Ultrasunetele

Categoria: Referat Fizica

Descriere:

Dintre vibratiile sonore care ies din limitele de audibilitate ale urechii omenesti, de un mare interes, din punct de vedere practic, sunt ultrasunetele, adica sunetele a caror frecventa este mai mare de 20 000 Hz...

ULTRASUNETELE

         Dintre vibraţiile sonore care ies din limitele de audibilitate ale urechii omeneşti, de un mare interes, din punct de vedere practic, sunt ultrasunetele, adică sunetele a căror frecvenţă este mai mare de 20 000 Hz.
         Orientarea liliecilor, spre exemplu, se bazează pe faptul că aceştia emit semnale ultrasonore scurte de frecvenţe între 30 – 60 kHz. Liliacul în zbor emite în medie cca. 30 semnale pe secundă. O parte din acestea sunt recepţionate de urechile mari ale liliacului sub formă de semnale ecou, după un timp cu atât mai scurt cu cât obstacolul este mai aproape. Pe măsura apropierii de obstacol liliacul emite din ce în ce mai multe semnale într-o secundă ajungând ca de exemplu la un metru de obstacol să emită până la 60 semnale pe secundă. Aceasta permite liliacului să simtă precis poziţia sa faţă de obstacole.
         Importanţa practică a ultrasunetelor este legată de lungimea de undă mică a acestora. Din această cauză, de exemplu, ultrasunetele pot fi emise şi se propagă ca şi razele de lumină sub formă de fascicule, spre deosebire de sunetele obişnuite care se împrăştie în toate direcţiile. Astfel se constată experimental că dacă lungimea undei emise este mai mică decât dimensiunile liniare ale sursei unda se va propaga în linie dreaptă sub formă de fascicul. În afară de aceasta, datorită lungimii de undă mici, fenomenul de difracţie (ocolirea obstacolelor) nu apare decât pentru obstacolele de dimensiuni foarte mici în timp ce sunetele obişnuite ocolesc practic aproape orice obstacol întâlnit în cale.
         Ultrasunetele suferă reflexia şi refracţia la suprafaţa de separare a două medii diferite la fel ca undele luminoase. Folosind acest fenomen au fost construite oglinzi concave sau lentile speciale care să concentreze într-un punct fascicule de ultrasunete.
         Deoarece intensitatea undelor sonore este proporţională cu pătratul frecvenţei, energia transportată de ultrasunete este mult mai mare decât energia sunetelor de aceeaşi amplitudine. Pe de altă parte în cazul ultrasunetelor fenomenul de absorbţie care apare la propagarea tuturor oscilaţiilor elastice devine foarte important. Intensitatea undei elastice scade cu distanţa de la sursă după o lege exponenţială I = I0 e-kr. Se poate arăta atât teoretic cât şi experimental că k depinde atât de caracteristicile mediului (densitate, vâscozitate, căldură specifică etc.) cât şi de frecvenţa undei care se propagă crescând cu pătratul frecvenţei. Din această cauză practic nu putem obţine propagarea ultrasunetelor, de exemplu în aer, la o distanţă mai mare de un kilometru. Mai mult, un ultrasunet de o frecvenţă de cca. 3000 kHz este practic absorbit complet, la o distanţă de cca. 0,6 cm. În lichide coeficientul de absorbţie este de 2-3 ordine de mărime mai mic decât în aer, iar în solide şi mai mic, intensitatea ultrasunetelor fiind mult mai puţin atenuată.
         Un fenomen interesant care apare la propagarea ultrasunetelor în lichide este fenomenul de cavitaţie care constă în apariţia unor bule care se ridică la suprafaţă şi se sparg. Aceasta se explică prin faptul că dilatările şi comprimările extrem de rapide care se succed în lichid duc la apariţia unor mari tensiuni în anumite zone care fac să se "rupă" moleculele de lichid. Astfel iau naştere bulele care conţin vaporii şi gazele dizolvate în lichid. Bulele mici se contopesc în bule mai mari care încep să vibreze şi apoi se sparg dând naştere unor presiuni locale foarte mari care se manifestă sub formă de şocuri hidraulice în volume foarte mici. Deteriorarea paletelor turbinelor şi a elicelor vapoarelor se explică prin fenomenul de cavitaţie produs de ultrasunetele generate de vibraţiilor maşinilor.
         Înainte de a discuta câteva din aplicaţiile practice ale ultrasunetelor să vedem cum pot fi produse. Vom trece peste procedeele mecanice (fluier ultrasonor, sirena ultrasonoră) şi termice (cu ajutorul vibraţiilor unui arc electric) deoarece ultrasunetele produse de acestea au în genere amplitudini mici şi sunt mai puţin importante practic. Să analizăm generatorul piezoelectric. Efectul piezoelectric constă în faptul că supunând un cristal la deformări de tracţiune sau comprimare după anumite direcţii, pe feţele sale apar sarcini electrice egale de semne contrare care îşi schimbă rolul dacă înlocuim tracţiunea prin comprimare şi invers. Există şi efectul piezoelectric invers sau electrostricţiunea, pe care se bazează producerea ultrasunetelor, care constă în dilatări şi comprimări succesive ale cristalului sub acţiunea unui câmp electric alternativ.
         Partea esenţială a generatorului constă dintr-o lamă piezoelectrică de obicei de cuarţ pe feţele căreia sunt aplicaţi doi electrozi, sub forma unor straturi subţiri metalice, legaţi la o sursă de tensiune alternativă. Sub acţiunea câmpului electric alternativ lama începe să vibreze cu o frecvenţă egală cu cea a tensiunii aplicate. Vibraţiile lamei sunt transmise în mediul înconjurător sub formă de ultrasunete. Cu astfel de generatori se poate ajunge până la frecvenţe de cca. 150 000 kHz şi la intensităţi ale radiaţiei ultrasonore de la câteva zeci de waţi pe cm2 până la câteva sute de waţi pe cm2.
         Se pot produce ultrasunete şi cu ajutorul efectului magnetostrictiv care constă în deformarea corpurilor feromagnetice (fier, nichel, cobalt) sub acţiunea unui câmp magnetic. Introducând o bară dintr-un astfel de material (Ni) într-un câmp magnetic, paralel cu lungimea ei (produs de exemplu de o bobină în care e introdusă bara), aceasta se scurtează. Când câmpul magnetic variază periodic (curentul care străbate bobina este periodic) bara se va scurta periodic. În cazul unor frecvenţe mari ale câmpului alternativ vibraţiile capetelor barei dau naştere la unde ultrasonore. Pentru a obţine amplitudini mari se aleg dimensiunile barei astfel ca să avem rezonantă între vibraţiile elastice proprii şi frecvenţa curentului alternativ excitator. Generatorul magnetostrictiv este avantajos pentru producerea ultrasunetelor de frecvenţă joasă (de la 20 – 60 kHz) şi energii considerabile.
         Datorită frecvenţei mari şi a energiei mari pe care o transportă, ultrasunetele produc o serie de efecte fizico-chimice dintre care menţionăm : distrugerea stărilor labile de echilibru; încălzirea mediului; formarea de sisteme disperse (emulsii şi suspensii) şi distrugerea de astfel de sisteme (coagulări); influenţarea potenţialelor electrochimice şi a pasivităţii metalelor; voalarea plăcilor fotografice; creşterea vitezei unor reacţii chimice; explozia substanţelor puţin stabile (de exemplu iodura de azot) etc.
         Proprietăţile ultrasunetelor permit folosirea lor într-o mare varietate de aplicaţii practice.
         Ultrasunetele produc încălzirea şi redistribuirea substanţei din celulele vii ceea ce duce la folosirea lor în terapeutică (încălzirea anumitor ţesuturi şi masaje adânci) precum şi la conservarea alimentelor (prin folosirea unor ultrasunete de frecvenţă şi intensitate potrivită care distrug microorganismele).
         O altă aplicaţie a ultrasunetelor este legată de măsurarea adâncimii mărilor. În esenţă procedeul este acelaşi ca şi în cazul folosirii sunetelor obişnuite, prezentând însă avantajul fasciculelor dirijate. De asemenea se pot produce semnale foarte scurte ceea ce măreşte precizia măsurării intervalului de timp dintre producerea semnalului direct şi înregistrarea celui reflectat.
         Ultrasunetele se folosesc în diferite procese tehnologice cum ar fi : spălarea, curăţarea, uscarea sau sudarea unor corpuri şi de asemenea pentru prelucrarea unor piese. În principiu, prelucrarea cu ajutorul ultrasunetelor constă în următoarele : se introduce piesa (sau porţiunea de piesă) care trebuie prelucrată într-un lichid în care se găsesc în suspensie particule de praf abraziv dur. Sub acţiunea unei surse de ultrasunete în lichid apare fenomenul de cavitaţie. Datorită şocurilor hidraulice particulele de abraziv sunt lovite cu putere de suprafaţa piesei smulgând aşchii din aceasta. Pe acest principiu se bazează construirea unor maşini unelte care să taie filetele şi dinţii pinioanelor fine, care rectifică piese complicate, taie şi găuresc plăci etc.

         Dintre numeroasele aplicaţii ale ultrasunetelor nu vom mai menţiona decât defectoscopia ultrasonoră. Controlul ultrasonor permite stabilirea existenţei unor defecte (fisuri, goluri) în interiorul unor piese metalice masive. Principalele tipuri de defectoscoape ultrasonore utilizează transmisia sau reflexia.

                                              Fig. 1

         În defectoscopul prin transmisie emiţătorul şi receptorul de ultrasunete sunt situate de o parte şi de alta a piesei de cercetat (fig.1). Dacă între emiţător şi receptor nu există nici un defect (de exemplu între sursa S1 şi receptorul R1) semnalul ultrasonor transmis va trece neatenuat producând o anumită deviaţie a acului aparatului de înregistrare (A1). În cazul în care întâlneşte un gol (D) o parte a semnalului ultrasonor este reflectat pe suprafaţa de separare dintre metal şi aerul din golul respectiv şi semnalul este mult atenuat ceea ce se va observe la aparatul indicator (A2). Dispozitivul folosit practic are o singură pereche emiţător-receptor care este plimbată în lungul piesei de cercetat. Această metodă are două incoveniente : în primul rând ultrasunetele propagându-se prin piesă se reflectă pe feţele opuse ale acesteia îngreunând observarea defectelor; în al doilea rând acest procedeu nu permite stabilirea adâncimii la care se găsesc defectele.

                       Fig.2 a)                                                     Fig.2 b)
         Aceste incoveniente sunt în bună măsură eliminate de defectoscoapele prin reflexie (sau în impulsuri). La acestea emiţătorul şi receptorul sunt situate de aceeaşi parte a piesei unul lângă altul (fig.2a). Ultrasunetele se propagă prin piesă, ajung la faţa opusă unde sunt reflectate şi apoi revin la receptor. Dacă în piesă există un defect, semnalul ultrasonor se va reflecta de acesta şi va ajunge mai devreme la receptor decât cel reflectat de faţa opusă. Emiţătorul generează impulsuri scurte la intervale lungi constante care împreună cu semnalul reflectat sunt marcate pe ecranul unui oscilograf. În fig.2b prin 1 şi 3 am indicat locurile unde spotul luminos are devieri bruşte care marchează momentele în care a fost emis semnalul ultrasonor şi respectiv în care a fost receptat semnalul reflectat de faţa opusă. Prin 2 am indicat locul unde este indicată primirea unui semnal reflectat de un defect. Poziţia relativă a acestuia în raport cu 1 şi 3 ne permite să determinăm adâncimea la care se găseşte defectul.