La storia degli ultrasuoni è parte della storia della musica e delle onde sonore, le prime testimonianze sull'argomento risalgono addirittura a Pitagora che nel VI secolo A.C. scoprì che le corde di differenti lunghezze, usate negli strumenti musicali, erano la causa della diversità dei suoni emessi. Nel 1638 anche Galileo contribuì con i propri studi alla scienza dell'acustica.

La storia degli ultrasuoni continua nel 1822 quando un fisico svizzero, Daniel Colladen, per cercare di calcolare la velocità del suono nelle acque del lago di Ginevra fece uso di una campana subacquea. I successivi tentativi di ottenere delle mappe dei fondali oceanici tramite mezzi ecosonori non ottennero però alcun risultato apprezzabile. Nel 1877 Lord Rayleigh in Inghilterra pubblicò il suo famoso trattato “La teoria del suono” in cui venivano chiaramente esposti i principi fisici fondamentali delle vibrazioni sonore (le onde), della loro trasmissione e rifrazione. Successivi studi portarono alla scoperta di alcuni fenomeni particolari e da questi si ebbero gli elementi per proseguire nella giusta direzione per lo studio degli ultrasuoni.

Il primo di tali fenomeni fu scoperto da Joule e denominato effetto Magnetostrittivo, ossia quel fenomeno per mezzo del quale è possibile convertire l'energia magnetica in energia meccanica tramite la modifica dimensionale di un appropriato materiale metallico sottoposto ad un forte campo magnetico.

Il secondo fu scoperto dai fratelli Curie nel 1880 e denominato effetto Piezoelettrico. Essi osservarono che quando veniva esercitata una pressione meccanica su un cristallo di quarzo od altri cristalli, quale il sale di Rochelle (tartrato di sodio e potassio tetraidrato) si produceva un potenziale elettrico, e viceversa, applicando una carica elettrica si produceva una deformazione del cristallo, inoltre se la carica elettrica era pulsante entrava in vibrazione.

Si scoperse in sostanza un fenomeno per mezzo del quale era possibile convertire energia elettrica in energia meccanica (viceversa, una deformazione del cristallo, prodotta da una forza meccanica esterna produce una tensione elettrica sulle polarità cristalline). Tale effetto venne poi utilizzato per generare e riprodurre gli ultrasuoni, cioè suoni non più udibili dall'orecchio umano e capaci di trasportare energia meccanica.

Queste due importanti scoperte suscitarono notevole interesse nei ricercatori, che utilizzarono gli ultrasuoni per la rilevazione subacquea dopo l’affondamento del Titanic nel 1912.

Allo scoppio della Prima Guerra Mondiale, gli ultrasuoni vennero utilizzati per localizzare i sottomarini captando le onde ultrasonore di ritorno. Tra il 1914 ed il 1918 venne ampiamente utilizzato il "sonar" ad ultrasuoni nell’individuazione dei sottomarini germanici.

Constantin Chilowsky, un russo emigrato in Svizzera, e Paul Langévin, eminente fisico francese di Parigi, progettarono e costruirono un efficiente apparecchio eco-sonoro, che chiamarono idrofono, un antesignano degli apparecchi tipo sonar basato sugli ultrasuoni che sarebbero stati sviluppati in seguito.

Un altro filone nel campo degli ultrasuoni che si sviluppò parallelamente negli anni ’30 fu la costruzione di analizzatori di difetti dei metalli ad ultrasuoni pulsati, analizzando le onde ultrasonore riflesse dalle discontinuità dei materiali.

Questa tecnica venne utilizzata soprattutto nel valutare gli scafi di grandi navi e le corazze dei carri armati. Il concetto alla base di tali apparecchiature era stato elaborato dallo scienziato sovietico Sergei Y. Sokolov nel 1928 all’Istituto Elettrotecnico di Leningrado.

Nel secondo dopoguerra, il rapido sviluppo dell'elettronica ha reso possibile la creazione di molte apparecchiature (basate sulle peculiari proprietà degli ultrasuoni) sempre più sofisticate ed utilizzabili nel campo militare, medicale, industriale e domestico. Ulteriori ricerche portarono alla scoperta dei materiali piezoceramici che hanno favorito la costruzione di generatori ultrasonori sempre più robusti, potenti e versatili.

Gli elementi che permettono la formazione degli ultrasuoni sono chiamati trasduttori che possono essere piezoelettrici o magnetostrittivi, Il loro compito è quello di trasformare energia elettrica in energia meccanica (e viceversa).

Il trasduttore magnetostrittivo di uso corrente è basato sulla proprietà di far vibrare delle lamine di nichel sottoposte ad un forte campo magnetico. Esse sono sagomate e posizionate all'interno di una bobina, attaccate ad un supporto metallico in modo da creare un unico pacco vibrante. Ciò consente la distribuzione dell'onda meccanica (generatrice degli ultrasuoni) in modo uniforme su tutta la superficie del trasduttore. I trasduttori magnetostrittivi ad alta potenza solitamente non superano i 22 Khz. Le frequenze di funzionamento intorno ai 20-22 kHz hanno effetti di cavitazione estremamente intensa quindi non sono indicate per alcune applicazioni delicate come per esempio i circuiti elettronici ed i metalli teneri come alluminio puro, ed ottone lucido (ne restano picchiettate le superfici), inoltre infastidiscono gli operatori con le onde riflesse prodotte in fase di estrazione dei pezzi dai bagni o agitando i materiali destinati al lavaggio ad ultrasuoni, perchè le onde riflesse prodotte dal movimento dei manufatti sono di frequenza percepita dall'udito umano.

Una tensione elettrica applicata al trasduttore piezoelettrico genera una vibrazione ultrasonora la cui frequenza è definita come nominale o di risonanza ed è specifica di quel determinato componente piezoelettrico.

Esso infatti è costituito principalmente da una sezione di cristallo oppure da un dischetto di ceramica avente caratteristiche piezoelettriche peculiari (nel secondo caso costituito da ceramiche realizzate in Titanato e Zirconato di Piombo racchiuse in due blocchi di metallo). Sulla superficie piana del materiale piezoelettrico (sugli spigoli di polarità elettrica) vengono creati due elettrodi mediante un procedimento di metallizzazione. Le dimensioni tipiche del disco piezoelettrico sono: diametro dai 5 ai 20 mm, spessore da 0,2 a 2 mm. La tensione elettrica alternata applicata agli elettrodi provoca la deformazione vibrante della sezione del cristallo o della piastrina ceramica sintetica che viene trasmessa al metallo ad essa collegato. Il disco piezoelettrico aumenta o diminuisce di spessore quando è sottoposto alla frequenza specifica del materiale.I blocchi metallici sono incollati solitamente a flange in acciaio (per l'assemblaggio si usano resine appropriate) che a loro volta vengono fissate alle pareti o applicate sul fondo della vasca di lavaggio trasmettendone l'energia meccanica prodotta. Nel settore del lavaggio industriale vengono utilizzati preferibilmente i trasduttori di tipo piezoelettrico in quanto è possibile progettarli con frequenze molto più elevate (fino a 42 KHz sinonimo di ultrasuoni molto potenti e delicati) rispetto a quelli di tipo magnetostrittivo (adatti per un lavaggio ad ultrasuoni meccanicamente più robusto) il cui massimo è intorno ai 22 KHz.

L'apparecchiatura di lavaggio ad ultrasuoni è formata da una vasca munita di un trasduttore (piezoelettrico o magnetostrittivo) alimentato da un generatore di alta frequenza. Il generatore trasforma l' alimentazione 220 V a 50Hz della rete in una forma d' onda ad alta frequenza solitamente intorno ai 20KHz o ai 40 KHz, generante l'energia utilizzata nel lavaggio ad ultrasuoni.

Le vibrazioni del generatore piezoelettrico producono onde elastiche di frequenza ultrasonora che sono diffuse nel bagno di lavaggio ad ultrasuoni attraverso la parete della vasca di lavoro, od anche per semplice posizionamento di un generatore ad ultrasuoni (trasduttore immerso) nella soluzione lavante della vasca.

Il trasduttore, immerso o solidale con la parete della vasca di lavaggio, converte questa energia elettrica in vibrazione ad alta frequenza creando nella soluzione detergente il fenomeno della cavitazione. La cavitazione è provocata dalle onde ultrasonore che causano il formarsi repentino di zone alternate di alta pressione e immediata depressione con la creazione di piccolissime bollicine, che si espandono e implodono (raggiungendo pressioni fino a 1000 bar). Gli ultrasuoni, come tutte le onde sonore, sono formati da cicli di compressione ed espansione.

La cavitazione avviene perchè dopo una rapida crescita, le bollicine prodotte non sono più in grado di assorbire energia dagli ultrasuoni per ingrandirsi, quindi la pressione dell'onda di pressione successiva condensa il vapore prodotto nella fase precedente e la bolla implode.

L'energia degli ultrasuoni provoca sollecitazioni meccaniche sulle superfici da pulire a causa dell' urto meccanico generato dalle microbolle implose sulla superficie da pulire; questa azione meccanica degli ultrasuoni, unita all'azione chimica del detergente, disgrega e stacca il contaminante dalla superficie con un rendimento superiore ad ogni altro sistema, senza danneggiare la superficie sottoposta al lavaggio ad ultrasuoni.

Quando il fascio degli ultrasuoni incontra un ostacolo rigido, esso è riflesso, deviato o diffratto secondo le leggi comuni a tutti i fenomeni di propagazione delle onde; è invece assorbito se incontra un ostacolo morbido o poroso.

La propagazione dell'onda ultrasonora generata e la sua conseguente penetrazione nel bagno di lavaggio dipende dall'energia ad esso associata e questa è in funzione della frequenza nominale di trasmissione del cristallo utilizzato. Quando un insieme di onde di una certa frequenza generato da una sorgente incontra una superficie in movimento, viene riflesso con una frequenza diversa da quella originaria. Questa variazione può essere in incremento o in decremento a seconda che il moto della superficie sia in avvicinamento o allontanamento dalla sorgente stessa.

Un esempio classico è quello del fischio di un treno che sembra maggiore quando il treno si avvicina e minore quando il treno si allontana.

Le onde sonore sono portate nelle frequenze più alte quando l'ostacolo si avvicina e abbassate nelle frequenze minori quando l'ostacolo si allontana. Le onde ultrasonore riflesse possiedono quindi una frequenza leggermente diversa di quelle incidenti, e sono sfasate rispetto ad esse, anche in funzione del cammino percorso, cioè della distanza del trasduttore dai vari punti della superficie dell'oggetto da lavare.

Quest'ultima considerazione, nella pratica, supporta la tecnica conosciuta da tempo dell'agitazione dei pezzi nella vasca di lavaggio ad ultrasuoni. Spesso negli impianti moderni la frequenza degli ultrasuoni emessi viene fatta oscillare continuamente intorno a quella di base (20 oppure 40 kHz) per eliminare i dannosi effetti delle onde stazionarie (con i pezzi da lavare immobili nel liquido si possono creare punti ad alta concentrazione di energia detti "nodi d'onda" ed altri di minore concentrazione). Questa tecnica di modulazione uniforma e massimizza la resa degli ultrasuoni e quindi il lavaggio migliora sensibilmente senza necessità di agitazione meccanica dei pezzi sottoposti all'azione degli ultrasuoni.

La frequenza del generatore ad ultrasuoni è importante in quanto determina la dimensione della bolle all'interno del liquido detergente sottoposto all'azione degli ultrasuoni. Maggiore è la frequenza del generatore (40 KHz) e minore è la dimensione della bollicina e maggiore è il loro numero prodotto; al contrario, minore è la frequenza (20 KHz) e maggiore sarà la dimensione della bollicina e minore il loro numero. E' chiaro che una bollicina più grande essendo stata generata da un'energia ultrasonora maggiore, avrà anche una maggiore energia d'urto, mentre una bollicina più piccola essendo stata generata con una quantità di energia minore, avrà di conseguenza un'energia specifica d'urto inferiore nel sistema ad ultrasuoni.

D'altra parte le frequenze alte permettono di generare nell'unità di tempo molte più bollicine, permettendo una migliore distribuzione della cavitazione per unità di superficie ed un effetto di lavaggio più "morbido" dell'onda creata dagli ultrasuoni, il loro numero è praticamente doppio rispetto a quelle generate dai sistemi a 20 Khz. Pertanto, i sistemi a 40 Khz generano nell'unità di tempo molte più bollicine e soprattutto di dimensioni minori, permettendo di raggiungere punti anche molto piccoli per unità di superficie.

L'impianto ad ultrasuoni è utilizzato con detergenti acquosi, in sostituzione dei solventi per la pulizia dei manufatti in immersione nelle vasche di lavaggio. La sostituzione è conveniente perchè i detergenti acquosi asportano anche il polverino e le sostanze inorganiche oltre alle sostanze grasse. Gli ultrasuoni sono indicati per la pulizia di precisione di manufatti vari, e sono vantaggiosi anche quando ci sia la presenza di cavità particolarmente critiche come: canali lunghi e stretti, fori filettati, tubicini capillari (cavità difficilmente raggiungibili con altri sistemi di pulizia).

I manufatti vengono posizionati in cestelli o su telai e portati in immersione nei vari stadi di trattamento.

Nel lavaggio ad immersione con ultrasuoni si sommano le due azioni pulenti: l'azione chimica sgrassante del detergente e quella meccanica dell'onda ultrasonora. Tale trattamento si rivela molto efficace nel caso di contaminanti particolarmente tenaci quali residui da lucidatura, lappatura, ecc. Per migliorare l'azione pulente su manufatti posizionati in massa nei cesti, viene talvolta aggiunta la rotazione dei cestelli immersi nei bagni di lavaggio ad ultrasuoni in modo di esporre ogni pezzo all'azione degli ultrasuoni .

E' importante che la soluzione detergente sia capace di trasferire l'onda ultrasonora senza eccessivo assorbimento, così che il fascio d'onde ultrasonore propagato nella soluzione del detersivo vada ad agire sulla superficie del manufatto da lavare.

La fine pulizia superficiale effettuata, (efficace anche in minuscole cavità o porosità della superficie da trattare) è provocata dalle onde ultrasonore; questa operazione è realizzabile con i migliori rendimenti solo utilizzando uno specifico detergente per ultrasuoni che esalti il processo di cavitazione e sviluppi il massimo dell'aggressione chimica sullo sporco da disgregare (ogni contaminante necessita un detergente ad ultrasuoni diverso) ed abbia una assoluta inerzia chimica sul manufatto.

La cavitazione a bassa temperatura richiede una potenza superiore ed è difficoltosa quando la temperatura del liquido è bassa, (si riduce in una minore formazione di bolle e un minor numero di implosioni). Perciò è essenziale poter scegliere il detergente opportuno che possa essere inerte sul manufatto e sviluppare, alla stessa temperatura di esercizio, la migliore cavitazione nel bagno di lavaggio ad ultrasuoni. La temperatura ottimale è compresa in una forbice fra i 50 - 70°C. L'energia richiesta per la formazione di una bollicina di cavitazione è proporzionale alla pressione di vapore del liquido ed è perciò influenzata dalla temperatura e dal valore della tensione superficiale (questa è diminuita dal prodotto detergente appropriato utilizzato per il lavaggio ad ultrasuoni).

Con i detergenti acquosi gli ultrasuoni si possono impiegare efficacemente per detergere tutti i manufatti i in sostituzione dei solventi; dai grossi pezzi meccanici, come stampi per la gomma, ai manufatti con le parti più delicate come le montature per occhiali, sono efficacemente lavati con detergenti acquosi; le pastelle di burattatura e politura delle montature per occhiali sono asportate per una perfetta pulizia , anche il lavaggio delle lenti minerali od organiche si può effettuare con i detergenti acquosi. Le lenti in vetro sono liberate dalla pece e dall'ossido di Cerio, con un unico prodotto detersivo. Quelle in plastica (CR 39) sono lavate anch'esse con i detergenti acquosi. Gli ultrasuoni sono addirittura adatti anche per rimuovere il flussante dai delicatissimi circuiti stampati.

Tutti i residui di olio, grasso, paste di pulitura, pigmenti coloranti, grafite, polverini di lavorazione e tracce di manipolazione ecc... sono totalmente asportati ed emulsionati dal detergente acquoso . Gli ultrasuoni raggiungono anche le zone più nascoste, comprese le cavità e l'interno dei tubi . Particolari meccanici delicati e di precisione non rischiano di essere intaccati dai prodotti detersivi aggressivi necessari negli altri sistemi di lavaggio, oppure ammaccati dai continui urti causati dal rimescolamento a volte necessario negli altri sistemi di lavaggio.

Parti assemblate possono essere lavate convenientemente senza richiedere smontaggi, gli ultrasuoni penetrando uniformemente insieme al detergente disgregano il contaminante ottenendo una perfetta pulizia dei manufatti.

Sono imbattibili naturalmente se utilizzati con il detergente o detersivo appropriato per rimuovere olii, grassi, paste di lucidatura, residui di lappatura, limatura, piccoli trucioli, polvere, impronte digitali ed altri contaminanti, sia in fase di produzione che in fase di manutenzione dei manufatti, anche se mostrano superfici dalla geometria più complicata e con fori ciechi.

Quando la soluzione detersiva è stata preparata di fresco, all' accensione dell'apparecchiatura, gli ultrasuoni emessi provocano in un primo momento la degasificazione della soluzione detergente, cioè la separazione e l'eliminazione dei gas presenti in soluzione, separandoli dal liquido sotto forma di bollicine che salgono in superficie. La presenza dei gas nell'acqua (CO₂,O,N) a volte raggiunge valori considerevoli ed inizialmente rende i detergenti acquosi elastici, attenuando l'energia meccanica degli ultrasuoni. Esaurita la separazione dei gas (il tempo è strettamente correlato al detergente utilizzato, al suo pH, alla temperatura del bagno di lavaggio, alla potenza ed alla frequenza degli ultrasuoni) i trasduttori ad ultrasuoni, in condizioni ottimali, sono in grado di trasmettere totalmente la loro energia sul manufatto da lavare a mezzo degli ultrasuoni.

La temperatura della soluzione acquosa in un bagno di lavaggio ad ultrasuoni è molto importante; è bene ripetere che l'intensità di cavitazione varia con il variare della temperatura e del detergente utilizzato. L'intensità di cavitazione aumenta normalmente con l'aumentare della temperatura, fino a circa 70°C per poi diminuire e cessare completamente alla temperatura di ebollizione del liquido, poichè con il liquido in ebollizione il vapore dell'acqua provocato dalla cavitazione non può essere condensato dalla soluzione lavante e le bollicine non possono implodere, viceversa con la soluzione detersiva troppo fredda il vapore che determina le bollicine richiede troppa energia per cui saranno prodotte in quantità minore e con scarsa resa meccanica.

Altro parametro da considerare è la natura del materiale con cui il manufatto (da lavare ad ultrasuoni) è realizzato, questo condiziona la scelta del detergente utilizzato. Il detersivo deve avere un pH appropriato per evitare attacchi alla vasca di lavaggio ed alla superficie dei pezzi (l'attacco può essere esaltato dall'azione della temperatura e dagli ultrasuoni). Anche la natura chimica della sostanza da rimuovere dall'oggetto sporco deve essere oggetto di attenzione, è necessario scegliere il tipo di detergente ad ultrasuoni che possa asportare il contaminante senza reagire con esso producendo composti insolubili difficilmente emulsionabili. Il detergente acquoso deve inoltre esaltare la cavitazione e non deprimerla, dovrà essere totalmente solubile in acqua e possibilmente formulato con materie tensioattive che abbiano una bassa tensione superficiale e che siano stabili chimicamente alla temperatura di lavoro.

Altro particolare da non trascurare per una buona resa ultrasonora e durata del detegente, è consigliato l'utilizzo di cestelli o sostegni dei pezzi costruiti con acciaio inox massiccio; sono da evitare tubi che possono nascondere fori che per trascinamento asporteranno la soluzione detergente che inquinerà le vasche successive (o finirà nell'acqua di risciacquo) e, anche se ben saldati e stagni, l'aria contenuta renderà elastico il mezzo di lavaggio. Altra accortezza è quella di non usare telai di sostegno plastificati (usati normalmente in galvanica) il materiale di rivestimento ridurrebbe considerevolmente l'effetto ultrasonoro.

Una brevissima considerazione sui paventati effetti negativi degli ultrasuoni è doverosa.

Molte ricerche sono state fatte nel campo per verificare gli effetti delle onde ultrasonore ad utilizzo medico .

Bisogna ricordare che i risultati in campo medico si riferiscono ad onde ultrasonore che penetrano nel corpo umano per contatto diretto mutuate da un liquido che mette in contatto il corpo col trasduttore, proseguendo poi attraverso i tessuti. Il maggior interesse delle ricerche suddette è stato rivolto verso la pratica clinica prenatale, ovvero l'ecografia delle gestanti, un settore di estrema delicatezza, l'unico effetto negativo potrebbe essere legato al trasporto di energia trasformato in calore.

Un'altra breve considerazione è il recente utilizzo degli ultrasuoni nell'uso domestico degli idromassaggi, perciò penetranti nel corpo attraverso l'acqua.

Nel nostro caso si tratta di emissioni meccaniche che non hanno che un trascurabile trasporto di energia attraverso l'aria; perciò hanno solo il molesto rumore prodotto dagli impianti aperti o non ben isolati acusticamente.