Spiegazioni tecniche sull’Ultrasuono.
Onda elastica di frequenza più elevata del limite superiore del campo di udibilità umana che è compreso, di norma, tra 15 e 25 kHz. Gli Ultrasuoni sono fabbricati da 18 a 45 kHz per applicazioni industriali e in altre frequenze per apparecchiature medico scientifiche e per trattamenti superfici per l’aeronautica. Le frequenze più utilizzate dell’ultrasuono
rientrano nelle frequenze medie, al di sotto dei 500.000 Hertz, ma possono essere generate sino a 10 Giga Hertz.
Se di frequenza inferiore a 100 kHz (100.000 Hertz), l’ onda ultracustica viene percepita dai chirotteri, dai pipistrelli, topi, cani, balene e delfini, anche su lunghissime distanze.
La fisica dell’ultrasuono.
Il campo di frequenza degli ultrasuoni si estende fino a quasi 10 GHz: a tale frequenza corrisponde, per propagazione nei metalli, una lunghezza d’onda inferiore a 1 micron-metro, ossia dell’ordine delle radiazioni visibili. Lo studio degli ultrasuoni (ultracustica e ultrasonica) comprende l’insieme delle loro proprietà fisiche, dei dispositivi
atti a generarli e a rivelarli, dei loro effetti fisici, chimici, biologici e delle loro applicazioni alla ricerca, alla tecnica, alla medicina.
Le proprietà fisiche più importanti sono: il fatto che, data la corta lunghezza d’onda, la propagazione avviene con modalità quasi corrispondenti all’ottica geometrica (propagazione rettilinea, formazione di zone d’ombra); l’elevato valore di intensità delle radiazioni ottenibili, proporzionale al quadrato della frequenza e all’ampiezza; l’importanza dell’assorbimento degli ultrasuoni nei vari mezzi.
La generazione degli ultrasuoni avviene mediante trasduttori elettroacustici piezoelettrici, elettrostrittivi o magnetostrittivi usati in condizioni di risonanza, quindi atti a irradiare ultrasuoni di un’unica frequenza o eventualmente di frequenze armoniche, con minor intensità; per frequenze non molto superiori a 20 kHz,
vengono usati ionofoni che sono invece aperiodici; vi sono inoltre generatori a getto fluido (liquido o gassoso) e quelli del tipo a sirena, nei quali il getto viene periodicamente interrotto da un disco forato rotante, o del tipo a fischio, dove un getto liquido, uscendo da una fenditura, investe una lamina vincolata in modo che si determinino vibrazioni flessionali.
La rivelazione degli ultrasuoni può essere effettuata da strumenti del tipo dei microfoni
(piezoelettrici, elettrostrittivi, magnetostrittitvi), da speciali radiometri sensibili alla pressione di radiazione o da sonde, che sfruttano gli effetti termici, costituite da una termocoppia in cui la saldatura dei due metalli è rivestita da una piccola quantità di materiale fortemente assorbente per gli ultrasuoni; è possibile la rivelazione degli
ultrasuoni anche in base a fenomeni ottici con il metodo delle strie.
Le più importanti applicazioni degli ultrasuoni, a parte l’ultrasuonoterapia, sono le seguenti: rivelazione e localizzazione di corpi sottomarini (sonar); indagine sulla struttura della materia mediante la misura dei parametri
della propagazione (velocità dell’ultrasuono, assorbimento) e dei parametri elastici dei mezzi solidi, liquidi, aeriformi con metodi a risonanza o interferometrici; rivelazione dei difetti dei materiali, che vengono fatti attraversare da radiazioni ultrasonore continue, di cui si misura l’attenuazione, o a impulsi, misurando gli eventuali effetti di eco dovuti a incrinature, cavità; rilevazione di possibili difetti nelle saldature o in processi termici; trattamenti dei metalli e delle leghe fuse, allo scopo di disaerarli o affinarli per effetto della cavitazione dovuta a radiazione ultrasonora; lavorazione meccanica di materiali duri, mediante trapanatrice a ultrasuoni.
In questo tipo di trapanatrice un utensile, di sezione corrispondente a quella del foro da eseguire nel materiale, vibra longitudinalmente a una frequenza tra i 20.000 e i 50.000 Hertz, penetrando lentamente nel materiale; tra questo e l’utensile è interposto un abrasivo a grana fine (carburo di boro o di silicio, polvere di diamante, in sospensione in un liquido chimicamente puro). Il processo, applicato in pratica alla porcellana, al silicio, al germanio, alla ferrite e agli isolanti duri, ha il vantaggio, rispetto ai metodi tradizionali, di utilizzare utensili d’acciaio dolce per materiali anche assai duri e fragili, con velocità di avanzamento crescente con la durezza.
Gli ultrasuoni danno anche origine a effetti chimici, elettrochimici, di fotosintesi, di luminescenza nel vuoto, in biologia e sulle molecole in genere. In particolare se superano una data frequenza nell’attraversare un liquido provocano un fenomeno, consistente nell’apparizione improvvisa di bollicine gassose, detto cavitazione ultrasonora.
Tale fenomeno è dovuto al fatto che, superando una certa ampiezza, gli ultrasuoni creano, nei loro punti minimi, una depressione che supera la pressione statica del liquido stesso; in tali punti il liquido, specie se è in esso presente una locale disuniformità, tende a bollire formando bollicine che rapidamente aumentano di volume.
La potenza richiesta al generatore di ultrasuoni per creare la cavitazione è, in genere ma non sempre, direttamente proporzionale alla frequenza (al di sotto dei 18.000 Hertz il fenomeno puo essere udibile tramite sotto-onde armoniche vicine alle acustiche udibili per l’orecchio umano, mentre al di sopra dei 50 kHz esso richiede una potenza molto grande e apparecchi speciali), per provocare il fenomeno della vibrazione meccanico molecolare in aria e nei liquidi, la vibrazione saldante tra materiali e la cavitazione idraulica ad alta pressione localizzata, si usano pertanto frequenze comprese tra i 20 e i 50 kHz (anche sino a 350 khz per casi speciali).
Un’applicazione per questo fenomeno consiste nella realizzazione di un rivelatore a liquido per osservare le traiettorie delle particelle ionizzanti (una specie di camera a bolle ultrasoniche) e per favorire le reazioni di composti in soluzione.
Con molte applicazioni nei settori industriali, i generatori e trasduttori di ultrasuoni sono continuamente fonte di ricerca scientifica e sono applicati per il lavaggio e la pulitura di pezzi come per il controllo analitico di superfici e parti interne e controlli non distruttivi di cricche e bolle interne nei metalli.
Oggi gli ultrasuoni sono emessi tramite appositi convertitori statici di potenza e frequenza alternata sinusoidale che alimentano appositi trasduttori ultrasonici. Questi ultimi vibrano per effetto piezostrittivo capacitivo (condensatore) o per effetto magnetoinduttivo (magneto strizione, magneto vibrazione) e generano vibrazioni velocissime (gli ultrasuoni) con alte frequenze e, anche, con grandi energie in gioco (elettronica di potenza nelle medie e alte frequenze).
Con frequenze più intense ed elevate sono le onde radio, utilizzate nell’industria in saldatrici ad alta frequenza dotate di valvole termoioniche per la saldatura fine di tessuto non tessuto e rivestimenti in tessuto plastificato.