Lrincz Attila Az aktív ultrahang alkalmazása napjainkban

Átírás

1 Lrincz Attila Az aktív ultrahang alkalmazása napjainkban 1. Bevezetés A hangról általában mindenki tudja, hogy rugalmas közegben terjed mechanikai hullám, de az ultrahanggal kapcsolatban hazai interdiszciplináris konferencián még ma is felmerül olyan kérdés, hogy ha rákiabálunk egy sejtre, az attól valóban képes megváltoztatni az aktivitását? A meglep válasz az, hogy igen! Ez pontosan így történhet abban az esetben, ha elég hangosak vagyunk. Azonban egy ágyú elsütésekor az ágyúcs nyílása mellett közvetlenül 0,001 W/cm 2 hangenergia mérhet, ugyanakkor mi pedig általában 10W/cm 2, vagy e feletti teljesítményekkel dolgozunk az anyagban, 1 MHz körüli frekvenciatartományokban. Ez tehát akkora intenzitás, mintha a fülünk mellett közvetlenül egyszerre ágyút sütnének el. Így már könnyebb elképzelni, hogy ez biológiailag, illetve fizikailag mennyire hatékony lehet. Ez az iszonyatosan nagy hangenergia "bvös" dolgokra képes. Különböz akusztikai jelenségek alakulhatnak ki általa az anyagban, melyek egy részét ma már jól ismerjük, természetesnek tartjuk és alkalmazzuk, míg mások napjainkban kerülnek a tudomány homlokterébe. Néhány ilyen ismert akusztikai jelenség a kavitáció, az akusztikai áramlás, az állóhullám, a szökkút-jelenség, az atomizáció, a szonolumineszcencia és a hhatás. Gyakran azt tapasztalom, hogy az ultrahang közvetlen alkalmazói nem tudják, hogy micsoda szenzációs eszköz van kezükben, céljaik megvalósítására, illetve a tudományos látókörük további kiszélesítésére. Sajnos nagyon sokszor az is elfordul, fleg ahol egy folyamat részeként használják az ultrahangot, tehát ahol természetesen nem a célja, hanem az eszköze egy technológiai sornak vagy egy kutatásnak (sejtanyagcsere-termékek kinyerésénél preparatív munka elkészítésekor, vagy az analitikai eluensek gáztalanításánál), hogy hatékonyságbeli problémákat okoz a szakszertlen alkalmazás, melyet egyszer szakfogásokkal és "trükkökkel" orvosolni lehet. Az elkövetkezendkben ezeket a trükköket, szakfogásokat tárgyalom, az ultrahang konvencionális és a legmodernebb felhasználási lehetségeinek tükrében, remélhetleg mindenki számára izgalmas példákkal, saját kutatási tapasztalataim alapján.

2 2. Ultrahang-fizikai alapok 2.1. Hullámtan Az ultrahang 16 khz frekvencia feletti mechanikai hullámokat jelent. Természetesen ez a frekvenciatartomány már az emberi fül számára általában már hallhatatlan, de nem úgy a kutyák, vagy például a denevérek számára, melyek a khz-es frekvenciatartományt is kiválóan érzékelik. Az ultrahangot aktív és passzív tartományra oszthatjuk, vagyis megállapodás szerint az 1 W/cm 2 vagyis a W/m 2 teljesítmény alatt passzív, míg felette aktív ultrahangról beszélünk. A passzív ultrahangot leginkább az anyagtulajdonságok vizsgálatára, míg az aktív ultrahangot az anyag tulajdonságainak a megváltoztatására alkalmazzuk. Az aktív ultrahang anyagtulajdonság-befolyásoló képessége az anyagban kialakuló hullám- és akusztikai jelenségekkel függ össze. Folyadékokban és gázokban longitudinális hullámok, míg szilárd anyagokban emellett többek között a transzverzális és a tágulási hullámok is jellemzek, melyekre többek között egy adott szilárd anyagban eltér hangsebességek jellemzek. Longitudinális hullám esetén a hullámmozgást végz közeg srsödései (C) és ritkulásai (R) a hullám terjedésének irányában vannak (1. ábra). 1. ábra: Longitudinális hullám (C, srsödések, R, ritkulások)

3 Mivel a legtöbb aktív ultrahang-alkalmazást (kivéve például az ultrahanghegesztés és forrasztás) a folyadékokra és a folyadékszer anyagokra alkalmazzuk, ezért e tanulmányban a folyadékközegekre jellemz hullám- és akusztikai jelenségekkel és azok alkalmazásával foglalkozom. A longitudinális hullámoknál, amennyiben egy szinusz-hullámra gondolunk (2. ábra), úgy rögtön szemünk eltt lebeg, hogy egy hullámon belül van egy fel- és egy lefelé irányuló ív, ami együttesen egy hullámhossz ( ) nagyságú, amely az adott anyagra jellemz hangterjedés sebességének (c) és az alkalmazott frekvenciának (f) a hányadosa, vagyis =c/f. 2. ábra: Szinuszhullám A szinuszhullámban az ívek vízszintes középtengelytl számított magassága és mélysége az amplitúdó. A hullámhossz többek között abban is alapvet szerepet játszik, hogy mennyire irányítható a hangsugár. A téma jelentségére történelmi példát idézek. Horthy Miklós korai "csillagháborús" törekvései a múlt században, jellegükbl fakadóan, természetesen érintették az ultrahangot is, mint az akkori egyik legtöbbet ígér provizórikus technikát. Ez a lendület Békésy György, 1961-ben orvosi Nobel-díjat kapott professzor magyarázatára szerencsére alábbhagyott, miszerint az ultrahangot fegyverként alkalmazni célszeren valamely távoli objektum irányított elpusztítása céljából lehetetlen, mivel kizárólag a magas frekvencián irányítható jól a hang, illetve az a hullámhossz csökkenésével (frekvencia növekedésével) egyenes arányban növekv mértékben adszorbeálódik a levegben, illetve bármely közegben. Az elz példával tehát azt próbáltam érzékeltetni, hogy milyen fontos összefüggésben van a hullámhossz, a frekvencia és a kezelt anyag minsége.

4 Magától értetd módon azonos anyagban kisebb távokon a hangok elnyeldése, abszorpciója kisebb mérték, tehát az irányított, linearizált hangsugárral nagyon komoly tevékenységeket lehet folytatni. Szép példa erre mentorom, Greguss Pál Professzor tevékenysége, aki az akusztikus holográfia nemzetközileg elismert megalkotója és az 1971-ben (a holográfia linearizált fény, vagyis a lézer segítségével történ megvalósításáért) fizikai Nobel-díjat kapott Gábor Dénes pálya- és versenytársa, illetve a PAL (Panoramic Annular Lens) optika feltalálója volt. Hasonló jelenség érhet el tehát mechanikai, vagyis hanghullámokkal, mint elektromágneses hullámokkal, vagyis elállítható hologram ultrahang segítségével is, nem csak lézerrel. Az irányított, linearizált hangsugár alkalmazására további szinte sci-fi regényekbe ill példa a már hazánkban is nagy sikerrel alkalmazott, az egészségbiztosítási pénztár által január 1-jétl támogatott MR-re (Mágneses Magrezonancia) alapozott vágás nélküli ultrahangsebészeti eljárás, hangsugarak segítségével, ahol ambuláns módon, nem kísérletileg, hanem alkalmazott eljárásként történik a daganatok eltávolítása. Más szóval az operáció egyetlen vágás nélkül elvégezhet úgy, hogy a beavatkozás után rögtön távozhat a beteg, és a mtét nem befolyásolja negatívan a páciens életminségét és munkaképességét. Magyarországon alkalmazott, nem kísérleti jelleg eljárásról van szó! Világszinten a fókuszált ultrahangos sebészeti eljárást egyre gyakrabban alkalmazzák - igaz ma még kísérletileg - a koponya felnyitása nélküli agydaganat eltávolítására is. A technológia jelenleg a 0,1mm pontossági határon tart, amely már az emberi kéz pozicionálási képességén is túlmutat A hangsugár elváltozásai a hangtérben A longitudinális hanghullám akusztikai határfelülethez érve, vagyis a hangvezet közegtl eltér akusztikai keménység közegnél reflektálódik, elhajlik, törik, illetve bizonyos esetekben szóródik (3/A és 3/B ábrák). A hangszóródás tehát ott jelentkezik, ahol a hullámok rugalmas közegbe ágyazott idegen testhez, akadályhoz érnek. A reflexiós és az átbocsátási fok meghatározására általában a következ [1-3.] képletet alkalmazzuk Tarnóczy (1963) szerint, a folyadékba merül, folyadéktól eltér akusztikai keménység lemezre, illetve idegen testre vonatkozóan:

5 Ahol (R) a visszaverdési fok, (z) az akusztikai keménység, (q) a két közeg akusztikai keménységének hányadosa, (d) a lemez (test) vastagsága, ( ) a lemezben (testben) kialakuló hullámhossz, ( ) a térfogattömeg, (c) a hangsebesség adott közegben. Az [1]. képlet lényege, hogy akusztikai keménység közegbe akusztikai keménység (d) vastagságú lemez, illetve test merül. Ekkor a lemezre merlegesen bees hangrezgések visszaverdési foka: (R). Ebbl az átvezetési fok: S=1-R. A hullámok viselkedésének megértéséhez alapvet szempont az akusztikai keménység figyelembe vétele. A 3. A. ábrán megfigyelhet, hogy az eredeti hangvezet közegbe ágyazott eltér akusztikai keménység térelemen lév résen a longitudinális hullámok elhajlanak, illetve a hullámhosszhoz viszonyítva megfelelen kis rés esetében gömbhullámok alakulnak ki. A 3. B. ábrán megfigyelhet, hogy az akusztikailag lágyabb közeg fell történ hullám belépéskor (például levegbl vízbe lépéskor) a hullámok törnek és reflektálódnak, illetve egy bizonyos belépési szög alatt az összes bees hullám reflektálódik, és semmi nem lép be a folyadékba. Az akusztikai keménység (z) tehát a közeg srségének ( ) és hangvezetési sebességnek (c) a szorzata, vagyis. Könnyszerrel belátható, hogy amennyiben egy vízben terjed longitudinális hanghullám például gáznem közeg határához ér, akkor a közel négy nagyságrendnyi akusztikai keménység különbség miatt majdnem 100 százalékosan visszaverdik onnan.

6 ! Az álló- és a haladó hullámok kialakulásának fizikai alapjai A hullámok találkozásánál a visszaverdés miatt interferencia lép fel, mely a hullámpontok helyi és pillanatnyi értékeinek eljel és nagyság szerinti összegzdése, amelyekbl egy ered hullám alakul ki a találkozó hullámok szuperpozíciójaként. Akkor alakul ki állóhullám, ha két azonos típusú, frekvenciájú és amplitúdójú, de ellentétes irányú hullám találkozik, tehát az állóhullám interferenciajelenség. Nagyon fontos, hogy az állóhullám olyan hullám, melynek mentén a csomópontok és duzzadó helyek térbeli elhelyezkedése nem változik (4. ábra). 4. ábra: Állóhullámséma

7 Érdekes az a tény, hogy amennyiben folyadékfelületrl történik a hullám visszaverdése, akkor a sebességi csomópontokban (a hullám maximális sebességi pontjai), amikor szilárd felületrl történik a reflexió, akkor a nyomási csomópontokban (a hullám maximális nyomási pontjai) történik meg a maximális akusztikai nyomás amplitúdójú visszaverdés. Minden más hullámpont általi reflexiósfelület-érintés a bees hullámhoz képest gyengített visszavert hullámot eredményez. Persze ellenkez esetben, ha a folyadékfelületrl a nyomási és a szilárd felületrl a sebességi csomópontban történik határfelület érintése, akkor kioltásról beszélünk, tehát nincs visszaverdés és nincs állóhullám sem. Ehhez a gyengítési hatáshoz járulhat még hozzá a közegek közötti eltér akusztikai keménységének értéke, valamint a beesési szög, amelyek alapján dl el, hogy az eredeti hullám energiájának mekkora része hatol be egy anyagba. Hogy a reflexiós felületet érint hullámpont jelentségét érzékeltetni tudjam, nézzünk meg egy szinuszhullámot, mely vízben halad és 1 MHz frekvenciájú. Ennek a hullámnak a hullámhossza =c/f összefüggés szerint =1482 (m/s) / (1/s)=1,48 mm. Ez azt jelenti, hogy 1,48 mm-en belül 2 helyen, vagyis 0,74 mm-en dl el, hogy maximális reflexiós hatást kapok-e és fel tud-e épülni az állóhullám, vagy kioltást eredményez a reflexió, tehát 0,74 mm-en belül alakul ki a "mindent vagy semmit" hatás. Az állóhullám tehát általában úgy keletkezik, hogy egy haladó hullám valamilyen akadályon, például a leveg határfelületén visszaverdik, és az eredeti, valamint a visszavert hullám interferál. Ha egy irányba halad a hullám, akkor haladó hullámról van szó. Ebben az esetben a longitudinális hullámot a legegyszerbben a 2. ábrán ábrázolt szinuszhullámok hosszú soraként képzeljük el a térben, melyek amplitúdója, azaz az íveik magassága és mélysége a sugárzótól távolodva egyre kisebb, vagyis a hangintenzitás így csökken az adszorpció miatt. (Természetesen más hullámformák is elképzelhetek, így négyszög, háromszög stb.) A Huygens-elv kimondja, hogy a közeg minden egyes pontja az odaérkez hullám hatására pontszer gömbi hullámforrássá változik, azaz a hullámfront minden pontja újabb hullámforrás, amelybl további hullámok indulnak ki. A hullámhosszhoz viszonyított nagyon kicsi részecskék képesek együtt mozogni a térrel, illetve arról gömbhullámok terjednek tova, amelyek a vezet hullámok energiájának egy részét elvonják, adszorbeálják, szétszórják, diszpergálják a térben.

8 Near field - far field Az ultrahangtérben a hangnyalábot feloszthatjuk hektikus energiaeloszlású közeltérre (nearfield), illetve egyenletesebb energia eloszlású távoltérre (far-field) (5. ábra). 5. ábra: A közel- és távoltér elhelyezkedése a sugárzás irányában A közel- és távoltér határa kör alakú rezonátorra N kör =d 2 *f/4*c, amely képletben a (d) a rezg átmérje, az (f) a frekvencia, a (c) pedig a hangsebesség. A hangtér tehát a tér minden olyan pontja, ahol a hanghullámokra jellemz váltakozó nyomás lép fel. A közel- és távolteret a tudomány és az alkalmazott technika eltéren ítéli meg. Abban az esetben, ha kavitációs technikát alkalmazunk (tisztítás, sejtroncsolás stb.), teljesen mindegy, hogy mely zónában dolgozunk, mivel az amplitúdót a kavitációs szint fölé emelve drasztikus hatás érvényesül a hangtér minden egyes pontján. Azonban irányított vagy finom kísérleteket és technikákat általában ajánlott a távoltérben végezni, mivel itt az elzekben is említett módon sokkal kiszámíthatóbb, tervezhetbb az akusztikai energia eloszlása. Az 5. ábrán megfigyelhetek az úgynevezett gyengítési interferenciazónák, melyek a közeltérben lév hidegebb színnel jelölt területek, és ami miatt hektikusabb a közeltér energiaeloszlása. Ezek a területek a sugárzás

9 jellegébl fakadóan alakulnak ki, kiküszöbölésükre vagy fázisgyrs koncentrátorokat, vagy a késbbiekben említett kompozitkerámiákat alkalmazhatjuk Levitáció Az elzekben tehát tisztáztuk az álló és a haladó hullámok fogalmát, illetve azt, hogy az akusztikai állóhullámtérben a hullámhosszhoz viszonyított kis méret részecskék képesek a hanghullámmal együtt mozogni, azaz akár folyadékban, akár gáznem közegekben képes kialakulni a levitáció, vagyis a tárgyak, fizikai objektumok lebegése (6. ábra). 6. ábra: Az állóhullám részecskekoncentrációs hatása A 6. ábra azt mutatja, hogy az akusztikai állóhullámtérben a hullámhossznál kisebb részecskék hogyan rendezdnek el az állóhullám idbeli jelenlétének elrehaladtával. Abban az esetben, ha a vivközegnél nagyobb srség szemcséket diszpergálunk a térben, akkor a nyomási, ellenkez esetben a sebességi csomósíkokba rendezdnek. E jelenséget elször Kundt mutatta be látványosan a "Kundt-cs" segítségével a XIX. század végén. E zseniális fizikai jelenségre napjainkban egyre-másra születnek a futurisztikus alkalmazások, amelyekrl elöljáróban talán elég annyit elmondani, hogy jelenleg a NASA-nak ez az egyik legkomolyabban támogatott programja. Ezáltal a földön kialakítható az anti- vagy mikrogravitációs tér, vagyis kvázi rkörülményeket teremthetünk itt a földön (7. ábra), amivel rengeteg pénzt és kockázatot spórolnak a költséges rkísérleteken. A 8. ábra akusztikai levitátor sémát mutat.

10 7. ábra: Akusztikai levitáció (A: lebeg habpamacsok - SAAL technika; B: lebeg olvadt fém - TAAL technika; C: lebeg folyadékcseppek - SAAL technika) (A) (B) (C) 8. ábra: Akusztikai levitátor sémája A SAAL technika az egy akusztikai tengelyre (Single Axis Acoustical Levitator), a TAAL technika pedig a három akusztikai tengely (Three Axis Acoustical Levitator) eljárásra utal. Természetesen az alkalmazások közt az dönt, hogy milyen fajsúlyú, milyen minség, mekkora mennyiség minta lebegtetését akarjuk megoldani. A 7. B. ábra éppen lebegtetett fémszemcsét mutat be, melyet lézer segítségével megolvasztanak, és ezután vagy spektrometriai, vagy egyéb típusú analitikai vizsgálatokat tudnak elvégezni azon. A SAAL technikák érthet okokból, az alacsonyabb akusztikai nyomás amplitúdó (kisebb akusztikai térintenzitás) miatt inkább a kisebb fajsúlyú szemcsék, lapkák, pászmák cseppek lebegtetésére alkalmasak. A másik ok az egy-, illetve a háromtengely alkalmazásra a lebeg csepp alakja. Mivel ha elképzelünk egy álló szinuszhullámot (4. ábra., 6., ábra), akkor könny belátni, hogy egy tengely esetén a csepp formája diszkosz, kett esetén szivar, három esetén viszont gömb formájúra módosul. Persze egy tengely esetén is vannak alkalmazási módok a kvázi gömb

11 alakú lebeg objektum kialakítására, azonban a TAAL technika kiszélesíti a vizsgálható objektumok skáláját. Magától értetd módon ennél az alkalmazásnál elssorban nem arról van szó, hogy egy embert vagy egy rhajót akarnak lebegtetni a földfelszín felett, aki a rakétában kísérletezik, hanem azokat a fizikai, kémiai és biológiai kísérleteket szeretnék a földön olcsóbban elvégezni, melyekbl, ha eddig összejött darab, akkor azért már fellttek egy rhajót. Soha nem látott lehetségek adódtak ezzel a kristályosítás, szövettenyésztés, sejtanyagcseretermékek kialakítása, új biokémiai reakcióutak, sejt- és telepmorfológiai formák és rengeteg egyéb, például fémanalitikai alkalmazásokra. Ismét csak emlékeztetni szeretnék minden kedves olvasót, hogy ne felejtsük el, hogy ez egy vadonatúj, általunk is alkalmazható technika. Ha sikerült e hazánkban és világszerte még teljes mértékben kiaknázatlan technológia iránt érdekldést indukálnom, úgy keressék a kontaktust a szükséges technikai feltételek kialakításáért, mivel sorozatgyártású levitátor még 2003 els félévéig nem jelent meg a piacon, az eltér tudományos igények miatt Nemlineáris akusztikai jelenségek, akusztikai áramlás Fontos megemlíteni az akusztikai áramlást, mely a folyadék nemlineáris viselkedése következtében alakul ki, mivel a folyadék kevésbé összenyomható, mint amennyire kitágul, illetve azért, mert a térben nem egységes az energiadisszipáció. Az áramlást két nemlineáris jelenség alakítja ki, melyek közül az egyik a folyadék dinamikájának nemlineáris viselkedése, ami a tehetetlenségi er dominanciáját jelenti a viszkozitási ervel szemben, a másik a nemlineáris akusztikai hatás, ami az akusztikai áramlás hajtóerejének alapja. Képletesen gondoljunk egy tengeri hullámra, amely tornyosul, majd önmagán átbukik, a véges amplitúdók miatt (9. ábra). 9. ábra: Felületi hullám torzulása

12 A fenti ábrához hasonlóan torzul a szinuszhullám is a térbeli haladása közben (10. ábra), méghozzá a hullám pozitív részében egyre nagyobb amplitúdóértékek alakulnak ki a transzdúcertl távolodva, illetve közelebb jár a valósághoz, ha inkább lökéshullám (Shock Wave) kialakulásáról beszélünk, persze azon a hullám által megtett úton, amelyen még nem adszorbeálódik és alakul hvé a hullám energiája. 10. ábra: A szinuszhullám (A) és torzulása (lökéshullám) (B) Tipikusan nemlineáris jelenség az akusztikai áramlás vagy "kvarcszél", amely egy állandó folyadékmozgás, amit az intenzív ultrahang okoz a fent vázolt fizikai okok miatt. Ennek során a folyadékban szemmel látható keveredés, turbulencia tapasztalható, amelynek látványos élményszersége csak fokozható indikátoranyagok (festékek) folyadékhoz adagolásával (11. ábra). 11. ábra: Ultrahangos folyadékkever Félretéve a viccet, az akusztikai keverhatás akár az élelmiszer-, akár a vegyipar, bio- és környezettechnika számára tartogat újdonságokat, ugyanis a keverés mellett "egy menetben" megvalósítható a diszpergálás (emulzió és szuszpenzió elállítása), a csírák serkentése, vagy éppen gátlása, roncsolása. Természetesen a technológia alkalmazhatóságának néhány esetben határt szabhatnak a kezelend anyag fizikai tulajdonságai, pontosabban inkább az extrém

13 körülményekhez szükséges berendezések kialakításának költségei. Szélsséges, de az 1960-as években megoldott esetnek számít, az ultrahangos bitumenkeverési eljárás aerodinamikus ultrahanggenerátor segítségével. A legtöbb folyadék esetében akár önállóan, akár kombinált eljárásként, az elbb felsorolt mveletek elsegítésére, vagy a h- és anyagtranszportfolyamatok intenzívebbé tételére alkalmazható az ultrahang. Az ultrahang története során többször felmerült a lökéshullám-jelenség vagy az akusztikai nyomás amplitúdó nagysága miatt, hogy mivel az akusztikai nyomás amplitúdó növekedése, vagyis a hullámtorzulás (9. ábra, 10. ábra) kis kibocsátott ultrahang-intenzitások mellett is elfordul, akkor mi a helyzet a diagnosztikai ultrahanggal? Köztudott, hogy a diagnosztikai ultrahangot például a folyadékkal telt vagy a savós testüregek feltérképezésére, így például a magzatnak a magzatvízen, a szívnek a véren, vesének a vizeleten keresztül való vizsgálatához alkalmazzák többek között. Az 1970-es években az egyre ersöd tudományos nyomásra hirtelen "felfedezték", hogy ez a hullámtorzulás bizony ezeken a helyeken is kialakul, ami nem lenne baj, mert képen modellezve ez nagyon látványos jelenség (9. ábra), csakhogy a növekv akusztikai nyomás amplitúdó (a lökéshullám) az ultrahang egyik legdrasztikusabb késbbiekben tárgyalt akusztikai jelenségét, a kavitációt váltja ki ezeken a helyeken is. A kavitáció pedig nemcsak a sejtek, makromolekulák, de még a legkeményebb fémek szétroncsolásának is az alapvet akusztikai kiváltója. Emiatt a 70-es évek végén, 80-as évek elején pánikszeren kijelölték a legmagasabb intenzitást, amelyet a diagnosztikai ultrahangnál alkalmazni lehet, vagyis azt az intenzitást, amely elméletileg a reflexióhoz elegend csak, és a szövetekben "gyorsan" adszorbeálódik, különösebb hképzdés nélkül. Búvópatakként, természetesen újra és újra elkerül a téma a konkurens technológiák bevezetésénél, amire például, az ECMUS, BMUS, WFUMB szervezetek majdnem évente kiadnak egy aktuális biztonsági szintet, természetesen külön az egyes diagnosztikai alkalmazásokra és berendezéstípusokra. Végs soron leszögezhet azonban, hogy a diagnosztikai ultrahang maximális intenzitása 1 W/cm 2 alatt néhány száz mw/cm 2 körüli érték (már évek óta) Atomizáció Az akusztikai áramlás, illetve a hullámtorzulás átviteles, járulékos hatása az atomizáció. Ez a jelenség az ultrahanggal besugárzott folyadékok (víz, ferttlenítszer, olvadt fémek stb.) kiporlasztását jelenti, amelynek kapcsán "szökkút"-jelenség is kialakul, ami igen látványos, azonban például az asztma kezelésében és rakéta- és jármipari technikában annál hasznosabb jelenség (12. ábra).

14 12. ábra Ultrahangos atomizáció (A: akusztikus inhaláló, B: szökkút-jelenség, és C: akusztikus porlasztó) (A) (B) (C) Az atomizáció kapcsán a folyadékszemcsék a gázközegbe kerülnek, mely folyadékrészecskék hordozhatnak ferttlenít-, gyógy- és növényvédszert, bevonó-, festék- és üzemanyagot stb. Érdekes jelenség alakul ki, amikor eltér srség, egymással nem elegyed folyadékok helyezkednek el egymás felett, és alulról történik az ultrahang-besugárzás. Ekkor az alsó, nehezebb közeg felé alakul ki ez a "szökkút"-alakzat, és nincsen kiporlasztás sem Akusztikai kavitáció Nagyon fontos akusztikai jelenség a kavitáció, melynek a széles kör laboratóriumi és ipari alkalmazásai miatt érdemes egy külön fejezettel adóznunk. A kavitáció folyadékban történ üreg- vagy buborékképzdést jelent (13. ábra). A 13. ábra bal oldalán egy szilárd fal mellett kialakult "jet" vagy tszer belövellést mutató kavitációs buborékot láthatunk, míg a jobb oldalon egy szabad folyadékközeggel határolt kavitáció, vagyis üreg látható. Mindkett úgynevezett "tranziens vagy tehetetlenségi kavitáció". 13. ábra Tranziens kavitációs üreg (A: szilárd fal melletti "jet formájú", és B: szabad folyadékkel határolt tranziens kavitáció) (A) (B)

15 A kavitációs jelenség olyan folyadékokban alakul ki, amelyek akusztikai zavarnak, vagy talán esetünkben egyszerbben érthet, hogy ultrahang-besugárzás hatásának vannak kitéve, és akkor, ha az akusztikai nyomás a hangciklus ritkulási fázisának folyamán a teljes nyomást nézve lecsökken egy bizonyos küszöb vagy határérték alá. Ez a határérték a kavitációs küszöb. A kavitációs küszöb, azaz az akusztikai nyomás amplitúdó-határértéke számos fizikai paraméter függvénye, amelyek a közeg állapotát írják le. Ezekhez a fizikai tényezkhöz tartozik a hangintenzitás, a hangfrekvencia, a hmérséklet, a nyomás, az oldott gáz típusa, mennyisége, a viszkozitás, a közeg elélete, a kavitációs magok típusa, mennyisége, az oldottion-koncentráció stb Kavitációs magok Fontos megjegyezni, hogy a kavitációs üregek úgynevezett kavitációs magokból növekednek ki. Több elméleti modell áll rendelkezésünkre a kavitációs magokra, melyek közül a legfontosabb a szervesbr-modell és a hasadék-modell. A szervesbr-modell azt jelenti, hogy a mikrobuborékokat apoláris és poláros részekbl álló molekulák filmszer rétegének stabilizációja óvja meg a gáz folyadékba történ diffúziója ellen. A hasadék-modell pedig azt jelenti, hogy a folyadékokban lév mikroméret szennyezdéseken, az edény falain, illetve a szilárd felületeken szintén mikroméret hasadékok találhatóak, melyekben csapdázott gáz található. Ebbl a "gázzsebbl" (gas pocket) az oszcilláló hullámtérben a negatív nyomási fázisban fog "kinni" a kavitációs üreg. Voltak, akik figyelembe vették a folyadékok felületi feszültségét, mely a gázzsebben stabilizált kavitációs mag folyadékkal alkotott érintszögeit befolyásolja, ami azt határozza meg, hogy mekkora akusztikai nyomás amplitúdóra van ahhoz szükség, hogy ez a gázzseb vagy gáztest "aktiválódjon" (gas body activation) Kavitációtípusok Minimum két különböz kavitációtípust, vagyis folyadékban történ üreg- vagy buborékképzdést célszer ismerni és megkülönböztetni a hatékony ultrahangos munkánkhoz Tranziens (tehetetlenségi) kavitáció Az els, a fent említett (13. ábra) tranziens, tehetetlenségi vagy hard kavitáció, amely során a kavitációs üreg egy akusztikai ciklus során megnövekszik, majd hevesen összeomlik.

16 Amennyiben ez az összeomlás szilárd fal vagy felület mellett zajlik (sejtmembrán, szivattyú rotor, hajócsavar stb.), úgy az a falra nézve drámai következményekkel jár, a következ mechanizmus szerint (14. ábra). 14. ábra Tranziens kavitáció: összeomlás szilárd fal mellett (A: az összeomlási folyamat, B: tszer kilövellés "jet") (A) (B) Szilárd fal melletti kavitációs üreg tranziens összeomlása során a kavitációs üreg szilárd fal felli oldalán a szabad folyadék felli oldalhoz képest a közegáramlás összetevje erteljesen lecsökken. Ezért a kavitációs üreg falának mozgása a középpontjához képest aszimmetrikussá válik. Ezáltal az üreg folyadékból alkotott falának a szilárd fallal ellentétes oldala nagyobb sebességre szert téve fog az üreg középpontja felé mozogni, mint a szilárd fal felli üregoldal. Az üreg falának aszimmetrikus egyre gyorsuló mozgása a leggyorsabb részen egy tszer folyadéksugár kialakulását eredményezi, ami tehetetlensége miatt nagy sebességgel átdöfi a buborékot (13. A., 14. ábra), ezzel a vele szemben elhelyezked szilárd falat, így például sejteket, szivattyúlapátokat, hajócsavart, ultrahangkészüléket, kszemcséket erteljesen erodálja (15. ábra). A 15. ábra azt mutatja be, hogy a tranziens kavitációs buborékok a dolomitszemcsékre milyen drasztikus hatással vannak. A kiindulási állapothoz képest, hozzávetleg 10 perces 1 MHz-es 12 W/cm 2 teljesítmény kezelés után szemmel látható módon lecsökkent a szemcsék mérete, azaz erodálódtak. Az erózió miatt kell cserélhet titánhegyet vennünk és bizonyos idszakonként cserélnünk is az ultrahang-berendezésünkön található mechanikai ersít oszlopon (16. ábra). Amennyiben a kavitáció nem szilárd fal mellett omlik össze, úgy inkább a kémiai roncsoló hatás érvényesül, mivel a tranziens kavitáció során a molekulák széttöredezése is megfigyelhet. A molekulák roncsolódása fleg az erteljes mechanikai lökéshullámnak, illetve

17 mikroáramlásoknak, illetve az összeomláskor kialakuló K hmérsékletnek és a több ezer bar nyomásnak köszönhet. 15. ábra Dolomitszemcsék ultrahangos eróziója (A: kiindulási állapot, B: 10 perc kezelés utáni állapot) (A) 16. ábra Konvencionális ultrahangos sejtroncsoló sémája (B) A kavitációs erózió hatására változik a transzdúcer, illetve a mechanikai ersít rudak hossza, ezáltal megváltozik azok rezonanciafrekvenciája, illetve az a pont, ahol a hullám maximális amplitúdó mellett elhagyja a transzdúcerünket. Mivel eredetileg a legnagyobb hatékonyságra tervezett /2 valahányszorosa a transzdúcer és mechanikai ersít rúdhossz (17. ábra), ezért az eróziótól ersen lecsökken a kezelberendezésünk hatékonysága. Az tehát egy trükk lehet a hatékony ultrahangos munkáért, ha figyelemmel kísérjük a berendezésünk minségét, és ha szükséges, akkor beavatkozunk.

18 17. ábra A legáltalánosabb mechanikai ersítk Az eróziót onnan ismerjük fel legjobban, hogy a felcsavarozható titánhegyen (tip) bevésdések, egyenetlenségek jelennek meg. Ekkor azonnal cseréljük le ezt az alkatrészt, amit egyszeren ki és vissza lehet csavarni. A következ trükkünk a hatékony ultrahangos tevékenységért pedig azon alapszik, hogy mivel a tranziens kavitáció szerencsénkre hangjelenséggel jár, mégpedig olyannal, amit mi is hallunk (a laboránsok szerencsétlenségére), ezért a saját érzékeinkre hagyatkozva képesek lehetünk megállapítani, hogy mikor történik a céljainknak legmegfelelbb munkavégzés. Tehát abban az esetben, hogy ha a besugárzás folyamán 16 khz-en vagy efelett mköd berendezésünknél éles, pattogó vagy sisterg hangot hallunk (21. ábra), ez nagyon jó jel lehet, mivel a rosszul hangolt akusztikai berendezés szétesése eltti alharmonikus kibocsátás bnös gondolatának elodázása után örömmel konstatálhatjuk, hogy a rendszerünkben tranziens kavitáció található. Ez pedig az anyagra nézve drasztikus tevékenységet folytatók számára öröm, mivel hozzásegítheti ket céljaik eléréséhez. Abban az esetben, amikor viszont nem halljuk ezt a hangot, és éppen például sejtfeltárást folytatunk, akkor ne habozzunk növelni az amplitúdót, vagy újra hangolni a berendezést, illetve ellenrizni, hogy mindent helyesen állítottunk-e össze, mivel ekkor minden egyes kezelési perc feleslegesen múlatott id. Tehát emberi fül számára is hallható jelei vannak a tranziens kavitációnak, amely kavitációtípus az anyag roncsolódását okozza.

19 Stabil kavitáció A másik fontos ismerend kavitációtípus a stabil kavitáció. Stabil kavitáció akkor történik, ha a buborék számos cikluson keresztül oszcillál, a térbl való távozás, vagyis felszínre vándorlás, illetve összeomlás nélkül, és a depresszió alatt mérete csökken, majd az ellenkez fázisban újra kitágul, mivel gzt tartalmaz (18. ábra). Bizonyos esetekben a depressziós akusztikai ciklus alatt tágul, az ellenkez akusztikai fázisban pedig zsugorodik a buborék, amelynek az erteljes, több ezer kelvines hképzdés lehet az eredménye. 18. ábra A stabil kavitáció sémája A tranziens kavitáció nem, vagy csak elenyész mértékben tartalmaz gzt, mivel olyan hevesen zajlik le, hogy a diffúzióra nagyon kevés id áll rendelkezésre. De nem úgy a stabil kavitációnál. Ebben az esetben a buborék valóban buborék formájú és a mikroméret buborékból a látható "nagy" buborékká való növekedéséhez nagyon sok ezer, st akár több millió oszcillációra is szükség van (1 MHz-en 1 másodperc alatt hangciklus van, 10 khz-en pedig ). Ebben az esetben ez alatt a számos hangciklus alatt van ideje az oldott gázoknak, a vízgznek és az egyéb anyagoknak a buborékba diffundálni. A stabil kavitációs buborék az oszcilláló akusztikai tér miatt saját frekvenciával rendelkezik, illetve általában további felületi rezgések is kialakulhatnak rajta (al- és felharmonikusok kiváltói), melyek a buborék környezetében erteljes turbulenciákat indukálnak. Ezeket a turbulenciákat nevezzük mikroáramlásoknak, melyekre magas nyíróer a jellemz, és amelyet a sejtbiológiai hatások egyik kiváltójaként tartanak számon. A stabil kavitációs buborékok az akusztikai tér oszcillációjától vezéreltetve egy adott rezonanciafrekvencián sugárzóvá válnak. A buborékok eltér rezonanciafrekvencián pedig eltér egyensúlyi méretek. Ez azt jelenti, hogy amennyiben a vivfrekvencia, azaz az a berendezésünk kibocsátott frekvenciája magasabb, akkor kisebb, míg az alacsonyabb vivfrekvenciák mellett nagyobb ez az egyensúlyi, rezonanciafrekvenciára jellemz buborékméret. A stabil kavitációs buborék pedig "e körül" az egyensúlyi méret körül oszcillál, azaz tágul és szkül az akusztikai tér váltakozásának megfelelen, vagy azzal

20 ellentétesen, vagy fáziseltolódással. A buborékok, az önállóan kibocsátott hangsugárzás által szétterítik, eloszlatják, csillapítják, szórják az eredeti akusztikai energiát a hangtérben. A gázzal telt stabil kavitációs buborékok rezonanciafrekvenciája (f0) a [4]. egyenlet szerint: A képletben a ( ) a folyadék srsége, ( 0 ) a környezeti nyomás, (R 0 ) a gázbuborék sugara, (f 0 ) a rezonanciafrekvencia, a politrópikus index, azaz a fajhk aránya, vagyis az állandó nyomáson és az állandó térfogaton vett fajhk hányadosa, ( 0) a körfrekvencia, az (f) pedig az ultrahang frekvenciája. Látható a [4]. egyenletben, hogy a rezonanciafrekvencia és a buboréksugár milyen szoros összefüggésben állnak. Akkor beszélünk vízbeli levegbuborékokról, ha azok átmérje nagyobb, mint 10 µm. A [4]. összefüggésbl azt lehet pontosan meghatározni, hogy amennyiben egy adott méret stabil kavitációs buborékra van szükség, például szonokémiai alkalmazásra, mekkora az a vivfrekvencia, amellyel dolgoznunk kell. Kijelenthet, hogy ha szabad szemmel látjuk a folyadékban a kavitációs buborékokat, akkor minden bizonnyal stabil kavitációval van dolgunk (19. ábra). 19. ábra Stabil kavitációs buborékok Miért is fontos nekünk, hogy milyen típusú kavitációs buborékok vagy üregek vannak a rendszerben? Azért, mert mindkét kavitációtípust másra lehet és kell is használni! Számos tudományos közlemény vitatja és bizonyítja a mai napig a stabil kavitáció, vagyis az oszcilláló, gázzal telt buborékok hatékony roncsoló hatását, a mikroáramlások nyíróerején keresztül. Azonban a tranziens kavitáció hatékonyságát soha senki nem kérdjelezte meg