Trasduttori ad Ultrasuoni
Trasduttori elettroacustici: piezoelettrici o magnetostrittivi?
Un’azione meccanica assai energica ed efficace si ottiene immettendo nel liquido detergente delle onde acustiche di forte intensità. Similmente ad un altoparlante, che è un trasduttore elettroacustico in grado di trasformare un’energia da tipo elettrico a sonora in grado di propagarsi nel mezzo elastico aria, esistono altri trasduttori elettroacustici, ottimizzati per la generazione di suoni ad elevata energia nei liquidi con frequenze sopra il limite di udibilità per l’uomo.
Per comprendere come un’onda acustica ultrasonora possa svolgere utilmente l’azione di lavaggio in una vasca, si faccia riferimento alla figura seguente dove è rappresentato un contenitore con pareti metalliche, contenente del liquido, e con applicato al fondo un trasduttore elettromeccanico capace di erogare una potenza acustica ad una certa frequenza.
Trasduttori ad Ultrasuoni
L’onda acustica si propaga nel liquido, alla velocità del suono, che per l’acqua è di circa 1500 metri al secondo.
Il fenomeno comporta vibrazione delle molecole del liquido, che inducono variazioni di pressione al loro intorno, che a loro volta inducono ulteriori spostamenti delle molecole del liquido, e così via.
Ne consegue che, se consideriamo cosa avviene in un punto generico K della vasca, osserveremo una vibrazione delle molecole con frequenza pari a quella indotta dal trasduttore, e parimenti un’oscillazione del valore istantaneo della pressione, con medesima frequenza.
Il valore medio della pressione sarà uguale a quello in assenza di onda sonora, vale a dire quello della pressione atmosferica sommato a quello del battente idrico, mentre il valore istantaneo oscillerà tra un valore minimo ed un valore massimo.
Occorre tenere presente che lo stato fisico di liquido o di vapore dipende dalla temperatura e dalla pressione: l’acqua ad esempio bolle a 100°C se a pressione atmosferica di 1Bar, ma si trasforma in vapore a temperatura inferiore, se la pressione è sufficientemente minore.
Se l’intensità dell’onda acustica è abbastanza grande, nell’istante in cui la pressione scende al valore critico, nasce una bolla di vapore, che crescerà in volume immagazzinando energia potenziale, tanto più quanto più lungo sarà il tempo Tb.
Al termine di questo tempuscolo, quando la pressione sarà risalita, lo stato di vapore non sarà più consentito e la bolla di vapore collasserà in un punto piccolissimo, virtualmente di dimensioni nulle, restituendo l’energia precedentemente accumulata.
L’energia scaricata dall’implosione di una singola bolla, seppure assai piccola, è ceduta in un solo istante: ne deriva un elevatissimo impulso di energia.
Per analogia si pensi al martello, che è in grado di accumulare energia e di scaricarla in un istante producendo valori di pressione enormemente amplificati.
Quale frequenza scegliere per l’onda acustica?
Da quanto detto prima, si evince che l’intensità dell’impulso d’energia fornito da ciascuna bolla di vapore quando collassa, per il fenomeno detto cavitazione è tanto maggiore quanto più grande è l’intensità dell’onda acustica applicata e quanto più lungo è il tempo Tb d’accrescimento della bolla di cavitazione. Tb si riduce all’incrementarsi del valore della frequenza.
Per avere il massimo dell’energia fornita da ciascuna bolla si sceglierà quindi la frequenza più bassa possibile: il limite inferiore è costituito dalla più alta frequenza percepibile dall’uomo, situata a circa 16 kHz.
Per applicazioni quali il lavaggio degli stampi è ottimale una frequenza di lavoro intorno ai 19 kHz.
Gli elementi comunemente impiegati nel campo della generazione d’onde acustiche ultrasoniche hanno normalmente la forma di un anello, o più precisamente di un disco dello spessore di qualche millimetro, diametro di pochi centimetri, e con un foro centrale che consente il passaggio senza contatto di un bullone di bloccaggio.
Un singolo trasduttore piezoelettrico è tipicamente costituito di più parti come in figura.
Il singolo trasduttore viene realizzato riunendo le due ceramiche piezoelettriche a sandwich tra le due parti metalliche alluminio-acciaio strette dalla vite di serraggio. L’insieme viene dimensionato in modo tale da costituire una struttura meccanica con frequenza propria di oscillazione uguale a quella dell’onda acustica desiderata.
Si ottiene così un sistema risonante, in grado quindi di amplificare l’ampiezza del movimento delle facce delle ceramiche piezoelettriche, quando a queste verrà applicato il campo elettrico alternato, normalmente una tensione di qualche centinaio di Volt, e di frequenza coincidente con quella di risonanza meccanica.
Ogni singolo trasduttore così realizzato è capace di fornire una potenza ultrasonora di circa 50W; ad esempio da 600W quale quella in figura, è necessario applicare 12 dei suddetti elementi, elettricamente collegati in parallelo.
Perché occorrono due ceramiche piezoelettriche?
Perché il bullone, necessario per tenere insieme con forza le parti costituenti il sandwich, è di metallo, e metterebbe in corto circuito le due facce della ceramica.
Se montiamo 2 ceramiche, avendo cura di mettere in contatto facce di uguale polarità, il problema è risolto.
Perché acciaio dal lato opposto alla parete della vasca ed alluminio da quello prossimo alla parete?
Noi desideriamo che sia massimo il trasferimento di energia dalle ceramiche verso la vasca, e minimo quello verso la parte opposta, cioè l’aria.
Con l’utilizzo dell’alluminio realizziamo al meglio l’adattamento d’impedenza acustica tra la ceramica ed il liquido;
al contrario con l’acciaio abbiamo il massimo di riflessione nei confronti dell’aria.
Come si ottiene la polarizzazione delle ceramiche piezoelettriche?
Il fabbricante delle ceramiche ha formulato, dosato e miscelato gli elementi.
Si parte da uno speciale tipo di sabbia che viene compressa in appositi stampi che ne riproducono la forma finale. Una lunga successiva esposizione in forno ad alta temperatura ne provoca la cristallizzazione.
L’aspetto assume ora quello della comune ceramica. Seguono lavorazioni meccaniche quali rettifica delle superfici piane e metallizzazione delle stesse.
L’ultima fase consiste nel procedimento di polarizzazione: questo si realizza applicando un potenziale elettrico costante di alcune centinaia di Volt agli elettrodi (facce piane metallizzate) della ceramica mentre la stessa è tenuta a bagno in olio diatermico alla temperatura di qualche centinaio di gradi centigradi.
Infine si lasciano raffreddare le ceramiche sempre mantenendo applicata la tensione.
A questo punto la ceramica è polarizzata.
É fenomeno comune, anche se non desiderato, quando causa ronzio per vibrazione delle lamelle nei trasformatori di energia alimentati dalla rete di distribuzione elettrica.
Al contrario, è un fenomeno utilmente impiegato per la realizzazione di trasduttori ultrasonici.
Il materiale che meglio di tutti si presta all’applicazione è il nichel per le seguenti caratteristiche:
Un trasduttore è costituito da una o più file di lamine di nichel a forma di E, soggette al campo elettromagnetico fornito da una bobina percorsa da corrente alla frequenza desiderata.
Le lamelle, stampate ed opportunamente sagomate, hanno una forma tale da irrigidirle assialmente, garantire una regolare e precisa distanza tra due adiacenti,
e sono di altezza tale da risuonare meccanicamente alla frequenza desiderata.
La distanza che le separa è calcolata in modo tale da realizzare una densità apparente per la quale l’impedenza acustica corrispondente approssima quella dell’acqua,
ottimizzando il trasferimento di energia dal trasduttore verso il liquido di lavaggio.