Les applications à haute puissance des ultrasons utilisent souvent des fréquences comprises entre 20 kHz et quelques centaines de kHz. Les intensités peuvent être très élevées ; au-delà de 10 watts par centimètre carré, la cavitation peut être induite dans les milieux liquides, et certaines applications utilisent jusqu’à 1000 watts par centimètre carré. De telles intensités élevées peuvent induire des changements chimiques ou produire des effets significatifs par action mécanique directe, et peuvent inactiver des micro-organismes nuisibles.
Physiothérapie
Les ultrasons sont utilisés depuis les années 1940 par les kinésithérapeutes et les ergothérapeutes pour traiter les tissus conjonctifs : ligaments, tendons et fascias (et aussi les tissus cicatriciels). Les conditions pour lesquelles les ultrasons peuvent être utilisés pour le traitement comprennent les exemples suivants : les entorses ligamentaires, les entorses musculaires, les tendinites, les inflammations articulaires, les fasciites plantaires, les métatarsalgies, les irritations des facettes, le syndrome d’impaction, les bursites, l’arthrite rhumatoïde, l’arthrose et l’adhésion des tissus cicatriciels.
Applications biomédicales
Les ultrasons ont également des applications thérapeutiques, qui peuvent être très bénéfiques lorsqu’ils sont utilisés avec des précautions de dosage. Des ultrasons de puissance relativement élevée peuvent briser des dépôts ou des tissus pierreux, accélérer l’effet des médicaments dans une zone ciblée, aider à mesurer les propriétés élastiques des tissus et peuvent être utilisés pour trier les cellules ou les petites particules pour la recherche.
Traitement par impact ultrasonique
Le traitement par impact ultrasonique (TIE) utilise les ultrasons pour améliorer les propriétés mécaniques et physiques des métaux. Il s’agit d’une technique de traitement métallurgique dans laquelle l’énergie ultrasonique est appliquée à un objet métallique. Le traitement par ultrasons permet de contrôler la contrainte de compression résiduelle, d’affiner le grain et de réduire sa taille. La fatigue à bas et à haut cycle est améliorée et il a été démontré que les augmentations sont jusqu’à dix fois supérieures à celles des spécimens non traités par ultrasons. En outre, l’UIT s’est avéré efficace pour traiter la fissuration par corrosion sous contrainte, la fatigue par corrosion et les problèmes connexes.
Lorsque l’outil UIT, composé du transducteur ultrasonique, des broches et d’autres composants, entre en contact avec la pièce, il se couple acoustiquement avec la pièce, créant une résonance harmonique. Cette résonance harmonique s’effectue à une fréquence soigneusement calibrée, à laquelle les métaux répondent très favorablement.
Selon les effets souhaités du traitement, une combinaison de différentes fréquences et d’amplitude de déplacement est appliquée. Ces fréquences se situent entre 25 et 55 kHz, avec une amplitude de déplacement du corps résonnant comprise entre 22 et 50 µm (0,00087 et 0,0020 in).
Les dispositifs de sonication reposent sur des transducteurs magnétostrictifs.
Traitement
L’ultrasonication offre un grand potentiel dans le traitement des liquides et des boues, en améliorant le mélange et les réactions chimiques dans diverses applications et industries. L’ultrasonication génère des ondes alternées de basse pression et de haute pression dans les liquides, entraînant la formation et l’effondrement violent de petites bulles sous vide. Ce phénomène est appelé cavitation et provoque des jets de liquide à grande vitesse et de fortes forces de cisaillement hydrodynamiques. Ces effets sont utilisés pour la désagglomération et le broyage de matériaux de taille micrométrique et nanométrique, ainsi que pour la désintégration de cellules ou le mélange de réactifs. À cet égard, l’ultrasonication est une alternative aux mélangeurs à grande vitesse et aux broyeurs à billes à agitateur. Les feuilles ultrasoniques placées sous la toile mobile d’une machine à papier utilisent les ondes de choc des bulles en implosion pour répartir plus uniformément les fibres de cellulose dans la bande de papier produite, ce qui permet d’obtenir un papier plus résistant avec des surfaces plus régulières. En outre, les réactions chimiques bénéficient des radicaux libres créés par la cavitation ainsi que de l’apport d’énergie et du transfert de matière à travers les couches limites. Pour de nombreux procédés, cet effet sonochimique (voir sonochimie) conduit à une réduction substantielle du temps de réaction, comme dans la transestérification de l’huile en biodiesel.
Une intensité ultrasonique substantielle et des amplitudes de vibration ultrasonique élevées sont nécessaires pour de nombreuses applications de traitement, telles que la nano-cristallisation, la nano-émulsification, la désagglomération, l’extraction, la perturbation cellulaire, ainsi que de nombreuses autres. Généralement, un procédé est d’abord testé à l’échelle du laboratoire pour prouver sa faisabilité et établir certains des paramètres d’exposition aux ultrasons requis. Une fois cette phase terminée, le procédé est transféré à une échelle pilote (banc) pour l’optimisation de la pré-production en flux continu, puis à une échelle industrielle pour la production en continu. Au cours de ces étapes de mise à l’échelle, il est essentiel de s’assurer que toutes les conditions locales d’exposition (amplitude ultrasonique, intensité de la cavitation, temps passé dans la zone de cavitation active, etc.) restent identiques. Si cette condition est remplie, la qualité du produit final reste au niveau optimisé, tandis que la productivité est augmentée d’un « facteur de mise à l’échelle » prévisible. L’augmentation de la productivité résulte du fait que les systèmes de traitement par ultrasons à l’échelle du laboratoire, du banc et de l’industrie intègrent des cornes ultrasoniques de plus en plus grandes, capables de générer des zones de cavitation de haute intensité de plus en plus grandes et, par conséquent, de traiter davantage de matériau par unité de temps. C’est ce qu’on appelle « l’extensibilité directe ». Il est important de souligner que l’augmentation de la puissance du processeur ultrasonique n’entraîne pas à elle seule une mise à l’échelle directe, car elle peut être (et est fréquemment) accompagnée d’une réduction de l’amplitude ultrasonique et de l’intensité de cavitation. Lors de la mise à l’échelle directe, toutes les conditions de traitement doivent être maintenues, tandis que la puissance nominale de l’équipement est augmentée afin de permettre le fonctionnement d’une corne ultrasonique plus grande.
Manipulation et caractérisation ultrasoniques des particules
Un chercheur de l’Institut de recherche sur les matériaux industriels, Alessandro Malutta, a conçu une expérience qui a démontré l’action de piégeage des ondes stationnaires ultrasoniques sur les fibres de pâte de bois diluées dans l’eau et leur orientation parallèle dans les plans de pression équidistants. Le temps d’orientation des fibres dans les plans équidistants est mesuré à l’aide d’un laser et d’un capteur électro-optique. L’industrie du papier pourrait ainsi disposer d’un système rapide de mesure en ligne de la taille des fibres. Une mise en œuvre quelque peu différente a été démontrée à l’Université d’État de Pennsylvanie à l’aide d’une micropuce qui génère une paire d’ondes acoustiques de surface perpendiculaires permettant de positionner des particules équidistantes les unes des autres sur une grille. Cette expérience, appelée pinces acoustiques, peut être utilisée pour des applications en sciences des matériaux, biologie, physique, chimie et nanotechnologie.
Nettoyage par ultrasons
Les nettoyeurs ultrasoniques, parfois appelés à tort nettoyeurs supersoniques, sont utilisés à des fréquences de 20 à 40 kHz pour les bijoux, les lentilles et autres pièces optiques, les montres, les instruments dentaires, les instruments chirurgicaux, les détendeurs de plongée et les pièces industrielles. Un nettoyeur à ultrasons fonctionne principalement grâce à l’énergie libérée par l’effondrement de millions de cavitations microscopiques près de la surface sale. Les bulles faites par la cavitation s’effondrent en formant de minuscules jets dirigés vers la surface.
Désintégration ultrasonique
Similaire au nettoyage par ultrasons, les cellules biologiques, y compris les bactéries, peuvent être désintégrées. Les ultrasons de haute puissance produisent une cavitation qui facilite la désintégration ou les réactions des particules. Ceci a des utilisations en sciences biologiques à des fins analytiques ou chimiques (sonication et sonoporation) et pour tuer les bactéries dans les eaux usées. Les ultrasons à haute puissance peuvent désintégrer la bouillie de maïs et améliorer la liquéfaction et la saccharification pour un rendement plus élevé en éthanol dans les usines de broyage de maïs sec.
Humidificateur à ultrasons
L’humidificateur à ultrasons, un type de nébuliseur (un appareil qui crée un jet très fin), est un type d’humidificateur populaire. Il fonctionne en faisant vibrer une plaque métallique à des fréquences ultrasoniques pour nébuliser (parfois appelé incorrectement « atomiser ») l’eau. Comme l’eau n’est pas chauffée pour s’évaporer, il produit une brume fraîche. Les ondes de pression ultrasoniques nébulisent non seulement l’eau, mais aussi les matières présentes dans l’eau, notamment le calcium, les autres minéraux, les virus, les champignons, les bactéries et les autres impuretés. Les maladies causées par les impuretés qui résident dans le réservoir d’un humidificateur relèvent de la rubrique « fièvre de l’humidificateur ».
Les humidificateurs à ultrasons sont fréquemment utilisés en aéroponie, où ils sont généralement appelés foggers.
Soudure par ultrasons
Dans la soudure par ultrasons des plastiques, des vibrations à haute fréquence (15 kHz à 40 kHz) de faible amplitude sont utilisées pour créer de la chaleur par friction entre les matériaux à assembler. L’interface des deux pièces est spécialement conçue pour concentrer l’énergie afin de maximiser la résistance de la soudure.
Sonochimie
Des ultrasons de puissance dans la gamme 20-100 kHz sont utilisés en chimie. Les ultrasons n’interagissent pas directement avec les molécules pour induire le changement chimique, car leur longueur d’onde typique (de l’ordre du millimètre) est trop longue par rapport aux molécules. En revanche, l’énergie provoque une cavitation qui génère des températures et des pressions extrêmes dans le liquide où se produit la réaction. Les ultrasons brisent également les solides et éliminent les couches passives de matériaux inertes afin d’offrir une plus grande surface à la réaction. Ces deux effets rendent la réaction plus rapide. En 2008, Atul Kumar a rapporté la synthèse d’esters de Hantzsch et de dérivés de polyhydroquinoline via un protocole de réaction à plusieurs composants dans des micelles aqueuses en utilisant des ultrasons.
Les ultrasons sont utilisés dans l’extraction, en utilisant différentes fréquences.
Armes
Les ultrasons ont été étudiés comme base pour les armes soniques, pour des applications telles que le contrôle des émeutes, la désorientation des attaquants, jusqu’à des niveaux sonores létaux.
Communication sans fil
En juillet 2015, The Economist a rapporté que des chercheurs de l’Université de Californie, Berkeley, ont mené des études sur les ultrasons en utilisant des diaphragmes en graphène. La finesse et le faible poids du graphène, combinés à sa résistance, en font un matériau efficace pour les communications par ultrasons. Une application suggérée de cette technologie serait les communications sous-marines, où les ondes radio ne voyagent généralement pas bien.
Les signaux ultrasoniques ont été utilisés dans des « balises audio » pour le suivi inter-appareils des utilisateurs d’Internet.