Tecnica degli ultrasuoni

TRADUTTORI E STORIA DELLE ONDE

La nascita delle apparecchiature ad ultrasuoni, come quella degli apparecchi ad onde radio, la nascita della televisione, lo scudo stellare, la moderna stereofonia amplificata, l’emissione di potenza via etere di onde ad altissima frequenza, i radar, il telegrafo, ecc.. trovano due grandi scienziati, storici punti di riferimento e sviluppo di tutta la moderna tecnologia elettrica delle onde acustiche e dell’alta frequenza energetica: Guglielmo Marconi e Nicola Tesla, che sono stati fonte degli studi e delle sperimentazioni.

I primi trasduttori ultrasonori piezostrittivi (PIEZO), costruiti in america tra il 1940 ed il 1960 per varie applicazioni sonar, rilevazione subacquea, lavaggio e saldatura materiali, erano piezoelettrici con ceramiche polarizzate basate su quarzo naturale che risultarono inizialmente fragili, con un punto di saturazione di Curie troppo basso rispetto alle sollecitazioni termodinamiche e quindi poco adattabili alle elevate potenze e temperature richieste nel lavaggio industriale.In seguito però furono perfezionati e migliorati, sino a pareggiare la tecnica magnetostrittiva (MAGNETO).

Intorno al 1960 una famosa industria americana e, in seguito ulteriori grandi società d’oltre oceano, adottarono la tecnica della magnetostrizione a blocchetti; basata su materiali ferromagnetici in ferro-nichel fabbricati con varie forme, incollate o saldobrasate sulle vasche o sulle flange inox. Muniti di potenti bobine magnetiche di induzione questi sistemi magnetoelettrici hanno avuto un buon sviluppo già ai tempi; abbiamo ancora il manuale in inglese originale dell’epoca di una delle prime vasche di lavaggio ad ultrasuoni importata in Italia dal costruttore.La vecchia vaschetta, anche se funzionante dopo riadattamento, l’abbiamo successivamente rottamata nel 2005.

I materiali magnetico-ferrosi del tempo (che noi riteniamo di tecnica molto più antica delle teorie elettro piezostrittive) avevano lo stesso rendimento dei quarzi piezo, e, essendo molto robusti, consentivano la gestione di potenze superiori e di sopportare elevate temperature nel lavaggio con detergenti, solventi e con grandi masse metalliche da pulire.Leggero inconveniente del MAGNETO era la frequenza bassa (18 khz) che oggi invece è portata molto prossima ai 20 Khz; in effetti i materiali ferrosi non potevano allungarsi e restringersi alla velocità del quarzi polarizzati e miscelati drogati con bario e titanati vari che, come recentemente scoperto, sono flessibili e possono di oscillare a frequenze superiori elevatissime: tanto da trovare applicazione in sirene, altoparlanti stereo, cuffie, microfoni.

Mentre gli americani avevano scelto di produrre lavatrici ad ultrasuoni con frequenze di 18 e 22 Khz, in Francia altri produttori sceglievano i sistemi piezoelettrici, affinandone la tecnica costruttiva.Nella foratura ad ultrasuoni sia in Francia che in Italia nacquero aziende locali specializzate nei sistemi ad ultrasuoni a magnetostrizione con frequenze più alte, da 27 e 35 Khz e con potenze sino a 3.000 watts per singola macchina (trapani ultrasonici). Di seguito i produttori di allora implementarono ambedue le tecniche, perchè ognuna eccelleva con specifici vantaggi e in specifiche applicazioni, e non solo nell’ambito del lavaggio.

Malgrado le personali “tendenze” di chi affermava “è meglio il MAGNETO o meglio il PIEZO” , ambedue le tecnologie trovarono ottimo uso nell’industria e nei suoi sviluppi dal dopo guerra in poi.In questi primordi del lavaggio si ovviava al rumore con operazioni di coibentazione con piombo e antirombo sulle lamiere di coibentazione. Inoltre molta parte della energia elettrica erogabile dal generatore si disperdeva in calore per effetto Joule a causa di un’elettronica a transistors ancora agli albori, composta di bobine, avvolgimenti di potenza, trasformatori di frequenza e condensatori non ancora perfezionati.

Nel MAGNETO si induceva del magnetismo residuo sui pezzi in ferro e ghisa, controproducente per asportare grossi volumi di polveri metalliche ferromagnetiche, che comunque possono asportarsi con una calamita.

Nel PIEZO si avevano fenomeni di microcriccatura e fessurazione delle flange emettitrici causate da una spartana messa in sintonia delle superfici emettitrici e il circuito elettronico oscillante.

Molto dobbiamo, negli anni dal 1960 al 1982, alla genialità di un produttore, ns. stimato conoscente, che fondava la prima grande azienda italiana di produzione di impianti a ultrasuoni, migliorando notevolmente sia gli ultrasuoni con sistema Magnetostrittivo che quelli Piezoelettrici, dando un definitivo slancio alle nostre industrie e creando, di fatto, il settore del Lavaggio ad Ultrasuoni in Italia.Negli anni tra il 1980 e il 1990 la ceramica tecnica industriale si evolve con procedimenti di sinterizzazione e polarizzazione ad altissima tensione dando vita ai nostri speciali elementi piezoelettrici, adoperando materiali con policristallini e multicristalli molto sofisticati con ultra-titanato e ultra-beta zirconato di piombo, oro, argento, titanati speciali di bario e molti altre materie innovative.PZT e ULTRA-PZT

I nuovi elementi di trasduzione ultrasonica PIEZO ULTRASUONI© e ULTRAPIEZO ULTRASUONI© si sono rilevati adattissimi per il lavaggio ad ultrasuoni per vari apprezzabili vantaggi:

• Frequenze di funzionamento alte

• Funzionamento ad alte temperature in qualsiasi tipo di liquido

• Elevata resistenza meccanica all’ allungamento ed al restringimento vibrazionale

• Assenza di attriti molecolari e quindi senza correnti parassite, senza generazione di sovra temperature interne e perdite per effetto Joule

• Possibilità di modellare varie forme e dimensioni: dischi, anelli, piastre, tubi, per ogni particolareapplicazione.• Estrema semplicità per il fissaggio sulle pareti o sul fondo delle vasche

• Grande potenza specifica watt/litro e watt/cm. con flessibilità di risonanza dai 18.000 ai 500.000 Hertz.

In conclusione i sonotrodi ed i trasduttori Ultrapiezo hanno la resistenza meccanica dei materiali ferrosi usati con la magnetostrizione ed un effetto piezoelettrico-elettrostrittivo-vibrativo superiore a molti, per questi motivi sono stati ampiamente adottati dai clienti e ci vengono richiesti dai nostri installatori e distributori autorizzati.

EFFETTO PIEZOSTRITTIVO, LA PIEZOELETTRICITA

Un oggetto si può dire piezoelettrico (materiale polarizzato con speciali impianti e cicli di trattamento) se presenta il seguente fenomeno fisico caratteristico: ad un allungamento corrisponde una variazione di tensione elettronica sulle due facce opposte, ad esempio la differenza di potenziale Delta V, misurata in Volts sui poli aumenta proporzionalmente all’allungamento.

Nel caso contrario ad un restringimento e/o accorciamento, corrisponde una diminuizione proporzionale della tensione polare fino a diventare differenza di tensione Delta V negativa (con polarità simbolica negativa).

Alcuni importanti parametri elettrici in gioco nella piezostrizione ultrasonica sono i seguenti:

• PUvar = Potenza Reattiva generata sui trasduttori
• PAw = Potenza Attiva generata sui trasduttori
• Epp = Tensione massima di picco
• I = Corrente Alternata
• Cosfi e Senfi = sfasamenti del triangolo delle potenze sinusoidali
• F = frequenza in kilohertz
• Lambda = Lunghezza d’ onda
• K2 = efficienza di accoppiamento electrical-to-mechanical energy conversion
• C = Capacità in picoFarad del trasduttore, che varia nel tempo
• Tc = temperatura di polarizzazione massima
• N = Costante della risonanza meccanica di forma d’ onda
• Qm = Fattore qualitativo derivato dell’ amplificazione ultrasonora

Come ovvio: vi sono ancora numerosi ed ulteriori parametri e formule di calcolo complesso, che peròriteniamo inutile citare, anche per palesi motivi di lunghezza esplicativa.

Il generatore elettronico applica ai poli degli elementi ULTRAPIEZO una tensione sinusoidale, cioè una tensione sinusoidale che varia continuamente con la frequenza (F) dal polo-superficie positivo al polo-superficie negativo e viceversa.

Con questo gli elementi di trasduzione sonica si allungano e si restringono di alcuni micron (0,6 – 2) in tempi ultrarapidi, e cioè 25.000 volte, 45.000 volte ogni secondo, e anche moltissimo di più e ogni singolo secondo. Queste modifiche dimensionali dei sonotrodi, che avvengono con velocità elettromagnetiche (nei magneto) ed elettromeccaniche (nei piezo) sono molto alte, non visibili ne percebili dall’occhio umano. Ogni singolo trasduttore ULTRASUONI ®, applicato alla parete o sul fondo di una vasca piena di liquido, diffonde un uniforme campo di potenti onde vibrazionali, le quali si espandono in tutto il volume del liquido, inducendo una profonda vibrazione delle particelle elementari che compongono a livello sub-molecolare la materia.

CAVITAZIONE E VIBRAZIONE MECCANICO MOLECOLARE

Le onde ultrasoniche arrivano su tutte le superfici metalliche e non, basta che siano lambite dal liquido.

Queste onde in alta frequenza vibrativa producono una azione di compressione fisica nellasemi onda positiva ed una decompressione nella successiva semi onda negativa che compone l’onda sinusoidale completa. Nella fase di decompressione si formano delle bolle di vuoto (bollicine di cavitazione), le quali nella seguente fase di compressione vengono istantaneamente espanse ed implodono, sviluppando una pressione circostante valutata in circa 1300 BAR.

Qualunque oggetto contaminante depositato o ancorato saldamente sulla superficie del pezzo viene quindi disgregato e frantumato dai nostri ultrasuoni. Alla cavitazione standard nei ns. innovati sistemi di trasduzione si aggiunge uno speciale fenomeno di intensa vibrazione a livello meccanico molecolare che consente di superare i normali vantaggi di disgregazione per mezzo di potenti treni di onde pulenti di altissima densità e potenza vibrazionale.

Si ottiene quindi un perfetto lavaggio in tempi molto più veloci del solito, senza zone d’ombra e senza zone preferenziali di cavitazione o di vibrazione ultrasonica a zone fisse. Ciò succede, rispettando perfettamente la integrità dei materiali costituenti il pezzo immerso nel liquido, nel detergente, nell’acqua o nel solventatobiodegradabile utilizzato per il caso di lavaggio. Neppure su particolari di estrema fragilità tale nostra potente e veloce vibrazione crea problemi : con ogni tipo di materiale il risultato è perfetto e nel totale rispetto di forme, spigoli vivi, rugosità ed estetica delle superfici che erano coperte dalla sporcizia o attaccate dalla ruggine e ossidazioni.Il fenomeno fisico vibrativo meccanico molecolare munito di regolazione istantanea di frequency and powersystem è un vantaggio apprezzato e conosciuto solo dai clienti che utilizzano le apparecchiature aventi il nostro marchio e prodotte nei nostri stabilimenti specializzati.

ULTRASONIC ADVANCED PULSE MODE

Mentre i lavaggi antiquati, insieme alle onde ultrasoniche utili a togliere ed asportare lo sporco, avevano nel loro campo di lavoro acustico formazioni improvvise di onde stazionarie, di gravi onde spurie e di pericolose onde parassitarie, le apparecchiature ULTRASUONI INDUSTRIAL ENGINEERING, merito di una oculata progettazione, non hanno mai avuto nessun problema di nodi preferenziali di vibrazione sonica ne, tantomeno, di nodi senza cavitazione standard e nodini (piccoli nodi) nei quali non si ha e non si produce l’effetto ultrasonoro. Infatti i nostri generatori di ultrasuoni risultano, molto spesso, più efficaci e sicuri di tipologie pulsate di concezione arcaica dove, malgrado la programmazione di picchi di onde a diverse frequenze, non si riesce aspostare in modo idoneo i nodi e i vuoti statici di pulsazione vibrante e questo, neppure producendo picchi di frequenza molto alti (70 e 75 Khz) estrapolati da una frequenza base di banda di 20, 30, 35 o 45 khz.

SISTEMA PULSAR e PULSATRON

I nostri modernissimi Generatori di ultrasuoni, modelli Pulsar Ultrasuoni e Pulsatron Ultrasuoni diultima concezione, sono stati messi a punto per pulsare onde ritmicamente (con intervalli impostabili eselezionabili di tempo di pulsa e vai) in una ampissima gamma di potenze e di frequenze ultra soniche.Una gamma idonea per avere impulsi molto potenti e temporizzati con esatta precisione, capace ingenerare una distribuzione globale molto precisa ed uniforme dell’azione di cavitazione sonica e vibrazione molecolare complessiva, durante cicli di lavaggio ad ultrasuoni “dedicati a speciali liquidi e a pezzi e parti da pulire che noi sappiamo non potersi pulire e trattare con i comuni generatori di ultrasuoni”. Anche in forza di queste versioni avanzate noi siamo pronti per affrontare e risolvere anche il più critico e complicato trattamento di pulizia delle superfici, oggi esistente.

SWEEP MODE made in ULTRASUONI ©

Standard sweep

Comprende tutta le serie di Generatori e trasduttori Piezo (22 – 350 khz) e Magneto (18 – 22 Khz ) in versione di serie di base (analogico o digitale a scelta del cliente).Idonea al lavaggio in molti settori chiave: elettronica, medicale, dentale, micromeccanica.

Le frequenze più richieste, il 25 e il 45 khz ad esempio, sono spazzolate continuamente da microchips dell’ultima generazione che ne aggiustano in automatico la sintonia e in tempo reale emettono la migliore frequenza intorno alla frequenza base, modulando anche il rapporto migliore (RM) tra miglior potenza istantanea e miglior frequenza (P/F) da inviare ai trasduttori e quindi nel bagno di lavaggio a ultrasuoni.

Double Sweep Frequence

Comprende tutta le serie di Generatori e trasduttori Piezo versione doppia frequenza base.Idonea al lavaggio in molti settori dedicati: navale, aerei, spazio, satelliti, decontaminazione, ricerca scientifica. Una doppia emissione di frequenze (da 25 a 350 Khz a seconda dell’ applicazione) sono spazzolate da un gruppo di microchip che ne controlla in automatico il miglior range di minima e massima.

MultiPower Ultrasonic Sweep

Comprende le serie di Generatori e trasduttori Ultrapiezo e Ultramagneto ad alta potenza, anche con onde sinusoidali a 3 fasi alternate.Consigliata nel lavaggio in svariate industrie: plastica, gomma, alluminio e leghe, titanio, silicio.Funzione: un intelligente sistema digitale interno controlla e varia il miglior rapporto tra potenza e frequenza; variando in automatic system il set massimo di potenza e il Delta P di potenza, per consentire un ancora migliore risultato ed effetto pulente, anche in presenza di notevoli masse da sgrassare potentemente in profondità.

ALTA RESA DI TRASDUZIONE

I blocchi di trasduzione ULTRAPIEZO come gli elementi a lamina di nikel extrapuro 99, ULTRAMAGNETO, che vengono applicati sulle pareti e sul fondo interno delle nostre lavatrici ad ultrasuoni, sono calcolati in numero idoneo a raggiungere le elevate potenze necessarie per il lavaggio. Essi vengono costruiti con la massima precisione con macchine a controllo numerico, sottoposti a specifici trattamenti in modo da essere tutti uguali ed avere eguale frequenza di risonanza nel campo dei 18.000, 20.000, 25.000, 35.000, 45.000, 80.000, e sino ai a 350.000 Hertz (350 khz).In pratica ciò può avvenire solo con una alta precisione di lavorazione: una qualità che la nostra società fornisce ed illustra, da molti anni, alle più famose aziende utilizzatrici come anche a molte piccole e medie imprese che hanno preferito scegliere l’affidabilità delle nostre macchine di lavaggio.

Gli accoppiamenti degli emettitori sonici sono seguiti fase per fase durante il loro montaggio e non sono ammesse risonanze e diversità di frequenza (come riscontrato in vecchi apparecchi) dove sussistono differenze di ben 500 o 1000 Hertz rispetto al valore di sintonia fondamentale tra un trasduttore e il successivo (saldato al suo fianco sulla stessa vasca.Una differenza troppo grande questa che deriva, probabilmente, da una scarsa definizione della capacità C di ogni singolo elemento o da modalità di montaggio imprecise.

Solo con accoppiamenti perfetti il generatore con spazzolamento automatico riesce a sintonizzare gli elementi di trasduzione, trasferendo così la massima potenza di lavaggio sui pezzi e sulle parti da lavare. Evitando perdite di potenza erogata e dando una distribuzione uniforme del carico elettronico su tutti i blocchi trasduttori, i quali funzioneranno in sintonia e per molti anni.

EFFICACI ANCHE NELLE VERSIONI BASE

I nostri generatori, già in versione standard garantiscono la massima sicurezza di frequenza e range di potenza dando una forma d’onda sinusoide “perfetta” e una sintonia di trasduzione veramente notevole, chiaramente applicata in settori importanti e su lavaggi di pezzi industriali di grande pregio e di elevato costo unitario.

Doppia Frequenza e Multi Potenza, programmabile a vari livelli sulla tastiera, i generatori a doppia frequenza consentono di lavorare con sistema automatico pulse sweep degas su due frequenze in contemporanea, ad esempio 20 e 40 Khz.

Il sistema consente di pulire pezzi e particolari speciali, ad esempio quelli prodotti con componenti misti, quali gli accoppiamenti metallo e plastica, ceramica e pvc, metallo e gomma.Il doppio spazzolamento (double power and frequency sweeping) delle potenze e delle frequenze base in un range regolabile (ad es. 25.000 + 2.000 Hz insieme a 45.000 + 2.000 Hz) consente ai microchip interni di regolare anche il tempo per ogni ciclo di variazione. Con questo metodo gli elementi trasduttori lavorano in maniera uniforme a molteplici esigenze di potenza e frequenza.

ULTRA IGBT ULTRASUONI©

I moduli ULTRA-IGBT sono la moderna alternativa agli SCR ed ai MOSFET di potenza nella realizzazione di generatori ad alta frequenza in alta tensione.L’ impiego degli stessi comporta numerosi vantaggi tra cui la riduzione degli ingombri delle schede madri (mother boards) di potenza, la compattezza dei circuiti interni di controllo e regolazione, la compatta versione del numero di componenti e delle dimensioni esterne del generatore di ultrasuoni; consentendo ai nostri progettisti di aumentare l’ efficienza del sistema ed il suo rendimento.

Gli ULTRA-IGBT installati nei nostri generatori sono dispositivi di commutazione ad alta tensione pilotati con ULTRA-MOS che uniscono i vantaggi di elevata impedenza di ingresso tipica degli MOSFET con le basse perdite di commutazione.

QUADRASONIC

Una versione macchina per la pulizia e lo sgrassaggio in continuo di bande, fili e barre, trafilati e cavi metallici.

Concepito per una elevata potenza istantanea, i trasduttori montati su macchine di lavaggio in continuo Quadrasonic consentono una resa istantanea di energia pulendo in frazioni di secondo qualsiasi oggetto passante in rapida traslazione nella lavatrice. Generatori e trasduttori Quadrasonic sono dispobili sia in versione piezoelettrica che magnetostrittiva.

DEGASSIFICAZIONE, DEGAS

Nel liquido di lavaggio dove è stato appena immesso e disciolto il detergente, oppure quando ancora latemperatura del bagno di lavaggio è bassa rispetto a quella di regime, si ha la presenza di aria sotto forma di bolle gassose.Dato che la propagazione del suono avviene per onde vibrazionali e che la velocità del suono dipende dalla natura del mezzo in cui il suono si propaga ed è indipendente dalla frequenza delle vibrazioni, queste bolle di aria a volte impediscono una iniziale buona propagazione degli ultrasuoni trasmessi dai trasduttori (nella fase iniziale di lavaggio ad ultrasuoni).Altro motivo importante è che la velocità dell’ultrasuono è direttamente proporzionale alla densità del mezzo solido, liquido o aeriforme nel quale si propaga:

Velocità degli ultrasuoni in metri al secondo mt./sec. in alcuni matriali e fluidi.

• Alluminio 5.100
• Acqua 1.461
• Aria (0° C)  331,36
• Acciaio e ferro 5.130
• Etere 1.032
• Aria (20° C)  344
• Nichel   4.970
• Mercurio 1.407
• Aria (100° C)   366
• Vetro   5.550
• Alcool Metilico 1.143

Negli acciai abbiamo una velocità di 5.130 mt/sec, nell’ acqua invece di 1.461 mt/sec mentre nell’aria di soli 331 metri al secondo.

Quindi gli ultrasuoni che viaggiano nel liquido di lavaggio a 1.461 mt/sec, incontrando una fitta serie di bolle di aria rallentano e pertanto deviano, perdendo energia nell’attrito molecolare a loro necessaria per fare implodere dette bolle d’aria facendole fuori uscire dal liquido. In questo fenomeno iniziale del lavaggio anche una parte di onde ultrasoniche tende ad essere respinta di fronte ad una fitta presenza di bolle d’aria nel liquido.Le onde ultrasonore provvedono quindi naturalmente a sciogliere i gas disciolti in acqua, ma hanno bisogno di un certo tempo, valutabile dai 5 ai 15 minuti quando vi sono liquidi già caldi.

Per accelerare questo processo i ns. generatori ULTRADIGIT hanno un funzionamento particolare, che è parte integrante dei 4 PROGRAMMI DI BASE impostabili sulla menbrana digit sul fronte pannello, chiamato appunto di DEGASING. Con il degasing, per brevi intervalli di tempo vengono immesse treni d’onda composti da più frequenze ognuna con un’altissima potenza concentrata di picco.

Si accelera molto con il ns. Degasing la liberazione dell’aria in tutto il volume del liquido di lavaggio presente in vasca e l’azione degli ultrasuoni arriva alla massima efficienza in tempi super rapidi: dai 30 ai 60 secondi circa. Sono inoltre dotati di doppia e tripla regolazione del Pulse Sweep (three sweep).