Ultrasuoni

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Le applicazioni ad alta potenza degli ultrasuoni spesso usano frequenze tra 20 kHz e alcune centinaia di kHz. Le intensità possono essere molto alte; sopra i 10 watt per centimetro quadrato, la cavitazione può essere indotta in mezzi liquidi, e alcune applicazioni usano fino a 1000 watt per centimetro quadrato. Tali alte intensità possono indurre cambiamenti chimici o produrre effetti significativi per azione meccanica diretta, e possono inattivare microrganismi dannosi.

Terapia fisica

Articolo principale: ultrasuoni terapeutici

Gli ultrasuoni sono stati usati fin dagli anni ’40 da terapisti fisici e occupazionali per trattare il tessuto connettivo: legamenti, tendini e fascia (e anche tessuto cicatriziale). Le condizioni per le quali gli ultrasuoni possono essere usati per il trattamento includono i seguenti esempi: distorsioni dei legamenti, stiramenti muscolari, tendiniti, infiammazioni articolari, fascite plantare, metatarsalgia, irritazione delle faccette, sindrome da impingement, borsite, artrite reumatoide, osteoartrite e adesione del tessuto cicatriziale.

Applicazioni biomediche

Gli ultrasuoni hanno anche applicazioni terapeutiche, che possono essere molto utili se usati con precauzioni di dosaggio. Gli ultrasuoni di potenza relativamente alta possono rompere i depositi di pietra o i tessuti, accelerare l’effetto dei farmaci in un’area mirata, assistere nella misurazione delle proprietà elastiche dei tessuti e possono essere usati per selezionare le cellule o le piccole particelle per la ricerca.

Trattamento a impatto ultrasonico

Il trattamento a impatto ultrasonico (UIT) usa gli ultrasuoni per migliorare le proprietà meccaniche e fisiche dei metalli. È una tecnica di lavorazione metallurgica in cui l’energia ultrasonica viene applicata a un oggetto metallico. Il trattamento a ultrasuoni può provocare una tensione di compressione residua controllata, un affinamento dei grani e una riduzione della dimensione dei grani. La fatica a basso e alto ciclo è migliorata ed è stato documentato che fornisce aumenti fino a dieci volte maggiori rispetto ai campioni non UIT. Inoltre, l’UIT si è dimostrata efficace nell’affrontare la cricca di corrosione da stress, la fatica da corrosione e i problemi correlati.

Quando lo strumento UIT, composto dal trasduttore a ultrasuoni, dai perni e da altri componenti, entra in contatto con il pezzo da lavorare, si accoppia acusticamente con il pezzo da lavorare, creando una risonanza armonica. Questa risonanza armonica viene eseguita ad una frequenza accuratamente calibrata, alla quale i metalli rispondono molto favorevolmente.

In base agli effetti desiderati del trattamento viene applicata una combinazione di diverse frequenze e ampiezza di spostamento. Queste frequenze sono comprese tra 25 e 55 kHz, con un’ampiezza di spostamento del corpo risonante tra 22 e 50 µm (0,00087 e 0,0020 in).

I dispositivi UIT si basano su trasduttori magnetostrittivi.

Trattamento

Articolo principale: Sonication

Ultrasonication offre un grande potenziale nel trattamento di liquidi e fanghi, migliorando la miscelazione e le reazioni chimiche in varie applicazioni e industrie. L’ultrasuonazione genera onde alternate di bassa pressione e alta pressione nei liquidi, portando alla formazione e al collasso violento di piccole bolle a vuoto. Questo fenomeno è chiamato cavitazione e causa getti di liquido ad alta velocità e forti forze di taglio idrodinamiche. Questi effetti sono utilizzati per la disagglomerazione e la macinazione di materiali di dimensioni micrometriche e nanometriche, nonché per la disintegrazione di cellule o la miscelazione di reagenti. In questo aspetto, gli ultrasuoni sono un’alternativa ai miscelatori ad alta velocità e ai mulini a sfere con agitatore. Le lamine ad ultrasuoni sotto il filo in movimento in una macchina da carta useranno le onde d’urto delle bolle implose per distribuire le fibre di cellulosa in modo più uniforme nel nastro di carta prodotto, il che renderà la carta più resistente con superfici più uniformi. Inoltre, le reazioni chimiche traggono vantaggio dai radicali liberi creati dalla cavitazione, nonché dall’apporto di energia e dal trasferimento di materiale attraverso gli strati limite. Per molti processi, questo effetto sonochemical (vedi sonochemistry) porta ad una sostanziale riduzione del tempo di reazione, come nella transesterificazione del petrolio in biodiesel.

Schema di processori di liquidi a ultrasuoni su banco e su scala industriale

Un’intensità ultrasonica sostanziale e alte ampiezze di vibrazione ultrasonica sono richieste per molte applicazioni di lavorazione, come la nano-cristallizzazione, la nano-emulsificazione, la deagglomerazione, l’estrazione, la distruzione delle cellule, così come molte altre. Comunemente, un processo viene prima testato su scala di laboratorio per dimostrare la fattibilità e stabilire alcuni dei parametri di esposizione ultrasonica richiesti. Una volta completata questa fase, il processo viene trasferito su una scala pilota (da banco) per l’ottimizzazione della pre-produzione flow-through e poi su una scala industriale per la produzione continua. Durante queste fasi di scale-up, è essenziale assicurarsi che tutte le condizioni di esposizione locale (ampiezza ultrasonica, intensità di cavitazione, tempo trascorso nella zona di cavitazione attiva, ecc. Se questa condizione è soddisfatta, la qualità del prodotto finale rimane al livello ottimizzato, mentre la produttività aumenta di un “fattore di scala” prevedibile. L’aumento della produttività deriva dal fatto che i sistemi di processori a ultrasuoni da laboratorio, da banco e su scala industriale incorporano corni a ultrasuoni progressivamente più grandi, in grado di generare zone di cavitazione ad alta intensità progressivamente più grandi e, quindi, di lavorare più materiale per unità di tempo. Questo è chiamato “scalabilità diretta”. È importante sottolineare che l’aumento della potenza del processore a ultrasuoni da solo non determina una scalabilità diretta, poiché può essere (e spesso è) accompagnato da una riduzione dell’ampiezza ultrasonica e dell’intensità di cavitazione. Durante lo scale-up diretto, tutte le condizioni di lavorazione devono essere mantenute, mentre la potenza dell’attrezzatura viene aumentata per permettere il funzionamento di un corno ultrasonico più grande.

Manipolazione e caratterizzazione ultrasonica delle particelle

Un ricercatore dell’Istituto di Ricerca sui Materiali Industriali, Alessandro Malutta, ha ideato un esperimento che ha dimostrato l’azione di intrappolamento delle onde stazionarie ultrasoniche sulle fibre di pasta di legno diluite in acqua e il loro orientamento parallelo nei piani di pressione equidistanti. Il tempo per orientare le fibre in piani equidistanti è misurato con un laser e un sensore elettro-ottico. Questo potrebbe fornire all’industria della carta un rapido sistema di misurazione on-line delle dimensioni delle fibre. Un’implementazione un po’ diversa è stata dimostrata alla Pennsylvania State University usando un microchip che ha generato una coppia di onde acustiche di superficie perpendicolari che permettono di posizionare le particelle equidistanti l’una dall’altra su una griglia. Questo esperimento, chiamato pinzette acustiche, può essere utilizzato per applicazioni in scienze dei materiali, biologia, fisica, chimica e nanotecnologia.

Pulizia ultrasonica

Articolo principale: Pulizia a ultrasuoni

I pulitori a ultrasuoni, a volte chiamati erroneamente pulitori supersonici, sono usati a frequenze da 20 a 40 kHz per gioielli, lenti e altre parti ottiche, orologi, strumenti dentali, strumenti chirurgici, regolatori per immersioni e parti industriali. Un pulitore a ultrasuoni funziona principalmente grazie all’energia rilasciata dal collasso di milioni di cavitazioni microscopiche vicino alla superficie sporca. Le bolle create dalla cavitazione collassano formando minuscoli getti diretti alla superficie.

Disintegrazione ultrasonica

Simile alla pulizia ultrasonica, le cellule biologiche compresi i batteri possono essere disintegrate. Gli ultrasuoni ad alta potenza producono cavitazione che facilita la disintegrazione delle particelle o le reazioni. Questo ha usi nella scienza biologica per scopi analitici o chimici (sonicazione e sonoporazione) e per uccidere i batteri nelle acque di scarico. Gli ultrasuoni ad alta potenza possono disintegrare i liquami di mais e migliorare la liquefazione e la saccarificazione per una maggiore resa di etanolo negli impianti di macinazione del mais secco.

Umidificatore ultrasonico

L’umidificatore ultrasonico, un tipo di nebulizzatore (un dispositivo che crea uno spray molto fine), è un tipo popolare di umidificatore. Funziona facendo vibrare una piastra metallica a frequenze ultrasoniche per nebulizzare (a volte erroneamente chiamato “atomizzare”) l’acqua. Poiché l’acqua non viene riscaldata per l’evaporazione, produce una nebbia fresca. Le onde di pressione ultrasonica nebulizzano non solo l’acqua, ma anche i materiali nell’acqua tra cui calcio, altri minerali, virus, funghi, batteri e altre impurità. Le malattie causate dalle impurità che risiedono nel serbatoio di un umidificatore rientrano nella voce “febbre dell’umidificatore”.

Gli umidificatori a ultrasuoni sono frequentemente usati nell’aeroponica, dove sono generalmente chiamati foggers.

Saldatura a ultrasuoni

Nella saldatura a ultrasuoni della plastica, la vibrazione ad alta frequenza (da 15 kHz a 40 kHz) a bassa ampiezza è usata per creare calore attraverso la frizione tra i materiali da unire. L’interfaccia delle due parti è appositamente progettata per concentrare l’energia per la massima resistenza della saldatura.

Sonochimica

Articolo principale: Sonochemistry

L’ultrasuono di potenza nella gamma 20-100 kHz è usato in chimica. Gli ultrasuoni non interagiscono direttamente con le molecole per indurre il cambiamento chimico, poiché la loro lunghezza d’onda tipica (nell’intervallo millimetrico) è troppo lunga rispetto alle molecole. Invece, l’energia provoca la cavitazione che genera estremi di temperatura e pressione nel liquido dove avviene la reazione. Gli ultrasuoni rompono anche i solidi e rimuovono gli strati passivanti di materiale inerte per dare una maggiore superficie su cui avviene la reazione. Entrambi questi effetti rendono la reazione più veloce. Nel 2008, Atul Kumar ha riportato la sintesi degli esteri di Hantzsch e dei derivati della poliidrochinolina tramite un protocollo di reazione multicomponente in micelle acquose usando gli ultrasuoni.

Gli ultrasuoni sono usati nell’estrazione, usando diverse frequenze.

Armi

Gli ultrasuoni sono stati studiati come base per le armi sonore, per applicazioni come il controllo delle rivolte, il disorientamento degli aggressori, fino a livelli letali di suono.

Comunicazione senza fili

Nel luglio 2015, The Economist ha riportato che i ricercatori della University of California, Berkeley hanno condotto studi sugli ultrasuoni utilizzando diaframmi di grafene. La sottigliezza e il basso peso del grafene combinati con la sua forza lo rendono un materiale efficace da utilizzare nelle comunicazioni ad ultrasuoni. Un’applicazione suggerita della tecnologia sarebbe la comunicazione subacquea, dove le onde radio in genere non viaggiano bene.

I segnali ultrasonici sono stati utilizzati in “beacon audio” per il tracciamento trasversale degli utenti di Internet.

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