Un po' di storia sugli ultrasuoni

La storia degli ultrasuoni è una parte della storia dell'acustica. La prima testimonianza risale ancora a Pitagora che nel VI secolo A.C. scoprì le diversità di suono emesse da differenti lunghezze di corde di strumenti musicali. Nel 1638 anche Galileo contribuì con i propri studi alla scienza dell'acustica.
In seguito, un grande apporto fu dato da molti fisici e matematici che durante il 17° e 18° secolo fondarono le prime basi dello sviluppo della scienza acustica e solo durante il 19° secolo ci furono due significativi sviluppi dei metodi di generazione degli ultrasuoni.
Il primo fu scoperto da Joule e denominato Magnetostrizione, ossia quel fenomeno per mezzo del quale è possibile convertire energia magnetica in energia meccanica tramite il cambiamento di lunghezza di una sbarretta di nichel o altro materiale ferromagnetico al variare del campo magnetico nel quale questa sbarretta si trova.
Il secondo fu scoperto dai fratelli Curie nel 1880 e denominato effetto Piezoelettrico, ossia quel fenomeno per mezzo del quale è possibile convertire energia elettrica in energia meccanica tramite la capacità presentata da determinati cristalli (cristalli piezo-elettrici) di subire variazioni dimensionali se sottoposti a una carica elettrica. Pertanto, queste deformazioni dei ristalli presenti in una ceramica piezoelettrica permettono di generare un'oscillazione meccanica a frequenze anche molto elevate.
Queste due importanti scoperte suscitarono notevoli interessi nei ricercatori fin dalla Prima Guerra Mondiale per localizzare i sottomarini, ma i primi veri utilizzi nell'industria si svilupparono soltanto dall'inizio della Seconda Guerra Mondiale. Il rapido sviluppo nell'elettronica e nello sviluppo di materiali piezoceramici hanno reso possibile sviluppare sistemi sempre più sofisticati nel campo domestico, medicale, industriale e militare.
L'utilizzo degli ultrasuoni non è limitato solamente all'essere umano, ma anche al mondo animale.
Alcuni animali usano gli ultrasuoni per localizzare e identificare il cibo o gli ostacoli e per individuare pericoli (per esempio: pipistrelli, delfini, cani, eccetera).

Fig. 1: sottile foglio di alluminio esposto per un minuto alle onde ultrasonore in una macchina di lavaggio a ultrasuoni. L'erosione del metallo è generata dalla cavitazione.

Fig. 2: macchina da ultrasuoni con liquido per la rimozione dei residui di gesso.

Cosa sono gli ultrasuoni

Con il termine ultrasuoni si definiscono onde elastiche la cui frequenza è maggiore del limite superiore di udibiltà per l'orecchio umano. Per onda elastica si intende un'onda che utilizza un mezzo materiale per propagarsi.
Questo limite può essere approssimativamente fissato, essendo soggettivo e variabile con l'età, tra i 16 e i 20 KHz (1 KHz=1000 oscillazioni al secondo).
Il limite superiore di frequenza degli ultrasuoni può essere posto a 10^9 Hz (1.000.000.000 di oscillazioni al secondo).
Le principali caratteristiche delle onde elastiche ultrasonore sono le seguenti:

1. le onde ultrasonore, avendo una lunghezza d'onda ridotta e quindi una frequenza elevata, si propagano per fasci rettilinei con modalità e condizioni similari ai fasci luminosi;
2. l'intensità della radiazione ultrasonora è molto maggiore che alle frequenze udibili, poichè l'intensità I (W/cm²) è proporzionale al quadrato della frequenza.

Inoltre è necessario considerare il mezzo di propagazione delle onde elastiche poichè ogni materiale presenta differenti indici di assorbimento. Infatti, avremo un'ottima propagazione nei mezzi solidi o nei liquidi e una cattiva propagazione nei gas (per esempio aria), soprattutto a frequenze elevate.
Poichè le onde ultrasonore si propagano con grande facilità nei mezzi liquidi, durante la Seconda Guerra Mondiale si incominciò a studiare e a sviluppare l'utilizzo degli ultrasuoni come mezzo per produrre elevata energia meccanica all'interno di un mezzo liquido detergente con effetto di pulizia su svariati tipi di materiali immersi. Oggi, le moderne industrie hanno perfezionato trasduttori capaci di trasmettere al liquido notevoli potenze ultrasoniche e, quindi, enormi energie vibrazionali capaci di generare all'interno del liquido stesso fenomeni di cavitazione ultrasonora.
Generalmente una lavatrice a ultrasuoni è composta da un generatore elettronico che produce un segnale continuo o impulsato a una frequenza compresa tra i 20 e i 60 Khz, pilotando uno o più trasduttori piezoelettrici i quali trasformano il segnale elettrico in una vibrazione meccanica compresa tra le 20.000 e le 60.000 oscillazioni al secondo.
Questa oscillazione meccanica, emessa dal trasduttore ultrasonoro, viene trasferita alla vasca in acciaio e, conseguentemente, al liquido ivi contenuto.
Queste oscillazioni nel liquido sono create da onde di pressione e depressione acustica che, a causa della loro elevata potenza, fanno oscillare le microbolle di gas disciolte nel liquido.
Quando le microbolle durante la fase di compressione raggiungono il loro raggio minimo consentito, implodono improvvisamente, generando così un'enorme energia d'urto tra il liquido detergente e la superficie da pulire. Questo fenomeno di implosione rapido è chiamato "cavitazione ultrasonora".
Le onde d'urto generate durante la cavitazione raggiungono ogni parte di superficie di un solido immerso durante il processo di lavaggio, erodendo la superficie e togliendo, in questo modo, ogni particella di sporco o materiale da rimuovere.
È importante ricordare che, per ottenere l'effetto di cavitazione all'interno del liquido, è necessario raggiungere il livello di intensità sonora minimo richiesto. Questo livello minimo è in funzione della frequenza di funzionamento della lavatrice. Alcune case produttrici prediligono utilizzare frequenze di funzionamento intorno ai 20 kHz, ma sebbene a questa frequenza il livello di potenza sonora per innescare il processo di cavitazione è più basso di una a 40 kHz, gli effetti di cavitazione estremamente intensa possono danneggiare alcuni materiali e quindi non sono indicate per alcune applicazioni (esempio: lavaggio di strumentazione chirurgica, lavaggio di protesi e corone, circuiti elettronici eccetera) e soprattutto possono infastidire l'operatore durante il loro funzionamento poichè si avvicinano molto alla frequenza dell'udito umano.
Le lavatrici funzionanti al di sopra dei 40 kHz hanno il vantaggio di essere meno rumorose poicè la loro frequenza di funzionamento è assai più lontana da quella udibile e generano una cavitazione molto più fine e, quindi, meno dannosa per le superfici delicate da trattare per il lavaggio.

Poprietà reologiche del detergente per il lavaggio a ultrasuoni

Le caratteristiche del detergente giocano un ruolo fondamentale nel processo di lavaggio.
Infatti è necessario scegliere la compatibiltà chimica del detergente con i materiali, che devono essere puliti, e il tipo di sporco che deve essere rimosso.
È importante utilizzare soluzioni detergenti specifiche per ultrasuoni raccomandate dal fabbricante in quanto presentano caratteristiche specifiche per un'ottima propagazione delle onde ultrasonore e consentono di rendere molto breve il processo di pulitura.
Inoltre è sempre raccomandabile sostituire spesso il detergente saturo di sostanze di rifiuto e sostituirlo con detergente nuovo; in questo modo è possibile ripristinare il corretto valore di cavitazione e la corretta azione chimica della soluzione.
È consigliabile utilizzare sostanze detergenti neutre in quanto esse non intaccano la vasca in acciaio dell'apparecchio e non intaccano le superfici che devono essere pulite. È necessario fare molta attenzione a non versare direttamente nella vasca sostanze acide o fortemente alcaline poichè esse possono danneggiare irreparabilmente l'apparecchiatura. Anche gli acciai più resistenti vengono erosi dalla reazione fisico-chimica (cavitazione+acido).
Nel campo odontoiatrico vengono utilizzate spesso soluzioni detergenti disinfettanti per la disinfezione dello strumentario in generale, ma bisogna assicurarsi, prima di versare nella vasca, che siano perfettamente compatibili con il materiale da trattare (per esempio sono da evitare quelle sostanze a base di ipoclorito di sodio in quanto sviluppano cloro ossidando fortemente i metalli).
Altri parametri fondamentali per ottenere un eccellente risultato nella pulitura con ultrasuoni sono la dimensione, la configurazione e la capacità della vasca. Essi devono permettere di accogliere nel miglior modo possibile gli oggetti in sufficiente quantità alle proprie esigenze. Ovviamente ogni applicazione individuale di lavaggio ha le proprie variabili quali la quantità, l'orientamento e la geometria degli oggetti da pulire. È spesso sconsigliabile porre in modo disordinato gli oggetti direttamente sul fondo della vasca e riempirla oltre il limite indicato dal fabbricante, in quanto non si otterrebbero gli effetti desiderati. È invece preferibile disporre sempre gli oggetti in modo razionale sul fondo di un cestello appositamente realizzato per l'apparecchiatura in modo tale che essi vengano uniformemente investiti dalle onde ultrasonore.