Brevet FR2743929A1 — publié le 19970725

DISPOSITIF POUR LA GENERATION D'ONDES ULTRASONORES La présente invention concerne un dispositif pour la génération d'ondes ultrasonores, comportant au moins un transducteur ultrasonique piézoélectrique ou magnétostrictif associé à une sonotrode, et un résonateur tubulaire couplé à ladite sonotrode. II est connu que l'irradiation de certaines matières, notamment des liquides et en particulier des solutions aqueuses au moyen d'ondes ultrasonores, qui sont des ondes périodiques de pression, stationnaires ou non dont la fréquence est sensiblement comprise entre 20 KHz et 1 MHz, produit des phénomènes de cavitation. Ce phénomène de cavitation se traduit par la formation de bulles microscopiques qui croissent pendant la phase de dépression par dégazage et vaporisation du milieu dans lequel il se produit. Lorsque ces bulles atteignent une taille critique, en relation avec la fréquence et l'amplitude de l'onde ultrasonore incidente, elles entrent en résonance et implosent. L'implosion correspond à un effondrement brutal de ces bulles, ce qui génère une onde de pression qui peut atteindre quelques centaines de bars et une onde thermique pouvant atteindre plusieurs milliers de degrés. L'onde de choc associée à l'implosion se propage à travers le milieu et est capable de disloquer par cisaillement des structures moléculaires organisées, de détruire des micro-organismes et de nettoyer des surfaces. De ce fait, les bulles de cavitation constituent des unités de traitement multifonctions représentant des microréacteurs physico-chimiques particulièrement performants. Toutefois, I'effet obtenu dépend d'un certain nombre de paramètres tels que l'énergie effectivement transmise à la matière à traiter et les fréquences des ondes ultrasonores. Les dispositifs connus susceptibles de générer et de transmettre des ondes ultrasonores à un milieu ne permettent pas toujours d'atteindre les puissances requises. En outre, les rendements énergétiques atteints ne sont pas favorables. Enfin, il n'est pas possible de maîtriser les fréquences de manière à atteindre l'effet recherché de façon optimale. La présente invention se propose de pallier ces inconvénients en réalisant un dispositif tel que défini ci-dessus, capable de générer des ondes ultrasonores ayant une fréquence bien déterminée, de transmettre de façon optimale les puissances requises à la matière à traiter et d'atteindre un rendement énergétique particulièrement favorable. Ce but est atteint par un dispositif pour la génération d'ondes ultrasonores, caractérisé en ce que ledit résonateur tubulaire comporte un corps en forme de tube portant au moins un filtre mécanique pour filtrer les vibrations d'au moins une gamme de fréquences données. Selon un mode de réalisation préféré, ledit filtre mécanique est constitué d'une pièce d'obturation ayant une section transversale égale à un multiple entier d'une demi-longueur d'onde raccordée en bout du corps du résonateur. Selon un deuxième mode de réalisation, ledit filtre mécanique peut être constitué d'une surépaisseur annulaire disposée à l'extérieur du corps du résonateur. Selon un troisième mode de réalisation, le filtre mécanique peut être constitué d'une surépaisseur annulaire disposée à l'intérieur du corps du résonateur. Selon une variante, ledit filtre mécanique peut être disposé à au moins une extrémité du corps du résonateur tubulaire. Selon une forme de construction particulière du dispositif, le résonateur tubulaire est disposé dans l'axe du transducteur et de la sonotrode. Selon une autre forme de construction particulière du dispositif, le résonateur tubulaire est disposé transversalement par rapport à l'axe du transducteur et de la sonotrode. Ce dispositif peut comporter une sonotrode principale et une sonotrode intermédiaire montées entre le transducteur et le résonateur. Pour certaines applications, le corps du résonateur peut comporter des entailles ménagées à sa périphérie, lesdites entailles constituant des fentes traversantes. Ces entailles peuvent également se présenter sous la forme de gorges non traversantes et être axiales ou en forme de spirales. Selon une variante particulièrement avantageuse, le dispositif comporte au moins un réflecteur coaxial audit résonateur. Dans une réalisation particulière, le dispositif peut comporter un réflecteur intérieur et un réflecteur extérieur, le réflecteur intérieur étant un conduit d'amenée d'une substance à traiter dans la chambre acoustique formée par le résonateur, et le réflecteur extérieur étant une enveloppe entourant le résonateur, et comportant un tube d'évacuation de ladite substance. Dans ce cas, le tube d'évacuation et le réflecteur intérieur peuvent être disposés selon le même axe. Pour certaines applications, le résonateur peut comporter un corps constitué de deux tubes coaxiaux, le tube intérieur étant associé à la sonotrode principale et le tube extérieur étant associé à une masse frontale disposée entre le transducteur et la sonotrode principale. La présente invention sera mieux comprise en référence à la description de divers modes de réalisation et aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquels: - les figures 1A et 1B représentent des vues schématiques d'une première et d'une deuxième forme de réalisation d'un dispositif selon l'invention, - les figures 2A, 2B, 2C et 2D représentent des vues schématiques en coupe axiale représentant quatre formes de réalisation particulières de filtres mécaniques de vibrations, - la figure 3 représente une vue schématique en coupe d'une première variante du dispositif de la figure 1, - la figure 4 représente une vue schématique en coupe d'une deuxième variante du dispositif de la figure 1, - la figure 5 représente une vue schématique d'une troisième variante du dispositif de la figure 1, dans laquelle le résonateur comporte un corps pourvu de fentes axiales, - la figure 6 représente une vue schématique en coupe d'une autre forme de réalisation du dispositif selon l'invention dans laquelle le résonateur comprend deux tubes coaxiaux - les figures 7 et 8 représentent des vues schématiques en coupe de deux formes de réalisation du dispositif selon l'invention dans lesquelles le résonateur est associé à des réflecteurs respectivement intérieur et extérieur, et - la figure 9 représente une vue schématique en coupe d'une autre variante avantageuse du dispositif selon l'invention. En référence à la figure 1A, le dispositif 10 selon l'invention comporte un transducteur piézo-électrique ou magnétostrictif 11, une sonotrode principale 12, une sonotrode intermédiaire 13 et un résonateur tubulaire 14. On notera que la longueur du transducteur 11, associé à la sonotrode principale 12 est un multiple n de la demi-longueur d'onde SJ2, que la longueur de la sonotrode intermédiaire 13 est sensiblement égale à la demi-longueur d'onde A/2 et que celle du résonateur 14 est égale à un multiple N de la demi-longueur d'onde VJ2. Le résonateur tubulaire 14 est un tube de section circulaire ou polygonale ouvert ou fermé qui constitue un guide d'onde. II est équipé d'au moins un filtre mécanique, intégré à la structure interne ou externe du tube, pour filtrer les vibrations d'au moins une gamme de fréquences données. Dans la réalisation représentée par la figure 1A, le tube est fermé à son extrémité amont par un fond qui définit un premier filtre mécanique 15. A proximité de son extrémité aval, le tube comporte une surépaisseur annulaire 16 qui se situe à l'extérieur du tube et qui définit un deuxième filtre mécanique 17. L'intérieur du tube définit une chambre acoustique 18. On notera également que le diamètre el de la surépaisseur annulaire 16 définissant le deuxième filtre mécanique est égal à une demi-longueur d'onde ou à un multiple de cette valeur. En outre, la longueur axiale a1 de ce deuxième filtre est égale à une demi-longueur d'onde ou à multiple d'une demi-longueur d'onde. Le résonateur, de par sa géométrie et ses dimensions, a pour fonction de favoriser une longueur d'onde donnée ou une bande étroite de longueurs d'ondes. La chambre acoustique 18 à très haute densité d'énergie acoustique, peut, selon les applications envisagées, devenir le siège de réactions physico-chimiques pour dégrader, décontaminer, synthétiser, homogénéiser des substances d'origines diverses. Le résonateur agit comme un amplificateur des ondes ultrasonores. Le transducteur associé à la sonotrode principale génère et transmet les vibrations du résonateur. Le ou les filtres ont pour fonction de filtrer les fréquences. Ils fonctionnent comme des transformateurs mécaniques d'amplitude et sélectionnent les bandes de fréquences souhaitées dans la direction de propagation désirée. Ils sont placés sur le chemin de propagation des vibrations, par exemple aux extrémités du guide d'onde, et servent à adapter l'impédance de couplage entre la source des vibrations et la matière à traiter. Ceci se traduit par un meilieur rendement, c'est-à-dire un meilleur transfert d'énergie de la source vers la matière traitée. La figure 1B représente une deuxième forme de réalisation du dispositif 10 comportant un transducteur piézo-électrique ou magnétostrictif 11, une sonotrode unique 12 et un résonateur tubulaire 14. La différence entre les deux réalisations selon la figure 1A et la figure 1B réside principalement dans la dimension du résonateur 14 et des filtres mécaniques 15 et 17. La dimension axiale a2 du filtre mécanique 17 est égale à une demi-longueur d'onde ou à un multiple de cette valeur. Le diamètre e2 de ce filtre mécanique est égal à un multiple d'une demi-longueur d'onde. Les figures 2A, 2B, 2C et 2D illustrent schématiquement quatre formes de réalisation de filtres mécaniques pouvant être couplés avec le résonateur tubulaire 14 qui constitue un des composants du dispositif selon l'invention. Le filtre mécanique 20 de la figure 2A est une pièce d'obturation ayant une section transversale e3 égale à une demi-longueur d'onde ou à un multiple de cette valeur et raccordée à une pièce tubulaire, partiellement représentée qui constitue le corps du résonateur 21. La longueur axiale a3 du filtre est sensiblement égale à une longueur d'onde ou à un multiple de cette valeur. Le filtre mécanique 30 de la figure 2B est constitué par une surépaisseur annulaire disposée à l'extérieur d'une pièce tubulaire formant le corps du résonateur 31. La longueur axiale a4 de ce filtre est sensiblement égale à une demi-longueur d'onde ou à un multiple de cette valeur. Dans la réalisation représentée, le filtre occupe une position centrée. Le filtre mécanique 40 de la figure 2C est également une surépaisseur annulaire disposée extérieurement à l'extrémité d'une pièce tubulaire formant le corps du résonateur 41. Le filtre mécanique 50 de la figure 2D est également une surépaisseur annulaire disposée intérieurement à l'extrémité d'une pièce tubulaire formant le corps du résonateur 51. Le dispositif 10 pour la génération d'ondes ultrasonores tel que représenté par la figure 3 comporte un transducteur 11, une sonotrode principale 12, une sonotrode intermédiaire 13 et un résonateur tubulaire 14. Le résonateur tubulaire 14 comporte un corps constitué d'un tube central obturé à ses extrémités par deux filtres mécaniques 20 tels que représentés par la figure 2A. Le couplage entre la sonotrode intermédiaire 13 et le résonateur s'effectue à travers un filtre mécanique 30 tel que représenté par la figure 2B. L'intérieur du résonateur constitue une chambre acoustique qui communique avec l'extérieur par des ouvertures latérales 19 ménagées dans le corps du résonateur. Dans cette réalisation, les deux filtres mécaniques 20, disposés aux extrémités du résonateur, sont reliés par une tige de couplage axial 52 rigide qui permet d'améliorer le couplage axial, radial et circonférentiel. Le dispositif 10 pour la génération d'ondes ultrasonores tel que représenté par la figure 4 comporte comme précédemment un transducteur 11, une sonotrode principale 12, une sonotrode intermédiaire 13 et un résonateur tubulaire 14. Le résonateur tubulaire 14 est constitué d'un corps en forme de tube équipé à ses extrémités de filtres mécaniques 40 tels que représentés par la figure 2C, et, en son milieu d'un filtre mécanique 30 tel que le montre la figure 2B. Le corps du résonateur est ouvert à ses deux extrémités de telle manière qu'il puisse être traversé de part en part, par une substance à soumettre à des vibration ultrasoniques. La figure 5 représente un dispositif 10 pour la génération d'ondes ultrasonores, qui comporte à nouveau un transducteur 11, une sonotrode principale 12, une sonotrode intermédiaire 13 et un résonateur tubulaire 14. Le résonateur tubulaire 14 est constitué dans ce cas d'un corps en forme de tube pourvu d'entailles axiales 60, par exemple de fentes, sur au moins une partie et de préférence sur tout le pourtour du tube. Les extrémités du corps sont équipées d'un filtre mécanique qui est avantageusement l'un des filtres 20, 40 ou 50 représentés par les figures 2A, 2B et 2C. La configuration représentée permet de privilégier, par l'existence des fentes axiales très étroites, les vibrations de flexion circonférentielles du résonateur ou de les renforcer par l'élimination du couplage radial périmétrique. La longueur des fentes est prédéterminée en fonction de l'amplification de la flexion recherchée. Les entailles peuvent également se présenter sous la forme de gorges non traversantes. Lorsque les entailles sont percées, les substances à traiter peuvent passer de la partie intérieure du tube, qui constitue la chambre acoustique, vers l'extérieur et inversement. Les entailles ou les gorges peuvent être remplacées par d'autres structures ménagées à la périphérie du tube en fonction des effets mécaniques recherchés. Les entailles peuvent être axiales ou en forme de spirales de manière à favoriser les vibrations radiales et l'effet de Vortex. La figure 6 représente un dispositif 10 pour la génération d'ondes ultrasonores, qui comporte à nouveau un transducteur 11, une sonotrode unique 12 et un résonateur tubulaire 14. Le résonateur tubulaire 14 comporte dans ce cas un corps constitué de deux tubes coaxiaux 1 4a et 14b, à savoir un tube intérieur 14a et un tube extérieur 14b. Le tube intérieur 14a est pourvu d'un premier filtre mécanique 20 disposé à l'une de ses extrémités et peut, le cas échéant, recevoir un second filtre mécanique de même type disposé à son autre extrémité ou un autre filtre tel que le filtre mécanique 40. Le tube extérieur 14b est obturé à une de ses extrémités par une masse frontale 70 et est ouvert à son autre extrémité pourvue d'un filtre mécanique 40. La fonction de la masse frontale 70 est de transmettre directement les vibrations radiales au tube extérieur 14b. Les vibrations axiales sont transmises au tube intérieur 14a par la sonotrode 12. Le tube intérieur peut par exemple comporter un réflecteur intérieur 14C. Cette configuration permet de traiter des substances différentes, I'une circulant à l'intérieur du tube intérieur 14a et l'autre circulant entre les deux tubes. Le dispositif 10 pour la génération d'ondes ultrasonores, selon la figure 7 comporte à nouveau un transducteur 11, une sonotrode principale 12, une sonotrode intermédiaire 13 et un résonateur tubulaire 14. Le résonateur se présente sous la forme d'un tube ouvert à une de ses extrémités et comporte deux filtres mécaniques 20 et 40. Ce résonateur est associé à un réflecteur intérieur 80 et à un réflecteur extérieur 81. Ce réflecteur extérieur est porté par la sonotrode intermédiaire 13 et le réflecteur intérieur 80 est monté à l'intérieur du résonateur 14 et porté par le réflecteur extérieur 81. Le réflecteur intérieur 80 est un tube creux dans lequel peut être injecté une substance à traiter ( voir flèche A). Le réflecteur 81 est une enveloppe qui entoure le résonateur. La substance ressort du résonateur comme le montrent les flèches B, circule selon la flèche C entre le résonateur et le réflecteur extérieur pour ressortir du dispositif par un tube d'évacuation 82 disposé latéralement par rapport au réflecteur extérieur qui extrait la substance traitée, comme le montre la flèche D. Les réflecteurs ont pour but de réfléchir les ondes ultrasoniques et de guider la substance à traiter à travers le champ d'ondes. En l'occurrence le traitement s'effectue à trois reprises, à des niveaux d'énergie différents, une première fois dans le réflecteur intérieur une deuxième fois dans la chambre acoustique du résonateur et une troisième fois dans le réflecteur extérieur, ce qui augmente l'efficacité du système et autorise sa miniaturisation. Le dispositif 10 pour la génération d'ondes ultrasonores selon la figure 8 comporte à nouveau un transducteur 11, une sonotrode principale 12, une sonotrode intermédiaire 13 et un résonateur tubulaire 14. Cette construction est très proche de celle décrite en référence à la figure 7. Le transducteur et les sonotrodes sont disposés latéralement par rapport au résonateur 14 et aux réflecteurs 80 et 81. Le réflecteur intérieur 81 et le tube d'évacuation 82 sont disposés axialement. La circulation de la substance est indiquée par les flèches A, B, C, D. Le dispositif de la figure 9 est dérivé de la combinaison de deux dispositifs similaires à celui de la figure 1, montés en opposition. Ils sont couplés par l'intermédiaire d'une pièce de liaison centrale 90 qui peut jouer le rôle de réflecteur central. Ce dispositif a pour but d'amplifier les vibrations mécaniques. La présente invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites, mais peut subir différentes modifications évidentes pour l'homme du métier. En particulier le nombre de filtres mécaniques associés au corps du résonateur n'est pas limité de même que leur forme peut être différente, à condition toutefois que leur longueur soit un multiple entier d'une demilongueur d'onde. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la génération d'ondes ultrasonores, comportant au moins un transducteur ultrasonique piézo-électrique ou magnétostrictif, associé à une sonotrode, et un résonateur tubulaire couplé à ladite sonotrode (12), caractérisé en ce que ledit résonateur tubulaire (14) comporte un corps en forme de tube portant au moins un filtre mécanique (15, 17) pour filtrer les vibrations d'au moins une gamme de fréquences données. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit filtre mécanique (20) est constitué d'une pièce d'obturation, ayant une section transversale égale à un multiple entier d'une demi-longueur d'onde,raccordée en bout du corps du résonateur (21). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit filtre mécanique (30, 40) est constitué d'une surépaisseur annulaire disposée à l'extérieur du corps du résonateur (31, 41). 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit filtre mécanique (50) est constitué d'une surépaisseur annulaire disposée à l'intérieur du corps du résonateur (51). 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit filtre mécanique (40) est disposé à au moins une extrémité du corps du résonateur tubulaire (41). 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur tubulaire (14) est disposé dans l'axe du transducteur (11) et de la sonotrode (12). 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur tubulaire (14) est disposé transversalement par rapport à l'axe du transducteur (11) et de la sonotrode (12). 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une sonotrode principale (12) et une sonotrode intermédiaire (13) montées entre le transducteur (1 1 ) et le résonateur (14). 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps du résonateur comporte des entailles (60) ménagées à sa périphérie. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdites entailles constituent des fentes traversantes. 11. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdites entailles sont des gorges non traversantes. 12. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdites entailles sont axiales. 13. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdites entailles sont en forme de spirales. 14. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un réflecteur (80, 81) coaxial audit résonateur. 15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte un réflecteur intérieur (80) et un réflecteur extérieur (81), le réflecteur intérieur (80) étant un conduit d'amenée d'une substance à traiter dans la chambre acoustique formée par le résonateur, et le réflecteur extérieur (81) étant une enveloppe entourant le résonateur (14), et comportant un tube d'évacuation (82) de ladite substance. 16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que le tube d'évacuation (82) et le réflecteur intérieur (80) sont disposés selon le même axe. 17. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur (14) comporte un corps constitué de deux tubes coaxiaux (14a, 14b), le tube intérieur (14a) étant associé à la sonotrode principale (12) et le tube extérieur (14b) étant associé à une masse frontale (70) disposée entre le transducteur (11) et la sonotrode principale (12).