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.
Se pot produce ultrasunete si cu ajutorul efectului magnetostrictiv care consta în deformarea corpurilor feromagnetice (fier, nichel, cobalt) sub actiunea unui câmp magnetic. Introducând o bara dintr-un astfel de material (Ni) într-un câmp magnetic, paralel cu lungimea ei (produs de exemplu de o bobina în care e introdusa bara), aceasta se scurteaza. Când câmpul magnetic variaza periodic (curentul care strabate bobina este periodic) bara se va scurta periodic. În cazul unor frecvente mari ale câmpului alternativ vibratiile capetelor barei dau nastere la unde ultrasonore. Pentru a obtine amplitudini mari se aleg dimensiunile barei astfel ca sa avem rezonanta între vibratiile elastice proprii si frecventa curentului alternativ excitator. Generatorul magnetostrictiv este avantajos pentru producerea ultrasunetelor de frecventa joasa (de la 20 - 60 kHz) si energii considerabile.
Datorita frecventei mari si a energiei mari pe care o transporta, ultrasunetele produc o serie de efecte fizico-chimice dintre care mentionam : distrugerea starilor labile de echilibru; încalzirea mediului; formarea de sisteme disperse (emulsii si suspensii) si distrugerea de astfel de sisteme (coagulari); influentarea potentialelor electrochimice si a pasivitatii metalelor; voalarea placilor fotografice; cresterea vitezei unor reactii chimice; explozia substantelor putin stabile (de exemplu iodura de azot) etc.
Proprietatile ultrasunetelor permit folosirea lor într-o mare varietate de aplicatii practice.
Ultrasunetele produc încalzirea si redistribuirea substantei din celulele vii ceea ce duce la folosirea lor în terapeutica (încalzirea anumitor tesuturi si masaje adânci) precum si la conservarea alimentelor (prin folosirea unor ultrasunete de frecventa si intensitate potrivita care distrug microorganismele).
O alta aplicatie a ultrasunetelor este legata de masurarea adâncimii marilor. În esenta procedeul este acelasi ca si în cazul folosirii sunetelor obisnuite, prezentând însa avantajul fasciculelor dirijate. De asemenea se pot produce semnale foarte scurte ceea ce mareste precizia masurarii intervalului de timp dintre producerea semnalului direct si înregistrarea celui reflectat.
Ultrasunetele se folosesc în diferite procese tehnologice cum ar fi : spalarea, curatarea, uscarea sau sudarea unor corpuri si de asemenea pentru prelucrarea unor piese. În principiu, prelucrarea cu ajutorul ultrasunetelor consta în urmatoarele : se introduce piesa (sau portiunea de piesa) care trebuie prelucrata într-un lichid în care se gasesc în suspensie particule de praf abraziv dur. Sub actiunea unei surse de ultrasunete în lichid apare fenomenul de cavitatie. Datorita socurilor hidraulice particulele de abraziv sunt lovite cu putere de suprafata piesei smulgând aschii din aceasta. Pe acest principiu se bazeaza construirea unor masini unelte care sa taie filetele si dintii pinioanelor fine, care rectifica piese complicate, taie si gauresc placi etc.
Dintre numeroasele aplicatii ale ultrasunetelor nu vom mai mentiona decât defectoscopia ultrasonora. Controlul ultrasonor permite stabilirea existentei unor defecte (fisuri, goluri) în interiorul unor piese metalice masive. Principalele tipuri de defectoscoape ultrasonore utilizeaza transmisia sau reflexia.
În defectoscopul prin transmisie emitatorul si receptorul de ultrasunete sunt situate de o parte si de alta a piesei de cercetat (fig.1). Daca între emitator si receptor nu exista nici un defect (de exemplu între sursa S1 si receptorul R1) semnalul ultrasonor transmis va trece neatenuat producând o anumita deviatie a acului aparatului de înregistrare (A1). În cazul în care întâlneste un gol (D) o parte a semnalului ultrasonor este reflectat pe suprafata de separare dintre metal si aerul din golul respectiv si semnalul este mult atenuat ceea ce se va observe la aparatul indicator (A2). Dispozitivul folosit practic are o singura pereche emitator-receptor care este plimbata în lungul piesei de cercetat. Aceasta metoda are doua incoveniente : în primul rând ultrasunetele propagându-se prin piesa se reflecta pe fetele opuse ale acesteia îngreunând observarea defectelor; în al doilea rând acest procedeu nu permite stabilirea adâncimii la care se gasesc defectele.
Aceste incoveniente sunt în buna masura eliminate de defectoscoapele prin reflexie (sau în impulsuri). La acestea emitatorul si receptorul sunt situate de aceeasi parte a piesei unul lânga altul (fig.2a). Ultrasunetele se propaga prin piesa, ajung la fata opusa unde sunt reflectate si apoi revin la receptor. Daca în piesa exista un defect, semnalul ultrasonor se va reflecta de acesta si va ajunge mai devreme la receptor decât cel reflectat de fata opusa. Emitatorul genereaza impulsuri scurte la intervale lungi constante care împreuna cu semnalul reflectat sunt marcate pe ecranul unui oscilograf. În fig.2b prin 1 si 3 am indicat locurile unde spotul luminos are devieri bruste care marcheaza momentele în care a fost emis semnalul ultrasonor si respectiv în care a fost receptat semnalul reflectat de fata opusa. Prin 2 am indicat locul unde este indicata primirea unui semnal reflectat de un defect. Pozitia relativa a acestuia în raport cu 1 si 3 ne permite sa determinam adâncimea la care se gaseste defectul.
