ULTRASUONI

ULTRASUONI (XXXIV, p. 641, App. II, 11, p. 1055; III 11, p. 1007)

Nel recente progresso dell'ultracustica si possono distinguere:1) nuovi dispositivi di generazione e ricezione (trasduttori); 2) l'impiego degli u. come mezzo d'indagine nelle ricerche sulla struttura della materia; 3) nuove applicazioni tecnologiche.

Trasduttori ultracustici. - Nella costruzione di gran parte dei trasduttori ultracustici s'impiegano nuove ceramiche piezoelettriche che hanno quasi del tutto sostituito, nelle applicazioni più diffuse, le lamine di cristallo di quarzo e quelle di titanato di bario. Tali ceramiche, realizzate con una tecnologia analoga a quella utilizzata per il titanato di bario, hanno come costituente fondamentale zirconatotitanato di piombo e sono indicate nella terminologia tecnica con la sigla PZT. Esse prevalgono per le ottime caratteristiche piezoelettriche e tecnologiche, ma non sono indicate per funzionare nella gamma delle frequenze superiori a qualche diecina di MHz, dove invece la lamina di quarzo resta ancora uno dei migliori trasduttori.

Per quanto riguarda il trasduttore nel suo insieme, un'innovazione nelle applicazioni subacquee è costituita dall'impiego di elementi composti, costituiti da masse metalliche opportunamente sagomate fra le quali sono fissate una o più coppie di piastre ceramiche mediante un bullone assiale, come mostrato in fig.1, che ne assicura un'elevata compressione. È stato infatti constatato che la precompressione delle ceramiche piezoelettriche migliora molto il rendimento del trasduttore. I segni + e − stanno a indicare genericamente il verso della polarizzazione delle ceramiche, che devono essere disposte con superficie omologhe affacciate. Si nota inoltre che l'estremità del trasduttore destinata a irraggiare presenta un graduale aumento di sezione per motivi di adattamento d'impedenza al mezzo di propagazione. Il trasduttore illustrato che, grazie alle proprietà inverse della piezoelettricità, funziona anche da ricevitore, può essere usato singolarmente o associato a un certo numero di elementi identici disposti in parallelo al fine di aumentare la potenza e la direttività del fascio ultrasonoro emesso.

Il criterio dell'adattamento d'impedenza, conseguito aumentando la superficie radiante del trasduttore, ha indotto a studiare la possibilità di usare estese piastre metalliche circolari poste in vibrazione da un unico elemento vibro-motore che ne eccita la parte centrale. La difficoltà consiste nel fatto che, per una data frequenza, aumentando il diametro della piastra, essa non oscilla più come un tutto unico a guisa di pistone, ma s'incurva dando luogo a modi di vibrazione flessionali. La piastra diviene così suddivisa in un numero crescente di corone circolari, che oscillano in opposizione di fase rispetto a quelle contigue. La radiazione emessa non è quindi coerente e il diagramma di direttività si allarga disperdendo il fascio ultrasonoro emesso. Un accorgimento è quello di riportare in fase tutta la radiazione creando fra le porzioni oscillanti in controfase un dislivello in forma di scalino pari a mezza lunghezza d'onda dell'u. emesso. In fig. 2 sono rappresentate schematicamente le onde emesse da una piastra piana (A₀, A₁, A₂, A₃ ...) e quelle emesse dalla piastra modificata (A_o, A_I′, A₂′, A₃′) che risultano tutte in fase fra loro. La fig. 3 mostra l'effetto di tale modifica sui diagrammi di direttività del fascio di u. irradiato.

Un tipo di propagazione ultrasonora che sta assumendo importanza in vista delle sue possibili applicazioni nelle tecniche del trattamento di segnali (v. optoelettronica, in questa App.) concerne le onde acustiche superficiali. L'esistenza di onde elastiche che si muovono sulla superficie libera di un solido, analogamente a quanto si verifica alla superficie libera dei liquidi, fu previsto da Lord Rayleigh nel 1885. In tali onde, il moto delle particelle, che avviene secondo orbite ellittiche in un piano perpendicolare alla superficie e parallelo alla direzione di propagazione, è limitato a un sottile strato superficiale, di spessore all'incirca eguale a una lunghezza d'onda.

Vari tipi di trasduttori sono stati proposti per generare e ricevere le onde superficiali nei solidi, ma quelli basati sui fenomeni piezoelettrici sono oggi ritenuti i più adatti; fra essi, il trasduttore interdigitale (detto anche "a pettine") è quello maggiormente impiegato.

La fig. 4 mostra un tale dispositivo nella sua forma più semplice: sulla superficie di una lamina piezoelettrica, generalmente parallela all'asse elettrico del cristallo, vengono stampati gli elettrodi con lo stesso procedimento fotolitografico usato nelle tecniche di metallizzazione dei circuiti integrati. Nella parte inferiore della figura è indicata la configurazione delle linee di forza del campo elettrico durante una fase dell'eccitazione.

Lo sforzo di natura piezoelettrica generato fra le "dita" dei due pettini opposti crea la deformazione superficiale che dà luogo all'onda. I supporti piezoelettrici comunemente usati sono: il quarzo ST, Bi₁₂GeO₂₀, Li NbO₃. Ognuno di essi ha caratteristiche differenti che lo rendono utile a diversi fini. Per es., il quarzo ST ha il più basso coefficiente di temperatura, il germanato di bismuto presenta la più bassa velocità per le onde superficiali (1650 m/sec), il niobato di litio ha il più alto coefficiente di accoppiamento elettromeccanico e una velocità per le onde superficiali di 3480 m/sec.

La frequenza di risonanza del trasduttore è f₀ = c/l, ove c è la velocità delle onde superficiali e l la lunghezza "periodica" del trasduttore (fig. 4). Le frequenze più usate sono di alcune centinaia di MHz, ma le progredite tecniche di stampaggio degli elettrodi consentono di raggiungere il GHz. L'eccitazione può anche essere fatta con un solo breve impulso elettrico e in tal caso la forma interdigitale genera un pacchetto di tante onde superficiali quante sono le "dita" di ciascun "pettine".

La rivelazione del segnale superficiale può essere conseguita a mezzo di un trasduttore identico al generatore, come è mostrato nella fig. 4, ma può anche essere ottenuta mediante l'interazione acustico-ottica. L'onda di Rayleigh, corrugando sinusoidalmente la superficie ed essendo di lunghezza d'onda sufficientemente piccola, si comporta come un reticolo ottico di fase; se ne ricostruisce l'immagine utilizzando la luce da esso diffratta con un dispositivo ottico analogo a quello usato per la visualizzazione di un fascio ultrasonoro in un liquido trasparente (App. II, 11, p. 1055).

Una delle prime applicazioni delle onde superficiali è stata la costruzione di normali linee di ritardo; successivamente, costruendo i pettini con particolari distribuzioni delle spaziature interdigitali si sono ottenute linee di ritardo dispersive (nelle quali il tempo di ritardo dipende dalla frequenza) e filtri di banda, utili nella gamma da 100 MHz a 1 GHz, dove i classici filtri LC sono di difficile attuazione.

Molte altre operazioni, normalmente affidate all'elettronica, possono essere vantaggiosamente compiute dalle onde di Rayleigh.

Per quanto riguarda l'interazione acustico-ottica sono stati sperimentati dispositivi di scansione per la rivelazione delle immagini e in un campo affine è da ritenere che l'impiego delle onde superficiali possa risolvere molti dei problemi connessi con la trasmissione dei segnali nelle guide ottiche in ottica integrata.

Tecniche ultracustiche per studi di strutture. - Un notevole sviluppo si è verificato nello studio del comportamento elastico dei solidi in funzione della loro particolare struttura interna. Sostanzialmente le informazioni sono ricavate dalla misura delle costanti di propagazione di un'onda elastica che si trasmette in provini di forma opportuna a frequenze che possono variare, a seconda delle informazioni richieste e delle tecniche di misura usate, da frazioni di Hz fino a quelle della più alta gamma ultrasonora e in un vasto intervallo di temperatura. Le costanti di propagazione, ovvero velocità e assorbimento, sono infatti legate alle proprietà elastiche e dissipative del mezzo. Fra i metodi di misura si distinguono quelli a impulsi, particolarmente impiegati nel campo delle più alte frequenze e quelli a onda continua, che presentano una maggiore versatilità. In questo caso il provino, posto sempre nel vuoto, viene eccitato sulla frequenza corrispondente a uno dei suoi modi di vibrazione e dalla misura della frequenza di risonanza si ricavano le caratteristiche elastiche del materiale. La dissipazione interna dell'energia viene invece dedotta dalla misura del coefficiente di risonanza o dalla curva di decadimento ottenuta interrompendo l'eccitazione del provino.

Lo studio del moto delle dislocazioni, o di difetti puntiformi, dovuto alla propagazione dell'onda elastica, le indagini sull'interazione fra atomi sostituzionali e interstiziali di alcune leghe, sulla diffusività termica, sugli effetti dei trattamenti termici e meccanici, sul drogaggio dei metalli con atomi d'idrogeno, tutte rivolte al miglioramento delle proprietà tecnologiche dei materiali oltre che alla conoscenza dei fenomeni, sono resi possibili da un'accurata metodologia ultracustica.

Un fenomeno che negli ultimi anni è stato oggetto di una crescente attenzione per le informazioni che è in grado di fornire sulla natura dei difetti microscopici e macroscopici è l'("emissione acustica". Esso si verifica nei solidi in particolari condizioni d'instabilità locale istantanea e consiste nella generazione d'impulsi di onde elastiche aventi un esteso spettro di frequenza, spesso intenso nella gamma ultrasonora.

La strumentazione per la rivelazione dei fenomeni di emissione acustica si compone sostanzialemnte di trasduttori di ricezione piezoelettrici, associati a un complesso di analizzatori di spettro e statistici dei segnali ricevuti.

L'emissione acustica è un valido strumento d'indagine sulla deformazione dei materiali; si verifica durante le trasformazioni di fase e le trasformazioni martensitiche, dove si riscontrano sorgenti di emissione particolarmente numerose. Varie ipotesi indicano i moti delle dislocazioni quali possibili sorgenti dell'emissione acustica.

Anche i materiali compositi rinforzati da fibre o particelle (per es., le resine epossidiche rinforzate da fibre di vetro) sono stati studiati sotto il profilo dell'emissione acustica. Il comportamento di questi materiali sottoposti a sforzi è assai complicato, ma le tecniche dell'emissione acustica possono vantaggiosamente caratterizzarne i processi di microfrattura durante le deformazioni.

Il controllo operato in modo automatico e continuo mediante la rivelazione dell'emissione acustica è stato impiegato per fornire precise informazioni sull'integrità delle più svariate strutture, dai contenitori a pressione nell'industria nucleare e petrolifera all'involucro dei motori a razzo, dai ponti agli edifici, ecc.

Per quanto concerne l'impiego degli u. nello studio dello stato fluido, l'interesse dei ricercatori si è in particolare rivolto negli ultimi anni alle tramizioni di fase e ai punti critici: l'attenuazione degli u. e la sua dipendenza dalla frequenza e dalla temperatura forniscono infatti informazioni dirette sui meccanismi fisico-chimici implicati in tali fenomeni.

Applicazioni tecnologiche degli ultrasuoni. - Dal punto di vista tecnologico, le applicazioni degli u. sono in continuo progresso; le più importanti riguardano attualmente la medicina.

Com'è noto, la diagnostica medica a mezzo di u. rappresenta uno strumento d'indagine molto efficace per evidenziare la struttura degli organi interni e in molti casi le loro modificazioni patologiche. Le immagini ottenute mediante u. forniscono informazioni, talora complementari, talora competitive, ma in molti casi superiori a quelle fornite dai raggi X. Inoltre, mentre la radiazione X è da considerarsi in ogni caso un mezzo di azione che può modificare la struttura intima della cellula a causa della sua azione ionizzante, gli u., per quanto concerne le tecniche di visualizzazione, possono avere intensità così limitate da doversi considerare del tutto innocui. Nell'indagine con i raggi X viene sfruttato l'assorbimento differenziato della radiazione dovuto alle variazioni di densità del mezzo attraversato, e quindi l'immagine è ottenuta per trasparenza. Il metodo ultrasonoro si avvale invece del diverso potere riflettente delle varie strutture dovuto alle variazioni delle proprietà elastiche e l'immagine è ottenuta per riflessione degl'impulsi ultrasonori.

La tecnica utilizzata, analoga a quella del SONAR (v. ultrasuoni, App. III, 11, p. 1007), è basata sulla ricezione dei segnali di eco che, mediante un adeguato trattamento elettronico, ricostruiscono sullo schermo di un tubo a raggi catodici l'immagine di una sezione dell'organo in esame.

L'impegno tecnologico più recente si è rivolto al conseguimento della "scala dei grigi", vale a dire alla possibilità di graduare, nelle immagini, l'evidenza dei particolari in dipendenza del rispettivo potere riflettente e alla presentazione dell'immagine in tempo reale. E quest'ultimo un risultato di grande interesse perché consente di studiare direttamente gli organi interni durante il loro movimento (ciò è particolarmente utile nel caso del cuore).

A tal fine, i progetti più avanzati prevedono l'uso di un trasduttore multielemento costituito da una serie di minuscole sbarrette piezoelettriche alimentate separatamente. Mediante un'opportuna distribuzione delle ampiezze e dei ritardi degl'impulsi elettrici che alimentano le singole sbarrette, il fascio ultrasonoro può essere focalizzato a distanze variabili in modo da consentire una migliore risoluzione lungo l'asse acustico. Inoltre variando la distribuzione suddetta secondo un adatto programma, si ottiene una veloce scansione dell'asse acustico sul piano della sezione di cui si vuol costruire l'immagine.

In chirurgia sono stati sperimentati con successo ferri chirurgici a u., costituiti da una sbarra di lega di titanio posta in vibrazione di risonanza da un elemento piezoelettrico o magnetostrittivo e munita di un gambo di sezione più piccola (trasformatore di velocità) cui vengono applicati il bisturi per l'operazione sui tessuti molli, la sega o lo scalpello per l'intervento sulle ossa. La frequenza usata è di alcune diecine di kHz e l'ampiezza di vibrazione dell'attrezzo chirurgico può variare da 15 a 60 μm. La vibrazione ultrasonora fa diminuire molto la forza necessaria al taglio (circa 5 ÷ 10 volte) che a sua volta attenua il trauma dell'effetto chirurgico. L'uso del bisturi ultrasonoro riduce inoltre le emorragie in particolari tipi di operazioni, esplica un'azione battericida e produce un effetto analgesico.

Un'altra importante applicazione biologica degli strumenti a u. è la osteosintesi, la cosiddetta "saldatura delle ossa". Fra i frammenti ossei da saldare viene interposto uno speciale monomero liquido (ciacrina) che sotto l'effetto di un'intensa vibrazione ultrasonora, prodotta applicando sulla frattura l'estremità dell'attrezzo, avente la forma di una piatta lama, polimerizza in pochi secondi producendo un callo osseo artificiale.

L'impiego delle onde ultrasonore si è dimostrato assa. i utile nella misura della velocità dei fluidi. Il metodo ultrasonoro si presta a misurazioni rapide e precise sostituendo con vantaggio, in molte applicazioni, i metodi che utilizzano organi meccanici in movimento (flussometro a elica) o fili percorsi da corrente elettrica (flussometro a filo caldo). Questi sistemi per la loro inerzia sono infatti poco sensibili a rapide variazioni della velocità del flusso.

Il principio del flussometro a ultrasuoni si basa sul fatto che un fluido in movimento con velocità v incrementa la velocità c dell'onda che in esso si propaga; se le due velocità hanno la stessa direzione, la velocità dell'u. diviene c + v o c − v a seconda che suono e fluido si muovano nello stesso verso o in verso opposto.

Al fine di aumentare la precisione della misura si suole utilizzare la propagazione degli u. nei due versi del moto del fluido. Lo schema secondo il quale sono disposti i trasduttori è quello indicato in fig. 5, che meglio si adatta al criterio di non frapporre ostacoli al libero movimento del fluido. Le onde ultrasonore generate dai due trasmettitori T₁ e T₂ pervengono ai ricevitori R₁ e R₂ modificate dal movimento del fluido. Appare chiaro dallo schema della figura che in tal caso si evidenzia la componente della velocità del fluido secondo la direzione della propagazione sonora (v cos α).

I metodi di misura più usati sono quelli a differenza di fase, a reazione elettroacustica e a effetto Doppler.

Nel primo tipo viene misurata, mediante un fasometro elettronico, la differenza di fase Δϕ tra le onde ultrasonore che, generate in identiche condizioni, arrivano ai ricevitori. Da essa si ricava, con semplificazioni che introducono errori trascurabili, la velocità del fluido v = c²Δϕ/(4πf l cos α), essendo f la frequenza degli u. ed l il percorso delle onde ultrasonore nel fluido in movimento.

Nel flussometro a reazione elettroacustica si sfrutta l'effetto di autoscillazione che prende origine quando un trasmettitore e un ricevitore affacciati sono connessi rispettivamente all'uscita e all'entrata di un amplificatore lineare.

La frequenza corrisponde a uno dei modi di oscillazione della colonna fluida, compresa fra i trasduttori. Essi sono dovuti all'instaurarsi di sistemi di onde stazionarie, ma poiché il circuito elettroacustico deve oscillare su una determinata frequenza, il modo prescelto sarà selezionato da un adatto filtro elettrico.

In queste condizioni la frequenza di oscillazione è f = n c/l, essendo n il numero di lunghezze d'onda contenute nella colonna fluida, e se il liquido è in moto con velocità v si avrà f = n(c ± v)/l, dove il segno ± sta a indicare il verso concorde o discorde delle due velocità. Anche in questo caso i trasduttori sono in generale situati come in fig. 6 e le due coppie T₁R₁ e T₂R₂ fanno capo a due amplificatori identici. La differenza di frequenza, che si verifica fra i due sistemi quando il liquido è in movimento, è Δf = 2n v cos α/l, da cui v = lΔf /(2n cos α). Si nota che il dato fornito non risente della velocità del suono c e questo è un motivo che conferisce al metodo una notevole precisione.

La flussometria che si basa sull'effetto Doppler (variazione della frequenza di un suono dovuta al movimento relativo fra sorgente e ricevitore) ha possibilità applicative nei liquidi che presentano disomogeneità naturali capaci di operare una notevole diffusione delle onde elastiche. Se infatti un fascio di u. si propaga in un tal liquido in movimento, una parte dell'energia, diffusa dalle disomogeneità con esso trascinate, torna verso la sorgente e, ricevuta da un trasduttore a essa affiancato, presenta per effetto Doppler una frequenza f diversa da quella originaria f₀. Poiché l'effetto si manifesta due volte, sia all'arrivo dell'onda sulla disomogeneità sia alla partenza da essa, come se fosse una nuova sorgente in movimento, la variazione di frequenza può, con ottima approssimazione, esser fornita da: ∣ f − f₀ ∣ = Δf = 2v f₀/c da cui v = cΔf/(2f₀)

La flussometria Doppler ha larga diffusione nello studio della circolazione del sangue traendo vantaggio dalla buona diffusività degli u. da parte delle emazie disperse nel liquido sanguigno. Poiché alle frequenze usate in questa applicazione (oltre 10 MHz) si ottengono fasci ultrasonori assai ristretti, è possibile, con adeguate tecniche, rilevare anche il profilo della velocità del sangue attraverso le grosse arterie come l'aorta o la carotide.

Altre applicazioni tecnologiche dell'ultracustica sono prevedibili in un prossimo futuro. Fra esse il promettente impiego di un'olografia a u. nelle prove non distruttive è ancora oggetto di approfondimento nei laboratori di ricerca.

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