Progetti applicazione ultrasuono

Ultrasuono

L'ultrasuono è un'onda elastica di frequenza superiore al campo di udibilità. Gli Ultrasuoni sono fabbricati da 18 a 50 khz per applicazioni industriali di lavaggio, saldatura, taglio, foratura e in altre frequenze superiori per diverse apparecchiature mediche, scientifiche e per trattamenti speciali nell'aeronautica e nel navale. Le frequenze più utilizzate dell'ultrasuono rientrano nelle frequenze medie, al di sotto dei 500 khz ma possono essere generate sino a 10 GigaHertz. Se di frequenza inferiore a 100 kHz (100.000 Hertz), gli ultrasuoni sono percepiti da chirotteri, cani, balene e delfini, e questo anche su lunghe distanze.

La fisica dell'ultrasuono.

Il campo di frequenza vibratoria e acustica degli ultrasuoni si estende fino a 10 Giga Hertz, a tale frequenza corrisponde, per propagazione nei metalli, una lunghezza d'onda inferiore a 1 micron al metro, ossia dell'ordine delle radiazioni visibili. Lo studio degli ultrasuoni (ultracustica e scienza ultrasonora) comprende l'insieme delle loro proprietà fisiche, dei dispositivi atti a generarli e a rivelarli, dei loro effetti molecolari, elettronici, chimici, biologici e delle loro applicazioni nella ricerca avanzata, nella tecnica e nella 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 trapani e foratrici ad ultrasuoni.

In questo tipo di foratrice di precisione, un utensile, di sezione corrispondente a quella del foro da effettuare, vibra longitudinalmente a una frequenza tra i 20 e i 50 khz, 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 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, noto come effetto della cavitazione.

Produciamo lavatrici e ultrasuoni che migliorano il trattamento superficiTale 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 khz il fenomeno puo essere udibile a causa delle onde armoniche che sono un sottoprodotto con frequenza vicina alla normale acustica umana; 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, nei liquidi e la vibrazione utile per saldare e forare.

Per la cavitazione idraulica ad alta pressione localizzata in un liquido si usano pertanto frequenze comprese tra i 20 e i 50 khz. Un'applicazione in questo senso consiste nella realizzazione di un rivelatore che osserverà le traiettorie delle particelle ionizzanti per favorire le reazioni di composti in una soluzione o anche per la separazione dei solidi discolti in un liquido (ultrasonic dewatering in lingua inglese).

Continuamente applicati a scopi industriali, gli ultrasuoni sono oggetto di ricerca scientifica e sono applicati anche per il lavaggio e la pulitura di pezzi come per il controllo analitico di superfici e parti interne, i controlli non distruttivi (CND) di cricche, bolle e malformazioni di copri e superfici metalliche da fonderia e laminatoio.

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).

A frequenze maggiori di quelle degli ultrasuoni ci sono le onde radio, utili alla saldatura industriale di tessuti sintetici con macchine equipaggiate con valvole termoioniche.