Les ultrasons : alternatifs dans les procédés de synthèse 

Généralités sur les ultrasons

Les ultrasons sont des ondes acoustiques (mécaniques) dont la fréquence est située entre le son audible 16 kHz et les hypersons 10 MHz (figure 3.1). Dans cette gamme de fréquence le son est imperceptible par l’oreille humaine, en revanche des animaux comme les éléphants et les chauves souris utilisent communément ces ondes pour communiquer ou pour se diriger1,2 . La puissance (W) et la fréquence (Hz) sont les principaux paramètres pour classifier les ultrasons3 . Selon une échelle de fréquence, le domaine ultrasonore est divisé entre des ultrasons de basse fréquence (16 à 100 kHz), des ultrasons de haute (100 kHz à 1000 kHz) et enfin des ultrasons de très haute fréquence. Et selon l’échelle de la puissance, les ultrasons sont dits de faible puissance lorsqu’elle est inférieure à 1 W, dans ce cas les ultrasons n’induisent pas de modification du milieu qu’ils traversent, et lorsque la puissance ultrasonore est supérieure à 10 W, l’émission ultrasonore est susceptible de modifier le milieu traversé, on est alors dans le domaine des ultrasons de puissance. Figure 3.1. Domaines de fréquence des sons. Les ultrasons possèdent toutes les propriétés générales des ondes sonores telles que la propagation et l’absorption en milieu dans lequel elles traversent. L’onde ultrasonore consiste en une succession répétitive de compression et de raréfaction, des phénomènes tels que la réflexion, la diffusion et l’interférence peuvent être générés par ces ondes acoustiques. Elles sont caractérisées par une longueur d’onde λ (m), et aussi par sa célérité (vitesse) c (m.s−1), d’autre part par la perte d’énergie qu’elle subit par unité de longueur de milieu traversé, c’està-dire par un coefficient d’absorption4 .  =   (1) Ou : λ correspond à la longueur d’onde en m, c à la vitesse en m.s-1 et f à la fréquence Hz. Chapitre 1. [3. Les ultrasons : alternatifs dans les procédés de synthèse] 

Principaux types d’ultrasons

Étant donné le large spectre de fréquence occupé par les ultrasons (16 kHz-10 MHz) on en différencie deux types : a. Les ultrasons de puissance : caractérisés par une forte intensité et faible fréquence, de 16 à 1000 kHz. Une gamme étendue est utilisée en sonochimie. Ici, les ultrasons sont capables de produire une modification du milieu grâce à la cavitation, cette modification est de type physique (décapage, dégazage, émulsification) et/ou chimique (modification du mécanisme réactionnel, production de radicaux libres…)5,6. Parmi les exemples d’utilisation des ultrasons de puissance : le nettoyage par ultrasons fonctionnant à des fréquences inférieures à 50 kHz et la sono-dégradation de polluants chimiques. b. Les ultrasons de diagnostic : caractérisés par une faible intensité et haute fréquence, de 1 à 10 MHz. Contrairement au premier cas, l’objectif ne vise pas la modification du milieu traversé, mais d’observer l’impact du milieu sur l’onde ultrasonore. Lorsqu’un son traverse un milieu (peu importe sa fréquence), il en ressort modifié : l’amplitude et la phase de l’onde sinusoïdale sont modifiées. Amplitude et phase dépendent de l’atténuation de l’onde (absorption par le milieu), des propriétés acoustiques du milieu (réflexion, transmission), ainsi que de l’angle d’incidence de l’onde et de la topographie de l’interface7 . L’analyse de ces modifications de l’onde (transmise ou réfléchie) donne des informations sur les caractéristiques du milieu traversé. Les ultrasons de diagnostic sont utilisés en médecine pour effectuer des diagnostics, dans les contrôles non destructifs et en métallurgie pour la détection de défauts dans les soudures ou la présence d’inclusions8 . 3.2. Paramètres physicochimiques des ultrasons 3.2.1. Vitesse La vitesse de propagation de l’onde ultrasonore varie selon le milieu qu’elle traverse, et elle dépend de l’élasticité et de la masse volumique du milieu de propagation, par exemple dans l’eau pure à 25 °C, elle est égale à 1435 m.s-1 9 . Elle peut être calculée en fonction du coefficient de l’élasticité (χ) et de la masse volumique du milieu (ρ) selon l’équation suivante : ≈
1 χ (2) Chapitre 1. [3. Les ultrasons : alternatifs dans les procédés de synthèse] 61 De nombreux travaux ont permis d’estimer la vitesse de l’onde ultrasonore dans différents liquides notamment dans des solvants organiques. 

Propagation

Les ultrasons sont des ondes vibratoires de compression longitudinale dont la propagation induit à la fois une variation spatiale et temporelle de la pression, une observation semblable à celle dans le cas d’un piston oscillant10. Il en résulte donc deux formes d’agitation du milieu. Du fait de la compressibilité du liquide, il apparaît un mouvement d’oscillation des éléments de liquide autour de leur position d’équilibre. À cela s’ajoute un mouvement d’ensemble provoqué par la propagation de l’onde. La transmission des ultrasons est un phénomène vibratoire pour lequel se retrouvent les problèmes classiques de transmission, de réflexion et d’ondes stationnaires. 

Application des ultrasons

Les ultrasons actuellement sont d’une grande importance et possèdent des nombreuses applications dans des divers domaines.

Applications médicales

Les ultrasons sont devenus un outil essentiel dans la médecine, et trouvent des applications diagnostiques et thérapeutiques. L’utilisation des ultrasons de faible puissance permet d’explorer les corps humains et de faire des diagnostics par échographie, cette technique d’imagerie permet via l’outil informatique de générer des images reçues par une sonde ayant auparavant émis une onde ultrasonique qui se réfléchit sur les différentes interfaces et peuvent montrer les organes en mouvement ainsi que le flux des vaisseaux sanguins dans le corps humain11 . Dans le cas thérapeutique, les ultrasons sont exploités pour des approches interventionnelles directes utilisant des fortes puissances, ils permettent de détruire des substances ou tissus indésirables et pulvérisent des calculs rénaux. Ils sont également utilisés en kinésithérapie pour diminuer les douleurs, favoriser la circulation, aussi pour rendre des articulations moins raides. Les ultrasons sont mis en œuvre en télémétrie pour la mesure des distances et aussi la mesure des propriétés élastiques des matériaux. Chapitre 1. [3. Les ultrasons : alternatifs dans les procédés de synthèse] 

Application au laboratoire

Le domaine d’application le plus répandu au niveau du laboratoire est celui du nettoyage et du dégraissage des solides par les bacs à ultrasons. L’utilisation des ultrasons offre un nettoyage en douceur, permet d’éliminer complètement la saleté, l’huile et les contaminants de toutes les surfaces de l’objet qui sont en contact avec le liquide de nettoyage. Ce liquide peut pénétrer grâce à l’effet d’ultrasons à l’intérieur de toutes les crevasses, même les plus petites. Les ultrasons sont utilisés également pour dégazer des liquides, tels que les solvants et liquides visqueux types huile, gélatine12. Cet effet de dégazage a été testé avec succès dans de nombreuses branches de l’industrie car il permet d’atteindre une concentration en gaz dissous plus faible et plus rapidement. Le dégazage par ultrasons est reconnu comme plus efficace et moins coûteux que les procédés classiques de dégazage sous vide poussé ou par ébullition qui requièrent en plus l’utilisation d’un condenseur.

Application synthétique des ultrasons

L’application synthétique des ultrasons est en plein essor depuis une vingtaine d’année dans différents secteurs d’activités, tels que le domaine pharmaceutique, cosmétique et l’industrie agroalimentaire14, grâce aux avantages qu’elle présente par rapport aux méthodes traditionnelles, notamment l’augmentation de la vitesse réactionnelle, l’amélioration du rendement de la réaction et l’utilisation efficace de l’énergie. B. Sreedhar et al. 15 ont montré l’influence favorable des irradiations ultrasoniques sur les temps de réaction et les rendements lors des réactions d’acylation d’alcool ou d’amine en utilisant la chamosite ferreuse en tant que catalyseur hétérogène, et l’acide acétique comme agent acylant. Le rendement est passé de 85 à 99 % et de 85 à 95%, tandis le temps de réaction est passé de 90 à 5min et 150 à 4min, dans l’acylation de benzylamine et 1- phényléthanol respectivement.