquences considérée.

Acton et Carson (Ac 67) ont étudié les effets des ultrasons sur 18 jeunes femmes travaillant près d'une batterie de nettoyeurs «ultra-sonores». Les sujets, exposés aux ultrasons et à l'énergie acoustique audible, se plaignirent de fatigue, de maux de tête, de nausée et d'acouphènes. Ces constatations furent confirmées par des expériences de laboratoire subséquentes dans lesquelles des sujets humains furent exposés à un rayonnement acoustique haute fréquence, dont une partie était audible. Les mêmes sujets exposés à des énergies hautes fréquences de même niveau, mais sans composante audible, n'eurent rien à signaler. Acton et Carson conclurent que les sujets devaient être exposés à des fréquences audibles pour que l'on observe des effets subjectifs. À l'appui de cette conclusion, ils notèrent que les femmes se plaignaient plus de ces effets que les hommes. Puisque les hommes exposés lors de leurs expériences étaient plus âgés et avaient tous été exposés au bruit (ils avaient perdu une certaine sensibilité auditive aux hautes fréquences), il était raisonnable de supposer que le rayonnement était en grande partie inaudible pour nombre d'entre eux.

Une analyse détaillée des données d'Acton et Carson a montré qu'il n'y avait pas d'effets subjectifs si les niveaux de pression acoustique dans les bandes de tiers d'octave étaient inférieurs à 75 dB pour des fréquences centrales inférieures ou égales à 16 kHz et à 110 dB pour des fréquences centrales supérieures ou égales à 20 kHz (Ac 68). Acton fit remarquer que ce critère relatif à l'apparition d'effets subjectifs concordait avec les données de Skillern (Sk 65) et il proposa de le choisir comme norme d'exposition. Acton modifia la norme en 1975 (Ac 75). Dans la norme révisée, la limite de 75 dB a été étendue pour inclure la bande de tiers d'octave centrée sur 20 kHz. Cette modification a été apportée après la publication d'autres rapports sur les effets subjectifs. Acton observa que des effets subjectifs pouvaient encore se produire en dessous de 110 dB dans la bande de tiers d'octave centrée sur 20 kHz (Ac 75). Il expliqua cette observation par le fait que les limites de fréquence nominales de la bande de tiers d'octave centrée sur 20 kHz sont égales à 17,6 kHz et 22,5 kHz. La limite inférieure de cette bande de fréquences se situait dans la partie supérieure de la gamme des fréquences audibles d'une grande partie de la population et, par conséquent, des effets subjectifs pouvaient encore se produire à des niveaux relativement bas.

Dans leur ensemble, les résultats des études sur les effets subjectifs montrent que ces effets constituent une réaction du système nerveux central aux fréquences audibles supérieures ou aux ultrasons lorsque ces derniers deviennent audibles. La forme du critère obtenu empiriquement par Acton semble indiquer que les ultrasons peuvent devenir audibles si les niveaux de pression acoustique sont suffisamment élevés et que le seuil d'audition s'élève rapidement lorsqu'on passe des fréquences audibles supérieures aux fréquences ultra-sonores. Ce résultat est, qualitativement, en accord avec les niveaux de pression acoustique en champ libre correspondant au seuil d'audition moyen mesurés par Herbertz et Grunter (He 81, He 84) pour les fréquences audibles et ultrasonores situées entre 10 et 31,5 kHz. Des moyennes de leurs valeurs ont été calculées dans deux études distinctes menées sur un total de 30 sujets possédant une audition normale, âgés de 20 à 41 ans. Le seuil moyen d'audition augmentait rapidement et de façon monotone avec la fréquence à raison de 12 dB par kHz environ entre 14 et 20 kHz, avec un seuil d'audition moyen d'approximativement 100 dB à 20 kHz (He 84) et 125 dB à25 kHz. Au-dessus de 20 kHz, les ultrasons peuvent sembler audibles en raison de la production de sous-harmoniques dans l'oreille (Gi 50). Ce phénomène a été observé à des niveaux supérieurs à 110 dB chez le chinchilla et le cobaye (Da 66). L'hypothèse que les ultrasons semblent audibles en raison de la production de sous-harmoniques dans l'oreille est aussi en accord avec l'étude de Parrack susmentionnée, dans laquelle une perte d'audition à court terme avait été observée à des sous-harmoniques des fréquences du rayonnement après une exposition à des ultrasons transmis dans l'air avec des niveaux de pression acoustique élevés (Pa 66).

En résumé, l'exposition à un rayonnement ultrasonore suffisamment intense semble provoquer un syndrome se manifestant par des nausées, des maux de tête, des acouphènes, des douleurs, une sensation de vertige et de la fatigue. La nature et l'ampleur des symptômes semblent varier selon le spectre réel du rayonnement ultrasonore et la sensibilité particulièze de la personne exposée, plus particulièrement son acuité auditive aux hautes fréquences.

Acton a publié un résumé concis des effets physiologiques des ultrasons dans des conditions d'exposition précises. Ce résumé est présenté sous forme modifiée à la figure 2 (Ac 74).

Figure 2.
Effets physiologiques des ultrasons transmis dans l'air (Adaptation du résumé publié par Acton (Ac 74)).