L' ultrasuono è un'onda meccanica ed elastica, che si propaga attraverso mezzi fluidi, solidi, gassosi o liquidi. La gamma di frequenza degli ultrasuoni è compresa tra 16.000 e 10.000.000 di hertz , troppo alta per essere percepita dall'orecchio umano , ma un flusso di ultrasuoni focalizzato ad altissima intensità può essere percepito dal corpo umano, tramite altri meccanocettori . Il nome deriva dal fatto che la loro frequenza è troppo alta per essere udibili al umana orecchio (il suono è troppo acuto: la gamma di frequenze udibili dagli esseri umani è compreso tra 20 e 20.000 hertz Tuttavia, queste soglie variano con l'età.) , allo stesso modo in cui gli infrasuoni si riferiscono a suoni la cui frequenza è troppo bassa per essere udita dall'orecchio umano. Quando la frequenza è udibile dall'orecchio umano, viene semplicemente chiamata suono.
Gli ultrasuoni sono utilizzati nell'industria e in campo medico.
Il dominio ultrasonico, ovvero l'intervallo di frequenze in cui si trova l'ultrasuono, è compreso tra 16.000 hertz e 10.000.000 hertz (o 10 MHz ). Possiamo classificare i diversi ultrasuoni in base alla loro frequenza. Si divide in due categorie. Quindi, distinguiamo:
Anche gli ultrasuoni di potenza sono suddivisi in 2 parti:
Fu Lazzaro Spallanzani che, nel 1794, sospettò per primo l'esistenza degli ultrasuoni. Furono scoperti nel 1883 dal fisiologo inglese Francis Galton .
Fu solo nel 1917, sotto l'influenza delle necessità della guerra antisommergibile, che apparve il primo generatore di ultrasuoni. I tedeschi posizionarono i loro U-Boot , i primi sottomarini da combattimento effettivamente in servizio, intorno alla Gran Bretagna , affondando qualsiasi nave che si dirigesse lì. Il sonar , che allora si chiamava ASDIC è prevista,. Il sistema è semplice, gli ultrasuoni, onde molto poco assorbite dall'acqua, vengono mandati in mare, se incontrano un ostacolo vengono rimandati sulla nave, così informati della posizione del nemico. Tuttavia, non sappiamo ancora come produrre questi ultrasuoni. Un profugo francese, Paul Langevin , fisico di fama, lavora su questo problema dal 1915, e vi ha posto rimedio realizzando il primo generatore di ultrasuoni, da allora denominato “tripletta Langevin”.
Il principio di questo convertitore è l'associazione di due (o quattro o sei) ceramiche piezoelettriche serrate e precompresse tra due masse metalliche per prevenirne la distruzione. Le due masse metalliche servono anche per calibrare questo assieme acustico ad una frequenza predefinita che solitamente può essere compresa tra 20.000 Hz e 70.000 Hz.
Sotto l'eccitazione di un segnale sinusoidale applicato alla ceramica (da poche centinaia di volt a qualche migliaio di volt), si deformano contraendosi. La sintonizzazione in frequenza della tripletta o del complesso acustico (tripletta di Langevin che può essere comunemente chiamata convertitore o trasmettitore) si ottiene quando il consumo elettrico è minimo con uno spostamento massimo delle masse messe in movimento. Per questo, la frequenza elettrica del segnale applicato alla tripletta deve essere in accordo con la sua frequenza di risonanza meccanica. Una semplice analogia è quella di una campana di chiesa multi-ton che può essere messa in moto da un solo uomo. Questa vibrazione così creata nella ceramica viene trasmessa alle due masse metalliche. L'ampiezza dello spostamento delle masse metalliche può essere da pochi micron a più di 20 micron picco/picco. Lo spostamento può essere aumentato aggiungendo un booster (amplificatore meccanico che accelera la propagazione dell'onda di vibrazione così creata) e un sonotrodo , che è di fatto lo strumento dove verrà utilizzata questa vibrazione. L'ampiezza dello spostamento ottenuto può raggiungere facilmente i 100 micron, l'efficienza elettrica è eccezionale, potendo arrivare dal 95 al 98%. Senza questa invenzione l'industria non sfrutterebbe questa tecnologia. Il loro comportamento è dovuto alle loro interazioni con l'ambiente in cui si diffondono.
Attualmente vengono utilizzati tre tipi di emettitori per generare ultrasuoni, sfruttando la trasformazione dell'energia elettrica trasportata da correnti alternate di alta frequenza in energia meccanica (oscillazioni di un sistema meccanico).
L'elemento essenziale di questo tipo di generatore è costituito da una tripletta, vale a dire da un mosaico di lamelle di quarzo di orientamento e spessore rigorosamente identici, incollate tra due dischi di acciaio. Questi due dischi sono collegati ai terminali di una sorgente di corrente alternata. I fiocchi di quarzo vengono quindi deformati alla stessa frequenza di quella della tensione loro applicata. Producono vibrazioni meccaniche che vengono trasmesse all'ambiente in cui si trova il dispositivo. È questo metodo utilizzato da Langevin per creare i primi trasmettitori.
Questi emettitori utilizzano il principio della magnetostrizione : corpi ferromagnetici (ad esempio del tipo a foglio di nichel ) sono posti in un campo magnetico variabile. Consente di ottenere una contrazione dei corpi abbastanza significativa, che si trasmette nell'ambiente ambiente, generalmente aria. Il vantaggio di questi trasmettitori è la loro robustezza, il loro svantaggio, non permettono di produrre ultrasuoni con una frequenza maggiore di 50.000 Hz .
Il funzionamento di questi emettitori è vicino agli emettitori magnetostrittivi , con la differenza che i corpi utilizzati sono ceramici posti in un campo elettrico variabile. Le dimensioni del corpo poi variano, provocando un movimento meccanico delle molecole d' aria: gli ultrasuoni.
Le applicazioni degli ultrasuoni sono molteplici:
Il primo utilizzo degli ultrasuoni è stato quello di individuare i sottomarini nemici. Il principio di questo metodo è semplice: gli ultrasuoni si riflettono su un ostacolo e tornano al punto di partenza producendo un'eco: conoscendo il tempo che separa l'emissione dell'onda e la ricezione dell'eco e la velocità degli ultrasuoni in acqua di mare ( circa 1.500 m/s ), è facile dedurre la distanza che separa il trasmettitore dall'ostacolo. Questo metodo non è più solo militare ed è stato adattato a tutti i tipi di tracciamento degli ostacoli.
In metallurgia, gli ultrasuoni vengono utilizzati per degassare i metalli, rilevare difetti , per lavorare e saldare determinati materiali. Un trapano attaccato alla parte mobile di un generatore di ultrasuoni può essere utilizzato per la perforazione, eseguendo movimenti avanti e indietro alla frequenza degli ultrasuoni. Si ottiene una precisione di pochi micrometri, anche in materiali estremamente duri.
Gli ultrasuoni vengono utilizzati anche per la sterilizzazione di alcuni liquidi, in particolare il latte, l'omogeneizzazione o il pretrattamento di fanghi di depurazione o residui industriali, la prospezione di giacimenti minerari, l'esplosione di esplosivi comandati a distanza, la pulizia di alcuni corpi, come ad botti usate per fare il vino, o la saldatura di materie plastiche.
Molte industrie come quella farmaceutica, automobilistica o orologiera utilizzano anche gli ultrasuoni per la pulizia: vari oggetti possono così essere immersi nei bagni ad ultrasuoni per eliminare eventuali impurità che possono essersi depositate o accumulate al loro interno.
Gli ultrasuoni vengono utilizzati nella diagnosi e nel trattamento di varie condizioni.
Per scopi diagnostici, gli ultrasuoni vengono utilizzati dagli ultrasuoni, che esplorano gli organi interni morbidi o pieni di liquido mediante riflessione e analisi di un fascio di ultrasuoni, e dal Doppler; quest'ultima tecnica studia la velocità della circolazione arteriosa e venosa per mezzo di una sonda che emette ultrasuoni che vengono riflessi sui globuli rossi per poi essere raccolti da un ricevitore posto sulla sonda stessa.
A fini terapeutici, gli ultrasuoni sono stati utilizzati nel trattamento sintomatico delle infezioni dei tessuti molli (muscoli, legamenti, tendini). Questa tecnica, chiamata terapia ad ultrasuoni , utilizzava onde ad alta frequenza per ridurre l'infiammazione migliorando, in teoria, la circolazione locale. Oggi, invece, non è stato riscontrato alcun valore terapeutico degli ultrasuoni per le patologie dei tessuti molli. Gli ultrasuoni vengono utilizzati anche per rompere i calcoli, soprattutto urinari, esternamente, con una tecnica chiamata litotripsia.
Nel aprile 2008, è sorta una polemica a seguito della commercializzazione in Europa di un dispositivo destinato a tenere i giovani lontani da determinati luoghi, emettendo frequenze vicine agli ultrasuoni, percepibili solo da individui giovani, il che è vero in teoria ma non in pratica. In effetti, l'udito umano perde la capacità di sentire i suoni acuti con l'età. Tuttavia, a seconda della persona e soprattutto in base allo stile di vita acustico (cuffie troppo alte o serate musicali troppo rumorose che danneggiano irreparabilmente l'udito), le persone anziane possono sentire suoni più acuti rispetto ad alcuni giovani. Il processo ha incontrato una notevole opposizione, sia per ragioni etiche che mediche, e molte voci si sono levate per chiederne il divieto.
Molti animali vertebrati terrestri, come cani, gatti, alcuni roditori o pipistrelli , possono sentire determinati intervalli di ultrasuoni e/o utilizzarli per comunicare. Gli ultrasuoni in gioco nel mondo animale sono oggetto di studio da parte della bioacustica , che ha dimostrato che molti animali utilizzano suoni emessi oltre il limite superiore dell'udito umano. Le alte frequenze conferiscono alcuni vantaggi nella comunicazione e possibilità come l' ecolocalizzazione .
Alcuni possono emettere: i pipistrelli emettono ultrasuoni che si riflettono sugli oggetti circostanti, il che consente loro di percepire il loro ambiente (vedi ecolocalizzazione ) . I giovani topi percepiscono gli ultrasuoni emessi dalla madre che allatta.
Lo stesso vale per i cetacei ( balene , delfini ), che utilizzano suoni ad altissima frequenza per comunicare e percepire il loro ambiente.
Per molto tempo, la produzione e la percezione degli ultrasuoni è stata considerata possibile solo nei mammiferi. Secondo i dati disponibili negli anni '70, gli uccelli non udivano suoni la cui frequenza supera i 12 kHz secondo Konishi (1973), e secondo i dati disponibili negli anni '80, l' udito degli anfibi era limitato a 5 kHz (secondo Fay 1988 o 8 secondo Loftus-Hills, 1970). Tuttavia, i ricercatori hanno poi scoperto che un uccello e gli anfibi anuri sono in grado di percepirli. La rana torrente dalle orecchie concave e il passero cantante abrscopus albogularis che vivono vicino a ruscelli rumorosi si inseriscono nel loro canto armonico ad ultrasuoni. Così, la rana Odorrana tormota è in grado di emettere e percepire ultrasuoni, di oltre 100 kHz . È la prima specie non di mammifero con questa proprietà ad essere stata scoperta. Il maschio emette grida simili al canto degli uccelli e ha un'anatomia dell'orecchio insolita, incluso un timpano concavo.
È stato anche dimostrato che in alcuni animali (topi per esempio) il cervello ha un'area dedicata all'interpretazione degli ultrasuoni percepiti dall'animale.
Diversi metodi per spaventare le specie considerate indesiderabili in determinati contesti si basano sulla diffusione degli ultrasuoni, anche per gli uccelli quando la diffusione avviene oltre una certa potenza. Alcuni animali potrebbero così e per altri motivi essere vittime di un inquinamento acustico non udibile dall'uomo. Ad esempio, è stato osservato che i pipistrelli foraggiatori (che svolgono un ruolo importante nella fertilizzazione di alcune piante) evitano le zone rumorose, che probabilmente li disturbano nell'avvistare i fiori. Per altre specie di pipistrelli , il rumore potrebbe interferire con la loro percezione uditiva (ed in particolare la percezione della loro preda, o di determinati ostacoli o predatori).