Efeito mecânico ultrasônico

Introdução

O efeito mecânico ultrasônico refere-se ao termo geral para vários efeitos mecânicos produzidos pela interação entre ondas ultrasônicas e o meio quando se propagam no meio. Especificamente, quando as ondas ultrasônicas se propagam no meio, elas causam a vibração das partículas no meio, e essa vibração produz efeitos mecânicos, como deslocamento, deformação, aceleração, etc.

A energia ultrassônica atuando no meio causará a vibração ligeira das partículas em alta velocidade, resultando em alterações nas grandezas mecânicas, como velocidade, aceleração, pressão sonora e intensidade sonora, causando assim efeitos mecânicos. As ondas ultrassônicas são uma forma de propagação de energia mecânica, que está relacionada ao processo de onda e produzirá efeitos de vibração linear. Quando as ondas ultrassônicas se propagam no meio, embora a amplitude do deslocamento das partículas seja muito pequena, a aceleração das partículas causada pelo ultrassom é muito grande.

Se ondas ultrassônicas de 20kHz e 1W/cm² se propagam na água, a amplitude da pressão sonora gerada é de 173kPa, o que significa que a amplitude da pressão sonora deve mudar entre positivo e negativo 173kPa 20.000 vezes por segundo, e a aceleração máxima das partículas atinge 1440km/s², o que é aproximadamente 1500 vezes a aceleração da gravidade. Tal movimento mecânico intenso e rapidamente variável é o efeito de vibração mecânica do ultrassom de potência.

Quando o meio ultrasônico não é um meio estratificado uniforme (como tecido biológico, corpo humano, etc.), as diferentes impedâncias acústicas de cada camada do meio causarão a reflexão da onda sonora em propagação e formarão uma onda estacionária. Os antinós e nós da onda estacionária causam alterações na pressão, tração e aceleração. Devido às massas diferentes das partículas do meio (como moléculas biológicas), a velocidade de vibração causada pela mudança de pressão é diferente, e a mudança de pressão causada pelo movimento relativo entre as partículas do meio é outra razão para o efeito mecânico dos ultrassons. O efeito mecânico dos ultrassons é utilizado no processamento (furação, corte, compactação, fortalecimento superficial, soldagem, limpeza, polimento e remoção de filmes e sujeiras indesejados, etc.) e também é usado para acelerar outros processos como dispersão, homogeneização, emulsificação, moagem, esterilização, etc.

Com base no princípio

O princípio do efeito mecânico ultrasônico baseia-se principalmente no efeito de cavitação, no efeito de vibração mecânica e no efeito térmico gerados quando as ondas ultrassônicas se propagam no meio. O efeito de cavitação significa que, no líquido, a área de pressão negativa gerada pelas ondas ultrassônicas faz com que o gás ou vapor no líquido forme pequenas bolhas. Essas bolhas se expandem e colapsam rapidamente sob a ação das ondas ultrassônicas, gerando uma força de impacto forte. O efeito de vibração mecânica significa que, quando as ondas ultrassônicas se propagam no meio, as partículas no meio vibram. Essa vibração gera força de cisalhamento e compressão, alterando assim as propriedades físicas do meio. O efeito térmico significa que, quando as ondas ultrassônicas se propagam no meio, devido à vibração e ao atrito das partículas no meio, calor é gerado, causando o aumento da temperatura do meio.

Áreas de aplicação

1. Agitação mecânica

A vibração de alta frequência e a pressão de radiação do ultrassom podem formar uma agitação e um fluxo eficazes no gás e no líquido. O jato forte e o microfluxo local gerados pela vibração das bolhas de cavitação na superfície sólida podem reduzir significativamente a tensão superficial e a fricção do líquido, além de destruir a camada limite da interface sólido-líquido, alcançando um efeito que a agitação mecânica comum de baixa frequência não pode atingir. Esse efeito é a base física para aplicações como penetração de medicamentos, introdução de cosméticos na pele, desgaseificação por ultrassom, mistura e refinamento de alimentos e cosméticos.

2. Difusão mútua

Usando os efeitos de pressão e alta temperatura da vibração ultrassônica e da cavitação, promove-se a penetração mútua de moléculas entre dois líquidos, dois sólidos, ou interfaces líquido-sólido ou líquido-gás para formar novas propriedades de materiais. A solda ultrassônica de metais ou plásticos, emulsificação ultrassônica, limpeza e nebulização podem ser classificadas como tais efeitos.

3. Homogeneização

A onda de choque local gerada após o fechamento da bolha de cavitação pode triturar partículas no líquido e torná-las finas; uniformizar os cristais; dispersar gotas maiores e irregulares de emulsões em medicamentos minúsculos e uniformes (como agentes de contraste médicos, medicamentos anticancerígenos, etc.); e até incluir os efeitos de dissolver coágulos sanguíneos.

4. Coagulação

A vibração ultrasônica pode fazer com que as partículas suspensas nos meios gasoso e líquido se movam a diferentes velocidades, aumentando a chance de colisão; ou usar ondas estacionárias para fazê-las tender ao antinódo, de modo que o processo de coagulação ocorra. A coleta de poeira de chaminé e a chuva artificial podem pertencer a esta categoria.

5. Corte mecânico

Devido à grande aceleração da vibração ultrasônica e à corrosão sonora da cavitação, materiais duros e frágeis (gemas, cerâmicas, vidro, aço magnético, etc.) podem ser processados com precisão especial.

6. Trituração

Usando pulsos ultrasônicos de alta intensidade, é possível triturar cálculos renais e vesiculares no corpo humano sem danificar os tecidos moles.

Conclusão

Os efeitos mecânicos ultrasônicos são amplamente utilizados na medicina, indústria, agricultura e outros campos. Na área médica, os efeitos mecânicos ultrasônicos podem ser usados para diagnosticar e tratar doenças, como a litotripsia ultrasônica, limpeza de feridas ultrasônicas, entre outros. No campo industrial, os efeitos mecânicos ultrasônicos podem ser utilizados em processos de limpeza, solda, corte e outros. Na área agrícola, os efeitos mecânicos ultrasônicos podem ser usados para promover o crescimento das plantas e aumentar a produtividade dos cultivos.

Além disso, a ação mecânica do ultrassom também pode amolecer tecidos, melhorar a penetração, melhorar o metabolismo, promover a circulação sanguínea, estimular o sistema nervoso e a função celular, etc., portanto, tem um significado terapêutico único. Por exemplo, na terapia médica por ultrassom, o efeito mecânico do ultrassom pode promover a penetração e difusão de medicamentos e melhorar a eficácia dos fármacos; ao mesmo tempo, também pode estimular a permeabilidade das membranas celulares e promover o metabolismo e a regeneração celular.

Em resumo, o efeito mecânico do ultrassom é o termo genérico para o efeito mecânico produzido quando o ultrassom se propaga em um meio. Ele tem uma ampla gama de aplicações e um significado terapêutico único em muitos campos.