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ultrasuòno

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Definizione

sm. [sec. XX; ultra-+suono]. In acustica, suono di frequenza superiore al limite superiore del campo di udibilità dell'uomo, normalmente posto pari a 20 kHz. Il limite di frequenza superiore degli ultrasuoni è legato soltanto a problemi tecnici; attualmente è compreso fra 1011 e 1012 Hz. Gli ultrasuoni di frequenza superiore a 109 Hz si chiamano ipersuoni. Le proprietà degli ultrasuoni sono legate soprattutto alla loro lunghezza d'onda, che per gli ipersuoni è eguale o minore, come ordine di grandezza, a quella delle radiazioni luminose. A causa di ciò, al crescere della frequenza f gli ultrasuoni presentano fenomeni sempre più vicini ai fenomeni ottici (propagazione rettilinea, zone d'ombra); inoltre, l'intensità della radiazione, proporzionale a f², è di solito assai superiore a quella delle onde sonore; infine la differenza di coefficiente di assorbimento degli ultrasuoni al variare dello stato di aggregazione del mezzo, coefficiente anch'esso proporzionale a f², rende possibile applicazioni di tipo ottico. La generazione di ultrasuoni può essere effettuata con dispositivi analoghi a quelli tipici dei suoni, oppure diversi. La prima categoria comprende trasduttori elettroacustici come: i generatori piezoelettrici a quarzo o a tormalina, nei quali il cristallo viene eccitato da un campo alternato a entrare in vibrazione alla frequenza di risonanza meccanica; i generatori elettrostrittivi, anch'essi usati in risonanza, che sfruttano l'elettrostrizione (consistente nel fatto che il cristallo sottoposto a un campoelettrico, quindi sede di una polarizzazione dielettrica P, si deforma proporzionalmente a P²) di materiali come il titanato di bario, aventi come caratteristiche positive un'elevata sensibilità e la possibilità di assumere le forme più varie, oltre a esser atti a concentrare elevata potenza in spazi ristretti; i generatori magnetostrittivi, anch'essi usati in risonanza, che sfruttano la magnetostrizione di materiali ferromagnetici; poiché l'effetto magnetostrittivo non è lineare, per ridurre la seconda armonica è necessario sovrapporre una tensione continua di polarizzazione alla tensione alternata di eccitazione. La seconda categoria di generatori si basa su un principio meccanico. Si tratta di generatori a getto fluido, nei quali l'ultrasuono è generato dall'uscita di un getto d'aria da orifizi che vengono periodicamente interrotti mediante la rotazione di un disco forato. Questi generatori possono fornire potenze acustiche fino a 30 kW per frequenze comprese fra 20 e 100 kHz. Le applicazioni degli ultrasuoni riguardano campi assai diversi. Nel campo della fisica dei solidi, la riflessione del raggio ultrasonoro in corrispondenza di superfici di separazione di mezzi diversi (tecnica di eco), i fenomeni di risonanza, la tecnica di visualizzazione (ultrasonoscopia) consentono la determinazione delle costanti di propagazione (velocità, coefficienti di assorbimento, moduli di elasticità). Nel campo dell'ecometrria, l'uso degli ultrasuoni è corrente in tutti gli apparecchi di localizzazione subacquea, come il sonar. Nel campo della biologia e della medicina, la tecnica di eco consente la visualizzazione dei tessuti biologici (vedi ecografia ed ecocardiografia). Nel campo della tecnologia meccanica, gli ultrasuoni sono usati nella saldatura di materie plastiche: al trasduttore viene fissato meccanicamente un sonotrodo (elemento metallico che genera gli ultrasuoni) che viene premuto contro i pezzi da saldare e provoca un riscaldamento localizzato nella zona di contatto dei pezzi da saldare, al quale segue una rapida fusione e la saldatura dei pezzi stessi. Nel lavaggio e sgrassaggio di particolari metallici delicati, gli ultrasuoni generati da un trasduttore applicato a una parete della vasca che contiene il liquido di lavaggio ne provocano la cavitazione, che riesce a staccare anche le particelle di sporcizia e di grasso più aderenti al pezzo. Fra i più recenti campi di applicazione degli ultrasuoni va ricordata l'acustoelettronica, in cui gli ultrasuoni sono applicati nelle linee di ritardo ultracustiche, a cristallo piezoelettrico, dove l'onda ultrasonica è superficiale. A parità di ritardo dette linee sono assai più corte delle corrispondenti elettromagnetiche. Gli ultrasuoni sono utilizzati anche negli amplificatori acustoelettronici, che sfruttano l'effetto di amplificazione che si realizza nei semiconduttori piezoelettrici per interazione fra onde ultracustiche ed elettroni liberi. Negli oscillatori acustoelettronici, l'effetto di amplificazione si ottiene introducendo nel sistema di amplificazione un anello di reazione, con reazione positiva dovuta a uno sfasamento di 2πn, essendo n un intero. In metallurgia, ultrasuoni prodotti da vibrazioni di un mezzo materiale, di frequenza variabile da.0,5 a 25 MHz, possono essere utilizzati all'atto della fabbricazione di un metallo o di una lega allo scopo di degassificare il bagno metallico e di affinare il grano durante la solidificazione. Più frequentemente, gli ultrasuoni sono applicati per individuare eventuali difetti come soffiature, porosità, cricche, inclusioni ecc. che possono essere riscontrati, per esempio, nelle saldature o dopo un trattamento termico; inoltre, sono utilizzati per la determinazione di spessori altrimenti non misurabili. Per quanto concerne la degassificazione, l'azione meccanica degli ultrasuoni favorisce la coagulazione e conseguentemente la separazione delle particelle gassose dal bagno metallico. Così pure la medesima azione determina una moltiplicazione dei germi di cristallizzazione durante la fase di nucleazione, il che comporta l'ottenimento di un solido a grano fine. Il controllo della presenza o meno di difetti del tipo sopra elencato (porosità, soffiature, cricche, inclusioni ecc.) in un pezzo ottenuto, per esempio, per colata in forma o in una zona di saldatura, o il riscontro di eventuali irregolarità o discontinuità, come le cricche determinate da un trattamento termico, e la misurazione di spessori, sono effettuati per trasmissione o trasparenza, per riflessione o per risonanza di ultrasuoni emessi da un generatore di tipo piezoelettrico e trasmessi attraverso il pezzo da controllare. La risposta, costituita da un segnale elettrico emesso da un trasduttore che riceve l'impulso meccanico di riflessione o di trasparenza, viene evidenziata sullo schermo di un oscillografo tarato e graduato in modo da poter leggere direttamente lo spessore che si vuole misurare, o la posizione del difetto.

Zoologia

Ultrasuoni sono prodotti da un certo numero di specie animali sia invertebrati (Insetti) che Vertebrati (Uccelli e Mammiferi), ma in alcune specie di insetti e di uccelli rappresentano solo una componente delle normali emissioni sonore. Ultrasuoni per così dire “puri” sono prodotti, fra gli Insetti, da alcune cavallette (Tettigoniidi), grilli e farfalle e, fra i Mammiferi, dai pipistrelli, da alcuni Roditori e dai Cetacei. Nei pipistrelli gli ultrasuoni, di frequenze comprese fra 20.000 e 150.000 Hz, sono usati essenzialmente con funzione di ecolocazione, inclusa l'individuazione delle prede in volo; nei Cetacei, in cui possono superare i 200.000 Hz, sono usati sia con funzione di ecolocazione che di comunicazione intraspecifica (nel secondo caso limitatamente a quelli di frequenze fra circa 30.000 e 40.000 Hz). Negli Insetti possono avere funzione di comunicazione o difensiva, come nel caso di certe farfalle predate dai pipistrelli che emettono ultrasuoni durante l'attacco del predatore con l'effetto di confondere gli echi degli ultrasuoni prodotti da quello. Tra i Roditori emettono ultrasuoni i giovani di diverse specie, che li usano come segnali di soccorso in situazioni di pericolo reale o potenziale (per esempio quando si sentono abbandonati dalle madri, quando la loro temperatura interna si abbassa ecc.), sortendo l'effetto di evocare negli adulti una reazione di recupero.