Efecto mecánico ultrasónico

Introducción

El efecto mecánico ultrasónico se refiere al término general para diversos efectos mecánicos producidos por la interacción entre las ondas ultrasónicas y el medio cuando se propagan en este. Específicamente, cuando las ondas ultrasónicas se propagan en el medio, causarán la vibración de las partículas en el medio, y esta vibración producirá efectos mecánicos, como desplazamiento, deformación, aceleración, etc.

La energía ultrasónica que actúa sobre el medio hará que las partículas vibren ligeramente a alta velocidad, lo que provocará cambios en magnitudes mecánicas como la velocidad, la aceleración, la presión sonora e intensidad sonora, causando así efectos mecánicos. Las ondas ultrasónicas son una forma de propagación de energía mecánica, relacionada con el proceso de onda y producirá efectos de vibración lineal. Cuando las ondas ultrasónicas se propagan en el medio, aunque la amplitud del desplazamiento de las partículas es muy pequeña, la aceleración de las partículas causada por los ultrasonidos es muy grande.

Si las ondas ultrasónicas de 20 kHz y 1 W/cm² se propagan en el agua, la amplitud de presión de sonido generada es de 173 kPa, lo que significa que la amplitud de presión de sonido debe cambiar entre positivo y negativo 173 kPa 20,000 veces por segundo, y la aceleración máxima de partículas alcanza los 1440 km/s², lo que equivale a unas 1500 veces la aceleración de la gravedad. Este movimiento mecánico intenso y rápidamente cambiante es el efecto de vibración mecánica del ultrasonido de potencia.

Cuando el medio ultrasónico no es un medio estratificado uniforme (como tejidos biológicos, cuerpo humano, etc.), las diferentes impedancias acústicas de cada capa del medio causarán que la onda sonora en propagación se refleje y forme una onda estacionaria. Los antinodos y nodos de la onda estacionaria provocan cambios en la presión, tensión y aceleración. Debido a las masas diferentes de las partículas de los medios (como moléculas biológicas), la velocidad de vibración causada por el cambio de presión es diferente, y el cambio de presión causado por el movimiento relativo entre las partículas del medio es otra razón para el efecto mecánico ultrasónico. El efecto mecánico del ultrasonido se utiliza para procesamiento (perforación, corte, compactación, fortalecimiento superficial, soldadura, limpieza, pulido y eliminación de películas y suciedad indeseadas, etc.) y también se utiliza para acelerar otros procesos como dispersión, homogeneización, emulsificación, trituración, esterilización, etc.

Basado en el principio

El principio del efecto mecánico ultrasónico se basa principalmente en el efecto de cavidad, el efecto de vibración mecánica y el efecto térmico generados cuando las ondas ultrasónicas se propagan en el medio. El efecto de cavidad significa que en el líquido, la zona de presión negativa generada por las ondas ultrasónicas provoca que el gas o vapor en el líquido forme pequeñas burbujas. Estas burbujas se expanden y colapsan rápidamente bajo la acción de las ondas ultrasónicas, generando una fuerte fuerza de impacto. El efecto de vibración mecánica significa que cuando las ondas ultrasónicas se propagan en el medio, las partículas en el medio vibran. Esta vibración genera fuerza de cizalla y fuerza de compresión, cambiando así las propiedades físicas del medio. El efecto térmico significa que cuando las ondas ultrasónicas se propagan en el medio, debido a la vibración y fricción de las partículas en el medio, se genera calor, lo que provoca un aumento en la temperatura del medio.

Áreas de aplicación

1. Agitación mecánica

La vibración de alta frecuencia y la presión de radiación del ultrasonido pueden formar una agitación y un flujo efectivos en gases y líquidos. El fuerte chorro y el micro-flujo local generados por la vibración de las burbujas de cavidad en la superficie sólida pueden reducir significativamente la tensión superficial y la fricción del líquido, y destruir la capa límite de la interfaz sólido-líquido, logrando así un efecto que no puede alcanzarse con la agitación mecánica ordinaria de baja frecuencia. Este efecto es la base física para la aplicación de la penetración de fármacos, la introducción de cosméticos en la piel, la desgasificación ultrasónica, la mezcla y refinación de alimentos y cosméticos.

2. Difusión mutua

Utilizando los efectos de presión y alta temperatura del ultrasonido y la cavidad, se promueve la penetración mutua de moléculas entre dos líquidos, dos sólidos, o interfaces líquido-sólido o líquido-gas para formar nuevas propiedades de materiales. La soldadura ultrasónica de metales o plásticos, la emulsificación ultrasónica, la limpieza y la atomización pueden clasificarse como tales efectos.

3. Homogeneización

La onda de choque local generada después de que la burbuja de cavidad se cierre puede triturar las partículas en el líquido y hacerlas finas; homogeneizar los cristales; dispersar las gotas de emulsión más grandes e irregulares en medicamentos diminutos y uniformes (como agentes de contraste médicos, fármacos contra el cáncer, etc.); e incluso incluir los efectos de disolver coágulos sanguíneos.

4. Coagulación

La vibración ultrasónica puede hacer que las partículas en suspensión en los medios gaseosos y líquidos se muevan a diferentes velocidades, aumentando la posibilidad de colisión; o usar ondas estacionarias para llevarlas hacia el antinodo, lo que provoca el proceso de coagulación. La recolección de polvo de chimenea y las lluvias artificiales pueden pertenecer a esta categoría.

5. Corte mecánico

Debido a la gran aceleración de la vibración ultrasónica y a la corrosión acústica de la cavitation, materiales duros y frágiles (piedras preciosas, cerámica, vidrio, acero magnético, etc.) pueden ser procesados con una precisión especial.

6. Trituración

Usando pulsos ultrasónicos de alta intensidad, los cálculos renales y biliares en el cuerpo humano pueden ser triturados sin dañar los tejidos blandos.

Conclusión

Los efectos mecánicos ultrasónicos son ampliamente utilizados en la medicina, la industria, la agricultura y otros campos. En el campo médico, los efectos mecánicos ultrasónicos se pueden utilizar para diagnosticar y tratar enfermedades, como la litotricia ultrasónica, la limpieza de heridas ultrasónicas, etc. En el campo industrial, los efectos mecánicos ultrasónicos se pueden utilizar en procesos de limpieza, soldadura, corte y otros. En el campo agrícola, los efectos mecánicos ultrasónicos se pueden utilizar para promover el crecimiento de las plantas y aumentar el rendimiento de los cultivos.

Además, la acción mecánica del ultrasonido también puede ablandar los tejidos, mejorar la penetración, potenciar el metabolismo, promover la circulación sanguínea, estimular el sistema nervioso y la función celular, etc., por lo que tiene un significado terapéutico único. Por ejemplo, en la terapia médica con ultrasonido, el efecto mecánico del ultrasonido puede promover la penetración y difusión de los medicamentos y mejorar su eficacia; al mismo tiempo, también puede estimular la permeabilidad de las membranas celulares y promover el metabolismo y la regeneración celular.

En resumen, el efecto mecánico del ultrasonido es el término general para el efecto mecánico producido cuando el ultrasonido se propaga en un medio. Tiene una amplia gama de aplicaciones y un significado terapéutico único en muchos campos.