Les ultrasons : généralités et principes

Les ultrasons correspondent à un phénomène physique particulier. Ils sont communément rencontrés dans les communications animales, les diagnostics médicaux ou dans la télémétrie sous-marine.

Jusqu’il y a peu, la chaleur, la pression ou bien l’utilisation d’un catalyseur étaient les principaux paramètres employés pour l’accélaration d'une réaction chimique. Cependant, le bruit peut être considéré comme source potentielle de perfectionnement de la réactivité chimique.

L’histoire des ultrasons remonte à plus d’une centaine d’années où les travaux de F. Galton, scientifique britannique, s’est intéressé à la fréquence de seuil de l'audition humaine et animale (Galton, 1883). Pour cela il développa un sifflement qui devint la première forme

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d’initiateur ultrasonique. La première application commerciale des ultrasons est apparue en 1917 avec le premier “écho-sondeur” inventé et développé par P. Langevin, qui est devenu par la suite le premier SONAR sous-marin pour la détection de submersible pendant la deuxième guerre mondiale.

En 1895, J. Thornycroft et S. Barnaby reportèrent pour la première fois le phénomène de cavitation. À partir de là, de nombreuses recherches ont été effectuées sur ce phénomène et une expansion rapide de la commercialisation d’appareil à ultrasons a permis leur application à de nombreux procédés chimiques.

Les ultrasons sont des ondes acoustiques pouvant être diffusées par les gaz, les liquides ainsi que par les solides. Ils ont une fréquence sonore qui va au-delà du seuil de

perception de l’oreille humaine, c’est-à-dire au-dessus de 16 kHz (Figure 1.8).

Figure 1.8. Gamme des fréquences sonores (Mason, 1989).

La large classification des ultrasons se situe donc entre 20 kHz et 100 MHz et peut être divisée en deux régions distinctes selon leur utilisation. Des fréquences comprises entre 20 et 40 kHz, favorisant la cavitation, sont normalement utilisées pour propager les ultrasons dans un milieu. De plus hautes fréquences (au-dessus de 5 MHz) sont employées pour le diagnostic comme par exemple l’imagerie médicale (Mason, 1989). Les ultrasons sont générés par l’oscillation de transducteurs, le plus souvent piézoélectriques, transformant l’énergie électrique en énergie mécanique.

L’action des ultrasons dans les milieux liquides donne lieu à la génération, suivie de la destruction, des bulles de cavitation. Comme n'importe quelle onde sonore, l'ultrason est

propagé par l'intermédiaire d'une série de vagues de compression et de raréfaction induites dans les molécules du milieu traversé. Les bulles se développent au cours de quelques cycles successifs jusqu’à atteindre une taille d'équilibre. C'est l’implosion de ces bulles au cours des

cycles de compression qui génère de l'énergie dans le milieu (Figure 1.9). L’implosion des

bulles de cavitation est un phénomène qui s’étend à tout le liquide et qui constitue un lien direct avec la puissance du son (Mason, 1990).

Figure 1.9. Phénomène de cavitation initié par les ondes ultrasonores (Mason, 1990).

A 30kHz, on pourra par exemple créer des vagues de pression qui compriment et décompriment la bulle de cavitation plus de 30 000 fois par seconde. Les études théoriques sont encore très controversées, mais lors de leur implosion, ces bulles éclateraient à plus de

400 km.h^-1 à une pression de plusieurs milliers de bars et pourraient générer ponctuellement

des températures de plusieurs milliers de degrés (Mason, 1990).

Connus, depuis de nombreuses décennies, les ultrasons ne cessent de trouver de nouveaux débouchés. L’emploi de ces ondes peut être en effet appliqué à de nombreux domaines : pharmaceutique, informatique, médical, chimique, alimentaire, physique …

Les exemples d’utilisations dans le domaine de la chimie sont variés : nettoyage, dégraissage, décontamination, dégazage, sonochimie, extraction, synthèse, dispersion de particules, fabrication d’émulsion, détartrage, agitation, production d’aérosols, séchage,

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tamisage, … Les ultrasons tiennent une place importante dans la chimie de l’extraction avec une augmentation de leur utilisation que ce soit au laboratoire ou dans l’industrie.

Les bulles de cavitation ont une série d'effets dans un milieu liquide selon le type de système dans lequel elles sont produites. Les différents systèmes peuvent être divisés en liquides homogènes ou hétérogènes et solide/liquide. Ce dernier système est le plus fréquemment rencontré dans le domaine de l’extraction.

À la différence d’une phase liquide, l’implosion d'une bulle de cavitation sur ou à proximité de la surface d’un solide est asymétrique parce que la surface fournit une résistance à l'écoulement du liquide. Cette résistance entraine une éruption du liquide sur la face de la bulle qui se trouve du coté opposé à la surface du solide. Il en découle la formation d’un micro jet liquide puissant dirigé vers le solide (Figure 1.10). L'effet est équivalent au nettoyage à l’aide d’un jet à haute pression (Neppiras, 1984).C’est la raison pour laquelle les ultrasons sont notamment employés dans les domaines du décapage ou du nettoyage.

Figure 1.10. Implosion d’une bulle de cavitation à la surface d’un solide (Mason, 1990).

Le phénomène de cavitation peut également produire des effets importants sur des poudres ou de fines particules en suspension dans un liquide. Les imperfections extérieures ou le gaz emprisonné peuvent favoriser la formation de bulles de cavitation à la surface de la particule. L’implosion des bulles de cavitation, dans la phase liquide, sur une particule accompagnée de collisions inter-particulaires peut mener à l'érosion des particules et donc à la réduction de leur dimension (Mason, 1990).

Grâce à l’implosion de ces bulles de cavitation, l’extraction de substances naturelles à partir de matières végétales ou animales va être optimisée en comparaison avec des techniques conventionnelles (macération, chauffage au reflux, soxhlet, …). En effet, le rendement en principes actifs est largement augmenté tout en réduisant le temps de traitement

(Hagenson et Doraiswamy, 1998 ; Hemwimol et al., 2006 ; Jacques et al., 2007). L’efficacité des ultrasons est désormais appliquée à l’extraction des colorants, arômes, polyphénols, ainsi qu’à de nombreuses substances à visée pharmacologique (Vila et al., 1999 ; Shotipruk et al., 2001 ; Rodrigues et Pinto, 2007 ; Vilkhu et al., 2008 ; Wang et al., 2008 ; Zang et al., 2008).