1

UPORABA ULTRAZVOKA

Avtorica: Irena Porekar Kacafura

4.2

SkupnostmuzejevSlovenije

1. ZvokFizikalno gledano je zvok valovanje,ki se po vzbuditvi motnje {iri posnovi (plinu, teko~ini ali trdnisnovi). Zvok je longitudinalnovalovanje, pri katerem se periodi~nospreminja gostota snovi. V elasti~nihtrdnih snoveh (na primer kristalih)se lahko {irijo tudi transverzalnivalovi. Skozi brezzra~ni prostor pazvok ne more potovati.

Obmo~je sli{nosti ~lovekovegau{esa je v frekven~nem pasu od 16Hz do 20.000 Hz (tabela 1). Zvok sfrekvenco, manj{o od 16 Hz, jeinfrazvok, z ve~jo od 20.000 Hz paultrazvok.

PRIROČNIK 1

odvisna od vrste, gostote intemperature snovi, v~asih tudi odsmeri in vrste ter valovne dol‘inevalovanja.

Po odboju zvoka na mejah medrazli~nimi deli telesa lahko sklepamoo notranji zgradbi teles (razpoke,nezaliti deli …) ali denimo merimoglobino morij (globinski sonar).Zvok dobro prena{ajo elasti~nekovine, voda, gosti plini, dobro paga du{ijo porozni neelasti~ni materiali(na primer stiropor). Hitrostprena{anja zvoka je ve~ja pri snovehz urejeno kristalno strukturo inobratno.

2. UltrazvokUltrazvok kot visokofrekven~nomehansko nihanje s frekvencaminad okoli 20 kHz je del ropota, ki gapovzro~ajo veliki raketni motorji,hitro se vrte~i rotorji ter te‘ki vrtalniin drugi stroji.

Zgornja frekven~na meja {irjenjaultrazvo~nih valov so termi~nevibracije kristalne mre‘e, nad kate-rimi material ne more ve~ sleditivhodnemu zvoku. Zato je najmanj{a{e uporabna valovna dol‘ina zvokadvojna medatomska razdalja; prikovinah je pribli‘no enaka 2 × 10-10 m.To se zgodi pri frekvenci 1,25 × 1013

Hz. Ultrazvo~ne valove z velikimiamplitudami v~asih imenujemosoni~ne, hiperzvok pa se nana{a nafrekvence nad 1013 Hz.

Mera za intenziteto zvoka je zvo~najakost (enota je watt/m2).Najmanj{a zvo~na jakost (mejasli{nosti), ki jo zazna ~love{ko uho,je odvisna od frekvence. Priultrazvoku lahko dose‘ejo zvo~nejakosti do 105 W/cm2. Fiziolo{komerilo za zaznavanje zvoka jeglasnost (enota je decibel ali fon).

Zvok se {iri z zvo~no hitrostjo, ki je

Tabela 1: Sli{ni in nesli{ni zvok

2

Ultrazvo~ni pretvornikiNajbolj znani in najpogosteje upora-bljeni ultrazvo~ni pretvorniki so:

– piezoelektri~ni,

– magnetostrikcijski,

– elektrostati~ni in elektrodinami~ni,

– mehanski in toplotni.

V aparaturah, ki jih uporabljamo za~i{~enje v konservatorstvu-restavratorstvu, so v glavnempiezoelektri~ni, v~asih tudi magne-tostrikcijski in mehanski ultrazvo~nipretvorniki.

Piezoelektri~ni pretvornikiFrancoski fizik P. Curie je leta 1880odkril, da nekatere snovi ustvarjajoelektri~ni potencial, ~e jihizpostavimo mehani~nemu pritisku.Razlog za to je deformacija njihovezna~ilne strukture in tak{enrazpored med atomi, da na nasprotnihpovr{inah nastajajo razli~nielektri~ni potenciali. Leto po temodkritju je G. Lippmann (francoskifizik) odkril povratnost te lastnostiin jo poimenoval piezoelektri~nipojav: ~e ploskvi, ki imatapiezoelektri~ne lastnosti, postavimov elektri~no polje (priklju~imo naelektri~no napetost), se geometrijskodeformirata zaradi elektri~ne sile.Priklju~ena izmeni~na napetostdenimo zato povzro~i, da se debelinaplo{~ice izmeni~no spreminja(kristal »diha«) z enako frekvencokot napetost. Nihajo~i kristal pa(podobno kot nihajo~a opna) oddajazvok. ^e je frekvenca priklju~enenapetosti ve~ja od 20 kHz, oddajanihajo~a kristalna plo{~icaultrazvok.

Poznamo dve vrsti piezoelektri~nihsnovi. V prvi skupini so naravnesnovi, ki so piezoelektri~ne zaradisvoje asimetri~ne kristalnestrukture. Zna~ilen predstavnik teskupine je kremen, ki je bil dolgoedini material, iz katerega soizdelovali pretvornike (drugi so {eturmalin, barijev titanat, amonijev

dihidrogen fosfat). V drugi skupiniso snovi, pri katerih piezoelektri~nelastnosti dobimo s polarizacijoferoelektri~nih materialov. Prednostpiezoelektri~nih pretvornikov je vtem, da omogo~ajo nastanekmehanskih valov v {irokemrazponu frekvenc. Tudi danes somed naj{tevilnej{imi pretvornikiultrazvo~nih naprav.

Magnetostrikcijski pretvornikiMagnetostrikcija je sprememba mermagnetnega materiala vmagnetnem polju. Odvisna je odvrste in oblike tak{nega materiala,od mo‘nosti njegove obdelave inpoprej{nje magnetizacije ter odtemperature. Z dvigom temperaturese zmanj{uje in popolnoma izginepri tako imenovani Curiejevitemperaturi (nad to temperaturopostane feromagnetna snovparamagnetna).

^e magnetostrikcijski kristal (naprimer nikelj, vanadij), kateregadebelina je odvisna od stopnjemagnetizacije, izmeni~no namagne-timo in razmagnetimo, se njegovadebelina izmeni~no spreminja;kristal »diha«. Z vzbujanjemmagnetostrikcijskega pretvornika zzunanjim izmeni~nim magnetnimpoljem dose‘emo izmeni~nospremembo dol‘ine v ritmu vzbujanja,z vzbujanjem v resonan~nifrekvenci pa dose‘emo maksimalnovalovanje. Magnetostrikcijskipretvornik ustvarja ultrazvok ve~jihmo~i, a ni‘jih frekvenc.

Mehanski pretvornikiUdarec po trdnem (~vrstem) pred-metu povzro~i valovanje {irokegafrekven~nega spektra, ki je lahko nasli{nem ali ultrazvo~nem obmo~ju.Frekven~ni spekter je odvisen odmateriala, velikosti in oblikepredmeta ter na~ina vzbujanja.

Za mehansko generiranjeultrazvoka se najpogosteje izrabljapojav, ko okoli ozke odprtine, skozikatero izteka plin ali teko~ina,

nastajajo nestabilen tlak in vrtinci.To je metoda delovanja ultrazvo~nihpi{~alk in siren, ki proizvajajoultrazvok ni‘jih frekvenc v zraku invodi. Tak{ne pretvornikeimenujemo tudi pretvorniki na plin.

Vpliv ultrazvoka na snov@e zaradi vpliva frekvence inenergije ultrazvo~nega valovanjapri prehajanju tega skozi snov v tejnastajajo razli~ni pojavi, ki jih lahkos pridom izkoristimo. Ultrazvo~nivalovi lahko povzro~ijo ob~asnespremembe gostote snovi. Energijaultrazvo~nih valov lahko na snovdeluje toplotno in povzro~a naprimer kavitacijo.

Toplotno delovanje ultrazvoka jeposledica velike absorbcijeultrazvo~ne energije v snovi.Uporablja se v tehniki, medicini,biologiji in na drugih podro~jih. S totehniko lahko temperaturo v teko-~inah in plinih znatno povi{amo.

Kavitacija lahko nastane vteko~inah zaradi prehoda ultra-zvo~nih valov skoznjo (skica 1). Pritem nastajajo vrtinci, teko~ina sesegreva in nastanejo makro- inmikrotokovi. Ultrazvok povzro~i,da se deli kapljevine gibljejo zznatnimi pospe{ki. Nastanejomehur~ki pare (tlak pri nespreme-njeni temperaturi okolice pade podkriti~no vrednost), ki se natosesedejo (implodirajo). Pri temkapljevina odda absorbirani plin, s~imer odna{a ne~isto~e s povr{inepredmeta.

Skica 1: Mehanizem delovanja kavitacije

Koagulacija prav tako nastanezaradi vzbujanja z ultrazvokom.Manj{i delci la‘e in pravilneje

3

sledijo valovanju, povzro~enemu zultrazvokom. ^im ve~ja je razlika vamplitudi valovanja posameznihdelcev, pogostej{i so trki manj{ih inve~jih delcev in zato je koagulacijahitrej{a.

Vpliv ultrazvoka na kemizem jeznan ‘e dalj ~asa, ~eprav je te‘kolo~iti sam kemi~ni vpliv odhkratnega toplotnega delovanja(oksidacijsko delovanje ultrazvokain pospe{evanje kemi~nih reakcij).

Fiziolo{ko delovanje ultrazvoka(fizikalno in kemi~no delovanje nasnovi) se uporablja v medicinskiterapiji.

Ultrazvo~na energija dolo~ene mo~i,frekvence in dolo~enega ~asa(trajanja) je lahko smrtonosna zamikroorganizme, a koristnouporabna za ve~je ‘ivali in ljudi.

Uporaba ultrazvokaPri uporabi lo~imo ultrazvok majhnihmo~i (do 1 W/cm2) in ultrazvokvelikih mo~i (do 1000 W/cm2).

Uporaba ultrazvoka majhnih mo~iUltrazvok majhnih mo~i se uporablja

v {tevilnih vejah znanosti, tehnikein medicine za neporu{itvenodefektoskopijo oziromadiagnostiko. Ultrazvok lahkouporabljamo pri ve~ini materialovzaradi njegove izrazito velikeob~utljivosti; z njim odkrivamonapake v materialu, dolo~amonjegove zna~ilnosti in nadzorujemoprocese. Odboj ultrazvoka je zeloprakti~en na~in pridobivanjainformacij pri neporu{itvenihmeritvah. Informacijo dobimo zanalizo nepravilnosti v materialuodbitega ultrazvo~nega snopa.

Uporaba ultrazvoka velikih mo~iUltrazvok velikih mo~i se uporabljaza doseganje stalnih spremembfizikalnega stanja materiala,najpogosteje v industriji za ~i{~enjein varjenje.

Mnoge proizvode in tudi predmete,ki jih konserviramo-restavriramo,~istimo z ultrazvokom, na primerdele strojev in instrumentov, nakit,predmete iz stekla, kamna, keramikepa tudi elektronske elemente, delovnipribor. ^i{~enje je tem bolj{e, kolikorbolj predmet odbija in manj absorbira

ultrazvok. Posebno je ta tehnikauporabna za ~i{~enje sestavljenihpredmetov nepravilnih geometrijskihoblik s prete‘no nedostopnimipovr{inami.

Na~in ~i{~enja je odvisen odpredmeta in vrste ne~isto~, ki jih jetreba o~istiti, ter od na~ina vezavene~isto~ na povr{ino. Kadar imamov posodi (kadi), v katero se predmetipotapljajo, {e sredstvo za ~i{~enje inje ultrazvo~ni pretvornik prislonjenob posodo, se ~i{~enje pospe{uje znastankom kavitacije sredstva, karodstrani tudi naj~vrsteje vezanene~isto~e.

Ultrazvok lahko koristno uporabljamotudi na drugih podro~jih, na primerpri emulgiranju, atomizaciji, barvanjutekstila, filtraciji in kristalizaciji.Uporaba ultrazvoka je zelo pomem-bna tudi za varjenje plastomerov.

Ultrazvo~ni ~istilniki

Ultrazvo~ne kadiUltrazvo~ne kadi (sliki 1 in 2) sosestavljene iz posod razli~nihvolumnov (obi~ajno iz nerjave~egajekla), ki imajo na dnu pritrjene

Slika 2: ^i{~enje zlata v ultrazvo~ni kadiSlika 1: ^i{~enje zlata v ultrazvo~ni kadi

4

ultrazvo~ne pretvornike(piezokerami~ne). Opremljene solahko tudi z elektri~nim grelnikom(termostatsko uravnavanim) in~asovno-preklopnim stikalom ter zizpustom za teko~ino. Kot dodatnoopremo obi~ajno dobimo tudinosilne ko{arice in steklene ~a{erazli~nih velikosti, v katerihpredmete ~istimo v osnovnem~istilnem mediju (ko{arice,potopljene v vodo) ali s pomo~jododatka posameznih kemikalij(~i{~enje v steklenih ~a{ah).

Piezopretvorniki, ki so name{~enipod kadjo, generirajo intenzivnezvo~ne valove, ki se prena{ajo v~istilni medij (obi~ajno voda) indelujejo v resonan~ni frekvenci 30kHz oziroma 40 kHz.Visokointenzivni valovi v medijupovzro~ajo kavitacijo, torejustvarjajo vakuumske mehur~ke, kiimplodirajo v nekaj mikrosekundah.Srk in tla~ni impulz tega mehur~kau~inkujeta na povr{ino predmetapovsod tam, kjer je prisotna teko~ina.

Z zvi{anjem temperature sezmanj{ata povr{inska napetost in

viskoznost, pove~a se parni tlak, s~imer se zmanj{a u~inekultrazvo~nega ~i{~enja. Hkratizvi{anje temperature ugodno vplivana pove~anje kemi~ne aktivnostikemikalije. Za vodne raztopinevelja, da lahko dose‘emomaksimalno kavitacijskou~inkovitost pri 45 do 55 °C. Vednomoramo torej iskati optimalnotemperaturo glede na kemi~nosestavo teko~ine.

Tak{no ~i{~enje ima posebneprednosti, saj prodorno o~isti raznepore in luknjice na ~i{~enihpredmetih v zelo kratkem ~asu terodstrani najbolj trdovratnoumazanijo s te‘ko dostopnih mest.

V konservatorstvu-restavratorstvulahko ultrazvo~ne kadiuporabljamo za ~i{~enje kristalov,kamenin, keramike, kovine, steklain drugih predmetov. Za vsakpredmet moramo eksperimentalnodolo~iti ~as trajanja ~i{~enja vultrazvo~ni kopeli in mo‘nostuporabe dodatnih ~istil v osnovnemmediju. Obi~ajno za uspe{no~i{~enje zadostuje 2- do 10-minutno

delovanje ultrazvoka (pri trdovratniumazaniji ~i{~enje ve~kratponovimo). Pomembno je, dapredmet v ultrazvo~ni kopeli~istimo ve~krat kraj{i ~as (naprimer le po 10 do 30 sekund) inpo vsakem ~i{~enju preverimostanje povr{ine predmeta podlupo. Dolgotrajno delovanjeultrazvoka na predmet v kopelilahko krhek predmet po{koduje(pojavile bi se lahko razpoke naoriginalni povr{ini). Prav tako meddelovanjem ultrazvo~ne kadi nesegamo z roko v ~istilni medij ali nejemljemo predmeta iz nje. Kopelvedno izklopimo po kratkem ~asudelovanja in {ele nato vzamemopredmet iz ~istilnega medija. Kotdodatna ~istilna sredstva v vodi(osnovnem mediju) lahko vultrazvo~nih kopelih uporabljamotudi kemikalije, ki jih uporabljamoza ~i{~enje predmetov izposameznih materialov brezuporabe ultrazvoka. Delovanjeultrazvoka v kopeli bo njihovou~inkovitost le pove~alo. Kotdodatna ~istilna sredstva lahko torejuporabljamo ‘e pripravljene

Slika 3: ^i{~enje naslag na glavi iz marmorja z mokrimultrazvo~nim kladivcem

Slika 4: ^i{~enje naslag na glavi iz marmorja z mokrimultrazvo~nim kladivcem

5

(uporaba v zlatarstvu inzobotehniki) alkalne emulzije vnizkih koncentracijah (1% do 5%raztopina) ali pa sami pripravimo~istilne raztopine, na primer zdodatkom acetona, alkohola, etolata(odvisno od materiala, ki ga~istimo), ki pomagajo odstranjevatiostanke polirnih past, zastaranoumazanijo, odstranjujejo tanke slojeoksidov in sulfidov, pove~ujejo leskpovr{ine. Po ~i{~enju predmetevedno speremo pod teko~o vodo,oplaknemo z destilirano vodo indobro posu{imo.

Aparatura z mokrim ultrazvo~nimkladivcemAparature (sliki 3 in 4), ki jihuporabljamo pri na{em delu, sove~inoma izdelane za uporabo vstomatologiji. Sestavljene so izohi{ja, v katero je vgrajenpiezoelektri~ni pretvornik, kiobi~ajno proizvaja ultrazvok med25 kHz in 30 kHz, in iz ro~nika znastavkom za ~i{~enje (kladivce zdvojnim ali enojnim jezi~kom).Aparaturo priklju~imo na elektri~noin vodovodno omre‘je. Povr{inopredmeta ~istimo kontaktno skonico kladivca, voda, ki doteka izkonice v obliki drobnih razpr{enihkapljic (slika 5), pa konico hladi inodna{a odstranjene naslage spredmeta. Postopek ~i{~enja potekapo sistemu kavitacije.

V konservatorstvu-restavratorstvulahko omenjeno aparaturo s pridomuporabljamo za ~i{~enje povr{insko(fizikalno) vezanih ne~isto~ nakamnu (marmor, pe{~enjak),keramiki, steklu. Prednostpovr{inskega ~i{~enja z mokrimultrazvo~nim kladivcem je v tem,da lahko postopek ~i{~enjanatan~no kontroliramo, sajrazpr{ena voda sproti odna{aodstranjene ne~isto~e, hkrati pa~istimo le majhno povr{inopredmeta ob stiku s konico(mo‘nost to~kovnega ~i{~enja), pri~emer originalne povr{ine sevedane po{kodujemo.

Kladivca oziroma konice, ki jihnamestimo v ro~nik, so lahkorazli~nih oblik in dol‘in. Ve~inomapa lahko od dobaviteljev v Slovenijikupimo le dve vrsti kladivc, ki seuporabljata v stomatologiji za~i{~enje zobnega kamna. Kladivcaso tako najve~krat zapognjena(slika 5), izdelana iz nerjave~egajekla, njihova debelina pri vrhu pazna{a pribli‘no 1 mm. Ker se zahlajenje kladivca in sevedaodna{anje odstranjenih naslag spredmeta uporablja voda, so lahkokonice kladivc kombinirane (enavotla konica, skozi katero pr{i tudivoda) ali pa dvojezi~ne (skozi enopr{i voda, druga konica pa je enaka

kot pri suhem ultrazvo~nemkladivcu). V~asih pri na{em delupotrebujemo razli~ne oblike konic,le-te pa se tudi hitro izrabijo, kadar~istimo naslage na trdih predmetih(na primer odstranjujemo sadrastenaslage z marmorja). Ker so novakladivca relativno draga oziromakadar ‘elimo posebno oblikokonice, lahko z dovolj spretnosti inznanja konice kladivc izdelamo tudisami (na primer iz bucik ali {ivank)ter jih prilotamo na kladivce. To jemogo~e le, kadar je kladivce dvojezi~no(samostojna konica za vodo).

Aparatura s suhim ultrazvo~nimkladivcemAparatura (sliki 6 in 7) delujepodobno kot tista z mokrimultrazvo~nim kladivcem. V njej jeturbina, ki deluje na komprimiranzrak (do 8 barov tlaka). Ta proizvajavrte~e se gibanje (pretvornik naplin) po sistemu pi{~alke oziromasirene in proizvaja ultrazvok med15 kHz in 25 kHz.

S suhim ultrazvo~nim kladivcemlahko v konservatorstvu-restavratorstvu uspe{no odstranjujemopra{kaste korozijske produkte spovr{ine predmetov (na kovinskihpredmetih) in naslage s keramike,predvsem na te‘ko dostopnihmestih (skica 2).Slika 5: Razpr{ene kapljice vode iz konice

kladivca

Slika 6: Odstranjevanje korozijskihproduktov s suhim ultrazvo~nimkladivcem

Slika 7: Odstranjevanje korozijskihproduktov s suhim ultrazvo~nimkladivcem

6

Tudi suha ultrazvo~na kladivcalahko kupimo v razli~nih izvedbah(razli~ne oblike), prav tako pa jihlahko ob obrabi ali ‘elji po posebniobliki nadomestimo z novimi,izdelanimi v doma~i delavnici.

Skica 2: Odstranjevanje korozijske plasti s pozlate s suhim ultrazvo~nim kladivcem

Literatura:1. Veliki splo{ni leksikon, 8. knjiga,

DZS, Ljubljana 1997

2. Rudolf Kladnik, Fizika zasrednje{olce, Energija, toplota,zvok, svetloba, DZS, Ljubljana1999

3. Anton Jegli~, Du{an Fefer,Elektroakustika in ultrazvok,Fakulteta za elektrotehniko,Ljubljana 1984

4. Tehni~ka enciklopedija, 13.knjiga, Leksikografski zavodMiroslav Krle‘a, Zagreb 1997

5. Heinrich Kuttruff, Ultrasonics,Fundamentals and Applications,Elsevier Applied Science, London1991

6. Atlas klasi~ne in moderne fizike,DZS, Ljubljana 1993

7. Ultrazvo~ni ~istilniki zalaboratorije in tehniko, Iskra PIOd.o.o. [entjernej