Cosa Sono gli Ultrasuoni e Dove Vengono Utilizzati?
Se una forza esterna agisce su un materiale elastico come un gas, un liquido o un solido, si verifica una propagazione ondulatoria della pressione e una fluttuazione della densità nello spazio e nel tempo, che inizia nel punto in cui viene applicata la forza. Questo fenomeno è noto come suono.
Si parla di ultrasuoni quando la frequenza dell'onda che si propaga supera i 16.000 Hz, rendendola impercettibile dall'orecchio umano. La gamma di frequenze degli ultrasuoni arriva fino a 16 GHz, cioè 16 miliardi di cicli al secondo.
L'industria, la tecnologia medica e la ricerca utilizzano gli ultrasuoni nei più svariati ambiti. Il campo di applicazione più conosciuto è la sonografia, nota anche come ecografia. In questo caso, gli ultrasuoni vengono utilizzati per generare immagini di tessuti e organi. Il grande vantaggio dell'ecografia rispetto ad altri metodi di imaging nella tecnologia medica è che le onde sonore sono innocue e possono essere utilizzate anche sui bambini non ancora nati.
Oltre che nell'imaging medico, le basse intensità sonore vengono richieste anche nelle applicazioni delle tecnologie di misura. L'intensità del suono descrive la potenza che colpisce una determinata superficie. Se supera i 10 W/cm 2, si parla di suono ad alta potenza. A differenza degli ultrasuoni a bassa potenza, gli ultrasuoni ad alta potenza provocano cambiamenti o addirittura la distruzione dei materiali e sono quindi adatti all'impiego nella lavorazione dei materiali, nella pulizia a ultrasuoni o nel campo medico nella >> Litotrissia.
Come fanno gli Elementi Piezo a Generare Ultrasuoni?
Le ceramiche piezoelettriche sono la fonte migliore per la generazione e il rilevamento di onde ultrasoniche. I portatori di carica vengono spostati all'interno dei materiali piezoelettrici sotto l'influenza di un campo elettrico, che determina una variazione macroscopica della lunghezza (effetto piezoelettrico inverso). Se la tensione applicata è di tipo alternato, le particelle nel mezzo, come ad esempio quelle nell'aria, iniziano a vibrare. Si verificano delle fluttuazioni di pressione. La rarefazione delle particelle porta a una riduzione della pressione e la compressione a un aumento della pressione. La lunghezza d'onda del suono descrive la distanza tra due aree di rarefazione o compressione. Le onde sonore risultanti si propagano nel materiale circostante. La velocità del suono varia a seconda della densità e delle proprietà elastiche del materiale.
Viene fatta una distinzione di base tra onde longitudinali e trasversali. Nel caso delle onde longitudinali, l'oscillazione avviene nel piano di propagazione. Esse possono propagarsi nei liquidi e nei gas, ma anche nei solidi. Le onde trasversali, invece, oscillano perpendicolarmente alla loro direzione di propagazione e questo è possibile solo nei solidi. Entrambi i modi d'onda possono essere convertiti da un modo all'altro per riflessione o rifrazione nelle aree di confine con materiali più densi.
Trasduttori Elettroacustici
I trasduttori elettroacustici, noti anche come trasduttori, convertono l'energia acustica in energia elettrica o viceversa. Sono costituiti da un elemento piezoelettrico attivo, un alloggiamento e connettori elettrici.
Un parametro importante per la trasmissione delle onde sonore è l'impedenza acustica caratteristica, nota anche come resistenza d'onda. Essa dipende dalla densità del materiale e dalla velocità del suono. La differenza tra le impedenze sonore di due materiali determina se e quanto le onde sonore possono essere trasferite da un materiale all'altro. Se questa differenza è troppo grande, il suono viene riflesso impedendo la trasmissione.
Nel trasduttore, uno strato di adattamento (strato di trasformazione) tra l'elemento piezoelettrico e il materiale circostante garantisce la minima differenza possibile nell'impedenza sonora, aumentando così la qualità della trasmissione. Idealmente, lo spessore di questo strato è pari a un quarto della lunghezza d'onda del suono (λ/4).
Il comportamento elettromeccanico di un elemento piezoelettrico stimolato all'oscillazione può essere rappresentato con un diagramma di circuito elettrico equivalente.
C0 è la capacità del dielettrico. Il collegamento seriale di C1, L1, e R1 descrive la variazione delle proprietà meccaniche, come la deformazione elastica, la massa effettiva o l'inerzia e le perdite meccaniche dovute all'attrito interno. Tuttavia, questa descrizione del circuito risonante si applica solo a frequenze vicine alla risonanza intrinseca della meccanica.
La maggior parte dei parametri dei materiali piezoelettrici viene determinata mediante misure di impedenza su speciali corpi di prova alla risonanza.
L' Z impedenza, nota anche come resistenza apparente, è una resistenza complessa in corrente alternata, dove la parte reale indica la resistenza ohmica e la parte immaginaria la reattanza. L'impedenza è descritta dalla lunghezza del vettore complesso e da un angolo di fase ϕ.
Le risonanze meccaniche possono essere misurate elettricamente >> Accoppiando Oscillazioni Meccaniche ed Elettriche Le risonanze seriali e parallele vengono utilizzate per determinare i valori caratteristici del piezoelettrico. Questi corrispondono con buona approssimazione al minimo di impedenzaf m e al massimo difn. L'impedenza viene misurata come standard durante il controllo qualità dei componenti e degli assiemi piezo. In base alla forma e alla dinamica della curva di impedenza si possono trarre conclusioni, ad esempio sui difetti del componente piezo o sulla qualità degli strati adesivi.
Principi di Misura a Ultrasuoni con Elementi Piezo
I sensori piezo a ultrasuoni offrono un'elevata precisione e affidabilità in ampi campi di misura, oltre a stabilità a lungo termine e compattezza. Questi non necessitano di trasparenza ottica. Fondamentalmente, si distingue tra due principi di misurazione:
1. Misurazione del Tempo di Esecuzione
1. Misurazione del Tempo di Esecuzione
Durante l'esecuzione della misura, l'elemento piezoceramico funge da trasmettitore e ricevitore, sia che si tratti di misurare la distanza, sia che si tratti di rilevare oggetti o di >> Misurare il Flusso.
L'elemento piezoceramico emette un impulso ultrasonico. Le onde sonore così innescate si propagano e poi colpiscono un oggetto. In seguito vengono riflesse e parzialmente assorbite. Lo stesso elemento piezo riceve le onde riflesse. La differenza di tempo di trasmissione Δt tra l'emissione e la ricezione delle onde sonore fornisce informazioni sulla distanza r tra la sorgente del suono e l'oggetto. Una volta nota la velocità del suono c nel materiale circostante, è possibile calcolare la distanza r:
2. Effetto Doppler
Il principio dell'effetto Doppler viene utilizzato per misurare le portate o le velocità di flusso di mezzi contaminati, ad esempio particelle in sospensione o bolle d'aria. Dopo aver emesso un impulso ultrasonico, le onde ultrasoniche (f0) vengono diffuse o riflesse dalle particelle di liquido. Lo spostamento di frequenza Δf risultante tra il fronte d'onda riflesso emesso e ricevuto dallo stesso trasduttore piezo è proporzionale alla velocità di flusso vS delle particelle. È necessario tenere conto dell'angolo θ tra la direzione dell'impulso ultrasonico emesso e il percorso di misura:
La direzione del flusso può essere determinata anche dalla variazione di frequenza. Quando le particelle di liquido si avvicinano al sensore, la lunghezza d'onda del suono si accorcia e la frequenza aumenta (fb) poiché le onde sonore vengono spinte davanti alle particelle e le comprimono. Al contrario, la lunghezza d'onda aumenta e la frequenza del suono diminuisce man mano che le particelle si allontanano dal sensore (fa). Questa variazione di frequenza Δf delle onde sonore può essere rilevata e confrontata con la frequenza sonora dell'impulso ultrasonico emesso.
Le applicazioni in questo campo riguardano l'ingegneria dei servizi edili per la determinazione del consumo di acqua o di energia per il riscaldamento, ma anche il settore medico per la registrazione della velocità e della direzione del flusso sanguigno.
