Mai 2002 - n°68
Ultrasons et sonochimie
Pour nettoyer, décontaminer, agiter, émulsifier, extraire, …
SINAPTEC
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Echographie médicale, mesure de distance (télémétrie), acoustique sous-marine, nettoyage industriel, Chimie sous Ultrasons (Sonochimie), production d'aérosols, soudage, découpe…. : les ultrasons sont mis en œuvre pour un très large champ d'applications. De nombreux secteurs industriels sont concernés, à commencer par le monde du Laboratoire : de la recherche à la R&D, jusqu’au contrôle qualité en phase de production.
Principes généraux
Les ultrasons sont des ondes élastiques dont la fréquence est comprise entre 15 kHz environ et quelques centaines de MégaHertz. En deça de cette bande, on a affaire à des sons ou infrasons, au delà à des hypersons. Les ultrasons possèdent toutes les propriétés générales des ondes élastiques (ondes de pression ou ondes vibratoires selon le milieu de propagation). Ils n'ont de propriétés remarquables que par l'interaction qu'ils peuvent avoir avec les milieux dans lesquels ils se propagent.
Technologie
De nombreux systèmes sont susceptibles de produire
des ultrasons. Un appareil produisant des ultrasons est communément appelé
transducteur ou convertisseur ultrasons. La technologie des transducteurs peut
être basée sur des générateurs pneumatiques (sifflets,
sirène…), électrodynamiques (haut-parleur) ou électriques.
Dans ce dernier cas, on utilisera les propriétés des matériaux
magnétostrictifs ou piézoélectriques pour convertir l'énergie
électrique en une énergie mécanique ultrasonore.
Les matériaux les plus utilisés actuellement sont les matériaux
piézoélectriques. Ces matériaux se présentent le
plus souvent sous la forme d'un disque ou d'un anneau sur les faces duquel sont
déposées deux électrodes métallisées.
Lorsqu'une tension électrique est appliquée sur ces deux électrodes,
le matériau se dilate ou se comprime selon l'orientation de la tension
par rapport à la polarisation de la céramique. Inversement, en
appliquant une force sur le matériau, il se produira l'effet inverse,
une tension apparaîtra aux bornes des électrodes, permettant de
créer ainsi des détecteurs.
Les amplitudes de déplacement ou vibrations de ces céramiques
sont très faibles (environs quelques microns). Pour créer des
effets intéressants sur la matière, l'amplitude de vibration de
l'outil en contact avec le milieu doit être de plusieurs dizaines de microns.
Pour obtenir ce résultat, on empile généralement plusieurs
céramiques l'une sur l'autre qui seront maintenues en pression entre
deux masses métalliques. Le choix du matériau constituant ces
masses et celui de la section de ces masses permettent de favoriser la vibration
dans une direction privilégiée.
Les transducteurs ainsi constitués développent un déplacement
maximal à certaines fréquences particulières qui dépendent
de la géométrie du transducteur.
On appelle ces fréquences : fréquences de résonance. L'utilisation
de ces transducteurs est généralement limitée à
ces fréquences particulières.
Pour fournir une onde ultrasonore, le principe consiste à fournir aux
systèmes ultrasons une tension électrique dont la fréquence
est égale à leur fréquence de résonance. Un générateur
électrique doit être utilisé pour transformer la tension
secteur (220 V - 50/60 Hz) en une tension alternative à la fréquence
de résonance du système ultrasons (par exemple 20 kHz - 100 V.).
Un contrôle permanent des conditions de résonance est nécessaire
pour corriger les déviations entre la fréquence fournie par le
générateur électronique et la fréquence de résonance
ultrasons, ceci afin d'éviter une mauvaise transmission de la puissance.
Les mécanismes induits par les ultrasons
Les applications des ultrasons sont généralement
répertoriées en deux catégories : les ultrasons de faible
puissance et ceux de forte puissance.
Ultrasons de faible puissance
Dans cette catégorie d'applications, les ultrasons sont utilisés
pour leurs propriétés de propagation dans les milieux. Le principe
général consiste à émettre une impulsion dans le
milieu à étudier, puis grâce à un ou plusieurs récepteurs
de capter le ou les échos de cette impulsion produite par le milieu ou
à la frontière du milieu.
Plusieurs caractéristiques principales sont alors exploitées :
- la vitesse de propagation dans le milieu : cette vitesse est associée
à la densité du milieu et à sa compressibilité ou
son module d'élasticité.
- l'atténuation dans le milieu : cette atténuation est liée
à la viscosité du milieu, à son homogénéité…
- le temps de parcours dans le milieu qui permet de déterminer les éventuelles
inclusions.
Ces techniques sont très largement mises en œuvre dans le contrôle
non destructif ou l'échographie médicale (échographie prénatale,
échographie Doppler…), la mesure de distance (télémétrie),
la transmission d'informations (acoustique sous-marine).
De nombreuses publications explorent déjà les possibilités
d'applications en contrôle pour de nombreux types de produits alimentaires
ou chimiques, notamment :
- évaluation du pourcentage d'huile dans une émulsion par une
mesure de vitesse,
- évaluation du pourcentage de sucre dans les jus de fruits par une mesure
de vitesse,
- détection de la cristallisation par mesure d'atténuation de
l'onde sonore.
Ultrasons de forte puissance
Les ultrasons peuvent se propager dans les milieux liquides, solides
et gazeux.
Les ultrasons de forte puissance sont considérés comme tels lorsqu'ils
modifient le milieu dans lequel ils se propagent ; leur action dépendant
directement de la nature de ce milieu. Les principales actions essentielles
des ultrasons de forte puissance sont de type mécanique, thermique et/ou
chimique.
- Milieu solide :
L'application d'ultrasons sur les milieux solides génère
un échauffement ou une vibration des surfaces. S'opposant aux forces
d'accrochage des particules, ces vibrations induisent la modification du coefficient
de frottement apparent.
D'où, l'intérêt des ultrasons sur les poudres dans l'optimisation
du tamisage ou le décolmatage de structures (tubulures, trémis…)
ainsi que sur les solides pour de nombreuses applications telles que l'assemblage,
le soudage de matériaux thermofusibles, la découpe et le tranchage
de produits "mous", la perforation de type "emporte pièces"
de produits fins…
- Milieu liquide :
Dans les milieux liquides, l'action des ultrasons repose sur le phénomène
de cavitation : création, croissance et implosion de bulles formées
lorsqu'un liquide est soumis à une onde de pression périodique.
L'émission d'ondes ultrasonores créée, en effet, dans le
liquide des zones alternativement comprimées et dilatées. Lorsque
ces ondes sont suffisamment intenses, elles provoquent dans les zones dilatées
une pression locale inférieure à la pression ambiante, créant
des micro-cavités dont le diamètre peut atteindre 100 micromètres.
Quand la pression redevient positive, ces cavités implosent en moins
d'une microseconde, induisant localement une température de plusieurs
milliers de degrés et une pression très élevée,
de l’ordre de plusieurs centaines de fois la pression atmosphérique.
De fait, si durant leur évolution les bulles de cavitation rencontrent
une surface solide, elles implosent sur cette surface en formant des microjets
de liquide très violents (100 m/s) qui décapent la surface solide.
Grâce à leur taille microscopique, les bulles de cavitation peuvent
s'insérer dans les porosités les plus fines pour en évacuer
la poussière, la graisse, la peinture… logées dans les matières
poreuses ou à la surface des pièces. D'où, la possibilité
de réaliser le nettoyage de pièces délicates, de réaliser
le mélange intime de milieux non-miscibles, d'accroître la réactivité
de poudres métalliques en contribuant à l'érosion des surfaces
ou encore de catalyser de nombreuses réactions chimiques…
- Milieu gazeux
Les ultrasons sont rapidement atténués dans les milieux gazeux.
Sur de faibles distances, il est cependant possible de réaliser des champs
acoustiques très intenses qui permettront de pulvériser des liquides
ou de désagglomérer des poudres sans aucun contact.
L’énergie ultrasonore émise est concentrée dans un
petit volume gazeux. Lorsqu’un liquide entre en contact avec cette zone
d’énergie, il est immédiatement pulvérisé
en aérosols. Cette technique est aussi mise en œuvre pour casser
des mousses ou engendrer l’agglomération de particules.
Pour en savoir plus, n’hésitez pas à contacter l’équipe
SINAPTEC, spécialiste des ultrasons depuis plus de 15 ans… (cf
l’article “ Fournisseurs ” récemment consacré
à la société SINAPTEC dans La Gazette du Laboratoire).