ULTRASUONI

ULTRASUONI

(XXXIV, p. 641; App. II, II, p. 1055; III, II, p. 1007; IV, III, p. 713)

L'interesse per gli u. si è rivolto nei tempi più recenti ad alcuni campi non prima sperimentati, dove oggi si prospettano interessanti applicazioni, e si è, in pari tempo, esteso in altri campi, già tradizionalmente coltivati, estendendo e ottimizzando in questi i parametri fisici in uso. Per i primi, tratteremo qui in sequenza le applicazioni degli u. alla microscopia acustica, ai motori acustici, alla termometria acustica e alla sonoluminescenza per cavitazione; per i secondi, ricorderemo gli interessanti sviluppi dell'emissione acustica allo studio delle fratture, la caratterizzazione delle transizioni di fase dei superconduttori mediante lo studio della propagazione elastica, gli aspetti teorici e le applicazioni della sonochimica, i temi della localizzazione delle onde acustiche in materiali complessi, tralasciando le più ovvie estensioni dei temi relativi all'ecografia (v. in questa Appendice), al trattamento del segnale (v. in questa Appendice) e alle prove non distruttive (v. in questa Appendice).

Microscopia acustica. - Con tale tecnica si ottiene la ricostruzione dell'immagine delle discontinuità di tipo elastico presenti su una generica sezione piana di un oggetto, secondo il principio del radar elettromagnetico, o del sonar acustico − rivelando cioè l'ampiezza di un breve impulso inviato nello spazio, o nel corpo, da visualizzare −, ma per un campo di lunghezze d'onda assai più piccole.

Il microscopio acustico comprende un generatore di u., costituito in genere da uno strato sottile piezoelettrico di ossido di zinco, dello spessore di pochi μm e del quale è controllata con precisione l'orientazione cristallografica, depositato su una delle due facce piane di un cilindretto di materiale assai poco assorbente, come per es. lo zaffiro, precedentemente metallizzata. Si possono, in questo modo, raggiungere frequenze sino a 1 GHz, cui corrispondono lunghezze d'onda dell'ordine del μm. Ne consegue che la risoluzione spaziale massima raggiungibile, limitata dalla diffrazione, è anch'essa dell'ordine del μm. Questa risoluzione si ottiene interponendo fra la sorgente degli u. e l'oggetto da esaminare un diottro, o lente, di focalizzazione (v. fig. 1). Il fascio viene quindi trasmesso all'oggetto attraverso un liquido di accoppiamento interposto tra la lente e l'oggetto. L'impulso ultrasonoro riflesso, o trasmesso, dall'oggetto viene ricevuto dallo stesso trasduttore che lo ha generato (in riflessione) o da un altro identico a questo (in trasmissione) (v. anche microscopio: Microscopia acustica, in questa Appendice).

Motori acustici. - Motore meccanico. Con materiali piezoelettrici opportunamente sagomati e pilotati elettricamente è possibile ottenere in modo continuo spostamenti di un asse, per es., lungo la propria direzione di sviluppo, controllandone con grande precisione la posizione. In tal modo, si può realizzare un movimento uniforme con un metodo già ampiamente usato per realizzare spostamenti micrometrici con trasduttori piezoelettrici.

La realizzazione pratica di detti motori (chiamati usualmente worm-inches) è rappresentata schematicamente nella fig. 2. Il movimento dell'asse nella direzione di sviluppo si realizza sfruttando ciclicamente e sincronicamente la presa dell'asse stesso con le ganasce aa, che si chiudono per eccitazione piezoelettrica, e il successivo spostamento nella direzione dello sviluppo dell'asse in un verso (quello delle x positive, verso destra, nella figura), dovuto alla presa delle ganasce bb; il rilascio, quindi, dell'asse da parte delle ganasce aa e il ritorno contemporaneo delle bb a sinistra completano il ciclo del motore, con conseguente avanzamento dell'asse nella direzione x.

Motore termodinamico. Il ciclo termodinamico cui è soggetta una particella di un mezzo materiale durante il passaggio di un'onda elastica può essere utilmente sfruttato per la realizzazione di macchine termiche frigorifere. Si sono già realizzate macchine che sfruttano la propagazione di onde elastiche in aria o in un gas a bassa conducibilità termica (elio), e con esse si sono prodotti gradienti termici di alcune decine di gradi, e potenze di lavoro di alcune decine di watt.

Durante il passaggio di un'onda elastica in un mezzo − che supponiamo, per semplicità, aeriforme − una particella di fluido viene compressa adiabaticamente, con conseguente innalzamento della temperatura, e traslata in pari tempo di un piccolo tratto nella direzione di propagazione dell'onda. Se si suppone che in questa fase del ciclo la particella possa scambiare calore con una sorgente opportunamente dislocata (costituita, in pratica, da una lamina di materiale plastico avvolta più volte su se stessa a spirale, così da aumentare l'area della superficie di contatto col gas), essa cederà calore alla parete, tornando alla temperatura di equilibrio iniziale; successivamente, nella seconda fase del ciclo acustico e termodinamico, essa tornerà alle condizioni iniziali attraverso un'espansione − accompagnata da relativo raffreddamento − e una traslazione alla posizione di partenza. Se si suppone, ancora una volta, che in questa fase del ciclo essa possa di nuovo scambiare calore con la parete laminare con cui è a contatto, si vede facilmente come in tal modo si possano e in realtà si siano potute creare le condizioni di principio per la realizzazione di una macchina frigorifera, che trasferisce calore da un estremo della lamina all'altro.

Termometria acustica. - La rivelazione della radiazione elastica di corpo nero di un oggetto immerso in un ambiente a temperatura diversa si può impiegare utilmente per determinare in modo non invasivo la temperatura del corpo immerso o la sua differenza di temperatura con l'ambiente circostante. L'applicazione al campo biomedico per la diagnostica di processi infiammatori di organi interni del corpo umano è ora in corso.

In tal caso, la rivelazione, effettuata per radiazioni di lunghezze d'onda confrontabili con la distanza d'immersione del corpo in esame nell'ambiente circostante (dell'ordine del cm), è resa particolarmente difficile dal rumore termico irraggiato dall'ambiente, che è di parecchi ordini di grandezza superiore al livello del segnale da rivelare. Per temperature, infatti, dell'ordine della temperatura del corpo umano, o anche dell'ambiente, le frequenze in questione (MHz) cadono nella prima parte della curva della distribuzione delle ampiezze di Planck. Le procedure in atto che si stanno perseguendo prevedono una rivelazione differenziale del campo di radiazione, da attuarsi per raffronto tra la radiazione proveniente da parte di un determinato oggetto di riferimento e quella dell'oggetto in misura.

Sonoluminescenza. - La sonoluminescenza indotta in un liquido da u. di potenza opportuna ha conseguito di recente risultati di rilevante interesse. La luminescenza, com'è noto, consiste nell'emissione di radiazione luminosa da parte di una cavità gassosa, o microbolla, che implode dopo successive contrazioni e dilatazioni indotte dal campo oscillante di pressione sonora nel liquido.

Per una certa gamma di valori dei parametri fisici, quali la temperatura del bagno, l'ampiezza di oscillazione della pressione, la quantità di gas disciolto nel liquido, e conseguentemente il raggio medio della bolla cavitante, si verifica un'emissione di radiazione elettromagnetica, che cade nella banda del visibile e dell'ultravioletto e che presenta caratteristiche di coerenza assai elevate: gli impulsi di luce vengono emessi in lampi di durata inferiore a 10⁻¹⁰ s e con cadenza ripetitiva molto precisa. In corrispondenza, la temperatura calcolata all'interno della bolla al momento del collasso può raggiungere valori dell'ordine di 10⁵ K.

Emissione acustica. - Questo tema, già noto da tempo e già in uso come metodo d'indagine per strutture sottoposte a sforzi, si è legato recentemente con quello della cosiddetta teoria SOC (Self Organized Criticality) per la possibile analisi o previsione del comportamento di strutture in condizioni di sforzo. In condizioni di equilibrio dinamico, o comunque stazionarie, infatti, l'emissione di energia da parte di strutture che si trovino localmente in condizione di collasso per accumulo costante di energia e improvviso rilascio di quantità diverse, sembra seguire una legge di potenza, con distribuzione frattale, quindi, degli eventi che presentino una determinata ampiezza dell'energia rilasciata. Lo scostamento da tale legge di potenza suggerisce oggi, in via empirica, che ci sia nella struttura uno scostamento dalle condizioni di stazionarietà (o critiche), che ci si propone di verificare su scale dimensionali maggiori (in sismologia), o minori (nella fisica dello stato solido).

Cambiamenti di fase. - Nello studio delle transizioni di fase è di notevole interesse qualunque informazione relativa alle caratteristiche della propagazione elastica (velocità o assorbimento) nelle condizioni vicine a quelle della transizione. In particolare, per la transizione conduttore-superconduttore di un materiale alle basse temperature, le indicazioni derivanti da misure della propagazione elastica sono di utile suggerimento per l'individuazione dei piani cristallini dove si può avere trasporto elettronico a resistenza nulla.

Localizzazione. - L'analogia del comportamento della propagazione delle onde elastiche e di quelle elettromagnetiche, o sinanche di quelle di probabilità di una particella, si estende al fenomeno della localizzazione dell'energia di propagazione in strutture debolmente disordinate. Lo studio è stato ampiamente seguito su materiali artificialmente prodotti, in particolare su composti ceramici, e sembra attualmente promettere interessanti interpretazioni del comportamento di alcuni materiali naturali non cristallini (porosi, vetrosi, ecc.), relativamente alla conducibilità termica ed elettronica, dove le proprietà del trasporto debbono necessariamente tenere in conto eventuali effetti di localizzazione spaziale dei modi acustici. Questo argomento si lega in modo naturale, anche se non diretto né di facile interpretazione, a quello del comportamento non lineare elastico dei materiali, fornendo spunti nuovi, di rilevante interesse, all'analisi interpretativa delle proprietà di assorbimento elastico dei mezzi materiali.

Sonochimica. − L'irraggiamento di u. in un liquido contenente microcavità ripiene di un gas in soluzione nel liquido dà luogo, per un'intensità del campo superiore a un opportuno valore di soglia, al noto fenomeno della cavitazione ultrasonora, consistente in successive dilatazioni e contrazioni della bolla, fino alla sua finale implosione. In condizioni particolari la bolla che implode dà luogo a sonoluminescenza (v. sopra), ma all'implosione si accompagnano comunque fenomeni termodinamici di grande interesse, per il raggiungimento locale di pressioni, velocità di contrazione e temperature dell'ordine, rispettivamente, di migliaia di atmosfere, di metri al secondo e di gradi. A queste estreme condizioni possono avvenire reazioni chimiche non altrimenti facilmente ottenibili: la sonochimica propone quotidianamente risultati di notevole interesse dal punto di vista sia teorico sia applicativo nell'ambito della sintesi di sostanze organiche e, comunque, d'interesse per le biotecnologie, delle reazioni inorganiche in generale e della formazione di polimeri. Di recente sono stati anche ottenuti materiali amorfi, tra cui il ferro, che tendono naturalmente a cristallizzare, non fosse per la rapidissima variazione temporale delle condizioni termiche in spazi assai limitati.

Bibl.: Elastic waves and ultrasonic non destructive evaluation, a cura di S.K. Datta, J.D. Achenbach, Y.S. Rajapakse, Amsterdam 1990; Power transducers for sonics and ultrasonics, a cura di B.F. Hamonic, O.B. Wilson, J.-N. Decarpigny, Berlino 1990; Acoustic sensing and probing, a cura di A. Alippi, Singapore 1991.