Come sono fatti gli ultrasuoni?
È impossibile per noi fare ultrasuoni nello stesso modo in cui facciamo i suoni normali, colpendo e soffiando le cose, come facciamo, per esempio, negli strumenti musicali. Questo perché non possiamo colpire e soffiare le cose abbastanza velocemente. Ma possiamo fare ultrasuoni usando apparecchiature elettriche che vibrano con una frequenza estremamente alta. I cristalli di alcuni materiali (come il quarzo) vibrano molto velocemente quando si passa l’elettricità attraverso di loro – un effetto chiamato piezoelettricità. Quando vibrano, spingono e tirano l’aria intorno a loro, producendo onde ad ultrasuoni. Dispositivi che producono onde ad ultrasuoni utilizzando piezoelettricità sono noti trasduttori aspiezoelettrici. I cristalli piezoelettrici funzionano anche al contrario: se le onde ultrasonore che viaggiano attraverso l’aria si scontrano con un cristallo piezoelettrico, schiacciano la sua superficie in modo molto leggero, causando un breve scoppio di elettricità che scorre attraverso di esso. Quindi, se si collega un cristallo piezoelettrico a un contatore elettrico, si ottiene un rilevatore istantaneo di ultrasuoni.
Artwork: Come gli ultrasuoni sono fatti per pulire le cose. 1) Un’alimentazione elettrica alternata ad alta frequenza invia energia a tre trasduttori piezoelettrici (2). Questi si muovono a frequenze ultrasoniche, inviando le loro vibrazioni a una sottile piastra di vetro di quarzo (3), che trasmette le onde (4) in un bacino riempito di fluido (5) in cui si mettono gli oggetti da pulire.
Le onde ultrasonore possono essere prodotte utilizzando il magnetismo invece dell’elettricità. Proprio come i cristalli piezoelettrici producono onde ultrasonore in risposta all’elettricità, così ci sono altri cristalli che producono ultrasuoni in risposta al magnetismo. Questi sono chiamati cristalli magnetostrittivi e i trasduttori che li usano sono chiamati trasduttori magnetostrittivi. (L’effetto magnetizzante è noto come magnetostrizione.)
A cosa servono gli ultrasuoni?
Utilizzare gli ultrasuoni per scopi pratici è a volte chiamato ultrasuoni – e viene usato per tutto, dalla saldatura e perforazione industriale alla produzione di latte omogeneizzato e pellicola fotografica.
Scansione medica ad ultrasuoni
Foto: Questa donna incinta sta guardando un’ecografia del bambino che si sta sviluppando nel suo grembo. Si noti lo scanner a ultrasuoni (in basso a destra) che viene mosso lentamente attraverso il suo addome, e il monitor (sopra) che mostra l’immagine del suo bambino. foto di Rafael Martie per gentile concessione della US Navy.
Probabilmente l’esempio più noto di ultrasuoni è il test medico. per evitare di dover aprire il tuo corpo per rilevare una malattia, i medici possono semplicemente eseguire uno scanner a ultrasuoni sulla pelle per vedere all’interno. Thescanner sonda spesso sembra un po’ come un mouse del computer. ha un trasduttore incorporato che fasci innocui, onde ad ultrasuoni giù nel vostro corpo. Come il wavestravel attraverso le diverse ossa e tessuti, riflettono indietro upagain. Lo stesso trasduttore (o uno separato accanto) riceve thereflected onde e un computer collegato allo scanner li utilizza per disegnare un quadro dettagliato di ciò che sta accadendo dentro di te su uno schermo.scansioni di feti (bambini non nati in via di sviluppo nel grembo materno) sono fatti thisway.
Foto: Un primo piano di una piccola sonda a ultrasuoni. Foto di Rafael Martie per gentile concessione della US Navy.
Test non distruttivi
Apparecchiature simili sono usate per testare i difetti in macchine come i motori degli aerei. Se c’è una crepa all’interno di un metallo, l’ispezione dall’interno non rivelerà il problema. Ma se si esegue uno scanner a ultrasuoni sopra l’esterno del metallo, la crepa all’interno disturberà e rifletterà alcune delle onde a ultrasuoni, quindi il difetto apparirà sul monitor di test. Ispezionare i materiali in questo modo è talvolta noto come test non distruttivo, perché non è necessario danneggiare o smontare le cose per controllarle.
Foto: Esame di un motore d’aereo mediante test ultrasonici non distruttivi. L’ispettore sta muovendo una sonda a ultrasuoni su un componente dell’aereo con la mano destra. Foto di Michelle Michaud per gentile concessione della US Air Force.
Ultrasuoni ad alta potenza
Onde ultrasonore relativamente basse sono usate per scansioni mediche e test non distruttivi. Onde ad ultrasuoni molto più forti hanno usi molto diversi. Se avete un calcolo renale doloroso, sparando potenti onde ultrasuoni dall’esterno del vostro corpo può rendere la pietra vibrare e rompere a parte. Forti onde ad ultrasuoni sono talvolta utilizzati anche per distruggere tumori e lesioni cerebrali (regioni danneggiate del cervello). In modo simile, le onde ad ultrasuoni possono essere utilizzate per pulire gioielli, orologi, denti falsi, e una vasta gamma di parti di macchine che possono essere toodifficili (o inaccessibili) per pulire in altri modi.
Sonar
Un altro uso popolare per ultrasuoni è in navi, sia per navigationand per la localizzazione di oggetti sott’acqua. Il suono viaggia più velocemente attraverso l’acqua che attraverso l’aria, il che è molto utile perché la luce non viaggia affatto attraverso l’acqua. La maggior parte delle persone sa che le balene possono usare il suono a bassa frequenza per comunicare attraverso interi oceani.I sottomarini usano un trucco simile con un tipo di navigazione chiamato sonar (sound navigation and ranging), che è un po’ come un equivalente sottomarino del radar.
Foto: Ci vuole abilità e concentrazione per monitorare uno schermo di scansione sonar. Questo sistema è a bordo della nave USS Gladiator e viene utilizzato per rilevare le mine. Foto di Peter D. Lawlor per gentile concessione della US Navy.
Come funziona? Quando un sottomarino si trova in profondità sotto la superficie, può trovare la sua strada inviando bip di suono e ascoltando l’eco, proprio come un pipistrello che usa l’ecolocalizzazione. Cronometrando il tempo necessario per il ritorno degli echi, il navigatore di un sottomarino può capire se ci sono altre navi, sottomarini o altri ostacoli nelle vicinanze. Il sonar è anche usato dalle navi per calcolare la profondità del mare (o per disegnare una mappa del fondo marino) sparando fasci di suono verso il basso. Questa tecnica è conosciuta come echosounding.
Side-scan sonar
Foto: Un tipico rimorchiatore sonar a scansione laterale. Questo utilizza ultrasuoni ad una frequenza di 600 kHz, che è ben al di sopra del limite dell’udito umano. Qui, viene agganciato all’attrezzatura a bordo di una nave di ricerca scientifica prima di essere calato in acqua per essere trascinato a fianco. Foto di John F. Williams per gentile concessione della US Navy.
I diversi sistemi sonar utilizzano una gamma molto ampia di frequenze sonore, dagli infrasuoni molto bassi (che possono causare problemi alle balene e ad altre creature marine), attraverso il suono udibile (il classico rumore “ping” che si sente nei sottomarini di guerra nei film), fino agli ultrasuoni molto alti (tipicamente usati nei sistemi di localizzazione dei pesci utilizzati, tra gli altri, dai pescherecci industriali). Gli ultrasuoni ad alta frequenza sono usati nel side-scan sonar, in cui una piccola unità di scansione simile a un siluro, chiamata towfish, viene trascinata dietro una nave e invia ampi fasci sonar su entrambi i lati. I fasci lasciano il towfish ad angoli e si riflettono di nuovo, producendo un profilo di una vasta area del mare (e del fondo marino) sottostante. il sonar a scansione laterale è usato nell’archeologia marina (per localizzare i relitti sul fondo marino), nella ricerca oceanica e nella vecchia pesca. diversi pesci riflettono il suono in misura diversa e, con abilità ed esperienza, è possibile capire dal fascio sonar non solo quali pesci sono presenti ma quanti ce ne sono in una certa area. In generale, più alta è la frequenza sonora utilizzata, maggiore è il dettaglio che si evidenzia, ma minore è la portata su cui è efficace; le frequenze più alte sono migliori per il lavoro dettagliato in piccole aree di acqua relativamente bassa, mentre le frequenze più basse sono necessarie per acque più profonde o per il rilevamento a lungo raggio.
