Cavitation acoustique dans l'eau pure

Acoustic cavitation in pure water

• Auteur / Autrice : Eric Herbert
• Direction : Sébastien Balibar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écho

Acoustique

Thermodynamique

Cavitation

Résumé

Tout liquide peut être surchauffé ou détendu au delà de sa courbe d'ébullition. Il est dans un état métastable, jusqu'à ce qu'une bulle de vapeur apparaisse, c'est le phénomène de cavitation. L'étude de la limité de métastabilité renseigne sur la cohésion du liquide et sur son équation d'état. Le cas de l'eau est spécialement intéressant : des théories concurrentes prédisent des variations en température de cette limite qualitativement différentes : monotone (la pression de cavitation augmente avec la température), ou avec un minimum. Nous mettons l'eau sous tension à l'aide d'uni onde ultrasonore, émise par une céramique piézo-électrique hémisphérique. L'onde est focalisée pendant une courte durée et dans un petit volume loin de toute paroi, ce qui minimise l'influence d'éventuelles impuretés. Nous obtenons des résultats très reproductibles, permettant de mesurer la statistique de cavitation et de définir précisément son seuil dans différents types d'eaux. La céramique est calibrée de deux manières : avec des hydrophones à aiguille, et avec une méthode basée sur la variation de la pression statique du liquide. Les deux méthodes sont en accord et donnent une pression de cavitation monotone de -26 MPa à 0°C à -16 MPa à 80°C. Cela fait partie des pressions les plus négatives observées dans l'eau mais reste loin de la valeur théorique attendue (environ -120 MPa) et observée dans une seule expérience (Zheng et al. , 1991, Science 254, 829). Nous discutons les causes possibles de ce désaccord : il peut être du soit à la présence d'impuretés, dont nous discutons la nature et la concentration, soit à une courbure inattendue de l'équation d'état aux pressions très négatives

Any liquid can be superheated or stretched beyond its boiling curve. It will then remain in a metastable state, until a vapor bubble appears : this is the cavitation phenomenon. The study of the metastability limit gives information about the cohesion of the liquid and its equation of state. The case of water is of special interest ; indeed competiting theories predict qualitatively different temperature variations of the stability limit : either monotonic (the cavitation pressure increase with temperature), or with a minimum. We have stretched water with an ultrasonic wave, generated by a hemispherical piezoelectric ceramic, duting a short time and a small volume, far from any wall, which reduces the effect of impurities. We obtain very accurate and reproducible results, allowing u to study in details the statistic of cavitation and to define a cavitation thresold. The ceramic was calibrated using two independent methods : needle hydrophones, and a method based on the variation of the static pressure. Both of them lead to the same result. We find a monotically increasing cavitation pressure, from -26 MPa at 0°C to -16 MPa at 80°C. These values are among the most negative reported, but far away from the values expected theoritically (-120 Mpa), and observed only once (Zheng et al. , 1991, Science 254, 829). We discuss the possible origin of this discrepancy : it can be due either to the presence of impurities in the liquid, whose nature and concentration we discuss, or to an unexpected change in the equation of state of water at large negative pressures.