ULTRASUNETELE SI UTILIZAREA LOR IN PROCESE TEHNOLOGICE
Ultrasunetele (US) sunt o forma de energie mecanica ce se propaga sub forma unor unde de frecventa superioara limitei de perceptie a urechii umane. Omul percepe sunete cu frecventa cuprinsa intre 16 si 20 000 Hz. Sunetele cu frecventa peste limita de audibilitate umana (20 MHz) se numesc ultrasunete, iar cele cu frecventa sub aceasta, infrasunete.
Daca o particula dintr-un mediu elastic executa o miscare inainte si inapoi fata de pozitia de echilibru, miscare numita oscilatie mecanica sau vibratie, are loc un transfer de energie in mediul care o inconjoara. Particula care oscileaza interacţioneaza cu cele vecine si astfel unda se propaga din aproape in aproape. Regiunea din spatiu in care se afla unde ultrasonice (altfel spus, campul de US) este reprezentata de oscilatii ciclice in spatiu si timp. Miscarea particulelor in jurul pozitiei de echilibru se repeta la anumite intervale de timp.
Interactiunile ultrasunetelor
Mecanismele de interactiune posibile la trecerea undelor ultrasonice printr-un mediu sunt urmatoarele:
• mecanismul termic
• cavitatia
• mecanismul de tensionare.
Mecanismul termic
Interactiunea ultrasunetelor cu materia este urmata de absorbtia de catre mediu a unei parti din energia fasciculului, care se transforma in caldura. Caldura generata pe unitatea de volum a mediului este proportionala cu intensitatea acustica si cu coeficientul de absorbtie si invers proportională cu densitatea mediului si cu caldura lui specifica. Tinand cont de efectul conductiei termice, se apreciaza ca dupa un timp temperatura va atinge o valoare de echilibru. Pentru corpurile sferice cresterea temperaturii de echilibru, ca si timpul pentru a atinge aceasta temperatura sunt proportionale cu patratul razei.
Cavitatia
Cavitatia se poate defini ca fiind fenomenul dinamic de aparitie, dezvoltare si disparitie prin implozie a unor bule (cavitati) de gaz ( vapori ), in masa unui lichid in
miscare. Aparitia acestor bule are loc atunci cand presiunea scade sub o valoare critica, reprezentata de presiunea de vaporizare.
Intr-un sens restrans al cuvantului, prin cavitatie se intelege procesul dinamic de formare si surpare a cavitatilor dintr-un curent de lichid, care contine vapori si gaze. In lichidele normale, aceste cavitati se formeaza atunci cand presiunea in anumite puncte se reduce pana la valoarea presiunii de vaporizare a lichidului. In aceste puncte sau zone, lichidul fierbe si se formeaza bule de vapori, care impreuna cu lichidul ajung in zona presiunilor ridicate, unde are loc surparea acestor cavitati. Condensarea bulelor de vapori in aceasta regiune provoaca socuri hidraulice locale sau suprapresiuni, in momentul in care, la sfarsitul condensarii, particulele inconjuratoare de lichid inainteaza spre centrul bulei, se ciocnesc si se opresc brusc. In acest loc energia cinetica se tranforma in enrgie elastica de deformatie. In zonele in care se termina procesul de cavitatie, cresterea presiunii datorata socurilor hidraulice poate atinge valori de zeci, sute, sau mii de atmosfere, iar energia acestor socuri se propaga sub forma undelor de presiune care se manifesta in exterior prin vibratii puternice si zgomote caracteristice. In zona de vaporizare apare un mediu spumos, care printr-o conducta transparenta poate fi observat si cu ochiul liber.
Cavitatia poate fi stabila sau temporara. Diametrul unei cavitati stabile care poate intra in rezonanta pentru producerea fenomenului de cavitatie in apa, la trecerea undelor ultrasonice cu frecventa de 1 MHz, este de aproximativ 3,5 μm. Intensitatea acustica necesara pentru aparitia cavitatiei in apă este de ≈ 30 mW/cm2. Cand bula se dilata si se contracta, se formeaza microcurenti in care gradientii de viteza pot fi foarte mari.
Cavitatia temporara este mai violenta decat cea stabila. Cand o bula de gaz dintr-un mediu este supusa actiunii campului ultrasonic, cu o amplitudine de presiune mare, ea isi mareste raza de mai multe ori fata de valoarea initiala si apoi explodeaza violent. In etapele finale ale exploziei, energia cinetica este cedata unui volum extrem de mic si din acest motiv se produc presiuni si temperaturi mari.
La cavitatia temporara s-au estimat temperaturi de 3500 K si presiuni de 104 atm. In aceste condiţii mediul are de suferit, cel putin datorita undelor mecanice de soc si a temperaturilor inalte. Cavitatia temporara apare mai ales atunci cand intensitatea depaseste o valoare de prag, dependenta de conditiile experimentale:
• pentru undele ultrasonice continue, cu cat frecventa ultrasunetelor este mai mare, cu atat va trebui sa fie mai mare intensitatea ultrasonică de prag pentru a produce cavitatia;
• cresterea presiunii ambiante duce la marirea intensitatii ultrasonice de prag pentru producerea cavitatiei;
• cresterea temperaturii micsoreaza intensitatea ultrasonica de prag;
• cresterea volumului lichidului expus ultrasunetelor micsoreaza intensitatea ultrasonica de prag.
Mecanismul de tensionare
In sisteme eterogene supuse actiunii unui camp ultrasonic apar tensiuni sau forte rezultante, clasificate astfel:
• forte oscilatorii, a caror medie in timp este egala cu zero si care produc o presiune asupra corpurilor cu densitate diferita fata de mediul inconjurator;
• forte de deplasare, care au media in timp diferita de zero si pot provoca deplasarea neomogenitatilor din mediu cu viteze diferite;
• fortele datorate variatiei vascozitatii in timpul aplicarii ultrasunetelor.
Cele trei forte prezentate determina aparitia in campul ultrasonic a unor microcurenti, pusi in evidenta in apropierea bulelor de gaz care vibreaza.