Effetto meccanico ultrasuoni

Introduzione

L'effetto meccanico ultrasuono si riferisce al termine generale per vari effetti meccanici prodotti dall'interazione tra le onde ultrasuoniche e il mezzo quando si propagano nel mezzo. Specificamente, quando le onde ultrasuoniche si propagano nel mezzo, causano la vibrazione delle particelle nel mezzo, e questa vibrazione produce effetti meccanici, come spostamento, deformazione, accelerazione, ecc.

L'energia ultrasonica che agisce sul mezzo provocherà una leggera vibrazione delle particelle ad alta velocità, causando cambiamenti in quantità meccaniche come velocità, accelerazione, pressione sonora e intensità sonora, determinando così effetti meccanici. Le onde ultrasoniche sono una forma di propagazione di energia meccanica, legata al processo ondulatorio e produrrà effetti di vibrazione lineare. Quando le onde ultrasoniche si propagano nel mezzo, sebbene l'ampiezza dello spostamento delle particelle sia molto piccola, l'accelerazione delle particelle causata dall'ultrasuono è molto grande.

Se onde ultrasuoniche da 20kHz e 1W/cm² si propagano nell'acqua, l'ampiezza della pressione acustica generata è di 173kPa, il che significa che l'ampiezza della pressione acustica deve cambiare tra positivo e negativo 173kPa 20.000 volte al secondo, e l'accelerazione massima delle particelle raggiunge 1440km/s², circa 1500 volte l'accelerazione della gravità. Un moto meccanico così intenso e rapidamente variabile è l'effetto di vibrazione meccanica dell'ultrasuono a potenza.

Quando il mezzo ultrasuono non è un mezzo strato uniforme (come tessuti biologici, corpo umano, ecc.), le diverse impedenze acustiche di ciascuno strato del mezzo causeranno la riflessione dell'onda sonora in propagazione e formeranno un'onda stazionaria. Gli antinodi e i nodi dell'onda stazionaria causano variazioni di pressione, trazione e accelerazione. A causa delle diverse masse delle particelle del mezzo (come molecole biologiche), la velocità di vibrazione causata dalla variazione di pressione è diversa, e la variazione di pressione causata dal movimento relativo tra le particelle del mezzo è un'altra ragione per l'effetto meccanico degli ultrasuoni. L'effetto meccanico degli ultrasuoni viene utilizzato per lavorazioni (punching, taglio, compacting, rinforzo superficiale, saldatura, pulizia, lucidatura e rimozione di film e sporco indesiderati, ecc.) ed è anche utilizzato per accelerare altri processi come dispersione, omogeneizzazione, emulsificazione, frantumazione, sterilizzazione, ecc.

Basato sul principio

Il principio dell'effetto meccanico ultrasuono si basa principalmente sull'effetto di cavitazione, sull'effetto di vibrazione meccanica e sull'effetto termico generato quando le onde ultrasuono si propagano nel mezzo. L'effetto di cavitazione significa che nel liquido, l'area a pressione negativa generata dalle onde ultrasuono provoca la formazione di bolle di gas o vapore all'interno del liquido. Queste bolle si espandono e collassano rapidamente sotto l'azione delle onde ultrasuono, generando una forte forza d'impatto. L'effetto di vibrazione meccanica significa che quando le onde ultrasuono si propagano nel mezzo, le particelle nel mezzo vibrano. Questa vibrazione genera forza tagliante e forza di compressione, modificando così le proprietà fisiche del mezzo. L'effetto termico significa che quando le onde ultrasuono si propagano nel mezzo, a causa della vibrazione e del attrito delle particelle nel mezzo, si genera calore, causando un aumento della temperatura del mezzo.

Aree di applicazione

1. Agitazione meccanica

La vibrazione ad alta frequenza e la pressione di radiazione dell'ultrasuono possono generare un miscelazione efficace e uno scorrimento nei gas e nei liquidi. Il getto potente e lo scorrimento microscopico locale generati dalla vibrazione delle bolle di cavitazione sulla superficie solida possono ridurre significativamente la tensione superficiale e la frizione del liquido, distruggendo il strato limite dell'interfaccia solido-liquido, ottenendo così un effetto che non può essere raggiunto dalla normale agitazione meccanica a bassa frequenza. Questo effetto è la base fisica per l'applicazione della penetrazione dei farmaci, dell'introduzione di cosmetici nella pelle, del degassaggio ultrasuonico, del miscelamento e della raffinazione di alimenti e cosmetici.

2. Diffusione reciproca

Utilizzando l'effetto della pressione e delle alte temperature generato dalle vibrazioni ultrasuoniche e dalla cavitazione, si promuove la penetrazione reciproca delle molecole tra due liquidi, due solidi o interfacce solido-liquido o liquido-gas per formare nuove proprietà materiali. Il saldatura ultrasonica di metalli o plastica, l'emulsificazione ultrasonica, la pulizia e la nebulizzazione possono essere classificate come tali effetti.

3. Omogeneizzazione

L'onda d'urto locale generata dopo la chiusura della bolla di cavitazione può frantumare le particelle nel liquido e renderle fini; rendere i cristalli uniformi; disperdere le gocce di emulsione più grandi e irregolari in farmaci minuscoli e uniformi (come agenti contrastanti medici, farmaci anticancro, ecc.); e includere persino gli effetti di dissoluzione dei coaguli sanguigni.

4. Coagulazione

La vibrazione ultrasonica può far sì che le particelle sospese nei gas e nei liquidi si muovano a velocità diverse, aumentando la probabilità di collisione; oppure utilizzare onde stazionarie per farle tendere al antinodo, in modo che avvenga il processo di coagulazione. La raccolta di polvere fumosa e la pioggia artificiale possono rientrare in questa categoria.

5. Taglio meccanico

A causa dell'alta accelerazione della vibrazione ultrasonica e della corrosione acustica della cavitazione, i materiali duri e fragili (gemme, ceramiche, vetro, acciaio magnetico, ecc.) possono essere lavorati con una precisione speciale.

6. Triturazione

Utilizzando impulsi ultrasoonici ad alta intensità, è possibile frantumare i calcoli renali e biliari nel corpo umano senza danneggiare i tessuti molli.

Conclusione

Gli effetti meccanici ultrasuoni sono ampiamente utilizzati nella medicina, nell'industria, nell'agricoltura e in altri settori. Nel campo medico, gli effetti meccanici ultrasuoni possono essere utilizzati per diagnosticare e trattare malattie, come la litotripsia ultrasuoni, la pulizia delle ferite ultrasuoni, ecc. Nel campo industriale, gli effetti meccanici ultrasuoni possono essere utilizzati nei processi di pulizia, saldatura, taglio e altro. Nel campo agricolo, gli effetti meccanici ultrasuoni possono essere utilizzati per promuovere la crescita delle piante e aumentare i rendimenti dei raccolti.

Inoltre, l'azione meccanica dell'ultrasuono può anche ammorbidire i tessuti, migliorare la penetrazione, migliorare il metabolismo, promuovere la circolazione sanguigna, stimolare il sistema nervoso e la funzione cellulare, ecc., quindi riveste un significato terapeutico unico. Ad esempio, nella terapia medica a ultrasuoni, l'effetto meccanico degli ultrasuoni può promuovere la penetrazione e la diffusione dei farmaci e migliorare l'efficacia dei farmaci; allo stesso tempo, può anche stimolare la permeabilità delle membrane cellulari e promuovere il metabolismo e la rigenerazione cellulare.

Insomma, l'effetto meccanico dell'ultrasuono è il termine generale per l'effetto meccanico prodotto quando l'ultrasuono si propaga in un mezzo. Ha un ampio spettro di applicazioni e un significato terapeutico unico in molti campi.