Principes généraux

Histoire des ultrasons

Les ultrasons sont des ondes élastiques dont la fréquence est comprise entre 16 kHz environ et plusieurs centaines de Mégahertz.

Les premiers travaux sur les techniques de production des ultrasons pour le SONAR sont dûs 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.

Types d’application

Les performances des matériels liés aux progrès de l’électronique offrent aujourd’hui de nouvelles perspectives d’utilisation des ultrasons dans l’industrie.

Les applications des ultrasons sont généralement classifiées en deux catégories :

  •  les ultrasons de faible puissance pour le diagnostic, la mesure et le contrôle,
  •  les ultrasons de forte puissance.

Les ultrasons de forte puissance sont considérés comme tels lorsqu’ils modifient le milieu dans lequel ils se propagent. Les principales actions sont de type mécanique, thermique et/ou chimique.

L’application d’ultrasons sur les milieux solides peut produire un échauffement dans le cas du soudage, une vibration, induisant une modification du coefficient de frottement apparent ou le décolmatage de tamis.

  • Les ultrasons dans les liquides :

  La cavitation est le phénomène prépondérant induit par les ultrasons. La cavitation est produite en émettant des ondes ultrasonores très intenses qui créent des zones alternativement comprimées et dilatées. Au-delà d’un certain seuil, elles induisent l’implosion de microbulles provoquant localement une élévation thermique importante et une onde de pression de plusieurs milliers de fois la pression atmosphérique. C’est ce phénomène qui est à l’origine du nettoyage de surface, du traitement de surface, de 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 …). Toutes les applications en milieu liquide autres que le nettoyage se regroupent sous le terme « traitement des fluides par ultrasons » ou « Ultrasonic Liquid Processing »

cavitation ultrasonique - SinapTec
  • Les Ultrasons dans les poudres :

 Les ultrasons, induisent sur les poudres des effets qui peuvent être mis à profit dans la production, la manipulation et la mise en œuvre de poudres.

Les ultrasons réduisent le colmatage des mailles d’un tamis et sont particulièrement efficaces pour le tamisage de poudres fines. La production de poudre par nébulisation ultrasons réduit considérablement la dispersion du diamètre de particules produites, augmentant significativement les rendements de production. L’excitation de surface par ultrasons facilite le décollement de particules et assure un décolmatage très efficace. Cette technique ultrasons est appliquée au décolmatage de trémies, au décolmatage de tuyauteries encrassés par des dépôts secs. Le compactage de poudres assisté par ultrasons permet d’augmenter significativement la densité d’un matériau fritté.  

simulation démoussage ultrasons - SinapTec
  • Les Ultrasons dans les gaz :

Sur de faibles distances, il est possible de réaliser des champs acoustiques très intenses qui permettront de pulvériser des liquides ou de disperser des poudres, de réaliser l’agglomération de particules, de faciliter le démoussage dans les opérations de remplissage (bouteilles, canettes de bière, produits laitiers…)

  • Les Ultrasons dans les Solides (thermique, vibratoire) :

La mise en vibration d’un matériau se traduit :

    • Par un échauffement qui caractérise l’absorption de l’onde vibratoire dans le milieu,
    • Par une propagation de l’onde en surface qui a pour effet apparent de réduire les forces de frottement sur cette surface et dans certaines conditions de dégrader les couches superficielles du matériau.

L’échauffement des matériaux est principalement mis à profit pour le soudage des matériaux thermofusibles (plastiques, films plastiques et textiles techniques…).

Le soudage métallique est la résultante de la mise en vibration de deux pièces à souder associée à une forte pression d’appui sur ces deux pièces. Cette technique présente un avantage essentiel : la soudure est réalisée sous la température de fusion des matériaux.

La très grande variété des applications des ultrasons ne permet pas d’en faire une description exhaustive. Il faut considérer ceux-ci comme une forme d’énergie particulière dont les propriétés sont multiples selon la manière de les mettre en œuvre.