Effet mécanique ultrasonore

Introduction

L'effet mécanique ultrasonore désigne le terme général pour divers effets mécaniques produits par l'interaction entre les ondes ultrasonores et le milieu lorsqu'elles se propagent dans ce milieu. Plus précisément, lorsque les ondes ultrasonores se propagent dans le milieu, elles provoquent la vibration des particules dans le milieu, et cette vibration produit des effets mécaniques, tels que le déplacement, la déformation, l'accélération, etc.

L'énergie ultrasonore agissant sur le milieu provoquera une vibration légère des particules à haute vitesse, entraînant des modifications des grandeurs mécaniques telles que la vitesse, l'accélération, la pression sonore et l'intensité sonore, ce qui engendre des effets mécaniques. Les ondes ultrasonores sont une forme de propagation d'énergie mécanique, liée au processus d'onde et produisant des effets de vibration linéaire. Lorsque les ondes ultrasonores se propagent dans le milieu, bien que l'amplitude du déplacement des particules soit très faible, l'accélération des particules causée par les ultrasons est très importante.

Si des ondes ultrasonores de 20 kHz et de 1 W/cm² se propagent dans l'eau, l'amplitude de pression sonore générée est de 173 kPa, ce qui signifie que l'amplitude de pression sonore doit changer entre +173 kPa et -173 kPa 20 000 fois par seconde, et l'accélération maximale des particules atteint 1440 km/s², soit environ 1500 fois l'accélération de la gravité. Un tel mouvement mécanique intense et rapidement variable correspond à l'effet de vibration mécanique de l'ultrasons de puissance.

Lorsque le milieu ultrasonore n'est pas un milieu stratifié uniforme (comme les tissus biologiques, le corps humain, etc.), les différentes impédances acoustiques de chaque couche du milieu provoqueront la réflexion de l'onde sonore en propagation et formeront une onde stationnaire. Les antinœuds et les nœuds de l'onde stationnaire entraînent des variations de pression, de tension et d'accélération. En raison des masses différentes des particules du milieu (comme les molécules biologiques), la vitesse de vibration causée par le changement de pression est différente, et le changement de pression causé par le mouvement relatif entre les particules du milieu est une autre raison de l'effet mécanique des ultrasons. L'effet mécanique des ultrasons est utilisé pour le traitement (perçage, découpe, compactage, renforcement de surface, soudage, nettoyage, polissage et suppression des films et saletés indésirables, etc.) et est également utilisé pour accélérer d'autres processus comme la dispersion, l'homogénéisation, l'émulsification, le broyage, la stérilisation, etc.

Sur la base du principe

Le principe de l'effet mécanique ultrasonore repose principalement sur l'effet de cavitation, l'effet de vibration mécanique et l'effet thermique générés lorsque les ondes ultrasonores se propagent dans un milieu. L'effet de cavitation signifie que dans un liquide, la zone de pression négative générée par les ondes ultrasonores provoque la formation de petites bulles de gaz ou de vapeur dans le liquide. Ces bulles s'élargissent et s'effondrent rapidement sous l'action des ondes ultrasonores, générant une force d'impact importante. L'effet de vibration mécanique signifie que lorsque les ondes ultrasonores se propagent dans un milieu, les particules du milieu vibrent. Cette vibration génère une force de cisaillement et une force de compression, modifiant ainsi les propriétés physiques du milieu. L'effet thermique signifie que lorsque les ondes ultrasonores se propagent dans un milieu, la vibration et le frottement des particules du milieu produisent de la chaleur, ce qui fait augmenter la température du milieu.

Domaines d'application

1. Mélange mécanique

Les vibrations et pressions de radiation à haute fréquence des ultrasons peuvent créer un brassage et un écoulement efficaces dans les gaz et les liquides. Le jet puissant et les micro-écoulements locaux générés par la vibration des bulles de cavitation sur une surface solide peuvent réduire significativement la tension de surface et la friction du liquide, en détruisant la couche limite à l'interface solide-liquide, ce qui permet d'atteindre un effet que le brassage mécanique ordinaire à basse fréquence ne peut pas atteindre. Cet effet constitue la base physique pour les applications telles que la pénétration médicamenteuse, l'introduction de cosmétiques dans la peau, la dégazification ultrasonore, ainsi que le mélange et la raffinerie des aliments et des cosmétiques.

2. Diffusion mutuelle

En utilisant les effets de pression et de haute température de la vibration ultrasonore et de la cavitation, la pénétration mutuelle des molécules entre deux liquides, deux solides, ou aux interfaces liquide-solide ou liquide-gaz est favorisée pour former de nouvelles propriétés de matériaux. Le soudage ultrasonore des métaux ou des plastiques, l'émulsonification, le nettoyage et la nébulisation peuvent être classifiés comme tels effets.

3. Homogénéisation

L'onde de choc locale générée après la fermeture de la bulle de cavitation peut broyer les particules dans le liquide et les rendre fines ; uniformiser les cristaux ; disperser les gouttelettes d'émulsion plus grandes et inégales en médicaments minuscules et uniformes (comme les agents de contraste médicaux, les médicaments anticancéreux, etc.) ; et inclure même les effets de dissolution des caillots sanguins.

4. Coagulation

Les vibrations ultrasonores peuvent faire en sorte que les particules en suspension dans les milieux gazeux et liquides se déplacent à différentes vitesses, augmentant ainsi les chances de collision ; ou utiliser des ondes stationnaires pour les amener vers l'antinœud, ce qui provoque le processus de coagulation. La collecte de poussière d'échappement et les pluies artificielles peuvent appartenir à cette catégorie.

5. Coupe mécanique

En raison de l'accélération importante des vibrations ultrasonores et de la corrosion acoustique de l'effet cavitation, il est possible de traiter avec une précision spéciale les matériaux durs et fragiles (pierres précieuses, céramiques, verre, acier magnétique, etc.).

6. Broyage

En utilisant des impulsions ultrasonores de haute intensité, il est possible de broyer les calculs rénaux et vésicaux chez l'homme sans endommager les tissus mous.

Conclusion

Les effets mécaniques ultrasonores sont largement utilisés dans le domaine médical, industriel, agricole et d'autres secteurs. Dans le domaine médical, les effets mécaniques ultrasonores peuvent être utilisés pour diagnostiquer et traiter des maladies, tels que la lithotritie par ultrasons, le nettoyage des plaies par ultrasons, etc. Dans le domaine industriel, les effets mécaniques ultrasonores peuvent être utilisés dans des processus de nettoyage, soudage, découpe et autres. Dans le domaine agricole, les effets mécaniques ultrasonores peuvent être utilisés pour favoriser la croissance des plantes et augmenter les rendements des cultures.

De plus, l'action mécanique des ultrasons peut également adoucir les tissus, améliorer la pénétration, favoriser le métabolisme, stimuler la circulation sanguine, exciter le système nerveux et la fonction cellulaire, etc., ce qui lui confère une signification thérapeutique unique. Par exemple, en médecine, dans la thérapie par ultrasons, l'effet mécanique des ultrasons peut promouvoir la pénétration et la diffusion des médicaments et améliorer leur efficacité ; en même temps, il peut également stimuler la perméabilité des membranes cellulaires et favoriser le métabolisme et la régénération cellulaire.

En résumé, l'effet mécanique des ultrasons est le terme générique pour désigner l'effet mécanique produit lorsque les ultrasons se propagent dans un milieu. Il présente une large gamme d'applications et une signification thérapeutique unique dans de nombreux domaines.