La storia degli ultrasuoni

La storia degli ultrasuoni non è vero che “fa parte della storia della scienza dell’acustica” ma è da ritenersi una forma energetica implicita della Leggi fisiche superiori dove le particelle atomiche fondamentali, essendo sollecitate da un campo elettronico (corrente, tensione, elettromagnetismo in corrente alternata o variabile di tipo sinusoidale), variano il loro stato originale e si mettono in “vibrazione” (in movimento) seguendo la forza a loro imposta. Queste infinitesime vibrazioni dell’energia cinetica creano una modificazione della materia (vedere Einstein per il rapporto tra energia e massa-materia) e una energia cinetico-meccanica, anche di tipo visibile all’occhio umano, sotto forma di onde vibrazionali agenti in un fluido (acqua, aria, vuoto e gas nobili). Da qui si genera un intenso flusso di onde vibratorie meccaniche che sono comunemente chiamate Suoni oppure Ultra Suoni in base alla loro frequenza periodica d’onda e in base al fatto che esse siano più o meno udibili per gli esseri umani.

L’ultrasuono quindi implementa la scienza acustica “e non è vero che ne è parte” essendo esso stesso un fenomeno fisico delle scienze superiori, assimilabile all’energia vibrazionale della luce, alle scienze relative dell’energia atomica e dei quanti. L’acustica, al massim,o si può dire che spiega parzialmente solo alcuni effetti dovuti alle energie ultrasoniche, ma niente di più. Molti sono gli studi intorno agli ultrasuoni, molti dei quali non sono ne giunti al termine ne possono darci una risposta definitiva su questa importante forma di energia che, da oltre 15 miliardi di anni luce, è presente nell’universo materiale.

Alcuni ci parlano di prime testimonianze risalenti a Pitagora che nel VI secolo avanti cristo scoprì le diversità di suono emesse da differenti lunghezze di corde di strumenti musicali, ma questo non è vero, pensate che i cinesi creavano ultrasuoni oltre 10.000 anni or sono con particolari contenitori che emettevano ultrasuoni capaci di interagire fisicamente con persone ammalate di determinate patologie.
Quindi come si può constatare :

1. Gli ultrasuoni esistono immediatamente dopo la fase del big bang (15 miliardi di anni luce)
2. Testimonianze del loro utilizzo umano se ne hanno da oltre 10.000 anni
3. Malgrado moltissimi scienziati abbiano cavalcato la loro scoperta o applicabilità in molti settori medici, scientifici e industriali, in realtà gli ultrasuoni li ha creati l’universo materiale nel quale viviamo: nessun umano li ha creati per primo ne tantomeno può affermare di averli “scoperti”: loro c’erano già e noi, invece no!

Resta fuor di dubbio che nel 1638 Galileo, contribuì con i propri studi alla scienza dell’acustica e che un grande apporto venne dato da molti fisici e matematici italiani, francesi e tedeschi che durante il 16 ed il 18° secolo fondarono le prime basi dello sviluppo della scienza sonica e ultrasonica. Resta anche scontato che durante il 19° secolo ci furono due significativi sviluppi dei metodi di generazione degli ultrasuoni, il Magnetostrittivo (magnetostrizione) e quello Piezoelettrico (piezostrizione).

Il primo fu ampliato da Joule (famoso scienziato) e fù denominato Magnetostrizione, ossia quel fenomeno ultrasonico per mezzo del quale è possibile convertire energia magnetica in energia meccanica tramite il cambiamento di lunghezza di una sbarretta di nichel o altro materiale ferromagnetico al variare del campo magnetico alternato nel quale tale barretta si trova ad essere polarizzata.

La magnetostrizione è un fenomeno riscontrabile nei materiali ferromagnetici come l’oro, il nichel, il cobalto e alcune leghe. I principi magnetostrittivi sono basati su alcune proprietà magneto-meccaniche di questi materiali che, se posti in un campo magnetico alternato, subiscono microscopiche modificazioni istantanee della loro struttura molecolare. Queste causano una variazione della loro dimensione, anche decine di migliaia di volte in un solo secondo di Delta T. Ponendo ad esempio una barretta di materiale ferromagnetico in un campo magnetico orientato parallelamente alla direzione longitudinale della barretta, si osservano delle variazioni della lunghezza di tale oggetto.

Rimane importante specificare che l’incremento della lunghezza della barretta causato dalla magnetostrizione era, sino a qualche anno fà, di ampiezza relativa e che le frequenze ottenibili non arrivavano oltre i 18-22 kHz. Questo sino a quando un noto studioso di ultrasuoni, Loris Puddu, riusci a progettare un sistema Magneto speciale, denominato ULTRAMAGNETO, capace di fornire escursioni di potenza sino a 20 Kwatts con un range di frequenze sino a 100.000 Hertz (100 khz).

Il secondo fenomeno, la piezoelettricità, viene erroneamente (a nostro parere) definita la scoperta dei fratelli Curie nel 1880. Per ciò che riguarda gli studi fatti, in realtà, la piezoelettricità fu applicata ” e quindi scoperta” molto prima dei Curie, ai quali comunque si devono molti e definitivi sviluppi dell’effetto Piezoelettrico.

La piezoelettricità, ossia quel fenomeno energetico con il quale è possibile convertire energia elettrica ad alta frequenza in energia meccanica ad alta frequenza tramite la capacità polarizzata (in modo forzato ma a volte anche del tutto naturale) di determinati cristalli (cristalli piezoelettrici naturali o ceramiche sinterizzate al titanato di bario, ad esempio) di produrre proprie variazioni dimensionali in presenza di una carica elettronica alternata. Infine, queste deformazioni dei cristalli presenti in una ceramica piezoelettrica o in un cristallo polarizzabile permettono di generare una oscillazione meccanica a frequenze molto elevate, tra i 20.000 hertz e i 10 milioni di hertz.

Queste due importanti applicazioni (perchè non furono vere e proprie “scoperte” ma ampliamenti applicativi degli ultrasuoni) passarono attraverso centinaia di studiosi e scienziati e suscitarono notevoli interessi nei ricercatori fin dalla Prima Guerra Mondiale per localizzare i sottomarini con gli ultrasuoni emessi dal sistema Sonar. I primi reali utilizzi nell’industria si svilupparono negli anni tra ilo 1920 e il 1950, incluso l’uso militare nella Seconda Guerra Mondiale. Il rapido sviluppo nell’elettronica e nello sviluppo di materiali piezoceramici hanno reso possibile sviluppare sistemi sempre più sofisticati nel campo domestico, scientifico, medicale, industriale, militare e aereospaziale.

L’utilizzo degli ultrasuoni non è comunque tipico dell’essere umano ma è invece insito nella natura, dove troviamo, nel mondo animale, un chiaro esempio della sua antichissima esistenza storica. Recentemente si sono scoperte piante carnivore capaci di emettere ultrasuoni allo scopo di attirare i pipistrelli per una forma di collaborazione e scambio tra mondo vegetale e animale.

Molti animali usano e generano gli ultrasuoni per localizzare e identificare il cibo o gli ostacoli e per individuare pericoli e altri esseri viventi, oppure per creare una vera e propria “mappa mentale” del loro ambiente circostante. Balene, pipistrelli, delfini, cani e squali sono solo un piccolo esempio di chi “veramente” crea, genera, ascolta, utilizza gli ultrasuoni in natura tutti i giorni da migliaia e migliaia di secoli.

Definizione di ultrasuoni

Con il termine ultrasuoni si definiscono le onde elastiche la cui frequenza è maggiore del limite superiore di udibilità per l’orecchio umano dell’uomo medio. Per onda elastica si intende un’onda che utilizza un mezzo materiale per propagarsi (un solido o un fluido).
Questo limite può essere approssimativamente fissato, essendo soggettivo e variabile con l’età, tra i 16 e i 20 KHz (1 KHz=1000 oscillazioni complete dell’onda alternata completa in 1 secondo).
Il limite superiore di frequenza degli ultrasuoni può essere posto a 10 elevato alla 9a potenza ed espresso in Hertz (1.000.000.000 di oscillazioni al secondo).

Le principali caratteristiche delle onde elastiche ultrasonore sono le seguenti:

• Le onde ultrasonore, avendo una lunghezza d’onda ridotta e quindi una frequenza elevata, si propagano per fasci rettilinei con modalità e condizioni molto simili ai fasci luminosi della luce.
• Le intensità delle radiazioni ultra soniche sono molto maggiori che alle frequenze udibili, poichè l’intensità I (espressa in Watts/cm²) è direttamente proporzionale al quadrato della frequenza in gioco.

Bisogna considerare il mezzo di propagazione delle onde ultra soniche poichè ogni materiale presenta differenti indici di assorbimento e di velocità di ritrasmissione delle stesse onde. Avremo infatti una ottimale propagazione nei mezzi solidi o nei liquidi e una minore propagazione nei gas e nell’aria, in particolare alle frequenze elevate (frequenze superiori).

Poichè le onde ultrasonore si propagano con grande facilità nei liquidi, già nei primi cinquant’anni del 1900 si incominciò a studiare l’utilizzo degli ultrasuoni come sistema utile per produrre una potente energia meccanica in un liquido acquoso o petrolifero (detergente o solvente) con il conseguente effetto di pulizia immediata su svariati tipi di materiali.

Oggi, le industrie hanno perfezionato trasduttori ultrasonici di potenza capaci di trasmettere al liquido notevoli energie ultrasonore in grado di generare all’interno di un liquido fenomeni di cavitazione ultrasonora e di vibrazione meccanico molecolare elevatissimi.
Generalmente una lavatrice a ultrasuoni è composta da un generatore elettronico di ultrasuoni che produce un segnale alternato continuo o di tipo pulsato ad una frequenza compresa tra i 18 e i 350 Khz, pilotando uno o più trasduttori piezoelettrici o magnetostrittivi, i quali trasformano il segnale elettronico in una uniforme vibrazione meccanica extrafine compresa tra le 18.000 e le 350.000 oscillazioni alternate al secondo.

Trasduttori di ultrasuoni.

Questa micro oscillazione meccanica, emessa dal trasduttore di potenza ultrasonico, viene trasferita alla vasca in acciaio per mezzo di un accoppiamento speciale e, conseguentemente, al liquido contenuto nella vasca e a tutti gli oggetti in essa posti per essere puliti e disincrostati.
Le oscillazioni pulsanti degli ultrasuoni creano nel liquido detergente onde di pressione e depressione acustica che, grazie alla loro potenza, fanno oscillare le microbolle di gas disciolte nel liquido che è utilizzato come mezzo di trasmissione ultra sonica e come ente di pulitura chimica.
Quando le microbolle durante la fase di compressione raggiungono il loro raggio minimo consentito, implodono improvvisamente, generando così un’enorme energia d’urto tra il liquido detergente e la superficie da pulire.

Questo fenomeno di implosione rapido è chiamato “cavitazione ultrasonora”. Per fare un esempio pratico potremmo paragonare una “microbolla” ad un palloncino gonfio di aria mentre vine compresso tra le nostre mani (fase di compressione acustica). Il palloncino ovviamente si deformerà a tal punto da esplodere improvvisamente rilasciando una grande energia d’urto sulle nostre mani e a tutto ciò che sta nelle immediate vicinanze. Provate ad immaginare questo effetto moltiplicato 350.000 volte al secondo e per milioni di microbollicine.
Le onde d’urto generate durante la cavitazione, pertanto raggiungono ogni parte di superficie di un solido immerso durante il processo di lavaggio. Spazzolano la superficie togliendo ogni particella di sporco e materiale da rimuovere.
Per ottenere l’effetto di cavitazione all’interno del liquido, è necessario raggiungere un livello minimo di intensità sonora, questo livello minimo è correlato alla frequenza di funzionamento della lavatrice ad ultrasuoni.

Al fenomeno della cavitazione ultrasonica si è aggiunto il fenomeno della vibrazione meccanico – molecolare degli ultrasuoni: effetto verificato e citato, per la prima volta a livello mondiale, da Loris Puddu nel lontano 1992. Tale fenomeno, riscontrabile solo con l’utilizzo di speciali generatori e trasduttori digitali di ultrasuoni (marca ULTRASUONI I.E. modelli multifrequence – pulse – sweep – degas system) di tipo non tradizionale e/o convenzionale, permette la disgregazione molecolare della sporcizia e l’uso di pochissimo detergente miscelabile in acqua semplice, quindi una grande efficacia con il minimo dispendio ecologico ed energetico.

Nei sistemi di ultrasuoni in commercio alcune case produttrici prediligono utilizzare frequenze di lavoro intorno ai 20 kHz, altri a 35, 40, 45 kHz o ancora maggiori. In questi a frequenze basse è necessario fornire più energia sonora mentre a frequenze più alte è sufficiente fornire minore potenza. Pertanto,in tali sistemi, la cavitazione ultrasonora a 20 kHz avrà un’energia più elevata rispetto a quella a 40 kHz ma la distribuizione di cavità per unità di volume e la metà. Pertanto per pulizie energiche e grossolane essi preferiscono una frequenza bassa mentre per pulizie fini e molto accurate essi prediligono una frequenza più alta (in genere 40-45 kHz).

Grafico delle potenze efficaci dei nostri famosi ultrasuoni

Questo non avviene con i nostri sistemi progettati dalla ULTRASUONI i.e. nei quali una lunga ricerca tecnologica ha permesso di produrre speciali generatori capaci di auto-modulare frequenze e potenze fornendo sempre una elevatissima resa, una totale uniformità ed il totale rispetto dei materiali base da trattare.

In molti sistemi in commercio infatti gli effetti di cavitazione estremamente intensa (20khz) possono danneggiare alcuni materiali e quindi non sono indicati per alcune applicazioni (lavaggio di strumentario chirurgia, lavaggio di protesi e corone, circuiti elettronici) e, soprattutto, possono infastidire l’operatore durante il loro funzionamento poichè si avvicinano alla frequenza udibile. Cosa invece che non avviene nei sistemi ad ultrasuoni della ULTRASUONI I.E.
Infatti in tali sistemi commerciali solo le lavatrici funzionanti al di sopra dei 40 kHz conservano in parte almeno il vantaggio di essere meno rumorose poichè aventi frequenza di funzionamento più alta e generando cavitazioni più fini e vibrazioni più sottili: probabilmente meno dannose, ma anche meno efficaci, per pulire le superfici delicate che sarebbero da lavare.

Tali problematiche sono assenti nella nostra produzione dato che sia le lavatrici a 25 khz sia quelle a 350 khz sono dotate di speciali circuiti digitali Ultra Igbt Ultrasuoni capaci di fornire sempre potenza e uniformità totale di energia emessa sui pezzi e sugli utensili da pulire: senza rumorosità o scarsa precisione (tipica dei sistemi commerciali a 20 Khz) e senza problemi di potenza (tipica di molti generatori e lavatrici a 40 Khz importate “da alcuni commercianti” dai paesi orientali, fuori dalla sicurezza di una reale produzione CE fatta nei paesi dell’Unione europea).

La cavitazione ultrasonora e la vibrazione meccanico molecolare

La cavitazione ultrasonora e la vibrazione meccanico molecolare sono i due fenomeni mediante i quali è possibile comprendere il principio del lavaggio ad ultrasuoni. In un mezzo liquido, le onde ultrasonore generate da un apposito generatore elettronico ad alta frequenza e da un particolare trasduttore montato opportunamente sotto il fondo o sul lato di una vasca in acciaio inox, generano onde di compressione e depressione ad altissima velocità e una vibrazione unisona ad alta frequenza meccanica. Questa velocità e tipo di vibrazione pulente sono dipendenti dalle frequenze, dalle potenze e dalle lunghezze d’onda emesse dal generatore ad ultrasuoni. Generalmente i nostri generatori lavorano a più frequenze simultanee in un range compreso tra i 18 e i 350 Khz.

Le onde di pressione e depressione nel liquido originano il fenomeno chiamato “cavitazione ultrasonora” e il fenomeno denominato da Loris Puddu “vibrazione meccanico molecolare ad lata frequenza ultrasonica”.

Tensione superficiale, viscosità dei fluidi e pressione di vapore

Per meglio comprendere i fenomeni, dobbiamo richiamare alla nostra attenzione alcuni concetti fondamentali quali la “tensione superficiale” la “viscosità” e la “tensione o pressione di vapore”.

I liquidi in genere sono caratterizzati dal fatto che le particelle hanno una possibilità di movimento assai più grande che nei solidi, pur essendo soggette a forze di attrazione superiori a quelle esistenti nei gas.

In particolare l’acqua è un liquido molecolare, evapora a tutte le temperature ma bolle ad una temperatura ben definita, ossia alla temperatura di ebollizione che per l’acqua distillata è di 100 gradi centigradi alla quale la pressione di vapore raggiunge il valore di 1 Bar.