ULTRASUONI

ULTRASUONI (XXXIV, p. 641; App. II, 11, p. 1055)

Generazione di ultrasuoni. - La piezoelettricità e la magnetostrizione sono, com'è noto, gli effetti più frequentemente utilizzati per la generazione e la ricezione di onde ultrasonore.

Per quanto riguarda i trasduttori piezoelettrici, la piastra di quarzo, tagliata dal cristallo naturale secondo un opportuno orientamento, è in molti casi sostituita dalle cosiddette ceramiche piezoelettriche, costituite principalmente da titanato di bario.

La piezoelettricità del titanato di bario non è naturale, ma viene indotta artificialmente sfruttando una proprietà comune a tutti i dielettrici. detta elettrostrizione, la quale consiste in una deformazione meccanica, proporzionale al quadrato del campo elettrico applicato. Queste deformazioni sono molto piccole nei dielettrici ordinarî, divengono invece apprezzabili nelle ceramiche di titanato di bario. Le ceramiche sono ottenute macinando insieme cristalli di titanato di bario con altri sali e portando il composto ad una temperatura di 1300 ÷ 1400 °C. Un campo elettrico di 10⁶ V/m produce in esse una deformazione meccanica di circa 3 10^-4.

Nell'impiego della ceramica come trasduttore ultracustico è conveniente che la deformazione del materiale sia lineare. sia pure entro certi limiti, con il campo applicato. Per questo occorre che al campo elettrico alternato. responsabile della vibrazione meccanica della ceramica, venga sovrapposto un campo elettrico continuo (campo di polarizzazione) avente adatto valore.

Le componenti continua ed alternata del campo elettrico sono direttc secondo lo spessore del trasduttore. che solitamente è costituito da una piastra circolare o quadrata le cui facce opposte sono ricoperte da un sottile strato di argento applicato a fuoco. Fra queste due superfici metalliche viene applicata la differenza di potenziale che origina il campo elettrico. Una delle caratteristiche fondamentali di queste ceramiche consiste nel fatto che se un campo elettrico continuo di circa 2000 V/cm viene applicato attraverso lo spessore dell'elemento quando esso si trova ad una temperatura superiore al punto di Curie (circa 120 °C) e viene mantenuto durante il graduale raffreddamento, la polarizzazione indotta risulta permanente. In questo modo la necessità di aggiungere il campo elettrico di polarizzazione al campo alternativo di eccitazione viene eliminata. Il trasduttore ceramico presenta così proprietà perfettamente analoghe a quelle piezoelettriche e, agli effetti delle generazione (o ricezione) di ultrasuoni, si comporta come il trasduttore a quarzo.

La frequenza f₀ della risonanza meccanica della piastra. vibrante secondo lo spessore d, è data da: f₀ − c/2d, dove c è la velocità delle onde estensionali nel materiale ceramico. Per la ceramica di titanato di bario si ha c = 5000 m/sec.

Il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico, pari alla radice quadrata del rapporto fra l'energia immagazzinata sotto forma meccanica e l'energia elettrica totale conferita al trasduttore, è, nel titanato di bario, alcune volte superiore a quello del quarzo, mentre l'impedenza elettrica equivalente è minore. Per questo motivo, a parità di potenza acustica irradiata, la tensione di eccitazione è molto inferiore a quella richiesta dal trasduttore di quarzo.

Recentemente è stata studiata una nuova ceramica allo zirconato di piombo, che presenta proprietà di tipo piezoelettrico superiori a quelle del titanato di bario.

Grazie al procedimento di fabbricazione di queste ceramiche, è facile ottenere trasduttori di forma qualsivoglia oltre alla piastra, che è la forma classica. In particolare, per produrre un'intensità ultrasonora molto elevata si usano trasduttori a forma di calotta sferica o di cilindro cavo, capaci di concentrare tutta l'energia emessa dalla superficie radiante in una regione molto ristretta intorno ad un punto, il centro della sfera, o ad un segmento di retta, l'asse del cilindro (fig. 1).

Per quanto riguarda i trasduttori a magnetostrizione, nuove possibilità sono offerte dalle ferriti.

Si tratta, di materiali ceramici consistenti in agglomerati di ferriti cubiche ottenuti con procedimenti analoghi a quelli usati nella fabbricazione delle ceramiche isolanti.

Uno di questi materiali, conosciuto con il nome di "Ferroxcube B", a base di zinconichel, particolarmente usato come nucleo magnetico per bobine di alta frequenza, possiede spiccate proprietà magnetostrittive e può quindi essere impiegato nella costruzione di magnetostrittori. Essendo un materiale di alta resistività, non occorre che esso venga ridotto in lamierini, com'è invece necessario fare negli usuali magnetostrittori per evitare le correnti parassite. Per contro, il Ferroxcube è un materiale piuttosto fragile e quindi non si presta alla produzione di ultrasuoni molto intensi.

Nel campo dei trasduttori elettrodinamici, un interessante dispositivo è stato progettato da H. W. Saint Clair per la generazione di u. intensi nei gas.

Si tratta di un cilindro metallico posto in oscillazione longitudinale lungo l'asse (fig. 2). Esso è fissato al supporto mediante una flangia circolare ricavata al tornio nella sua parte centrale. Nella parte inferiore del cilindro è stato tornito un corto tubo a pareti sottili che risulta alloggiato nel traferro anulare di un elettromagnete del tutto simile a quelli usati negli altoparlanti elettrodinamici. Intorno all'estremità del nucleo centrale dell'elettromagnete e solidale con essa è avvolta la bobina di eccitazione, nella quale circola una corrente alternata avente la frequenza di risonanza meccanica del cilindro vibrante. La corrente indotta nel tubo di pilotaggio interagisce con il campo magnetico radiale e comunica la risultante forza al cilindro ponendolo in oscillazione. Le frequenze sono di 10 ÷ 20 kHz.

Rivelazione degli ultrasuoni. - Nella maggior parte delle applicazioni è necessario determinare in maniera il più possibile esatta la distribuzione dell'energia nel campo ultrasonoro, cioè determinare nel mezzo percorso dagli u. l'intensità di questi punto per punto. Occorre che il rivelatore sia di dimensioni molto ridotte, in modo che la sua presenza non perturbi il campo in cui esso è situato, e che inoltre sia in grado di analizzare il campo con sufficiente potere risolutivo. In altri termini il rivelatore deve essere piccolo in confronto alla lunghezza d'onda degli ultrasuoni. Tali dispositivi sono detti "sonde". Sono state costruite sonde piezoelettriche, magnetostrittive e termiche.

Una sonda piezoelettrica di minime dimensioni rispondente alle esigenze sopra esposte, è stata progettata di recente da E. V. Romanenko ed è schematicamente illustrata nella fig. 3.

L'elemento sensibile della sonda, che trasforma le onde ultrasonore in segnale elettrico, è costituito da un sottile strato di titanato di bario depositato sulla superficie di una sferetta di platino situata all'estremità di un capillare di vetro. La sferetta funziona da primo elettrodo del rivelatore ed è connessa mediante un filo conduttore, passante all'interno del capillare, alla boccola di uscita della sonda. L'altro elettrodo, a massa, è costituito da uno strato di argento, che ricopre le superfici esterne del titanato di bario e del capillare. La parte sensibile, all'estremità della sonda, ha un diametro di circa 0,2 mm.

Generazione di ipersuoni. - Per generare u. di frequenza molto alta, si usano soprattutto lamine di quarzo e di tormalina. Poiché la frequenza di risonanza dipende dallo spessore delle lamine, le limitazioni nella generazione di altissime frequenze sono dovute a due principali difficoltà: quella di ottenere lamine sottilissime e quella di accordare a frequenza molto alta il circuito del generatore elettrico che alimenta la lamina. Questa infatti, per spessori molto piccoli, presenta una capacità elettrica troppo elevata. Si può avere un vantaggio eccitando la lamina ad una frequenza armonica dispari della fondamentale, ma anche in questo modo non si possono superare frequenze di circa 100 MHz.

Un nuovo sistema di eccitazione è stato proposto recentemente. La fig. 4 mostra la disposizione sperimentale usata. L'estremità di una sbarretta rettangolare di quarzo, il cui asse x è orientato secondo la dimensione maggiore, è situata nel campo elettrico di una cavità coassiale in modo che il campo sia parallelo all'asse x; l'altra parte della sbarra si trova all'esterno. La cavità è del tipo usato nella tecnica delle microonde. Eccitando la cavità alla sua frequenza di risonanza, un'onda elastica viene generata nella sbarra. Quest'onda può essere rivelata sotto forma di segnale elettrico disponendo l'estremo libero della sbarrai in un'altra cavità identica.

L'eccitazione è fatta ad impulsi per distinguere il segnale elettromagnetico da quello acustico, che impiega un certo tempo a percorrere l'intera lunghezza della sbarra.

Il limite di frequenza raggiunto in queste esperienze è di 2500 MHz. Queste onde ultrasonore a frequenza altissima (ipersuoni) sono generate alla superficie del cristallo. Qui lo sforzo piezoelettrico dà origine ad uno spostamento che si propaga sotto forma di onda elastica all'interno del cristallo.

E stata anche constatata l'emissione di onde ipersonore trasversali da una sottile pellicola di nichel depositata sulla superficie terminale di una sbarretta di quarzo ed eccitata in una cavità risonante alla frequenza di risonanza ferromagnetica. La generazione di onde elastiche è dovuta, in questo caso, ad un caratteristico effetto di magnetostrizione.

L'impiego degli ipersuoni ha, per ora, interesse solo per le ricerche sulla struttura della materia.

Applicazioni degli ultrasuoni. - In tutte le applicazioni possiamo distinguere due fondamentali indirizzi: l'impiego degli u. come mezzo di azione ed il loro impiego come mezzo d'indagine.

a) Applicazioni scientifiche. - La velocità di propagazione e l'assorbimento degli u., che chiameremo costanti di propagazione, forniscono utili informazioni sulle proprietà molecolari e strutturali della materia.

Com'è noto, in un fluido, la velocità delle onde longitudinali è legata alla compressibilità adiabatica β_ad (o a quella isoterma β_is) e alla densità ρ dalla relazione:

dove γ è il rapporto dei calori specifici. Se la compressibilità isoterma è già nota, la misurazione della velocità permette di ricavare il valore di γ e del calore specifico a volume costante, che sono legati a loro volta alle forze intermolecolari ed ai gradi di libertà interni delle molecole.

D'altra parte, quando un'onda elastica si propaga in un mezzo si nota una graduale diminuzione dell'ampiezza di vibrazione o della pressione acustica, dovuta a dissipazione di energia nel mezzo. Se ci riferiamo ad un'onda piana e indichiamo con a l'inverso della distanza alla quale l'ampiezza di vibrazione si riduce ad 1/e (e essendo la base dei logaritmi naturali) dell'ampiezza iniziale, potremo scrivere: A_x = A₀^-ax, dove A_x rappresenta l'ampiezza di vibrazione alla distanza x dal punto in cui l'ampiezza è A₀. Il coefficiente di assorbimento α, solitamente espresso in cm^-1, dipende in generale dalla viscosità e dalla conducibilità termica del mezzo ed è proporzionale al quadrato della frequenza f dell'onda.

Il valore di a calcolato tenendo conto della viscosità e della conducibilità (tale coefficiente viene chiamato "classico") è tuttavia, per la maggior parte dei fluidi, molto più piccolo di quello dedotto sperimentalmente e inoltre la quantità e/f² non si mantiene indipendente dalla frequenza, come dovrebbe. Una delle cause di questa discrepanza risiede in un particolare fenomeno di rilassamento: l'onda comunica infatti alle molecole del mezzo una certa quantità di energia e questa viene distribuita in un primo tempo fra i varî gradi di libertà esterni (di traslazione) della molecola; poi, attraverso successive collisioni, si ripartisce fra i varî gradi di libertà interni della molecola (modi di vibrazione). Si può dimostrare che se il tempo necessario al raggiungimento dell'equilibrio energetico (tempo di rilassamento) è più grande del periodo dell'onda, l'assorbimento presenta un picco positivo nella banda di frequenza cui corrisponde un periodo prossimo al tempo di rilassamento. D'altra parte, per frequenze superiori alla banda suddetta alcuni gradi di libertà interni della molecola non risultano interessati, quindi la compressibilità diminuisce e di conseguenza aumenta la velocità di propagazione.

Questo meccanismo dell'assorbimento e della dispersione di velocità risulta abbastanza chiaro e confermato sperimentalmente nel caso dei gas, le cui molecole, situate a distanze relativamente grandi le une dalle altre, interagiscono solo durante le collisioni. Per le molecole dei liquidi, soggette invece a forti interazioni, il detto meccanismo non è altrettanto evidente e le cause di assorbimento non "classico" sono meno chiare, almeno alle frequenze facilmente riproducibili con le tecniche attuali. Per es., nel caso dell'acqua, per mettere in evidenza un fenomeno di rilassamento di questo tipo come causa di assorbimento anomalo, si dovrebbe operare a frequenze dell'ordine di 10⁶ MHz.

Ad ulteriore conferma dell'importanza che le misure delle costanti di propagazione hanno nello studio della fisica molecolare in generale e dello stato liquido in particolare, dobbiamo ricordare la cosiddetta "velocità sonora molare si R, definita dalla relazione R = Mc^I/3ρ, dove M è la massa molecolare, c, come si disse, la velocità di propagazione, ρ la densità. È stato constatato che questa grandezza si mantiene sensibilmente costante al variare della temperatura per tutti i liquidi puri ad eccezione dell'acqua. Tale grandezza rappresenta una proprietà additiva degli atomi e del tipo di legame che li tiene uniti nella molecola. Sono stati così calcolati gli incrementi di R relativi agli atomi di C, H, O, ecc., formanti le varie molecole.

Alcune molecole sono dotate di un forte momento di dipolo. sicché gruppi di molecole sono sollecitati da forze di natura elettrica a formare insiemi più compatti, noti con il nome di "associazioni", all'interno della massa liquida. In queste condizioni, la variazione di pressione prodotta dall'onda sonora determina una più grande variazione di volume, perché l'insieme compatto ha a disposizione uno spazio maggiore di quello che avrebbe nel caso di una distribuzione uniforme delle molecole. La compressibilità adiabatica risulta così aumentata e di conseguenza la velocità di propagazione diminuisce. Poiché l'agitazione termica ostacola la formazione di associazioni, l'aumento della temperatura del liquido tende a riportare la velocità ai valori corrispondenti all'assenza delle associazioni. Un esempio tipico è fornito dal comportamento dell'acqua, che è un liquido fortemente associato alle basse temperature. La velocità del suono aumenta con l'aumentare della temperatura fino a circa 74 °C, quindi diminuisce, come negli altri liquidi puri non associati.

Anche nel caso dei solidi, fenomeni connessi con la struttura microscopica del materiale influiscono sulle costanti di propagazione. Per es., le imperfezioni del reticolo cristallino del solido (dislocazioni) dovute a deformazioni permanenti fanno diminuire la velocità del suono a temperatura ordinaria. Il tempo impiegato dalle dislocazioni per cambiare posizione è molto piccolo, ma cresce al diminuire della temperatura, sicché ad una data frequenza si può trovare un valore della temperatura, di solito molto basso, per il quale il tempo impiegato dalle dislocazioni per seguire le oscillazioni dell'onda sonora (tempo di rilassamento) eguaglia il periodo dell'ultrasuono. In queste condizioni si notano notevoli aumenti del coefficiente di assorbimento (effetto Bordoni).

Altri possibili effetti di rilassamento nei solidi sono dovuti: a scambî di calore fra grani cristallini adiacenti che, a causa di anisotropia, sono sollecitati diversamente, durante la propagazione, oppure a mutui scorrimenti fra i grani in prossimità del punto di fusione. In ogni caso si notano variazioni dell'assorbimento ultrasonoro.

I metodi di misura delle costanti di propagazione sono basati essenzialmente sui fenomeni ottici che accompagnano la propagazione degli ultrasuoni, descritti nel precedente articolo, sulle tecniche interferometriche e su quelle ad impulso.

b) Applicazioni tecniche. - Recenti contributi si riferiscono alle prove non distruttive dei materiali e all'acustica subacquea.

Le prove non distruttive consistono principalmente nell'inviare un breve treno d'onde ultrasonore nel materiale in esame e nel rivelare le onde riflesse (eco) da eventuali falle o disomogeneità. Altre tecniche prevedono la rivelazione delle variazioni di trasmissione di ultrasuoni attraverso i pezzi meccanici difettosi oppure la misura dello spessore di lamiere accessibili da un solo lato, come, ad es., pareti di cisterne caldaie o cilindri di motori a combustione.

In linea di principio questi metodi non hanno subìto cambiamenti negli ultimi anni, ma solo perfezionamenti in alcuni dettagli tecnici.

Per ciò che concerne le applicazioni subacquee, gli u. sono da tempo impiegati per lo scandaglio e la rivelazione di oggetti sommersi come mine, sottomarini, banchi di pesce, ecc. La tecnica usata è quella cosiddetta SONAR (dall'ingl. Sound Navigation And Ranging). consistente nell'emissione di treni d'onda e rivelazione degli echi.

Portata e direttività sono le caratteristiche cui è rivolta l'attenzione dei tecnici. Una portata notevole richiede l'uso di u. di frequenza non troppo elevata, perché l'assorbimento del mezzo aumenta con il quadrato della frequenza. D'altra parte, una buona direttività nella trasmissione e ricezione richiede l'uso di frequenze elevate, in modo che la lunghezza d'onda sia piccola in confronto alle dimensioni del trasduttore. Il cono entro il quale è distribuita la maggior parte dell'energia ultrasonora emessa dal trasduttore ha infatti un semiangolo di apertura a definita dalla relazione: sen α = 1,22 D/λ. dove λ è la lunghezza d'onda e D è il diametro della superficie radiante del trasduttore. Tali considerazioni conducono ad un compromesso nella scelta della frequenza; questa è solitamente di qualche decina di kHz, variando entro questa gamma a seconda del particolare impiego.

Un notevole progresso è stato ottenuto nelle caratteristiche direttive componendo il proiettore ultrasonoro di tanti elementi magnetostrittivi o piezoelettrici separati fra loro ed alimentati in modo differente. Un esempio tipico di trasduttore magnetostrittivo ispirato a questo concetto è rappresentato schematicamente nella fig. 5. Graduando in modo opportuno l'eccitazione dei varî elementi, a partire dal centro del trasduttore, si può migliorare la direttività senza esser costretti ad aumentare la frequenza.

Una macchina di nuova progettazione è il trapano ad ultrasuoni. In esso l'utensile, invece di rotare, è posto in vibrazione estensionale ad alta frequenza (10 ÷ 20 kHz) e con l'ausilio di una sostanza abrasiva è capace di produrre in pezzi metallici, di vetro, ecc., bassorilievi o fori di sezione comunque complicata.

c) Applicazioni biologiche. - Alcuni effetti degli u. sui sistemi biologici sono da tempo noti e largamente utilizzati. Basterebbe qui ricordare la distruzione dei batterî e la ultrasuono terapia che ha spesso dimostrato la sua efficacia in alcune malattie. Tuttavia, solo recentemente lo sviluppo di una precisa strumentazione ha messo in evidenza l'enorme importanza che questa forma di energia potrebbe assumere in un settore molto più vasto di quello della ultrasuonoterapia così come oggi viene comunemente praticata.

Le ricerche fondamentali riguardano il meccanismo fisico di azione e le caratteristiche della propagazione ultrasonora nei tessuti biologici.

L'energia sonora può interagire con un sistema biologico in varî modi. Alle basse intensità l'unica importante interazione è rappresentata dall'assorbimento e dalla riflessione delle onde ultrasonore, mentre alle alte intensità si può avere una distruzione selettiva della struttura cellulare.

Con u. d'intensità elevata, anche se inferiore al limite per cui si ha la cavitazione (cioè la formazione di piccole cavità o bolle nel mezzo di propagazione), è possibile rompere legami relativamente forti all'interno di grosse molecole. Poiché queste rotture agiscono sull'ulteriore comportamento delle cellule, è stata studiata l'azione degli u. sui tumori. I tentativi di trattare certi tipi di neoplasie con u. di grande intensità (500 W/cm²) non hanno tuttavia dato risultati sicuri.

Un'altra applicazione riguarda il sistema nervoso centrale. Mediante l'uso di fasci ultrasonori concentrati in un'area estremamente ristretta del cervello (onde evitare i danni ai tessuti circostanti), si possono distruggere selettivamente le componenti neurali del sistema nervoso centrale lasciando intatto e funzionante il sistema vascolare. Le frequenze usate sono dell'ordine del MHz.

Gli u. rappresentano quindi un utile strumento per investigare l'anatomia e la fisiologia del sistema nervoso centrale e tutto lascia prevedere il successo di una vera e propria utrasuono-neurochirurgia.

Nel campo delle basse intensità ultrasonore, sono state sviluppate tecniche di visualizzazione delle strutture dei tessuti che si valgono del metodo degli impulsi ultrasonori in modo analogo al SONAR. Gli impulsi riflessi dalle varie parti di un tessuto aventi proprietà acustiche diverse vengono visualizzati in modo opportuno sullo schermo di un oscillografo a raggi catodici, dove possono indicare una caratteristica configurazione delle strutture esaminate. Tali tecniche si prestano alla localizzazione dei tumori ed allo studio del sistema vascolare.

Vogliamo infine segnalare che, valendosi di metodi di questo genere e qualora si riuscisse ad utilizzare ipersuoni di frequenza superiore ai 1000 MHz, si potrebbe forse realizzare una microscopia ad u. della struttura cellulare.

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