Les bains à ultrasons sont des outils essentiels dans les industries de santé, fournissant une méthode efficace pour le nettoyage et le traitement des échantillons.

C’est pourquoi, vous vous demandez, quels tests sont nécessaires pour qualifier un bain à ultrasons.

Mais avant de répondre à cette question dans le deuxième article de cette série, il est important de comprendre les principes de base du fonctionnement des ultrasons, ainsi que les facteurs qui influencent leur efficacité afin d’identifier plus facilement les tests à effectuer lors de la qualification de ces équipements.

C’est donc ce que nous allons voir dans ce premier article de la série dédiée aux bains à ultrasons.

Notez que dans cet article, j’utilise le terme « bain à ultrasons », mais ces appareils sont également désignés sous d’autres appellations telles que cuve à ultrasons, bac à ultrasons ou sonificateur.

Sans plus tarder, plongeons-nous dans le fonctionnement des ultrasons et des bains à ultrasons.

Principe de fonctionnement des ultrasons en milieu liquide

Les ultrasons sont des ondes sonores (ou ondes acoustiques) ayant une fréquence supérieure à 20 000 hertz, fréquence trop élevée pour être perçue par l’oreille humaine.

Ces ondes sonores sont des ondes mécaniques (vibrations) qui nécessitent un support matériel pour se propager. Ainsi les ultrasons ne se propagent pas dans le vide, mais uniquement au travers d’un milieu physique tel qu’un gaz, un liquide ou un solide.

Les ultrasons sont utilisés pour de nombreuses applications industrielles tels que les échographies médicale, la recherche de fissures dans les matériaux métalliques, le contrôle des soudures, le nettoyage et le dégraissage d’objets, le tranchage d’aliment, la soudure, la brasure, l’usinage mais aussi le dégazage, la dispersion ou l’homogénéisation des échantillons, et dans bien d’autres applications encore.

Dans le cas des bains à ultrasons, les ondes sont produites grâce à un générateur et des transducteurs piézoélectriques. Ceux-ci transforment l’énergie électrique en vibrations mécaniques, générant ainsi des ondes ultrasonores. Les ultrasons ainsi crées se propagent à travers le liquide contenu dans la cuve du bain de façon sinusoïdale en générant des variations successives de pression et dépression.

Lors des phases de dépression, des microbulles se forment dans le liquide de la cuve : c’est le phénomène de cavitation. Ces microbulles grossissent lors des phases de dilatation et finissent par imploser lorsqu’elles atteignent une taille critique pendant une phase de compression ou au contact de l’objet à nettoyer. Cette implosion libère de l’énergie sous forme d’ondes de choc et de chaleur.

L’effet d’implosion des microbulles est utilisé en industrie de santé pour nettoyer des objets ou traiter des échantillons, tel que nous allons le voir dans le paragraphe suivant.

Pour rappel, le son est une onde créée par la vibration d’un objet. Cette onde se propage dans un milieu liquide selon un mouvement sinusoïdal, créant des zones où le liquide est comprimé et d’autres où il se dilate. Les ultrasons obéissent donc ainsi aux principes généraux des ondes sinusoïdales, notamment en ce qui concerne leur propagation, leur atténuation et leur réflexion.

Utilisations pratiques des bains à ultrasons dans les industries de santé

Les bains à ultrasons sont utilisés dans les industries de santé pour deux applications principales :

• Traiter des échantillons : Les bains à ultrasons sont utilisés dans les laboratoires pour  homogénéiser, dégazer des solutions, émulsionner des liquides, ou encore extraire des enzymes par exemple.
• Nettoyer des objets : Les bains à ultrasons sont utilisés pour nettoyer des objets tels que les poinçons et matrices des presses à comprimés, les instruments chirurgicaux, les dispositifs médicaux aux formes complexes, etc. Les ultrasons permettent d’éliminer efficacement les contaminants, y compris les particules microscopiques, les résidus organiques et les dépôts tenaces. En effet, cette méthode de nettoyage permet le décollement des souillures, la désagrégation des noyaux cellulaires dans la matière vivante, l’éclatement des hématies, entre autres mais surtout elle permet d’atteindre des endroits inaccessibles avec d’autres techniques conventionnelles sur des pièces à géométrie complexe.

Facteurs impactant l’efficacité des ultrasons

L’efficacité des ultrasons est influencée par tous les facteurs qui ont un impact sur la propagation des ondes dans un liquide.

Les principaux facteurs qui influencent l’efficacité des ultrasons sont :

– La fréquence des ultrasons

La fréquence des ultrasons utilisée est un paramètre critique dans le fonctionnement d’un bain à ultrasons. Elle détermine la taille des bulles de cavitation générées et leur capacité à agir sur les surfaces à nettoyer ou les échantillons à traiter.

En simplifiant, plus la fréquence est basse, plus les micro-bulles générées sont grosses, plus l’énergie est importante donc le traitement ou le nettoyage est rapide mais agressif. Plus la fréquence est élevée, plus les bulles sont petites et nombreuses, plus le traitement ou le nettoyage est doux mais plus lent.

Note : la plupart des bains à ultrasons ont une fréquence fixe, cependant il est important de la connaitre et de vérifier qu’elle est identique entre 2 bains à ultrasons si vous voulez montrer l’équivalence de ces bains à ultrasons pour les validations des procédés de nettoyage par exemple.

– La puissance des ultrasons (amplitude)

La puissance de l’appareil à ultrasons est également un paramètre critique de l’équipement, car elle influe directement sur l’intensité des ondes ultrasonores émises et donc sur la force de cavitation induite.

Plus l’amplitude est élevée, plus l’effet des ultrasons sera puissant. Cela permet un nettoyage plus rapide et plus en profondeur des objets mais il y a un risque d’endommagés les objets fragiles.

– Le temps d’exposition

La durée du traitement aux ultrasons est également importante, car elle permet de garantir une exposition suffisante des échantillons ou des surfaces aux ultrasons pour obtenir les résultats souhaités.

– La température du liquide dans la cuve

La température du liquide dans la cuve peut exercer une influence significative sur l’efficacité des ultrasons. À mesure que la température augmente, le son se propage plus rapidement, entraînant une augmentation de la pression de vapeur et donc du nombre de bulles dans le liquide. Cette multiplication des bulles amplifie la puissance d’implosion lors du nettoyage par ultrasons, renforçant ainsi son efficacité.

De plus, la chaleur, comme dans tous les procédés de nettoyage, combinée à l’action mécanique et à celle des détergents améliore la qualité du nettoyage.

C’est pourquoi, malgré l’élévation de température engendrée par la génération d’ultrasons, il peut être judicieux de préchauffer le bain avant utilisation.

Attention toute fois à veiller à ajuster correctement la température du bain en fonction de son utilisation prévue.

Par exemple, il est recommandé d’utiliser une température inférieure à 35°C lorsque les objets à nettoyer ont été en contact avec des protéines. Les ultrasons peuvent entrainer une élévation de température de 10 à 15°C et on sait qu’au-delà de 45°C, il existe un risque de coagulation des protéines.

Note : la plupart des bains sont équipés pour préchauffer la solution, mais, dès que les ultrasons sont en marche, ils ne peuvent pas réguler l’augmentation de température.

– La composition de la solution du bain

La composition du milieu dans lequel les ultrasons sont utilisés peut influencer significativement leur efficacité. En effet, la vitesse de propagation des ultrasons varie en fonction du milieu traversé.

De plus, l’utilisation de détergent va diminuer la tension superficielle des salissures, ce qui permettra aux bulles de les décoller plus facilement. Le choix du produit et sa concentration sont donc très importants.

Note : La conception et la géométrie de l’équipement à ultrasons ainsi que les conditions de fonctionnement, telles que la fréquence de changement de la solution du bain, les matériaux des contenants, sont des facteurs supplémentaires à prendre en compte pour optimiser l’efficacité et la reproductibilité des traitements / nettoyage aux ultrasons.

Si vous travaillez dans des contenants très rigides (verre, inox, …) les ultrasons seront réfléchis avec un maximum d’efficacité. Plus le matériau sera absorbant, plus la perte d’efficacité sera importante. Autrement dit plus le contenant sera « souple » (exemple caoutchouc, silicone, …), plus les ultrasons seront amortis, absorbés par celui-ci. Certaines matières plastiques peuvent même arrêter les ultrasons !

Note : Pour dresser une liste complète des paramètres qui influent sur le fonctionnement et l’efficacité de votre bain à ultrasons, une analyse de risque est indispensable. Elle vous aidera à identifier les paramètres critiques spécifiques à votre utilisation et à votre équipement.

Ceci étant dit, examinons maintenant les éléments composants un bain à ultrasons.

Description d’un bain à ultrasons

Les bains à ultrasons sont souvent composés :
– d’une cuve contenant un liquide (eau, détergent ou produit de nettoyage dédié aux bains à ultrasons, …), si nécessaire avec un robinet de vidange ;
– d’un générateur électrique ou un générateur électronique de puissance qui reçoit et convertit la tension d’alimentation du secteur à la fréquence, la tension et l’ampérage appropriés pour alimenter les transducteurs ;
– de transducteurs piézo-électriques fixés sur le fond ou les parois du bac qui transforment l’oscillation électrique en vibration mécanique ;
– d’un panneau de commande qui permet d’allumer / éteindre l’appareil mais aussi de régler la durée et la température du cycle et parfois la puissance et la fréquence des ultrasons ;
– d’un panier pour disposer les éléments à nettoyer ou les échantillons;
– d’un couvercle;
– d’un cordon d’alimentation;
– d’un tuyau d’évacuation;
– et parfois d’un système de sauvegarde des cycles (imprimante, système informatique, carte mémoire, …)

Note : Les objets traités ne doivent jamais être posés directement sur le fond de la cuve. La génération des ultrasons se faisant par l’intermédiaire de celui-ci, tout contact direct en affecte la propagation.

Guide pratique pour l’utilisation d’un bain à ultrasons

• Préparation du bain
  • Remplir le bain à ultrasons avec la solution appropriée selon les instructions de la procédure de traitement de l’échantillon ou de nettoyage des instruments.
  • S’assurer que le niveau de liquide est suffisant pour couvrir complètement la charge à traiter ou entre le niveau minimum et maximum gravé sur la cuve.

• Dégazage de la solution
  • Mettre en marche le bain à ultrasons sans charge pendant quelques minutes pour permettre l’élimination des bulles d’air présentes dans la solution.

• Préparation de la charge
  • Placer soigneusement les articles à nettoyer / les échantillons à traiter dans le panier ou le support approprié.
  • Assurer que les objets ne se touchent pas et sont correctement immergés dans la solution.

• Sélection du cycle d’ultrasons
  • Choisir le cycle d’ultrasons approprié en fonction des instructions de la procédure de traitement de l’échantillon ou de nettoyage des instruments.
  • Programmer la durée et l’intensité des ultrasons selon les instructions spécifiques.

• Démarrage du cycle
  • Appuyez sur la touche “START” (Démarrer) pour lancer le cycle.

• Fin du cycle
  • À la fin du cycle (c’est-à-dire une fois le temps de cycle écoulé), retirez le panier du bain et rincez les éléments nettoyés à l’eau.

RAPPEL
– Le bain doit toujours être rempli lors de son fonctionnement;
– Utilisez toujours le panier. Ne jamais poser d’objet directement sur le fond de la cuve;
– Ne mettez jamais les mains dans le bain à ultrasons en fonctionnement;
– N’utilisez jamais de solutions toxiques, inflammables, acides, caustiques ou corrosives;
– Une fois le cycle terminé, rincez les éléments;
– Changez régulièrement la solution contenue dans le bac à ultrasons;

Maintenant que nous avons exploré en détail le fonctionnement d’un bain à ultrasons, ses composants ainsi que les paramètres influençant ses performances, nous sommes prêts à aborder dans le prochain article de cette série dédiée aux bains à ultrasons, les vérifications à réaliser lors de la qualification de cet équipement.

Découvrez le deuxième volet de notre série dédiée aux ultrasons : Qualification d’un bain à ultrasons.

Conclusion

Cette première partie nous a permis de comprendre le fonctionnement des bains à ultrasons, ainsi que de leurs diverses applications industrielles.

Maintenant que nous avons exploré en détail les composants d’un bain à ultrasons, son fonctionnement ainsi que les paramètres influençant ses performances, nous sommes prêts à aborder dans le prochain article de cette série dédiée aux bains à ultrasons, les vérifications à réaliser lors de la qualification de cet équipement.

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Documents de référence:

• IEC TS 63001 :2024, Mesure du bruit de cavitation dans les bains à ultrasons et les réacteurs à ultrasons

• Santé Canada :
  • Principes d’utilisation des ultrasons: Partie 1 – applications médicales et paramédicales (extrait du code de sécurité 23, 1989)
  • Principes d’utilisation des ultrasons : Partie II – Applications industrielles et commerciales – Code de sécurité 24 – Canada
  • Principes d’utilisation des ultrasons à des fins diagnostiques

Acronyme / Abréviations / Glossaire :

Cycle : Un cycle décrit une séquence répétée de variations de pression, commençant à la pression zéro, puis montant à une pression élevée, descendant à une pression basse, pour finalement revenir à la pression zéro.

Éléments piézoélectriques : ce sont des matériaux, comme les cristaux de quartz, qui ont la propriété de se déformer lorsqu’ils sont chargés électriquement (effet piézoélectrique inverse) et qui ont également la propriété de se charger électriquement lorsqu’ils sont comprimés mécaniquement (effet piézoélectrique direct).
Les ultrasons sont produits par la vibration des éléments piézoélectriques de la sonde, en réponse à une simulation électrique issue du générateur.

Fréquence : Mesurée en hertz (Hz), elle indique le nombre d’oscillations / de cycles par seconde. Par exemple, une onde sonore de 1 000 Hz complète 1 000 cycles en une seconde. Plus la fréquence est élevée, plus le son est perçu comme aigu.

Générateur de puissance : est un appareil qui a pour rôle de convertir la tension du réseau en une tension adaptée au transducteur et de convertir la fréquence du réseau à la fréquence de résonance du transducteur.

Longueur d’onde : Mesurée en centimètres, elle représente la distance entre deux points qui ont le même degré de phase sur une onde. Avec l’augmentation de la fréquence, la longueur d’onde diminue proportionnellement.

Puissance (Amplitude) : C’est la mesure du changement de pression entre le sommet (crête) ou le creux et le point d’équilibre (position repos) d’une forme d’onde. Des formes d’onde de grande amplitude correspondent à un son fort, tandis que des formes d’onde de petite amplitude correspondent à un son faible.

Transducteur : est un dispositif convertissant un signal physique en un autre ; par exemple un signal électrique en un déplacement mécanique. Les transducteurs ultrasons sont composés d’un pavillon, d’électrodes, de céramiques piézo-électriques et d’une contre-masse.

Vibration : mouvements de va et vient très rapides.