Tot despre ultrasunete

Producerea ultrasunetelor
Undele ultrasonice se obtin prin metode mecanice, magnetostrictive si piezoelectrice. Corpul care vibreaza si genereaza unde ultrasonice este denumit sursa acustica sau sursa de ultrasunete.
La baza obtinerii ultrasunetelor se afla cel mai adesea fenomenul piezoelectric, efect descoperit in anul 1880 de catre Pierre si Jacques Curie. Aparitia polarizarii electrice la suprafata unui cristal atunci cand asupra lui se exercita o presiune mecanica sau o tractiune se numeşte efect piezoelectric direct. Aplicarea unui camp electric pe suprafata unui cristal piezoelectric duce la contractia sau dilatarea acestuia si la emisia unor unde acustice. Acest fenomen se numeste efect piezoelectric invers.
Materialele piezoelectrice cele mai folosite sunt: titanatul de bariu, zirconatul de plumb (materiale piezoceramice) si fluorura de poliviniliden (material plastic). Cuartul natural sau cel sintetic poseda de asemenea proprietati piezoelectrice, avantajele acestuia fiind rezistenţa mecanică şi frecarea internă redusă. Materialele piezoceramice poseda o mai buna eficienta a conversiei energiei electrice in energie mecanica, sunt ieftine, se prelucreaza usor si necesita tensiuni scazute.
Efectul magnetostrictiv consta in faptul ca unele materiale feromagnetice isi modifica dimensiunile la magnetizare. Atunci cand aceste materiale se afla intr-un camp magnetic variabil, ele incep sa oscileze, devenind surse de unde acustice.
In ambele cazuri de generare a ultrasunetelor, este necesar ca dimensiunile placutelor oscilante sa fie astfel alese incat frecventa lor proprie sa coincida cu frecventa de excitatie (frecventa campului electric, respectiv a campului magnetic). Deci generatoarele de ultrasunete lucreaza in regim de rezonanta.
Traductoarele de ultrasunete asigura conversia reciproca si succesiva a energiei electrice in energie mecanica. Elementul lor activ este constituit de cristalul piezoelectric. Acesta are forma unui disc si este acoperit pe ambele fete cu doua straturi metalice, bune conducatoare de electricitate, pe care se aplica doi electrozi, cate unul pe fiecare suprafata. Aplicarea unei tensiuni electrice intre electrozi va provoca deformarea cristalului si consecutiv emisia de energie mecanica spre ambele suprafete. Straturile metalice au atat rolul de a transfera tensiunea electrica cristalului, cat si acela de a prelua impulsul electric creat la suprafaţa acestuia dupa actiunea ultrasunetelor reflectate in tesuturi. Acest impuls electric creat este condus apoi spre sistemul de amplificare al aparatului. Grosimea discului piezoelectric determina frecventa nominala.
Pe suprafaţa interioara dinspre mediul asupra caruia se actioneaza este dispusa uneori o lentila acustica, cu o grosime egala cu un sfert din lungimea de unda a frecventei de excitatie electrica. Lentila este denumita si strat adaptiv de sfert de lungime de unda, rolul său fiind acela de focalizare si de a face ca fiecare impuls electric sa il intareasca pe celalalt, marind astfel randamentul traductorului. În faţa lentilei este plasat un strat izolator cu impedanţă asemănătoare cu cea a corpului. În spatele discului piezoelectric este introdus un strat de material ce absoarbe US emise apoi şi pentru a amortiza vibraţiile care nu au frecvenţa dorită. Tot acest ansamblu este înconjurat de un strat izolator acustic şi este introdus într-o husă de material plastic cu care operatorul vine în contact în timpul examinării. Faţa posterioară a materialului piezoelectric este căptuşită cu un material atenuator, având rolul de a reduce capacitatea de rezonanţă sonoră.
Fasciculul de ultrasunete. Materialul piezoelectric nu emite o singura unda ultrasonica, ci un fascicul care porneste de pe toata suprafata materialului. Intr-o prima portiune, de cativa cm, acest fascicul este ingust si are forma cilindrica, undele din componenta avand practic o dispunere paralela. Aceasta zona apropiata poarta denumirea de zona Fresnel. Urmeaza o alta portiune, numita zona indepartata sau zona Fraunhofer, in care undele devin divergente, iar fasciculul are forma de trunchi de con. Lungimea zonei Fresnel si divergenta zonei Fraunhofer depind de dimensiunile discului piezoelectric, dar si de frecventa ultrasunetelor produse de acesta. Cresterea frecventei ultrasunetelor sau a diametrului discului piezoelectric determina marirea zonei Fresnel si micsorarea unghiului de divergenta.
Aplicatiile ultrasunetelor in procese tehnologice
Ultrasunetele sunt utilizabile in toate etapele unui proces tehnologic, de la conditionarea materiei prime pana la controlul procesului.
Exemple de operatii tehnologice efectuate sub actiunea ultrasunetelor:
- dispersarea, procesul fizic de raspandire a particulelor unei substante printre cele ale altei substante;
- curatirea, bazata pe fenomenul de cavitatie. Curatirea cu ultrasunete este mult utilizata datorita calitatii operatiei efectuate, a timpului scurt de lucru, a diversitatii materialelor ce pot fi supuse acestei operatii;
- sedimentarea, bazata pe aglomerarea particulelor fine, solide sau lichide, in zona nodurilor unui camp stationar produs de propagarea ultrasunetelor;
- filtrarea, operatia de separare a unei substante solide dintr-un lichid;
- emulsionarea, bazata pe dispersarea particulelor unui lichid in altul in care este miscibil, sau a unei substante solide intr-un lichid in care nu se dizolva;
- extractia, operatia de separare a uneia sau a mai multor substante dintr-un amestec;
- stimularea unor reactii chimice (ex. cele de polimerizare);
- uscarea, procesul de eliminare a apei dintr-un material;
- cristalizarea, bazata pe diferenta de solubilitate a componentelor unui amestec;
- sterilizarea, bazata pe actiunea distructiva a ultrasunetelor asupra microorganismelor (ex. in industria alimentara); etc.