Mesure en cavitation – avec cavitomètre

Nous avons jusqu’à présent pu évaluer la variation d’impédance électromécanique d’actionneurs piézoélectriques pour différents liquides. L’objectif des expérimentations décrites ci-après est d’observer l’effet de la cavitation sur l’impédance des 2 transducteurs de test (Sys1 et TR2) à leurs fréquences de résonance. Aussi, compte tenu de l’impédance trop élevée du Système 1, nous

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n’avons pas pu obtenir des niveaux de cavitation suffisant dans l’eau avec nos alimentations de laboratoire et nous nous sommes donc limités, dans cette partie, à la mesure du transducteur n°2. Les résultats expérimentaux seront également comparés aux résultats de simulation et calculs exprimés dans le chapitre précédent.

3.2.1. Mesures

Dans cette expérience, le transducteur est partiellement immergé dans un bécher contenant de l’eau et est alimenté à différents niveaux d’excitation par un amplificateur linéaire piloté par un générateur de fréquence. En fonctionnement, le transducteur génère de la cavitation qui est alors mesurée par un cavitomètre (BSUIR ICA-3). Le cavitomètre est un appareil muni d’un hydrophone qui analyse le spectre acoustique produit par la cavitation et en déduit des informations sur l’intensité de la cavitation. Le cavitomètre fournit donc une mesure de l’intensité de la cavitation, que l’on peut apparenter à la fraction volumique de gaz β, dans une unité arbitraire.

L’impédance électrique du transducteur est, quant à elle, déterminée en mesurant les signaux de tension et courant dans le transducteur (figure suivante). La mesure est réalisée systématiquement à la fréquence de résonance du transducteur, les signaux de tension et courant sont donc en phase.

Figure 107 – Schéma de l’expérience pour la mesure de TR2 en régime cavitant

Contrairement au cas simplifié de la simulation, dans les conditions réelles on constate la présence de nombreuses perturbations. La réflexion des ondes sur les parois internes du bécher est la principale source de perturbations comme nous l’avons montré précédemment. La présence du cavitomètre dans le milieu liquide est également un élément perturbateur pour la mesure. De ce fait, un maximum de précautions doivent être prises pour assurer une bonne reproductibilité des mesures ( comme, par exemple, utiliser de l’eau préalablement dégazée, mesurer l’immersion de la sonde, ne plus toucher au système une fois installé, et bien sûr, répéter plusieurs fois les mesures , quatre fois dans notre cas…).

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Figure 108 - Photographie de l’expérience

Comme précédemment, les valeurs expérimentales de l’impédance sont tracées en fonction de la mesure de l’intensité de la cavitation donnée par le cavitomètre dans son unité arbitraire. Sur la figure suivante, nous pouvons observer que l’allure générale de la courbe est la même que celles des courbes théoriques (obtenues par les 2 modélisations) : l’impédance décroît avec l’intensité de cavitation.

Figure 109 – Impédance à la résonance du transducteur 2 dans l’eau en fonction de l’intensité de cavitation mesurée par cavitomètre.

Sur ce graphe, nous pouvons observer que l’allure générale de la courbe d’impédance fonction du taux de cavitation est la même que celles des courbes théoriques (obtenues par les deux modélisations) : l’impédance décroît avec l’intensité de cavitation.

3.2.2. Comparaison des mesures d’impédance avec la modélisation

La difficulté qui se pose ici pour confronter expérience et théorie est que la mesure réalisée par le cavitomètre nous donne des résultats dans une unité arbitraire qui n’a pas de réalité physique dans l’absolu, alors que nos simulations donnent des résultats par rapport à un taux de bulles dans le

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 50 100 150 Im péd ance (Ω )

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liquide. Pour comparer plus efficacement ces mesures avec les résultats de simulations, un facteur d'échelle a donc été appliqué aux mesures de cavitation fournies par le cavitomètre. Étant donné qu’avec les niveaux d’excitation mis en jeu l’intensité de cavitation obtenue dans le liquide est relativement faible, on suppose que, dans cette expérience, la fraction volumique de vapeur maximale atteinte au voisinage immédiat du transducteur est de 10%. La figure suivante montre la superposition des mesures mises à l'échelle et des résultats théoriques obtenues dans le chapitre 2 avec le modèle numérique et des matrices de transfert.

Figure 110 - Comparaison de l’impédance fonction de l’intensité de cavitation obtenue par simulations et expérimentation

Ces courbes montrent que le modèle et les résultats expérimentaux sont en bon accord. Nous pouvons donc considérer que le modèle simplifié de la cavitation - qui consiste à considérer le fluide cavitant diphasique comme un fluide homogène présentant les propriétés de vitesse du son et de densité du liquide cavitant calculé par le modèle de Brennen - est efficace pour décrire l'influence de la cavitation sur l'impédance de notre transducteur à sa fréquence de résonance.

3.2.3. Conclusion

Grâce à ces expérimentations, nous avons pu confirmer les tendances d’évolution de l’impédance du transducteur en fonction de l’intensité de cavitation, en effet l’impédance à la résonance décroit avec le taux de bulles comme nous l’avons observé en simulation. Ces mesures nous ont également permis, au moins avec le transducteur 2, de valider le modèle macroscopique simplifié de la cavitation que nous avons mis en œuvre au chapitre 2. Alors que dans le cas d’une charge liquide non cavitante, les impédances calculées par éléments finis étaient très éloignés de la réalité, en régime cavitant l’écart entre la simulation et la mesure est nettement réduite.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 10 20 30 40 50 60 Im péd ance (Ω ) Fraction de gaz (%) FEM Transfer Matrices Experiment

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