Ultrasons : principes généraux des ondes ultrasonores

Les ultrasons, ces ondes sonores aux fréquences trop grandes pour être perceptibles par l'oreille humaine ont connu de nombreuses avancées jusqu'aux applications que nous connaissons aujourd'hui. L'occasion sur cette page, après un bref rappel historique, de découvrir quelques-uns des principes généraux qui régissent le monde fascinant de l'ultrason. Et si vous voulez aller encore plus loin, nous vous proposons de retrouver en bas de cette page les liens vers nos pages consacrées aux ultrasons de puissance, à la technologie ultrason (avec l'effet piézoélectrique et le transducteur ultrason) et les ultrasons focalisés de haute fréquence (HIFU)

En quoi consistent les ultrasons ?

 

C'est quoi un ultrason ? Définition

L'histoire des ultrasons

Les premiers travaux sur les techniques de production des ultrasons pour le SONAR sont dus au français Paul Langevin et datent de la fin de la première guerre mondiale. Les applications et utilisations industrielles des ultrasons sont apparues vers la fin des années 50. C'est aussi à cette époque que de nombreux laboratoires ont mis en évidence l'extrême diversité des applications des ultrasons.

Certains de ces travaux débouchèrent rapidement sur des applications dans le domaine du contrôle et du diagnostic médical, l'utilisation des ultrasons de puissance hormis dans le nettoyage et le soudage ne trouvèrent qu'un faible écho dans l'industrie. Dans le courant des années 80, le développement rapide de techniques de modélisation ont permis une avancée importante dans la maîtrise de la technologie.

Les types d'application autour de l'ultrason

L'évolution de l'électronique a considérablement amélioré les performances des équipements utilisant les ultrasons, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour leur application dans l'industrie. Ces utilisations des ultrasons sont généralement divisées en deux grands groupes en fonction de leur intensité. La première catégorie, les ultrasons de faible puissance, qui sont principalement utilisés dans les domaines du diagnostic, de la mesure et du contrôle. Ils permettent d'analyser et de surveiller sans altérer l'environnement examiné, ce qui en fait des outils précieux pour effectuer des inspections précises et non invasives. La seconde catégorie, les ultrasons de forte puissance qui sont définis quant à eux par leur capacité à modifier physiquement le milieu dans lequel ils se propagent. Leurs effets peuvent être mécaniques, thermiques, ou chimiques, rendant ces ultrasons particulièrement efficaces pour des applications industrielles exigeantes. Par exemple, lorsqu'ils sont appliqués à des matériaux solides, ces ultrasons peuvent générer un échauffement, comme dans le processus de soudage, ou provoquer des vibrations qui modifient le coefficient de frottement apparent ou nettoient des tamis par décolmatage. Ces capacités illustrent la polyvalence et l'efficacité des ultrasons de forte puissance dans des opérations industrielles variées.

🔹Les ultrasons dans les liquides

La cavitation est un phénomène prépondérant induit par les ultrasons et jouant un rôle essentiel dans de nombreuses applications industrielles et scientifiques. Ce processus se déclenche lors de l'émission d'ondes ultrasonores très intenses, lesquelles génèrent des zones alternativement comprimées et dilatées dans le milieu où elles se propagent. Lorsque l'intensité de ces ondes dépasse un certain seuil, elle entraîne l'implosion de microbulles. Cette implosion produit localement une élévation thermique importante ainsi qu'une onde de pression extrêmement élevée, plusieurs milliers de fois supérieure à la pression atmosphérique. Ces effets de la cavitation sont exploités dans une large variété de processus industriels et de techniques de laboratoire. Parmi ces utilisations, on trouve le nettoyage de surface, le traitement de surface, ainsi que des méthodes avancées telles que la dispersion, de l'homogénéisation, de la réduction de taille de particules ou dispersion, de l’extraction végétale ou de l’éco-extraction (huiles essentielles, microalgues, cannabis, polyphénols...), de la lyse cellulaire (cell disruption), de la sonochimie ...). Dans le domaine plus spécifique du traitement des fluides, les applications des ultrasons s'étendent bien au-delà du simple nettoyage. Cette branche, souvent référée sous le terme de « traitement des fluides par ultrasons » ou « Ultrasonic Liquid Processing », englobe une multitude de techniques où les propriétés des liquides sont altérées de manière contrôlée pour atteindre des résultats précis et efficaces. Ces technologies exploitent la puissance des ultrasons pour transformer les propriétés physiques, chimiques, ou biologiques des fluides, ouvrant ainsi la porte à des innovations dans de nombreux secteurs industriels et de recherche.

🔹Les Ultrasons dans les poudres

Les ultrasons ont un impact notable sur les poudres, offrant des avantages significatifs dans leur production, leur manipulation et leur mise en œuvre. Ces effets spécifiques des ultrasons permettent d'optimiser divers processus industriels associés aux poudres. L'un des avantages de l'utilisation des ultrasons réside dans leur capacité à réduire le colmatage des mailles de tamis. Cette propriété est particulièrement bénéfique lors du tamisage de poudres fines, où les ultrasons améliorent l'efficacité en évitant l'accumulation de particules qui pourrait obstruer les mailles. En outre, la production de poudres par nébulisation ultrasonique est une autre application précieuse. Cette technique permet de réduire la dispersion du diamètre des particules produites, ce qui se traduit par une augmentation significative des rendements de production. Autre avantage, l'excitation de surface par ultrasons qui assure un décolmatage très efficace en facilitant le décollement de particules. Cette méthode est couramment utilisée pour éliminer les obstructions dans les trémies et les tuyauteries qui sont encrassées par des dépôts secs. Enfin, le compactage de poudres assisté par ultrasons est une technique innovante qui permet d'augmenter la densité des matériaux frittés. L'utilisation des ultrasons dans ce contexte aide à obtenir un matériau plus dense et homogène, améliorant ainsi la qualité et les propriétés mécaniques du produit final.

🔹Les Ultrasons dans les gaz

L'utilisation des ultrasons sur de courtes distances offre la possibilité de générer des champs acoustiques très intenses, ce qui ouvre la voie à plusieurs applications pratiques dans le traitement de liquides et de poudres. Ces champs acoustiques puissants sont particulièrement efficaces pour la pulvérisation de liquides, la dispersion de poudres, et l'agglomération de particules, des techniques souvent nécessaires dans les processus industriels qui exigent une manipulation précise des matériaux. L'application des ultrasons s'étend également aux processus de démoussage, comme par exemple dans les industries agroalimentaires lors du remplissage de contenants tels que les bouteilles et les canettes, notamment pour la bière et les produits laitiers. En effet, les ultrasons facilitent ce processus en réduisant la formation de mousse, ce qui accélère les opérations de remplissage.

🔹Les Ultrasons dans les solides (thermique, vibratoire)

La mise en vibration d'un matériau à travers l'utilisation des ultrasons conduit à divers phénomènes physiques, dont l'échauffement est particulièrement notable. Ce phénomène résulte de l'absorption de l'onde vibratoire par le matériau, transformant l'énergie acoustique en chaleur. Cet échauffement joue un rôle fondamental dans certaines applications industrielles, notamment dans le soudage de matériaux thermofusibles tels que les plastiques, les films plastiques, et les textiles techniques. En ce qui concerne le soudage métallique, il bénéficie également des principes de vibration ultrasonique. Cette méthode implique la mise en vibration de deux pièces métalliques à assembler, combinée à l'application d'une forte pression. Un avantage majeur de cette technique est que la soudure se fait en dessous de la température de fusion des matériaux impliqués. Ainsi, les propriétés structurales des métaux sont moins susceptibles d'être compromises. La diversité des applications des ultrasons est si vaste qu'il est difficile d'en dresser une liste exhaustive. Les ultrasons doivent être envisagés comme une forme d'énergie particulière, dont les propriétés et les avantages varient grandement selon les méthodes et les contextes dans lesquels ils sont employés.

Ultrasons de puissance, technologie, HIFU

• Ultrasons de puissance et cavitation acoustique
• La technologie ultrason : effet piézoélectrique et transducteur ultrason
• Les ultrasons focalisés de haute intensité (High Intensity Focused Ultrasound) ou HIFU