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La pulizia a ultrasuoni si basa sul principio della cavitazione che consiste nella formazione di bolle d’aria che se messe a contatto con una sostanza liquida in un campo ultrasonoro, vanno a generare delle onde di pressione e depressione ad elevata velocità in grado di raggiungere anche i 100 bar in grado quindi di detergere in modo efficace qualsiasi materiale.
Durante la fase di collasso, all’interno delle bolle si generano microambienti estremamente reattivi, “hot spot”, caratterizzati da temperature e intense onde di pressione responsabili delle diverse trasformazioni chimiche e fisiche. In si riporta sintesi uno schema delle principali trasformazioni:
- All’interno delle bolle: migrazione delle sostanze idrofobiche, micro-pirolisi.
- All’interfaccia liquido-bolla: ossidazione dei radicali.
- Intorno alle bolle: effetti fisici (meccanici), microporosità / macinazione / rottura.
- Nel liquido: degassamento, riscaldamento volumetrico, turbolenza, scambi di calore.
Le vasche di decapaggio lavorano alla frequenza di 40 kHz tramite la generazione di capsule piezoelettriche frequenza ottimale per l’effetto cavitazione. Gli ultrasuoni generati vengono immessi in acqua e a causa della densità dell’acqua la velocità delle onde possono raggiungere i 1480 m/s. Nell’aria la velocità del suono è pari a 340 m/s questo implica che le onde ultrasoniche tenderanno a rimanere all’interno dell’acqua per riflessione. Quando un'onda a frequenza acustica o ultracustica giunge alla superficie di un nuovo mezzo di densità diversa da quella in cui si propaga, in parte passa oltre e in parte è riflessa. Il rapporto fra la quantità riflessa e quella rifratta dipende dalle impedenze presentate all'onda nei due mezzi. Se il secondo mezzo presenta una impedenza poco diversa da quella del primo l'onda sarà poco riflessa viceversa in caso contrario. L’impedenza del mezzo è definita come il prodotto della densità del mezzo per la velocità del suono.
Sostanza |
Velocità ultrasuoni (m/s) |
Impedenza (kg/m2s) |
Aria |
340 |
0,0004 |
Acqua |
1480 |
1,34 |
La maggior parte dell’energia ceduta ai trasduttori viene assorbita dall’acqua grazie alla frequenza ottimale per gli effetti di cavitazione. La differenza di densità dei mezzi riduce l’emissione in aria tramite l’effetto della riflessione. Una volta fuoriusciti dall’acqua gli ultrasuoni vengono assorbiti in aria con un tasso pari a circa 12 volte di quello in acqua. Ne consegue che la collocazione di un coperchio riduce ulteriormente l’esposizione degli addetti a valori inferiori al limite di esposizione assunti (115 db) in quanto gli ultrasuoni vengono totalmente schermati dal coperchio stesso. Risulta inoltre di fondamentale importanza far funzionare le macchine sempre con la presenza di acqua all’interno delle vasche.La formazione di hot-spot ad alta temperatura associati alle elevate pressioni di cavitazione potrebbero generare reazioni chimiche non previste. Occorre quindi evitare l’introduzione di liquidi infiammabili o combustibili o acidi forti.
In base alle considerazioni riportate occorre attivare le seguenti misure organizzative di protezione.
- Le vasche devono funzionare sempre con il coperchio per ridurre a livelli trascurabili la presenza di ultrasuoni in aria. Il coperchio NON deve essere stagno ma deve essere in grado di attenuare gli ultrasuoni garantendo lo sfogo di eventuali sovrapressioni (semplice appoggio).
- In nessun caso è permesso immergere le mani nella vasca durante il funzionamento.
- La vasca deve essere attivata sempre con la presenza di acqua, la mancanza di acqua danneggia i trasduttori oltre che a generare in aria onde ultrasoniche indebite.
- Non inserire nella vasca liquidi infiammabili o combustibili, acidi forti (acido nitrico, solforico) l’alta temperatura degli hot-spot potrebbe creare principi di incendio, reazioni chimiche indesiderate e/o esplosioni.
Bibliografia
- Gruppo Interregionale Agenti Fisici - Indicazioni operative per la prevenzione del rischio da Agenti Fisici ai sensi del Decreto Legislativo 81/08 Parte 7: ULTRASUONI
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A seguito dei livelli di rumore poco tollerati dagli operatori rilevati nell’ufficio Progetti generati dall’impianto di aspirazione dell’impianto di verniciatura si è provveduto ad effettuare un sopralluogo mirato alla identificazione dei possibili modi di riduzione.
Si sono rilevati nell'ufficio i seguenti valori:
- Con Impianto di aspirazione spento : 40 db(A)
- Con impianto di aspirazione acceso : 52 db(A)
Ovvero l’impianto di aspirazione impatta di circa + 12 db (A).
Il locale oggetto di valutazione risulta costruito con pareti di cartongesso e lana di vetro quindi adeguatamente protetto dalle fonti di rumore esterne. Si osserva che all’esterno del locale i livelli di rumore risultano trascurabili. In base a queste considerazioni si è preso in considerazione il fenomeno delle vibrazioni condotte e associate al fenomeno della risonanza del locale.
Il locale ha le seguenti dimensioni:
L= 9,7 m (Lunghezza)
W= 4,8 m (Larghezza)
N = 2,8 m (Altezza)
La frequenza di risonanza primaria risulta pari a 55 HZ mentre la frequenza di onda stazionaria risulta pari a 35 HZ ovvero entrambe compatibili con la frequenza generata dal motore dell’impianto di aspirazione (50 giri al secondo).
Si è provveduto quindi ad effettuare una ricerca di eventuali punti di trasmissione delle vibrazioni. La ricerca ha portato a prendere in considerazione la mancanza di isolatori sul profilato principale che regge il motore di aspirazione collocato sul tetto. Il profilato trasmette in modo diretto le vibrazioni alla struttura in cemento. Appoggiando la mano sul profilato questo fatto risulta molto evidente anche senza misurazioni. Sono presenti inoltre 4 isolatori ma risultano datati e quindi si consiglia di sostituirli.
Foto 1 : Isolatori di vibrazioni presenti
Foto 2 : Isolatore di vibrazioni mancante
A seguito della sostituzione dei 4 isolatori di gomma con isolatori nuovi e collocazione di un adeguato isolatore nel punto indicato nella foto 2 si è risolto il problema.
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La frequenza si calcola tramite la seguente formuletta:
Frequenza = 3.56 · R · L-2 · (Y/ρ)0,5
Modo di vibrazione a banana (Modo 1)
- ρ= Densità acciaio = 7859 Kg/m3
- Y= Modulo di Young acciaio = 2 x 10 11 N/m2
- R = raggio giratore= Per una sbarra circolare è uguale alla metà del raggio.
Sostituendo vari valori per albero a sezione circolare
Raggio albero |
Lunghezza |
Frequenza risonanza |
0,025 m
|
1,0 m |
224 Hz |
2,0 m |
56 Hz |
|
3,0 m |
25 Hz |
|
4,0 m |
15 Hz |
Raggio albero |
Lunghezza |
Frequenza risonanza |
0,050 m
|
1,0 m |
449 Hz |
2,0 m |
112 Hz |
|
3,0 m |
49 Hz |
|
4,0 m |
28 Hz |
Raggio albero |
Lunghezza |
Frequenza risonanza |
0,1 m
|
1,0 m |
898 Hz |
2,0 m |
224 Hz |
|
3,0 m |
99 Hz |
|
4,0 m |
56 Hz |
Raggio albero |
Lunghezza |
Frequenza risonanza |
0,5 m
|
1,0 m |
4490 Hz |
2,0 m |
1122 Hz |
|
3,0 m |
498 Hz |
|
4,0 m |
280 Hz |
Ne segue che è meglio non far ruotare alberi alla stessa velocità di risonanza propria. Occorre inoltre ricordarsi che la frequenza degli inverter non corrisponde alla velocità del rotore ma che è circa la metà.