Gli ultrasuoni sono onde sonore ad alta frequenza, solitamente superiore a 20 kHz, al di sopra delle frequenze udibili dall’orecchio umano e fino a 1010 Hz. Per le onde sonore valgono le stesse leggi delle radiazioni luminose quindi sono dotate di una lunghezza d’onda che è pari al rapporto tra la velocità del suono e la frequenza.
La velocità del suono ovvero la velocità con cui il suono si propaga in un certo mezzo dipende dal tipo di mezzo, dalle sue proprietà e dalla temperatura. Ad esempio nell’aria, la velocità del suono è di 331.2 m/s a 0 °C e di 343,1 m/s a 20 °C. All’aumentare della frequenza delle onde sonore, le lunghezze d’onda diminuiscono. Questo significa che onde ad alta frequenza presentano lunghezze d’onda più corte rispetto a quelli a bassa frequenza.
Analogamente alle onde elettromagnetiche che caratterizzano la luce visibile e hanno frequenze comprese tra 38 ⋅ 1013 Hz e 79 ⋅ 1013 Hz, corrispondenti a lunghezze d’onda comprese tra 380 e 790 nm, l’orecchio umano può percepire suoni con frequenze che vanno da circa 20 Hz a 20 kHz.
Gli ultrasuoni trovano ampio utilizzo in ambito medico e industriale e stanno diventando sempre più importanti anche nella ricerca scientifica. Grazie alle loro proprietà offrono nuovi metodi di indagine e manipolazione in diversi campi, aprendo nuovi orizzonti per la scoperta e l’innovazione.
Ultrasuoni e effetto piezoelettrico
Gli ultrasuoni sono generati per mezzo di materiali piezoelettrici come il quarzo o il titanato di bario che tendono ad accumulare cariche elettriche quando viene loro applicata una sollecitazione meccanica. I materiali piezoelettrici sono quelli che possono generare un campo elettrico se sottoposti a una deformazione meccanica, e viceversa, possono deformarsi meccanicamente quando un campo elettrico è applicato su di essi.
La generazione degli ultrasuoni si ottiene utilizzando un trasduttore piezoelettrico in cui si applica un segnale elettrico ad alta frequenza che provoca una vibrazione meccanica nel materiale piezoelettrico a causa dell’effetto piezoelettrico. La frequenza del segnale determina la frequenza degli ultrasuoni generati.
La vibrazione meccanica del materiale piezoelettrico causa l’emissione di onde acustiche nel mezzo circostante, che sono onde longitudinali ad alta frequenza, che si propagano attraverso il mezzo elastico.
La forma dell’onda acustica generata dipende dalla forma del trasduttore piezoelettrico. Ad esempio, i trasduttori piezoelettrici a forma di disco o a forma di sonda possono emettere onde acustiche sferiche o direzionali, rispettivamente.
Le proprietà degli ultrasuoni generati, come la frequenza, l’intensità e la direzione del fascio, possono essere controllate variando il segnale elettrico applicato al trasduttore piezoelettrico. Questo consente di adattare gli ultrasuoni alle diverse applicazioni, come l’imaging medico, la terapia focalizzata o l’ispezione dei materiali.
Applicazioni mediche degli ultrasuoni
Gli ultrasuoni sono ampiamente utilizzati in campo medico per una serie di applicazioni diagnostiche e terapeutiche. La tecnica diagnostica più nota e ampiamente utilizzata in campo diagnostico è l’ecografia. L’ecografia, anche conosciuta come sonografia, è una tecnica di imaging medico non invasiva che utilizza gli ultrasuoni per visualizzare gli organi, i tessuti e le strutture all’interno del corpo umano.
Nel corso dell’esame è utilizzato un trasduttore ad ultrasuoni che emette onde acustiche ad alta frequenza nell’area del corpo da esaminare. Queste onde si propagano attraverso i tessuti del corpo e sono parzialmente riflesse dalle varie strutture incontrate, come organi, fluidi e tessuti.
Il trasduttore rileva le onde riflesse e le converte in segnali elettrici che vengono elaborati da un computer per creare immagini in tempo reale sullo schermo dell’ecografo. Prima di posizionare il trasduttore sulla pelle, viene applicato un gel di contatto sulla superficie dell’area da esaminare.
Questo gel aiuta a eliminare l’aria presente tra il trasduttore e la pelle, migliorando la trasmissione degli ultrasuoni e riducendo i riflessi indesiderati. L’ecografia non comporta radiazioni ionizzanti ed è considerata una tecnica di imaging sicura
Una delle altre applicazioni in campo medico è la densitometria ossea ad ultrasuoni che può essere utilizzata per la diagnosi e il monitoraggio dell’osteoporosi. Oltre a queste, vi sono altre applicazioni mediche degli ultrasuoni, come il monitoraggio emodinamico, la guida all’intervento chirurgico e l’ablazione termica di tessuti.
Inoltre gli ultrasuoni a bassa intensità sono utilizzati in fisioterapia per fornire trattamenti localizzati per lesioni muscolari, tendinee o articolari. Gli ultrasuoni penetrano nei tessuti e possono promuovere il rilassamento muscolare, la riduzione dell’infiammazione e la stimolazione della guarigione. L’effetto riscaldante degli ultrasuoni aiuta a guarire il dolore muscolare e riduce l’infiammazione cronica.