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Cavitation acoustique

Ce site décrit une introduction à la cavitation acoustique, notre activité de recherche, des références bibliographiques sur la cavitation, ainsi qu'un (expérimental) et en perpétuel développement lexique de la cavitation. Des liens sur d'autres sites traitant de cavitation sont aussi proposés.

La cavitation décrit le phénomène d'oscillation radiale d'une bulle de gaz et/ou vapeur dans un liquide. Historiquement, le problème remonte à l'érosion des hélices de bateau, dont Lord Rayleigh (qui a donné son nom à une équation différentielle régissant le mouvement) a montré qu'elle était due à la formation et croissance explosive de bulles de vapeur en présence d'une dépression (résultant d'un effet Bernoulli), suivie d'une implosion violente. Une telle implosion, souvent supersonique, peut engendrer une onde de choc sphérique dans le liquide, ainsi que des jets de liquides en présence d'une paroi solide.

Parallèlement à cette "cavitation hydrodynamique", la dépression responsable de la croissance explosive de la bulle peut être provoquée par un champ acoustique de forte puissance (provoquant des pressions négatives dans la phase de raréfaction). On parle alors de cavitation acoustique.

L'implosion provoque des conditions de températures et pressions extrêmes à l'intérieur de la bulle. Comme de la vapeur du solvant est piégée à chaque oscillation, la concentration d'énergie peut briser des liaisons chimiques et engendrer des radicaux libres (essentiellement OH° et H° dans le cas de l'eau) très réactifs. Ces radicaux peuvent se recombiner et/ou attaquer des molécules dans la bulle ou dans la phase liquide. Ce mécanisme porte le nom de sonochimie, à laquelle une revue et une Société Européenne sont dédiées.

Les conditions de températures peuvent également exciter des molécules dans la phase gazeuse, qui relaxent en émettant un photon: on parle de sonoluminescence, dite MBSL (multi-bubble sonoluminescence) car elle intervient dans des conditions impliquant de nombreuses bulles de cavitation, ou des bulles implosant de façon asymétriques. Le spectre lumineux émis par les bulles contient des pics caractéristiques d'espèces excitées (notamment OH°). Plus curieux on observe également des pics correspondant à des espèces non volatiles (Na par exemple)

Un autre type de sonoluminescence a été mis en évidence par Gaitan en 1991, la SBSL (single-buble sonoluminescence): dans un liquide suffisamment dégazé, une bulle unique est maintenue en lévitation par une force acoustique dans un champ acoustique stationnaire. Une telle bulle peut émettre un flash lumineux très court (50 ps) à chaque période pendant plusieurs jours, avec une répétabilité remarquable. En présence d'air dissous, Hilgenfeldt a montré que les conditions d'implosion étaient en fait si extrêmes que l'air entrant à chaque phase d'expansion était "brulé" à l'intérieur de la bulle et redissous dans le liquide sous forme d'oxydes d'azote. La bulle en question est donc essentiellement une bulle d'argon, bien que le gaz dissous soit de l'air. On peut observer une SBSL forte dans de l'eau sous-saturée en un gaz inerte. Curieusement l'eau semble être un des rares liquides dans lequel la SBSL peut être observée. Une autre curiosité de la SBSL est que contrairement à la MBSL, le spectre lumineux émis est continu, sans pic caractéristique. Une telle émission pourrait correspondre à une ionisation du gaz.

Les expériences de SBSL permettent donc une formidable concentration d'énergie, ce qui a suggéré la possibilité de réaliser des réactions de fusion nucléaire à l'intérieur d'une bulle de cavitation, à condition de provoquer une implosion plus forte que dans les conditions usuelles de la SBSL. L'expérience a été réalisée, et les auteurs indiquent que la fusion de deux deutérons aurait été réalisée. Une polémique s'est enclenchée, et à l'heure où cette page est écrite, aucune confirmation du résultat n'a vu le jour à la connaissance de l'auteur.

Pour finir, notons que la cavitation (hydrodynamique) a trouvé dans la nature une application plus que surprenante: une crevette (dite "snapping shrimp") possède une pince démesurément grande, qui produit un bruit très fort lorsqu'elle la referme. Longtemps les chercheurs ont cru que le bruit résultant était lié au choc entre les deux parties de la pince. Il s'avère en fait que la pince produit un jet de liquide très puissant engendrant une bulle de cavitation hydrodynamique et le bruit émis provient de l'onde de choc lorsque cette bulle implose. Cette implosion produit meme de la luminescence appelée "shrimpoluminescence".