I corni o le sonde a ultrasuoni sono ampiamente utilizzati per molteplici applicazioni di trattamento dei liquidi, tra cui l'omogeneizzazione, la dispersione, la macinazione a umido, l'emulsificazione, l'estrazione, la disintegrazione, la dissoluzione e la disaerazione. Imparate le nozioni di base sui corni a ultrasuoni, le sonde a ultrasuoni e le loro applicazioni.

Corno ad ultrasuoni vs Sonda ad ultrasuoni

Spesso, il termine corno e sonda ad ultrasuoni sono usati in modo intercambiabile e si riferiscono alla barra ad ultrasuoni che trasmette le onde ultrasoniche nel liquido. Altri termini che vengono utilizzati per la sonda ad ultrasuoni sono corno acustico, sonotrodo, guida d'onda acustica o dito ultrasonico. Tuttavia, tecnicamente c'è una differenza tra un corno ad ultrasuoni e una sonda ad ultrasuoni.
Sia il corno che la sonda si riferiscono a parti del cosiddetto ultrasuonatore a sonda. Il corno ad ultrasuoni è la parte metallica del trasduttore ad ultrasuoni, che si eccita attraverso le vibrazioni piezoelettriche generate. Il corno ad ultrasuoni vibra ad una certa frequenza, ad esempio 20kHz, il che significa 20.000 vibrazioni al secondo. Il titanio è il materiale preferito per la fabbricazione delle trombe a ultrasuoni grazie alle sue eccellenti proprietà di trasmissione acustica, alla sua robusta resistenza alla fatica e alla durezza superficiale.

La sonda ad ultrasuoni è anche chiamata sonotrodo o dito ultrasonico. Si tratta di un'asta metallica, il più delle volte in titanio, filettata al corno ad ultrasuoni. La sonda ad ultrasuoni è una parte essenziale del processore ad ultrasuoni, che trasmette le onde ultrasoniche nel mezzo sonoro. Le sonde a ultrasuoni / sonotrodi sono disponibili in varie forme (ad esempio coniche, a punta, coniche, o come Cascatrode). Mentre il titanio è il materiale più comunemente usato per le sonde a ultrasuoni, sono disponibili anche sonotrodi in acciaio inossidabile, ceramica, vetro e altri materiali.

Poiché il corno e la sonda a ultrasuoni sono sotto costante compressione o tensione durante la sonicazione, la selezione del materiale del corno e della sonda è fondamentale. La lega di titanio di alta qualità (grado 5) è considerata il metallo più affidabile, durevole ed efficace per resistere alle sollecitazioni, per sostenere ampiezze elevate per lunghi periodi di tempo e per trasmettere le proprietà acustiche e meccaniche.

Gli ultrasuoni ad alte prestazioni funzionano per lo più nella gamma di frequenza di 20-30kHz. A 20 kHz, la sonda ad ultrasuoni è tipicamente una barra di risonanza lunga una mezza lunghezza d'onda, che è in costante espansione e si contrae 20.000 volte al secondo. I movimenti di espansione e contrazione vengono trasmessi come ultrasuoni ad alta potenza nel mezzo di processo, cioè fluido o liquame, per soddisfare applicazioni quali

• miscelazione ad ultrasuoni ad alta velocità
• fresatura ad ultrasuoni ad umido
• dispersione ultrasonica di nano-particelle
• Nano-emulsificazione ad ultrasuoni
• estrazione ad ultrasuoni
• Disintegrazione ad ultrasuoni
• rottura delle cellule a ultrasuoni e lisi
• degasaggio e disaerazione a ultrasuoni
• sono-chimica (sono-sintesi, sono-catalisi)

Come funzionano gli ultrasuoni di potenza? – Il principio di funzionamento della cavitazione acustica

Per applicazioni ad ultrasuoni ad alte prestazioni come l'omogeneizzazione, la riduzione delle dimensioni delle particelle, la disintegrazione o le nano-dispersioni, gli ultrasuoni ad alta intensità e a bassa frequenza vengono generati da un trasduttore ad ultrasuoni e trasmessi tramite corno e sonda ad ultrasuoni (sonotrodo) in un liquido. Gli ultrasuoni ad alta potenza sono considerati ultrasuoni nell'intervallo 16-30kHz. La sonda ad ultrasuoni si espande e si contrae ad esempio a 20kHz, trasmettendo così rispettivamente 20.000 vibrazioni al secondo nel mezzo. Quando le onde ultrasoniche viaggiano attraverso il liquido, alternando cicli ad alta pressione (compressione) / bassa pressione (rarefazione / espansione) si creano minuscole cavità (bolle di vuoto), che crescono su diversi cicli di pressione. Durante la fase di compressione del liquido e delle bolle, la pressione è positiva, mentre la fase di rarefazione produce un vuoto (pressione negativa.) Durante i cicli di compressione-espansione, le cavità nel liquido crescono fino a raggiungere una dimensione, alla quale non possono assorbire ulteriore energia. A questo punto, implodono violentemente. L'implosione di queste cavità provoca vari effetti altamente energetici, che sono noti come il fenomeno della cavitazione acustica / ultrasonica. La cavitazione acustica è caratterizzata da molteplici effetti altamente energetici, che colpiscono i liquidi, i sistemi solido/liquido e i sistemi gas/liquido. La zona ad alta densità di energia o zona cavitazionale è nota come cosiddetta zona hot-spot, che è più densa di energia nelle immediate vicinanze della sonda ad ultrasuoni e diminuisce con l'aumentare della distanza dal sonotrodo. Le caratteristiche principali della cavitazione ultrasonica includono temperature e pressioni molto elevate che si verificano localmente e i rispettivi differenziali, le turbolenze e il flusso di liquido. Durante l'implosione di cavità ultrasoniche in punti caldi ultrasonici, si possono misurare temperature fino a 5000 Kelvin, pressioni fino a 200 atmosfere e getti di liquido fino a 1000km/h. Queste eccezionali condizioni ad alta intensità energetica contribuiscono a effetti sonomeccanici e sonori che intensificano i processi e le reazioni chimiche in vari modi.
L'impatto principale dell'ecografia sui liquidi e sui fanghi è il seguente:

• Taglio alto: Le forze ad ultrasuoni ad alto taglio perturbano i liquidi e i sistemi liquidi-solidi causando un'intensa agitazione, l'omogeneizzazione e il trasferimento di massa.
• Impatto: I getti di liquido e i flussi generati dalla cavitazione ultrasonica accelerano i solidi nei liquidi, il che porta successivamente alla collisione interparticellare. Quando le particelle si scontrano a velocità molto elevate, si erodono, si frantumano e vengono macinate e disperse finemente, spesso fino a dimensioni nano. Per la materia biologica come i materiali vegetali, i getti di liquido ad alta velocità e i cicli di pressione alternati distruggono le pareti cellulari e rilasciano il materiale intracellulare. Ciò si traduce in un'estrazione altamente efficiente di composti bioattivi e nella miscelazione omogenea della materia biologica.
• Agitazione: L'ultrasonicizzazione provoca intense turbolenze, forze di taglio e micro-movimenti nel liquido o nel fango. In questo modo la sonicazione intensifica sempre il trasferimento di massa e accelera così le reazioni e i processi.

Gli omogeneizzatori ad ultrasuoni e i miscelatori ad alta velocità sono utilizzati in quasi tutte le industrie di trasformazione, che lavorano con liquidi o fanghi. Le intense forze cavitazionali ad ultrasuoni creano un'intensa agitazione, taglio, rottura di particelle e trasferimento di massa. In questo modo, i liquidi vengono omogeneizzati, dispersi, emulsionati, estratti, disciolti e/o vengono avviate reazioni chimiche. Nel complesso, l'ultrasonicazione è un metodo di intensificazione del processo che aumenta la resa, migliora i tassi di conversione e rende i processi più efficienti.
Le comuni applicazioni a ultrasuoni nel settore sono diffuse in molti rami dell'industria alimentare & farmaceutico, chimica fine, energia & petrolchimica, riciclaggio, bioraffinerie, ecc:

• sintesi ultrasonica del biodiesel
• omogeneizzazione ultrasonica dei succhi di frutta
• produzione di vaccini ad ultrasuoni
• riciclaggio ultrasonico della batteria agli ioni di litio
• sintesi ad ultrasuoni di nano-materiali
• Formulazione ad ultrasuoni di prodotti farmaceutici
• nano-emulsificazione ultrasonica del CBD
• estrazione ad ultrasuoni di prodotti botanici
• preparazione del campione a ultrasuoni in laboratorio
• degassificazione ad ultrasuoni dei liquidi
• desolforazione ad ultrasuoni del greggio
• e molti altri ancora ...

Avvisatori acustici a ultrasuoni e sonde per applicazioni ad alte prestazioni

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La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni: