À propos d'ultrasons

Sommaire

 

Les transducteurs
Le phénomène de cavitation
Le cycle d'une bulle
La puissance des ultrasons
Les fréquences utilisées: les basses fréquences
La taille des bulles de cavitation
Le bon nettoyage par ultrasons
Le Cercle de Sinner
Les avantages des ultrasons

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Les transducteurs (voir la galerie ci-dessous)

Un transducteur est un dispositif convertissant un signal physique en un autre par exemple une énergie électrique en mouvement mécanique. Dans le cas des ultrasons ce transducteur est une sonotrode. Fabriqué en inox et céramique. Ils sont montés par série de 20 sur des plaques d'inox qui fournissent une puissance d'1kW.

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Le phénomène de cavitation (voir la galerie ci-dessous)

Les machines à ultrasons distribuées par TS Process et Équipements utilisent des générateurs à ultrasons couplés à ces sonotrodes synchronisées qui restituent cette énergie vibratoire dans le bain de nettoyage. Lorsque l'onde ultrasonique se propage dans le bain, elle crée des mouvements de pression/dépression qui génèrent des petites bulles : c’est le phénomène de cavitation. Les bulles de cavitation grossissent par cycles jusqu’à atteindre une taille critique où elles implosent.

 

Le cycle d'une bulle (voir la galerie ci-dessous)

• Le phénomène de cavitation, formation des bulles (© BTO)

• Le cycle d'une bulle en images

• Formation et développement d’un microjet © Frédéric LAUGIER/ Lauterborn

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La puissance des ultrasons

Lors de cette implosion, la température peut atteindre 4700 °C et la pression 1000 bar. Le jet de gaz et de vapeur contenu dans celles-ci peut atteindre 400 km/h [LINDAU et LAUTERBORN, 1980] !La température du liquide entourant une bulle de cavitation implosant peut atteindre 2100 K [Suslick, 1989]. À titre de comparaison la température d’une flamme d’acétylène est de 2400 K. Ces trois phénomènes produits par l'implosion des bulles qui participe au nettoyage. NB: Faire fonctionner les ultrasons dans le bain participe à l'élévation de la température.

 

(voir la galerie ci-dessous)

• Cavitation, formation du jet © BTO

• Cinématique d'une bulle sous l'effet des ultrasons

• Formation et développement d’un microjet (GIF)

 

Les fréquences utilisées: les basses fréquences

Plus la fréquence des ultrasons est basse (16 KHz à 28 kHz) plus les bulles ont le temps de grossir. Plus la fréquence est élevée (jusqu’à 70 kHz et au-delà) plus elles sont fines. Nos machines à ultrasons utilisent une fréquence de 28 KHz qui est adaptée aux nettoyages de type industriels alors que les fréquences plus élevées (2 MHz) sont dédiées au nettoyage de pièces fines, bijouterie, optique, etc.

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La taille des bulles (voir la galerie ci-dessous)

La taille des bulles de cavitation dépend de la fréquence. La quantité de bulles — donc l’action nettoyante — dépend de la puissance injectée.

 

Notre technologie à 28 kHz avec la puissance standard, produit des bulles de +/- 0,012 mm de diamètre qui permettrait d’enlever des particules de 0,003 mm et +  (ratio 4 :1)

Notre technologie 38 kHz, avec la puissance standard, produit des bulles de +/- 0,009 mm qui permettraient d’enlever des particules de 0,0022 mm et + (ratio 4 :1)

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Autre ultra-son... de cloche

 

D'après Chat GPT La taille des bulles de cavitation ultrasonore dans l'eau à 28 kHz dépend de plusieurs facteurs, notamment la pression acoustique, la température et les propriétés du liquide. Cependant, on peut estimer une taille caractéristique en considérant la fréquence des ultrasons.

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Estimation de la taille des bulles de cavitation :

1. Rayon de résonance (Rayleigh-Plesset) :
   Une approximation classique du rayon de résonance RrR_rRr​ des bulles de cavitation est donnée par la relation empirique :

   Rr≈32πfR_r \approx \frac{3}{2\pi f}Rr​≈2πf3​

   où fff est la fréquence des ultrasons.
    

2. Calcul pour 28 kHz :

   Rr≈32π×28000R_r \approx \frac{3}{2\pi \times 28000}Rr​≈2π×280003​ Rr≈17 μmR_r \approx 17 \, \mu mRr​≈17μm

   Ce rayon correspond à la taille approximative d'une bulle stable sous l'effet des ondes ultrasonores. Cependant, lors d'une cavitation instable (implosions violentes), les bulles peuvent atteindre des tailles plus grandes avant de s'effondrer.
    

3. Taille maximale avant implosion :
   Avant l'effondrement, une bulle de cavitation peut atteindre une taille typique de 50 à 200 µm, voire plus si la puissance acoustique est élevée.

 

Facteurs influençant la taille des bulles :

• Pression acoustique : Plus elle est élevée, plus la bulle initiale peut être grande.

• Viscosité et tension superficielle : Affectent la dynamique de croissance et d'effondrement.

• Gaz dissous dans l'eau : Influence la formation et la stabilité des bulles.
   

En résumé, pour une fréquence de 28 kHz, les bulles de cavitation ont un rayon de résonance d'environ 17 µm, mais elles peuvent croître jusqu'à 50-200 µm avant de s'effondrer.

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Un bon nettoyage par ultrasons, qu'est ce que c'est?

 

Un bon nettoyage par ultrasons repose sur plusieurs paramètres :

• Le dégazage du bain. Le dégazage d'un bain est une action extrêmement importante pour faciliter la cavitation. Un bain nouveau contient de l'air en quantité. Nos machines sont équipées d'un programme de dégazage spécial qui permet l'élimination de cet air et du temps doit être consacré à cette opération essentielle. Une quantité importante de gaz dans l'eau diminue fortement le phénomène de cavitation.

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Le Cercle de Sinner (voir la galerie ci-dessous)

A cette première action s'ajoutent les quatre éléments de ce que l'on appelle le Cercle de Sinner. Le Dr. Herbert Sinner (1900-1988) chimiste de la société Henkel a développé en 1959 une théorie du nettoyage basés sur les actions de quatre éléments : la température, la chimie, l'action mécanique et la durée de nettoyage. Selon Sinner, pour un résultat efficace la diminution d'une des quatre actions doit être compensée par l'augmentation d'une ou plusieurs des autres. Ainsi, la réduction de la chimie doit être compensée par une augmentation de la part de l’action mécanique ou celle du temps, ou celle de la chaleur, ou d’une combinaison de ces trois autres paramètres. L'usage des ultrasons basse fréquence, plus dynamiques permet une diminution des produits chimiques et du temps machine, donc une réduction des coûts d'exploitation.

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1. La température :  le chauffage peut être porté jusqu’à + de 80° afin d’augmenter l'efficacité des bains sur les salissures. Par ailleurs la plage de température idéal pour une cavitation de meilleure qualité est aux environs de 60-65°C. Aussi le choix de la température s'effectuera en fonction de ces deux points. Un système de gestion de l’énergie permet d’associer efficacité et économies d’énergie. 

2. Les produits chimiques, lessives, détergents : essentiels dans le nettoyage. Nous proposons sur catalogue ou nous recherchons avec notre laboratoire les produits adaptés au support à nettoyer et aux salissures. Le travail « mécanique » des ultrasons permet de réduire les produits ajoutés dans le bain, d’où des économies à l’achat et au retraitement des effluents. L’usage de produits de substitution respectueux de l’environnement est un objectif auquel nous sommes attentifs.

3. Les ultrasons : nos équipements utilisent une fréquence plutôt basse (28 kHz) synonyme de nettoyage efficace en conditions industrielles ; nos transducteurs sont synchronisés numériquement et répartis dans les parois des cuves pour une efficacité accrue. 

4. Le temps de cycle : la durée de nettoyage est réduite grâce à l’action « mécanique » des ultrasons, et en fonction de la température et des produits ajoutés. Le travail par lots ainsi que le travail en temps masqué sont un gain pour l'utilisateur.

 

Au Cercle de Sinner, il faut ajouter une action mécanique indispensable dans bien des cas:

• Le mouvement des pièces dans le bain : la plupart de nos machines utilisent un ascenseur qui permet de placer les pièces dans le bain. Celui-ci assure aussi une fonction cyclique d’agitation de la pièce dans l’eau qui produit des courants permettant l'évacuation des salissures et le nettoyage des cavités et autres trous. Ce brassage contribue aussi à une répartition plus homogène de la cavitation sur les pièces à nettoyer.

 

Sur le cercle de Sinner  ci-dessous, on remarque que l'usage des ultrasons basse fréquence permettent de diminuer la proportion de produits chimiques et le temps de cycle de nettoyage.

 

Avantages des ultrasons

• Une efficacité de nettoyage largement démontrée, dans tous les anfractuosités, failles, micro structures, trous aveugles, grâce à la température, la pression et la vitesse du jet issu des bulles (au niveau infinitésimal) au moment de leur implosion.

• Nettoyage de couches dures (tartre, calamine…) et résidus d'usinage…

• Homogénéité du nettoyage

• Concentration des produits de nettoyage divisés par 6,

• Diminution des effluents et de leur coût de retraitement,

• Diminution du coût des produits,

• Permet un travail de l’opérateur en temps masqué et en sécurité

• Retour sur investissement très court