La physique des ultrasonsEffets utilisés › Fluide et cavitation

Ultrasons dans les fluides: la cavitation

L'action des ultrasons dans les milieux liquides repose sur le phénomène de cavitation : création, croissance et implosion de bulles formées lorsqu'un liquide est soumis à une onde de pression. Il en résulte un choc de pression au voisinage de la bulle et la formation d'un microréacteur thermochimique à l'intérieur de la bulle.

 

 
Pour que la cavitation acoustique ait lieu, un seuil de puissance doit être atteint. Ce seuil est de l'ordre de 0.5W/cm² à 20 kHz pour l'eau à pression atmosphérique et de l'ordre de quelques W/cm² pour les solvants organiques. L'amplitude de la dépression à fournir pour permettre d'atteindre le seuil de cavitation dépend de plusieurs paramètres : plus la viscosité du milieu (donc la cohésion interne du liquide) est élevée, plus la cavitation est difficile à obtenir du fait que les particules sont plus difficilement séparables.

 

Dans les milieux liquides, la cavitation acoustique est à l'origine des effets des ultrasons de puissance.

Nettoyage ultrasons

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.

 

Afin d'obtenir la meilleure qualité de nettoyage et respecter les contraintes de l'application, il convient de bien choisir :

 

  • la puissance ultrasonore de l'ordre de 5 à 20 W / litre de bain
  • la fréquence ultrasonore : 25 kHz (Nettoyage puissant de surfaces dures, très souillées), 40 kHz (Nettoyage fin des surfaces tendres), et jusqu'à 1 à 2 MHz pour le nettoyage de wafer de silicium
  • le détergent (neutre, acide ou base) pour favoriser la dissolution des salissures sans détériorer la pièce à nettoyer
  • la température de bain, en général entre 40 et 60 °C
  • la durée de nettoyage qui varie de quelques secondes pour du dégraissage à quelques heures pour le décapage

 

Les avantages du nettoyage ultrasons sont :

 

  • ECO-logique : à la fois écologique et économique
  • une alternative aux solvants avec des détergents biodégradables
  • une baisse des temps de nettoyage
  • un nettoyage de précision, performant et sans effort

Traitement des liquides et formulation ultrasons

A très fort niveau de puissance (50 W à 1 kW/L), les effets mécaniques de la cavitation sont utilisés pour des traitements de liquides :

 

  • le dégazage,
  • la catalyse de réactions chimiques, 
  • l'homogénéisation ultrasons, 
  • l'émulsion / émulsification ultrasons,
  • mélange intime par les courants de convection, même pour les produits visqueux jusqu'à 400 Pas,
  • l'extraction d'enzymes, d'ADN,
  • la lyse ou destruction de bactéries,
  • la lyse de cellules,
  • le dégazage,
  • la formulation,
  • l'électrochimie,
  • la désagglomération ultrason,
  • l'extraction

Sonochimie

Le phénomène de cavitation est également exploité pour des réactions chimiques :

 

  • la catalyse de réactions chimiques, la formation de radicaux libres
  • l'électrochimie
  • la cristallisation d'alcaloïdes, de glucosides, de parfums, de jus de fruits, d'huiles essentielles
  • l'amélioration des contraintes opératoires : température et pression nécessaires moins importantes
  • l'amélioration des rendements et de la pureté des produits

     
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