ULTRASUONI

Enciclopedia Italiana (1937)

ULTRASUONI

Guido OGGIONI

. Gli ultrasuoni sono vibrazioni longitudinali elastiche come i suoni ma di frequenza elevatissima, superiore alla soglia di udibilità dell'orecchio umano. Il loro campo è limitato inferiormente da oscillazioni a frequenza di circa 20.000 Hertz (ossia 20.000 vibrazioni al secondo) che sono al limite superiore della sensibilità del nostro organo dell'udito. Per gli ultrasuoni, così come per i suoni, l'aumento della frequenza modifica progressivamente i fenomeni generali della diffrazione, diffusione, assorbimento e propagazione tanto da dare ad essi caratteristiche speciali che li fanno preferire nell'uso pratico per impieghi specifici e molto importanti.

Lo studio degli ultrasuoni è un caso particolare della teoria delle onde elastiche, per la quale v. interferenza e diffrazione; onde: Onde acustiche; suono.

Per chiarire quanto si dirà in seguito basterà ricordare:

a) la velocità di propagazione delle onde elastiche nell'aria, a temperatura di 0° centigradi, è di 331 m./sec., mentre nell'acqua, a 4° C., è di 1440 m./sec. e nell'acciaio è di circa 5000 m./sec.;

b) l'energia trasmessa è proporzionale al quadrato dell'ampiezza di vibrazione e al quadrato della frequenza;

c) per causa dell'attrito interno e delle perdite in calore (dato che la propagazione avviene in un mezzo non adiabatico e non perfettamente elastico) si ha che una parte dell'energia trasmessa è assorbita secondo una legge espressa dall'equazione:

per W0 potenza iniziale, coefficiente di assorbimento del mezzo, x coordinata corrispondente alla direzione di propagazione. Si può dire così che la potenza W decresce con legge esponenziale;

d) la propagazione in acqua, dove la temperatura e la densità sono variabili con la profondità, tanto da poter considerare l'acqua costituita da strati orizzontali a temperatura e densità decrescente (o crescente), man mano che ci si allontana dalla superficie, è tale che le onde avanzeranno con velocità minore (o maggiore) in basso, assumendo una posizione inclinata in avanti (o indietro). Risulta allora che i raggi si incurveranno verso il fondo (o la superficie) e causa prima di questa rifrazione sarà di non ricevere, anche a breve distanza, il suono o l'ultrasuono emesso da una sorgente. Questo fenomeno è riscontrabile perfettamente anche in aria dove si hanno, a causa della rifrazione, delle caratteristiche zone di silenzio.

I generatori di ultrasuoni sono di vario tipo; fischi, ruote foniche, sirene possono emettere ultrasuoni di varia frequenza. Molti strumenti musicali generano suoni con numerose componenti ultrasonore. I rumori di attrito e strofinio fra materiali diversi hanno pure numerose componenti ultrasonore. Le principali sorgenti che oggi si utilizzano per avere onde ultrasonore sono però quelle che sfruttano i fenomeni piezoelettrici e della magnetostrizione e quelle meccaniche come il fischio di Galton ed il pulsatore di Hartmann. I ricevitori sono pure di vario tipo, ma fra i principali basterà citare quelli piezoelettrici e a magnetostrizione e quelli a microfono condensatore.

Propagazione degli ultrasuoni. - Usando generatori di opportune dimensioni la propagazione degli ultrasuoni nell'aria può essere particolarmente direttiva, come mostrano, per varî valori del rapporto tra la lunghezza d'onda λ e il raggio R della piastrina emittente, i diagrammi polari di irraggiamento delle figg. 1, 2, 3, ricavati sperimentalmente. In questi diagrammi sono riportati a partire da un'origine, e nelle varie direzioni, dei segmenti proporzionali all'intensità dell'emissione nella direzione considerata. Le curve disegnate sono quelle descritte dall'estremo di questi segmenti al variare della direzione.

Tale proprietà è dovuta al fenomeno della diffrazione, ed essa è tanto più accentuata, quanto più piccolo è il rapporto della lunghezza d'onda dell'ultrasuono emesso rispetto alla piastra emittente, cioè quanto più grande è la frequenza di emissione dell'ultrasuono che si produce.

Secondo il Pierce la velocità di propagazione del suono, e particolarmente degli ultrasuoni, nell'aria dipende lievemente dalla frequenza secondo una curva del tipo della fig. 4.

Dalla curva si vede come la velocità dell'ultrasuono raggiunge il massimo intorno ai 700.000 Hertz diminuendo successivamente.

La propagazione degli ultrasuoni è stata studiata pure in altri gas e tutte le esperienze hanno posto in evidenza la grande quantità di energia che è possibile trasmettere praticamente mediante queste vibrazioni elastiche di elevatissima frequenza. Si è già detto del resto come l'energia trasmessa sia proporzionale al quadrato della frequenza.

Ogni vibrazione elastica, propagantesi in un dato mezzo, esercita una pressione continua sui corpi con i quali viene a contatto, per effetto della riflessione che subisce; sfruttando tale principio, si sono potute fare misure di pressione a distanza e determinare quindi il coefficiente di assorbimento dell'aria e la riflessione e diffusione degli ultrasuoni contro superficie riflettenti di materiale diverso.

Si è trovato così che, per gli ultrasuoni, il coefficiente di assorbimento, quando il primo mezzo è l'aria e il secondo una delle sostanze più comuni, come l'acqua o i metalli, è circa uguale a zero, ciò che ci dice come si abbia di massima per gli ultrasuoni e per queste sostanze la completa riflessione.

In genere si può dire che quando un'onda a frequenza acustica o ultracustica giunge alla superficie di un nuovo mezzo di densità diversa da quello in cui si propaga, in parte passa oltre e in parte è riflessa. Il rapporto fra la quantità riflessa e quella rifratta dipende dalle impedenze presentate all'onda nei due mezzi.

Se il secondo mezzo presenta una impedenza poco diversa da quella del primo l'onda sarà poco riflessa.

Questa impedenza del mezzo è definita come il prodotto della densità del mezzo per la velocità del suono in esso.

Se indichiamo con c e c′ le velocità nei due mezzi, con ρ e ρ′ le rispettive densità il rapporto

dà il potere riflettente del secondo mezzo rispetto al primo.

Si è così trovato che il potere riflettente del ghiaccio rispetto all'acqua è di o,03 e dell'acciaio rispetto all'acqua di o,93. Ciò spiega come in mare gli ultrasuoni possano essere utilizzati per la ricerca di scafi o per scandagliare il fondo, ma non per determinare la presenza di icebergs.

L'assorbimento degli ultrasuoni nella loro propagazione è dato dalla formula già riportata e il coefficiente di assorbimento α, a parità di altre condizioni, cresce rapidamente al crescere della frequenza.

Proprietà e applicazioni degli ultrasuoni. - Con gli ultrasuoni nell'aria è facile riprodurre quasi tutti i fenomeni che si riscontrano nel campo ottico.

Sotto l'azione delle onde ultrasonore è stato constatato che i liquidi presentano una sopraelevazione di temperatura. Anche nei solidi è possibile riscontrare questi effetti calorifici interni che sono tanto maggiori quanto più elevata è la frequenza.

In chimica, alcuni sistemi metastabili sono distrutti per azione degli ultrasuoni, mentre molte reazioni chimiche sono accelerate e di altre sostanze è modificata la temperatura del punto di transizione.

Nell'acqua le onde ultrasonore liberano i gas disciolti e bolle di vapore si possono ottenere ad una temperatura inferiore a quella di ebollizione e prima che le onde stesse agiscano termicamente.

Un'emissione di ultrasuoni, anche di brevissima durata, può spezzettare organismi unicellulari di una certa grandezza, mentre piccoli pesci sono uccisi se vengono sottoposti a quest'azione per qualche minuto. I batterî per le loro piccole dimensioni sfuggono a questa distruzione.

Gli ultrasuoni sono utilizzati in metallurgia per la ricerca dei difetti interni dei metalli, e permettono anche di determinare le costanti elastiche di solidi trasparenti.

Gli ultrasuoni servono per la preparazione di emulsioni fotografiche e per dare ad esse particolari proprietà. Molte soluzioni colloidali utilizzate nell'industria tessile sono migliorate nella loro stabilità da radiazioni ultrasonore di una certa intensità.

È stato constatato che le onde ultrasonore distruggono i globuli rossi del sangue.

Lo studio degli ultrasuoni, secondo alcuni autori, può permettere, operando su modelli in scala, di determinare le proprietà acustiche di certi ambienti, riducendo la lunghezza d'onda delle vibrazioni elastiche nella stessa proporzione.

Infine reali ed effettivi vantaggi si sono ottenuti con l'uso degli ultrasuoni nella segnalazione ed esplorazione subacquea. È questo lo studio che ha dato più fecondi risultati pratici, particolarmente nei riguardi della sicurezza della navigazione. Avendo trovato che le onde elastiche a frequenza udibile si propagavano con grande facilità in acqua e il loro assorbimento era piccolo, gli Americani e poi le altre nazioni iniziarono fin dal 1921 esperimenti per la determinazione delle profondità marine per mezzo di speciali segnalatori subacquei a lamina vibrante, che dal nome del primo ideatore (nel 1911) furono chiamati Fessendem. Nota la velocità di propagazione delle onde in mare (1440 m./sec. circa), in base all'intervallo di tempo che passa dalla emissione del suono al ritorno dell'eco, si può calcolare la distanza del fondo del mare o dell'ostacolo incontrato dalle onde emesse dalla lamina vibrante. Nei tipi Fessendem, modificati e migliorati in seguito, la lamina emittente è anche ricevente e, con scandagli del tipo, dal 1922 al 1927, furono fatte con esito brillantissimo esplorazioni marine molto accurate negli oceani Atlantico e Indiano, nel Mediterraneo e nel Mar Rosso. La precisione di un tale sistema di scandaglio si riscontrò molto grande per profondità superiori ai 50 metri.

Ricordando infatti che le vibrazioni sonore si propagano per onde sferiche, si comprende come si abbiano echi confusi e sovrapposti se poca è la profondità e se il fondo del mare ha un andamento irregolare. È necessario, per usare in questo caso uno scandaglio acustico, avere una emissione direttiva e, per quanto abbiamo detto, naturalmente entrarono nell'uso gli ultrasuoni per i quali si può sfruttare questa proprietà particolare rispetto alle onde sonore.

Siccome l'energia trasmessa aumenta con il quadrato della frequenza, questa è un'altra ragione di preferenza degli ultrasuoni sulle vibrazioni a frequenza udibile. Tale preferenza non può essere però spinta oltre un dato limite, se si ricorda che l'assorbimento dovuto al mezzo segue una legge esponenziale di cui si è data l'espressione e il cui coefficiente cresce con la frequenza di oscillazione. Per questo fatto si ha un limite di frequenza che non deve essere superato.

Nell'aria il coefficiente di assorbimento è circa 1000 volte maggiore che nell'acqua e ciò spiega come gli ultrasuoni non trovino simili applicazioni in aria per aeromobili o per segnalazioni a distanza. Scandagli sonori per velivoli sono stati costruiti ma con scarsi risultati.

L'uso degli ultrasuoni per l'esplorazione subacquea fu proposto fin dal 1912 da O. W. Richardson, ma la pratica attuazione della loro produzione fu realizzata completamente solo molti anni più tardi per opera di P. Langevin, che pensò di utilizzare le proprietà piezoelettriche del quarzo; sorse così l'apparecchio trasmittente e ricevente a quarzo.

Il fenomeno della piezoelettricità si può ottenere da lamine di quarzo a facce piane e parallele ottenute da un cristallo in cui il taglio della lamina è fatto parallelamente ad un asse elettrico. Si sa che comprimendo o operando una dilatazione sulle facce parallele della piastrina, la modificazione del reticolo cristallino è tale da dare luogo ad una differenza di potenziale tra le due facce. Esiste anche ii fenomeno reciproco e cioè se si applica alle facce della piastrina una differenza di potenziale ad alta frequenza, la lamina subirà dilatazioni e compressioni della stessa frequenza della tensione incidente.

Siccome l'ampiezza della deformazione meccanica α di una piastrina di quarzo è legata alla tensione V che si applica alle due facce, dalla formula:

con δ (modulo piezoelettrico) uguale a 2, 15 × 10-10 (per α espresso in centimetri e V in volt), un semplice calcolo ci fa vedere che, per ottenere ampiezze di vibrazioni di pochi centesimi di micron, il valore della tensione da applicare deve essere di parecchie decine di migliaia di volt.

Per ovviare a questa difficoltà il Langevin stesso pensò di sfruttare il fenomeno della risonanza meccanica della piastrina; egli poté infatti, applicando alla piastrina una frequenza uguale a quella di risonanza, ottenere deformazioni meccaniche cinque volte maggiori di quelle che si ottengono staticamente. Le dimensioni d della piastrina nel senso considerato sono legate alla freqvenza f0 di risonanza dalla formula:

ove k è una costante.

Tale fatto permise di abbassare la tensione a valori di circa 10.000-20.000 volt, ancora troppo elevati per l'uso pratico.

Ma Langevin ottenne la pratica soluzione del problema ponendo la piastrina di quarzo fra piastre di acciaio e rendendo il tutto un'unica massa vibrante di spessore notevolmente maggiore della semplice piastrina.

Il fattore di amplificazione di un tale condensatore ad armature di acciaio molto spesse, avente nell'interno la piastrina di quarzo di spessore trascurabile, viene ad essere notevolmente aumentato e si possono ottenere buone ampiezze di vibrazioni con poche migliaia di volt. Siccome la condizione di risonanza fondamentale si verifica lasciando il quarzo (che è la vera sede delle vibrazioni) in un nodo di oscillazioni e le facce esterne dei dischi di acciaio in un ventre, se si stabilisce una frequenza:

ove c e s sono, rispettivamente, la velocità di propagazione delle vibrazioni nell'acciaio e lo spessore del condensatore, questa frequenza è quella che corrisponde alla risonanza fondamentale del sistema piastrina di quarzo e piastre di acciaio e per la quale si ottiene la massima ampiezza di vibrazioni.

Per avere un tutto unico fra piastre di acciaio e di quarzo si esegue l'incollamento con uno speciale mastice costituito di resine e liquidi isolanti, la cui composizione particolare è tenuta segreta dai varî costruttori di proiettori ultrasonori.

Il mastice, atto all'incollamento del quarzo sulle piastre, deve avere particolari caratteristiche, un coefficiente di dilatazione molto prossimo a quello del quarzo, non deve diventare fragile indurendosi, mentre deve fondere facilmente per favorire l'incollamento. La distribuzione uniforme del mastice, la temperatura d'incollamento, la rapidità dell'operazione, evitando che bolle d'aria si formino nell'interno, hanno grande importanza sull'efficienza del proiettore così costituito. Il quarzo da usarsi deve essere puro ed esente da geminazioni.

Si deve rilevare che il proiettore, così come è usato nella pratica, non è composto da una sola piastrina, ma da numerose piastrine che costituiscono il musaico con il quale si esegue l'incollamento. Nei primi musaici (v. fig. 5), non si teneva conto dell'orientamento delle piastrine che erano di varie grandezze. I musaici moderni sono a piastrine regolari, e l'orientamento degli assi, così come mostra la fig. 6, favorisce la ripartizione degli sforzi sul mastice che cementa il quarzo con le piastre di acciaio. Le piastrine devono essere con la loro polarità esattamente orientata sulle due facce perché si possa ottenere il massimo effetto piezoelettrico complessivo nello stesso senso.

A seconda dell'impiego a cui sono destinati, i proiettori che si costruiscono hanno diverse dimensioni e caratteristiche. Essi servono per la trasmissione dei segnali e la ricezione dell'eco. La fig. 7 mostra il sistema di attacco, allo scafo, di un proiettore da scandaglio.

Lo studio del funzionamento di un proiettore si fa con criterî simili a quelli dei piezooscillatori usati per altri apparecchi.

Oltre i proiettori per scandagli (esplorazioni verticali), esistono quelli per esplorazioni orizzontali che hanno la possibilità di essere ruotati per i 360° di orizzonte. Essi sono di dimensioni maggiori di quelli da scandaglio e hanno una frequenza caratteristica e appropriata per ottenere la maggiore portata orizzontale, pur mantenendo l'emissione direttiva e un assorbimento ridotto.

Il trasmettitore per scandaglio ultrasonoro è costituito generalmente da un normale apparato radiotelegrafico a scintilla su cui è derivato il proiettore a condensatore pizoelettrico. Come mostra la fig. 7, una delle piastre è a contatto diretto con il mare.

Per impiegare una potenza maggiore, l'eccitazione del proiettore si può fare con apparecchi a onde persistenti, invece che a scintilla. Con un apparecchio di questo tipo è possibile infatti avere una maggiore energia in giuoco con opportune amplificazioni, e una frequenza esatta di comando per mezzo di uno stadio oscillatore o un triodo pilota. L'eccitazione con onde persistenti o smorzate è in ogni modo brevissima allo scopo di permettere al proiettore ultrasonoro di ritornare nella posizione di riposo, pronto alla ricezione dell'eco.

L'eco giungendo comprime la piastra e così genera deboli tensioni ai capi delle armature di acciaio. Queste deboli tensioni vengono opportunamente e fortemente amplificate da un ricevitore a valvole termoioniche che ha uno o due stadî di amplificazione, e uno stadio oscillatore se le onde sono persistenti. Le oscillazioni amplificate vengono rivelate a udito con un telefono, oppure otticamente o con apparecchi registratori. Per la determinazione della distanza basta fare la semplice misura dell'intervallo di tempo fra l'emissione e l'eco.

Gli apparecchi trasmettitori e ricevitori maggiormente usati per gli scandagli ultrasonori sono con apparecchio di trasmissione a scintilla e di ricezione con indicatore ottico di cui si dà in fig. 8 il disegno schematico.

La sorgente luminosa A manda, dopo due riflessioni sui prismi B e C, un pennello di luce su un piccolo specchietto D, comandato da uno speciale oscillografo che riceve dall'amplificatore gl'impulsi del segnale in partenza e dell'eco. Il pennello luminoso riflesso da D cade su E e da questo è mandato direttamente sulla scala G.

Un sistema di orologeria aziona il disco a denti I che fa rotare lo specchio E intorno al suo asse e quindi fa percorrere al pennello di luce tutta la scaia G da un estremo all'altro, dopo di che il filo di acciaio si libera e lo specchio E ritorna alla sua posizione di riposo. Se ad ogni segnale (o eco) lo specchio D devia il raggio luminoso nel piano normale a quello di rotazione del pennello luminoso lungo la scala G, si hanno dei denti di emissione e di eco, su questa scala, facilmente rilevabili.

Se la velocità di rotazione del pennello, sulla scala G, è in relazione alla velocità di propagazione dell'ultrasuono in acqua, è facile leggere il fondale su questa scala qualora essa sia opportunamente graduata. L'emissione del segnale si ha quando lo specchio E ritorna alla sua posizione di riposo e inizia la nuova rotazione. Si ha così alla graduazione zero il primo dente mentre al secondo dente potrà leggersi direttamente la profondità del fondo marino. La fig. 9 dà un'idea della scala graduata dell'indicatore ottico. L'insieme di un apparato da scandaglio del tipo S.C.A.M. è riportato in fig. 10.

Un apparecchio di registrazione grafica può sostituire l'indicatore ottico. All'estremità di un braccio rotante si trova una punta manovrata elettromagneticamente. Ogni impulso di corrente (segnale o eco) fa deviare la punta che scorre sopra una carta appositamente affumicata. Su questa carta le ascisse sono le profondità e le ordinate il tempo. La carta scorre per azione di un sistema di orologeria e i denti di emissione e di eco vengono segnati a ogni rotazione del braccio. L'emissione è regolata in modo da ottenere il primo dente all'istante in cui il braccio, che ha la punta, passa per il fondale zero segnato sulla carta (estremo sinistro). Il dente di eco si ha così al fondale effettivo, essendo la velocità di rotazione del braccio regolata appositamente in relazione alla velocità dell'ultrasuono in acqua. Il normale lavoro idrografico per la determinazione delle profondità marine è oggi fatto con apparecchi del tipo descritto. Sono stati esperimentati da qualche tempo apparecchi trasmittenti e riceventi a magnetostrizione. Per quanto riguarda il fenomeno suddetto si rimanda alla voce relativa. Con gli apparati di questo tipo si usano due oscillatori, uno trasmittente e uno ricevente, che vengono sistemati ai due lati della chiglia della nave. I proiettori a magnetostrizione sono di forma cilindrica con un sistema di sbarre di nichelio, o altro materiale adatto, avvolte da una bobina collegata al trasmettitore o ricevitore relativo. Per avere una emissione direttiva assai pronunciata il proiettore è generalmente munito di un riflettore conico. L'apparato trasmittente può essere a onde smorzate o persistenti. Il ricevitore ha un amplificatore a valvole seguito da un raddrizzatore. Trasmettitore e ricevitore sono accordati per la stessa frequenza. Con tale tipo di scandaglio si può ottenere una registrazione continua dei fondali su una carta sensibile sulla quale passa una punta scrivente azionata direttamente dal ricevitore e mossa da una camma che le dà un movimento alternativo. La penna scrivente per ogni corsa segna due punti che indicano l'emissione e l'eco di ritorno.

Gli apparati a magnetostrizione hanno però piccola potenza di emissione e sono stati utilizzati fino ad oggi per scandagliare solo in bassi fondali. Sono molto precisi e rispetto a quelli di tipo piezoelettrico hanno il vantaggio di permettere la misura di fondali inferiori a un metro, di essere più robusti, più economici, meno delicati.

Per l'utilizzazione pratica in aria degli ultrasuoni sono in corso molti studî fra i quali importante (già in via di pratico esperimento) quello della sostituzione, in un raggio di 40-50 metri, delle segnalazioni acustiche stradali, fra veicoli, con segnalazioni ultraacustiche.

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