~Referat~

ULTRASUNETE

In natura, in tehnica, pretutindeni dealtfel, permanent urechile omului sunt expuse la cele mai diferite sunete, zgomote si pocnete. Astfel exista un univers sonor in care omul este asaltat de cele mai diferite vibratii provenite de la cele mai diferite surse sonore. Orice corp in stare de vibratie intr-un mediu dat, produce miscari ondulatorii care se propaga din aproape in aproape sub forma de unde asemanatoare undelor ce iau nastere pe suprafata unei ape pe care a cazut o piatra. Acordurile unui pian, sueratul vantului sau freamatul frunzelor ajung la urechea noastra sub forma de vibratii sonore ce provoaca asa-numita senzatie auditiva.

Vibratiile mecanice, care ajung la urechea omului sub forma de vibratii longitudinale, nu vor provoca senzatii auditive decat daca frecventa lor este cuprinsa intre16 si 20000 herzi.

Literatura de specialitate imparte domeniul vibratii in trei categorii. Prima categorie este aceea a sunetelor. Ele sunt produse de vibratii ale caror frecvente sunt cuprins intre cele doua limite amintite mai sus (16 si 20000 herzi). Din categoria a doua fac parte infrasunetele, care au frecvente mai mici de 16 Hz. In jurul nostru intalnim sunete de frecvente joase si foarte joase pe care nu le auzim, dar le percepem cu simtul tactil ca vibratii. Vibratiile infrasonore, la intensitati mari, influenteaza comportarea, reactiile si sanatatea omului. Efectele infrasunetelor sunt cumulative, produc o falsa stare de euforie, senzatie de voma, irascibilitate, senzatie de oboseala si ameteala. Mediul inconjurator contine nenumarate surse de infrasunete, de exemplu: aparate de uscare prin ventilatie, automobile, tramvaie, elicoptere, furnale etc. Cele mai active surse le intalnim deci in orase mari si in apropierea acestora.

Din categoria a treia fac parte ultrasunetele, produse de vibratii de aceiasi natura cu cele care reprezinta sunetele, dar cu o frecventa mai inalta decat 20000 Hz ; limita superioara domeniului pentru care este sensibila urechea omeneasca.

Din cele aratate, constatam ca impartirea vibratiilor acustice in trei domenii este conventionala, limitele fiind dictate de simtul nostru auditiv. La persoanele cu auz exceptional, aceasta limita se extinde pana la 25000, chiar 30000 Hz.

Ultrasunetele cu frecvente mai mari de 100000 kHz se numesc hipersunete, iar domeniul lor se intinde pana la valori de mii de megaherzi. La nivelul actual al tehnicii, frecventele ultrasonice cele mai inalte produse pana in prezent sunt de 40000 MHz. Din punct de vedere fizic nu se poate trasa un hotar rigid intre sunete si ultrasunete.

Uneori se mai utilizeaza si denumirea de "supersunete". In acest caz este vorba de o clasificare a vibratiilor acustice dupa intensitatile lor. Astfel, vibratiile acustice care au intensitatea superioara pragului dureros fac parte din domeniul supersunetelor. La definirea

domeniului nu se tin seama de limitele de frecventa.

Aplicatia ultrasunetelor in tehnica arata ca pot fi utilizate la fel de bine atat sunetele cat si ultrasunetele intr-un domeniu dat. Astfel in domeniul depunerilor de aerosoli lichizi (gaze care contin particule de acid sulfuric in suspensie), eficienta maxima o au vibratiile mecanice de 11 kHz, deci inca in domeniul sonor, dar sunt

~2~

preferate cele din domeniul ultrasonor, pentru ca nefiind percepute de urechea omului,     

nu produc senzatii neplacute, jenante, chiar la intensitati mari. Sunt insa anumite procese care nu au loc decat numai sub actiunea vibratiilor ultrasonice de o anumita frecventa, cum ar fi: absorbtia.

2. CUPRINS

2.1. NOTIUNI ELEMENTARE DESPRE FIZICA ULTRASUNETE LOR.

Asemanari si deosebiri.

Experienta arata ca nu exista o deosebire esentiala intre natura fizica a sunetelor sau a ultrasunetelor. Deosebirea neinsemnata intre sunet si ultrasunet este cauzata de capacitatea urechii omenesti de a percepe numai anumite vibratii elastice dintr-o anumita gama de frecvente. Ca orice miscare vibratorie, vibratiile corpului elastic care produce sunetul se propaga sub forma de unde longitudinale, de compresie si de dilatare succesiva, intr-un mediu gazos sau lichid, iar, in mediul solid, undele sunt atat longitudinale cat si transversale. Intr-un spatiu foarte mare, undele sonore pot fi plane, sferice, cilindrice etc., dupa forma suprafetei vibratoare. Majoritatea legilor fizicii caracteristice vibratiilor sonore pot fi extinse si la vibratii ultrasonore. Nu se poate stabili insa o identitate completa intre aceste tipuri de vibratii, deoarece pe masura ce frecventa creste se modifica o serie intreaga de proprietati ale acestora si in mod corespunzator, se schimba si modul lor de actiune asupra materiei.

Daca comparam intensitate vibratiilor sonore si a celor ultrasonice din natura cu intensitatea vorbirii, constatam ca ele au acelasi ordin de marime. Cum se stie sunetul unei convorbiri cu glas tare ii corespunde o intensitate egala cu 10^-9 Wxcm^-2 , la frecventa de 1000 de Hz. Aceasta intensitate acustica reprezinta pragul de audibilitate. Cand intensitatea sunetului este prea mare, urechea umana percepe o senzatie de presiune dureroasa. Astfel, intensitatea acustica 10^-4 x cm^-2 reprezinta pragul senzatiei dureroase.

2.2. EFECTELE ULTRASUNETELOR.

Efectele fizice ale ultrasunetelor

Daca un corp este iradiat cu un fascicul ultrasonor intens, in materialul expus modificari evidente. Factorii care contribuie la modificarea structurii sunt numerosi, dar, undele ultrasonice transportand energia mecanica, efectul principal este mecanic.

Sub actiunea undelor ultrasonice, suficient de intense, in masa lichidului incep sa apara bule care se ridica la suprafata si se sparg. Fenomenul a fost denumit "cavitatie". Deci, cavitatia este un proces de formare in mediul lichid al bulelor si destinderea lor sub actiunea undelor. Acest fenomen apare numai in prezenta ultrasunetelor (fiind o cavitatie ultrasonica), ci si la miscarea relativa a unui lichid in raport cu un obstacol. De exemplu, la miscarea elicei unui vapor, la turbinele hidraulice sau la pompele centrifuge apare fenomenul de cavitatie (cavitatia hidraulica), avand un efect distrugator.

Cavitatia se datoreste comprimarilor si dilatarilor succesive intr-un anumit punct al mediului (apei) care se rupe. Cavitatiile sau golurilef ormate sunt foarte mici, in general vizibile numai cu aparate optice. Ruperea lichidului se produce in puncte de slaba rezistenta, zone in care particulele in suspensie (bule de aer sau vapori etc.). Aceste bule sunt umplute cu gaze dizolvate in lichid sau vaporii acestora. Bulele formate in urma cavitatiei prin miscarea lor ascensionala, transporta la suprafata lichidului gazele si vaporii cuprinsi, contribuind astfel la degazarea lichidului.

Daca vom trece in domeniul ultrasunetelor, constatam ca absorbtia acestora este mai pronuntata decat in cazul sunetelor, absorbtia acestora este mai pronuntata decat in cazul sunetelor, absorbtia acustica crescand cu patratul frecventei. Rezulta, asadar, ca atenuarea ultrasunetelor este mai pronuntata decat a sunetelor, ele neputandu-se propaga, din aceasta cauza, decat la distante relativ mici. Marele fizician rus P.N. Lebedev, care a folosit in cercetarile sale ultrasunete, a aratat ca nu se poate lucra in aer cu ultrasunete avand frecvente foarte ridicate, deoarece acestea nu au posibilitatea sa parcurga nici cea mai mica distanta de la emitator. P .N. Lebedev a stabilit pe baza de calcul ca ultrasunetele cu frecvente nai nari de 5000000 Hz nu se mai propaga practic in aer, suferind o absorbtie foarte puternica. Ele se sting chiar la suprafata de separatie dintre emitator si patura de aer inconjurator.

In lichide si in corpurile solide, ultrasunetele, suferind o absorbtie mai redusa decat in aer si in general, in gaze, se propaga la distante mai mari. Astfel, in aer daca intensitatea unui ultrasunet avind o frecventa de 100000 Hz se reduce la jumatate, datorita absorbtiei, la o distanta de trei metri de sursa, -in apa, pentru a intensitatea sa scada la jumatate, ultrasunetul trebuie sa strabata o distanta de 3000 de metri. Faptul ca in apa ultrasunetul, suferind o absorbtie mai mica decat in aer, se propaga la distante relativ mari, a facut posibila utilizarea undelor ultrasonice la transmisiile submarine. In acest domeniu ele inlocuiesc undele radioelectrice, care, dupa cum se stie, sufera o atenuare cu mult mai mare in apa marii decat in atmosfera. Sunt insa si corpuri solide in care ultrasunetul sufera o schimbare radicala. In aceasta categorie intra materialele cu slabe calitati elastice si materiale plastice, materiale neomogene si in special cele poroase (pe baza de cauciuc, pluta, materiale plastice, fibre). Astfel, in cauciuc coeficientul de pierdere a energiei acustice este de aproximativ de 10000 de ori mai mare decat in aluminiu si de 1000de ori mai mare decat in piese confectionate din fier.

Deoarece, in comparatie cu sunetele, ultrasunetele sufera in acelasi mediu o atenuare mai mare, inseamna ca o cantitate mai mare de energie mecanica se transforma in caldura. Aceasta are ca efect o ridicare a temperaturii in locul strabatut de undele ultrasonice. Daca ridicarea temperaturii este aproape imperceptibila in cazul in care un mediu este traversat de sunete, ea devine destul de pronuntata atunci cand prin acelasi mediu se propaga ultrasunete.

Presupunand ca ar trebui sa fierbem apa dintr-un pahar cu ajutorul sunetelor produse de un difuzor care da in mod continuu o muzica, ar trebui sa asteptam cateva sute de ani. Bineinteles durata mentionata presupune c toata energia ar ramine inmagazinata in lichid si aceasta nu s-ar evapora cu timpul. Prin folosirea unui emitator de ultrasunete, timpul de iradiere pentru atingerea aceluiasi scop poate fi socotit in minute. Asadar daca operatia incalzirii apei cu sunete este o utopie, operatia devine posibila cu ajutorul ultrasunetelor.

2.3.Ultrasunetul lumineaza

Acum vreo 30 de ani, efectuindu-se experiente cu ultrasunete care se propagau prin apa, s-a observat un fenomen curios. Dupa scurt timp de la punerea in functiune a generatorului ultrasonic, vasul care continea apa a inceput sa se lumineze, de parca inauntrul lui s-ar fi gasit sute de licurici. Dupa ce atinsese o intensitate maxima, iluminarea aceasta a slabit treptat, pana a disparut cu totul. Timpul cat a durat acest fenomen neobisnuit a fost destul de scurt, dar totusi suficient pentru ca lumina produsa sa impresioneze o placa fotografica. Fotografia obisnuita era o dovada de netagaduit ca experimentatorul nu fusese victima unei iluzii optice, ca iluminarea lichidului din vas se produsese in realitate si ca ultrasunetul fusese acela care generase lumina.

O data semnalat acest fenomen, oamenii de stiinta au cautat sa-l puna mai bine in evidenta, sa-l examineze mai indeaproape si sa dea o explicatie modului in care se produce. Dar inainte de toate, fenomenul trebuia sa poarte un nume. Tinandu-se seama de cauza care-l face sa ia nastere, denumirea a fost gasita fara prea mare greutate. I s-a spus sonoluminescenta, adica lumina generata de undele sonice, dupa cum fenomenelor asemanatoare, produse insa de alti factori ,li s-a zis electroluminescenta, dupa cum lumina este rezultatul actiunii electricitatii, iluminarii prealabile a corpului emitator sau rezultatul frecarii corpurilor intre ele.

S-a constatat ca luminescenta este un fenomen care apare si dispare periodic, intocmai ca palpairile unei lampi sau ale unei flacari, si nu se produce numai in apa, ci si in alte lichide, cum ar fi glicerina si acidul sulfuric. In unele lichide, ca de pilda in dimetil-ftalat, la temperatura normala a camerei, sonoluminescenta este atat de puternica, incat poate fi observata si in lumina zilei, fara a mai fi nevoie sa se faca intuneric in camera in care se efectueaza experimentarea.

Dar si in apa efectul poate fi marit daca-I adaugam acesteia unele substante reminiscente, cum ar fi de pilda luminolul. Acesta produce lumina daca este oxidat. Cand in vasul cu apa in care se produc ultrasunete introducem luminol, apa oxigenata care se formeaza in urma actiunii cavitatiei oxideaza luminolul. Acesta emite lumina, care poate fi vazuta doar cu ochiul, chiar neadaptat la intuneric.

Mult timp s-a crezut ca sonoluminescenta nu apare in multe lichide, in special in lichide organice, cum ar fi benzenul sau toluenul. Aceasta se datora faptului ca efectele fiind prea slabe, lumina nu putea fi observata cu ochiul liber. In ultimii ani, existand posibilitatea de detectare si de amplificare a unor luminozitati chiar forte reduse cu ajutorul unor aparate foarte sensibile, denumite fotomultiplicatoare ,s-a constatat ca sonoluminiscenta apare si in aesmenea lichide, numai ca intensitatea luminoasa este extrem de slaba pentru a putea impresiona retina ochiului sau o placa fotografica.

Luminescenta produsa nu depinde numai de natura lichidului si de intensitatea si frecventa ultrasunetului, ci de conditiile in care se face experienta. Temperatura joaca un rol foarte important. Daca temperatura creste, luminescenta scade si ea. In cazul apei, luminescenta dispare aproape cu desavarsire in jurul temperaturii de 40sC. Dimpotriva, luminozitatea cea mai mare se obtine cand temperatura ajunge atat de scazuta incat apa este gata sa inghete.

Care este cauza acestui fenomen? De unde provine lumina emisa de lichidul in care se produc ultrasunetele?

Constatandu-se ca luminescenta nu apare decat atunci cand lichidul este iradiat cu ultrasunetele de intensitate mare, inca acest fenomen si fenomenul de cavitatie ultrasonica. Cercetarile ulterioare au confirmat aceasta ipoteza, si anume ca sonoluminescenta este strans legata de formarea bulelor de cavitatie si orice cauza care face ca aceste bule sa nu se produca impiedica si aparitia luminescentei. Astfel, daca lichidul care trebuie ultrasonat este in prealabil degazat, chiar cu cele mai sensibile aparate nu se mai poate pune in evidenta fenomenul: lumina nu se mai produce. Aceasta se datoreste faptului ca intr-un lichid degazat nu se mai produc in masura suficienta bule de cavitatie.

Tehnica noua a permis nu numai sa se semnaleze prezenta luminescentei, ci sa se si observe modul in care se produce aceasta. Utilizandu-se fotografierea ultrarapida s-a putut deduce ca sonoluminiscenta este rezultatul aparitiei in toata masa lichidului a unor fulgere de lumina microscopice, fulgere care au loc in faza finala distrugerilor bulelor de cavitatie. Care este cauza acestor microfulgere? Au fost emise mai multe teorii care cauta sa explice provenienta acestor:

O prima teorie, stabilita inca din 1940 de savantul rus J. Frenchel, presupune ca in interiorul bulei de cavitatie se produce o mica cavitatie se produce o mica descarcare electrica, datorita sarcinilor elecrice de semne contrare care apar pe peretii cavitatii. Descarcarea electrica se produce in interiorul bulei ceea ce ar fi reprezentarea la scara microscopica a descarcarii electrice care are loc intr-un tub cu gaz, de pilda in lampile cu vapori de mercur sau neon care servesc la iluminat. Conform acestei teorii "in lichid apar mii de lampi de descarcare in miniatura.

O alta teorie formata de fizicienii englezi B.E. Noltingk si E.A. Neppiras cativa ani mai tarziu, admit ca lumina in masa lichidului se produce prin incandescenta gazului sau a vaporilor de lichid continuti in bulele de cavitatie. In momentul comprimarii bulelor, presiunea devine atat de puternica intr-un interval extrem de scurt, incat gazul sau vaporii de lichid din interiorul bulei se incalzesc brusc, temperatura ridicandu-se la cateva mii de grade.

Mai exista o teorie propusa de L.A. Combers. Conform acestei teorii, are rolul de a distruge structura cvazicristalina a lichidului. In momentul distrugerii, datorita, datorita frecarii cristalelor intre ele, apar acele fulgere microscopice, care toate la un loc alcatuiesc luminiscenta. Cu alte cuvinte, microfulgerele ar fi analoge scapararilor produse prin ciocnirea cremenelui cu un amnar.

Care din teoriile aratate mai sus este mai aproape de adevar, care corespunde intru toate fenomenului fizic, este greu de spus. Se pare totusi ca datele obtinute cele mai noi in acest domeniu tind a arata ca sonoluminiscenta are o origine termica, cu alte cuvinte cea de-a doua teorie este mai demna da crezare.

In acelasi timp oamenii cauta sa gaseasca si explicatia producerii periodice

A fenomenului, aparitia si disparitia sa facandu-se fara interventia unei cauze externe. Dar daca sonoluminiscenta nu este inca un fenomen cunoscut in cele mai mici amanunte, el este totusi un fenomen al cavitatiei permitand sa fie pus in evidenta si masurat fenomenul de cavitatie ultrasonica. In plus, sonoluminiscenta mai poate fi aplicata la vizualizarea undelor ultrasonice. Desigur ca sonoluminiscenta nu va putea sa inlocuiasca becurile de iluminat, totusi este posibil in scurt timp sa-si gaseasca o

aplicatie practica pana atunci fenomenul prezinta interes pentru omul de stiinta in scopul clasificarii unor scopuri fizico-chimice.

Daca ultrasunetele este "un ochi" care scruteaza adancimile apelor si interiorul metalelor sau al elementelor din beton, este la fel de patrunzator pentru a "vedea" ce se petrece in interiorul materiei vii. Cu ajutorul ultrasunetelor, medicii pot detecta tumori canceroase, pot descoperi calculi (pietre) la ficat sau la rinichi, pot controla functionarea sistemului cardio-vascular. Principiu unor asemenea aparate medicale cu ultrasunete este acelasi cu cel care sta la baza costructiei defectoscopului ultrasonic. In acest caz, semnalul ultrasonic in loc sa descopere un defect intr-o piesa metalica, descopera o afectiune a unui organdin corpul omenesc. Asa dupa cum prin folosirea razelor X medicul obtine o radiografie, tot astfel cu ajutorul ultrasunetelor se obtine o sonograma, din examinarea carea specialistul poate avea toate datele necesare stabilirii diagnosticului.

Ultrasunetele de intensitati mari ajuta la vindecarea sau ameliorarea starii in cazul bolii ca sciatica, reumatismul, afectiuni ale pielii, degeraturi, furunculoza etc. Cum intervin ele in aceste cazuri ?procesul nu este inca bine precizat. Dupa unii cercetatori, ultrasunetul ar interveni ca un maseur microscopic, facand masaje la nivelul celulelor. Dupa alti autori, vindecarea s-ar datora datorita vindecarii tesuturilor, care are loc ca urmare a transformarii unei parti din energia transportata de ultrasuete in energia calorica, in caldura.

Enumerarea aplicatiilor ultrasunetelor de mare intensitate poate fi continua. Imbunatatirea calitatii metalelor topite, producerea de polimerizari si depolimerizari, imbatrinirea vinurilor, sterilizarea instrumentelor chirurgicale, eliminarea pietrei de pe peretii cazanelor etc. reprezinta alte operatii, in care ultrasunetele pot fi de folos omului. Alaturi de izotopi radioactivi si de electronica, ultrasunetele stau la baza unei tehnici noi, care se introduce din ce in ce mai mult in toate domeniile de activitate omeneasca.

~9~

BIBLIOGRAFIE

Iosif Nogy "Ultrasunetele si utilizarile lor" Editura Stiintifica si

educationala, Bucuresti 1982.

Mircea G. "Ultrasunetul in actiune" Editura Stiintifica, Bucuresti

M.Grumazescu "De la infrasunete la ultrasunete" Editura     

Stiintifica, Bucuresti 1964.

~10~