Génération d'ondes de choc et focalisation à courte distance dans le champ de cavitation ultrasonore à basse fréquence

Bertrand Dubus (1) , Christian Vanhille (2) , Cleofé Campos-Pozuelo (3) , Christian Granger (1)

1 IEMN - Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520
2 ESCET
3 Instituto de Acustica, CSIC

Dans les dispositifs d'ultrasons de puissance de type sonotrode utilisés en sonochimie ou génie des procédés, le champ de cavitation est engendré par une surface cylindrique (de diamètre comparable à &_lambda; longueur d'onde acoustique dans le liquide) vibrant à basse fréquence (typiquement 20 kHz). A forte intensité acoustique, les bulles de cavitation s'auto-organisent au voisinage de la surface sous la forme d'un cône formé de filaments. Les champs physiques associés à cette structure présentent des propriétés remarquables : formation d'ondes de choc très près de la source (~&_lambda;/10), focalisation acoustique à très courte distance (~&_lambda;), écoulement induit très rapide (~1 m/s), champ de pression quasi-statique non-uniforme. La structure conique de bulles présente également toutes les propriétés d'un système critique auto-organisé : existence en l'absence d'un réglage fin des paramètres expérimentaux, spectre de bruit en 1/f , invariance d'échelle des fonctions de distribution des fluctuations. Pour expliquer ces phénomènes, l'effet sur le champ acoustique d'une fine de couche de bulles localisée à la surface de la sonotrode est étudié à partir d'une modélisation par différences finies. Ces calculs montrent : 1) que la couche tend à se stabiliser lorsque son épaisseur atteint la résonance en demi-longueur d'onde (typiquement 1,5 mm à 20 kHz pour une vitesse du son de 60 m/s dans la couche) ; 2) que la couche se comporte comme un résonateur non-linéaire qui distord les fronts d'onde et émet périodiquement des ondes de choc ; 3) que la focalisation à très courte distance peut être attribuée à une variation de l'épaisseur de couche avec la distance à l'axe de symétrie de l'ordre de 2%. Les images obtenues par caméra ultra-rapide et la mesure des champs de pression confirment l'existence de la couche de bulles et son influence sur la phase des ondes de chocs.

Mots clés: Cavitation; Bulles; Ondes de choc; Focalisation

Domaines: Acoustique [physics.class-ph]; Acoustique [physics.class-ph]

Bertrand Dubus, Christian Vanhille, Cleofé Campos-Pozuelo, Christian Granger. Génération d'ondes de choc et focalisation à courte distance dans le champ de cavitation ultrasonore à basse fréquence. 10ème Congrès Français d'Acoustique, Apr 2010, Lyon, France. ⟨hal-00538348⟩