Ultrasunetele

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.

Orientarea liliecilor, spre exemplu, se bazeaza pe faptul ca acestia emit semnale ultrasonore scurte de frecvente între 30 – 60 kHz. Liliacul în zbor emite în medie cca. 30 semnale pe secunda. O parte din acestea sunt receptionate de urechile mari ale liliacului sub forma de semnale ecou, dupa un timp cu atât mai scurt cu cât obstacolul este mai aproape. Pe masura apropierii de obstacol liliacul emite din ce în ce mai multe semnale într-o secunda ajungând ca de exemplu la un metru de obstacol sa emita pâna la 60 semnale pe secunda. Aceasta permite liliacului sa simta precis pozitia sa fata de obstacole.

Importanta practica a ultrasunetelor este legata de lungimea de unda mica a acestora. Din aceasta cauza, de exemplu, ultrasunetele pot fi emise si se propaga ca si razele de lumina sub forma de fascicule, spre deosebire de sunetele obisnuite care se împrastie în toate directiile. Astfel se constata experimental ca daca lungimea undei emise este mai mica decât dimensiunile liniare ale sursei unda se va propaga în linie dreapta sub forma de fascicul. În afara de aceasta, datorita lungimii de unda mici, fenomenul de difractie (ocolirea obstacolelor) nu apare decât pentru obstacolele de dimensiuni foarte mici în timp ce sunetele obisnuite ocolesc practic aproape orice obstacol întâlnit în cale.

Ultrasunetele sufera reflexia si refractia la suprafata de separare a doua medii diferite la fel ca undele luminoase. Folosind acest fenomen au fost construite oglinzi concave sau lentile speciale care sa concentreze într-un punct fascicule de ultrasunete.

Deoarece intensitatea undelor sonore este proportionala cu patratul frecventei, energia transportata de ultrasunete este mult mai mare decât energia sunetelor de aceeasi amplitudine. Pe de alta parte în cazul ultrasunetelor fenomenul de absorbtie care apare la propagarea tuturor oscilatiilor elastice devine foarte important. Intensitatea undei elastice scade cu distanta de la sursa dupa o lege exponentiala I = I0 e-kr. Se poate arata atât teoretic cât si experimental ca k depinde atât de caracteristicile mediului (densitate, vâscozitate, caldura specifica etc.) cât si de frecventa undei care se propaga crescând cu patratul frecventei. Din aceasta cauza practic nu putem obtine propagarea ultrasunetelor, de exemplu în aer, la o distanta mai mare de un kilometru. Mai mult, un ultrasunet de o frecventa de cca. 3000 kHz este practic absorbit complet, la o distanta de cca. 0,6 cm. În lichide coeficientul de absorbtie este de 2-3 ordine de marime mai mic decât în aer, iar în solide si mai mic, intensitatea ultrasunetelor fiind mult mai putin atenuata.

Un fenomen interesant care apare la propagarea ultrasunetelor în lichide este fenomenul de cavitatie care consta în aparitia unor bule care se ridica la suprafata si se sparg. Aceasta se explica prin faptul ca dilatarile si comprimarile extrem de rapide care se succed în lichid duc la aparitia unor mari tensiuni în anumite zone care fac sa se “rupa” moleculele de lichid. Astfel iau nastere bulele care contin vaporii si gazele dizolvate în lichid. Bulele mici se contopesc în bule mai mari care încep sa vibreze si apoi se sparg dând nastere unor presiuni locale foarte mari care se manifesta sub forma de socuri hidraulice în volume foarte mici. Deteriorarea paletelor turbinelor si a elicelor vapoarelor se explica prin fenomenul de cavitatie produs de ultrasunetele generate de vibratiilor masinilor.

Înainte de a discuta câteva din aplicatiile practice ale ultrasunetelor sa vedem cum pot fi produse. Vom trece peste procedeele mecanice (fluier ultrasonor, sirena ultrasonora) si termice (cu ajutorul vibratiilor unui arc electric) deoarece ultrasunetele produse de acestea au în genere amplitudini mici si sunt mai putin importante practic. Sa analizam generatorul piezoelectric. Efectul piezoelectric consta în faptul ca supunând un cristal la deformari de tractiune sau comprimare dupa anumite directii, pe fetele sale apar sarcini electrice egale de semne contrare care îsi schimba rolul daca înlocuim tractiunea prin comprimare si invers. Exista si efectul piezoelectric invers sau electrostrictiunea, pe care se bazeaza producerea ultrasunetelor, care consta în dilatari si comprimari succesive ale cristalului sub actiunea unui câmp electric alternativ.

Partea esentiala a generatorului consta dintr-o lama piezoelectrica de obicei de cuart pe fetele careia sunt aplicati doi electrozi, sub forma unor straturi subtiri metalice, legati la o sursa de tensiune alternativa. Sub actiunea câmpului electric alternativ lama începe sa vibreze cu o frecventa egala cu cea a tensiunii aplicate. Vibratiile lamei sunt transmise în mediul înconjurator sub forma de ultrasunete. Cu astfel de generatori se poate ajunge pâna la frecvente de cca. 150 000 kHz si la intensitati ale radiatiei ultrasonore de la câteva zeci de wati pe cm2 pâna la câteva sute de wati pe cm2.