TESINA DI APPROFONDIMENTO

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1 I.P.S.I.A. G.Marconi Imperia TESINA DI APPROFONDIMENTO ULTRASUONI DEFINIZIONI E APPLICAZIONI PARODI MARINO Anno Scol. 2009/2010 Tecnico dei Sistemi Energetici Candidato Esterno

2 Prefazione Il nostro udito, uno dei cinque sensi di cui la natura ha dotato l uomo, ci permette di sentire solo parte delle vibrazioni dell aria che avvertiamo come suoni. Sotto e sopra la nostra capacità di percepire suoni, si trova un mondo, che pur non percepito dal nostro udito, esiste, ed è responsabile di molteplici fenomeni fisici. Oltre la gamma dell udibile si trovano gli ultrasuoni, cosiddetti perché si trovano oltre i suoni, sopra il limite di frequenza superiore: tipicamente 20 Khz, anche oltre 10 Mhz. Un esempio molto conosciuto, anche dai non addetti ai lavori, è la capacità del pipistrello di orientarsi pur essendo privo della vista. Altri esempi sono gli animali marini che comunicano tra loro proprio attraverso gli ultrasuoni. Anche l uomo, da circa un secolo, ha scoperto l esistenza degli ultrasuoni, e pur non potendo né produrle, né ascoltarle, ha saputo realizzare dispositivi in molti campi di applicazione diversi. Ad esempio, nell industria gli ultrasuoni vengono comunemente usati per sensori di distanza e livello. In campo medico viene sfruttata la capacità di penetrazione nei tessuti e grazie all interpretazione dell eco che le onde (come i suoni) determinano, grazie a cui sono nate tecniche di diagnostica clinica come l ecografia e l ecodoppler. Gli stessi principi sono usati per l analisi dei materiali e della ricerca delle difettosità dei prodotti dell industria meccanica (le cosiddette cricche di fusione), condotte con tecniche analoghe. In ultimo, ma non certo meno importante (anzi, a me personalmente più caro) sono le applicazioni in ambito marino: il sonar e l ecoscandaglio, per la visione del fondale marino e localizzare i branchi di pesci.

3 Il concetto di suono Suoni e rumori dell ambiente circostante, siano naturali o prodotto dall uomo, sono vibrazioni di aria. Ognuno, visto come un segnale, è caratterizzato da un intensità ( o ampiezza) e da una frequenza. In realtà solitamente i suoni sono l insieme di più frequenze prodotte insieme, ognuna con una sua intensità caratteristica. Pertanto ciò che distingue un suono o rumore dagli altri è proprio la distribuzione temporale delle varie frequenze, e l andamento del tempo delle rispettive intensità.questo è un concetto fondamentale, in quanto permette di definire ciò che è lo spettro, cioè la rappresentazione grafica di un suono. Esempio di spettro di frequenza 2

4 Risposta dell orecchio umano L adulto sente frequenze che vanno da circa 20 hz a 20 khz, mentre i bambini percepiscono frequenze più acute, perché dispongono di organi uditivi più piccoli ed elastici, quindi possono vibrare a frequenze più alte. L anziano perde man mano sensibilità sulle frequenze più acute, perché con l invecchiamento gli organi si atrofizzano e perdono di elasticità, il che impedisce loro di vibrare in corrispondenza di deboli pressione sonore. Onde sonore e anatomia dell orecchio La sensazione che si ha ascoltando un suono o rumore dipende principalmente da: pressione esercitata sul timpano dall aria dalla fonte sonora la frequenza delle vibrazioni originate dallo spostamento di aria La prima si esprime, secondo la fisica, in Pascal (Pa = Newton/m 2 ) o in Bar (ovvero kg/cm 2 ), tuttavia, analogamente agli amplificatori, per l intensità dei suoni è adottata come unità di misura il Decibel (db). La scala corrispondente alla sensazione uditiva ha come riferimento 0 db, che corrisponde al suono più debole che il nostro orecchio può sentire. Al disotto di questa soglia, per l essere umano, non esiste nessun suono. La massima intensità sonora è, viceversa, 127 db, valore chiamato soglia del dolore. Pressioni sonore 3

5 oltre tale valore determinano dolore, perché, oltre tale pressione sonora la pressione sul sistema nervoso non è più una sensazione uditiva, ma un vero e proprio dolore fisico. Dunque l orecchio ha un estensione (detta gamma dinamica) di circa 127 db, sebbene nella pratica l escursone tra il suono più intenso e quello più flebile che possiamo udire sia limitata dal rumore di fondo. Quest ultimo corrisponde alla pressione sonora esercitata da suoni e rumori dell ambiente in cui ci ritroviamo. Ad esempio, sebbene la gamma dinamica della riproduzione di un brano d orchestra effettuata con un riproduttore cd ed un ottimo amplificatore sia 100 db, ascoltando il disco di giorno in una camera che attraversa una strada trafficata l escursione si riduce drasticamente perché il rumore di fondo può arrivare a 40 db, coprendo così la zona bassa della dinamica dell orchestra, che potrebbe spingersi fino al limite inferiore di 10 db. Il concetto di rumore ambientale, espresso così semplicemente in maniera efficace da una strada trafficata, è importante, in quanto è una costante anche nell ambito ultrasonico. Un altro aspetto di particolare interesse riguarda il la frequenza, ovvero la diversa sensibilità che, a parità di pressione sonora, l orecchio umano presenta in rapporto con la frequenza. Nello spettro tra 20 e 20 Khz i suoni li percepiamo diversamente a seconda della frequenza. Una nota a 300 Hz dà una sensazione uditiva diversa da una, che esercità sull aria una pressione identica di Hz. Ciò dipende dal fatto che il sistema meccanico composto dal timpano e dai vari ossicini collegati risponde meglio in un campo di frequenze fra 300 Hz e 5000 Hz, si comporta quindi come un amplificatore non lineare. Ultrasuoni Le vibrazioni che hanno frequenza superiore ai 20 Khz prendono il nome di ultrasuoni. Anche se non percepite dall orecchio umano, valgono le stesse considerazioni di spettro, ampiezza, frequenza e pressione sonora espressi per i suoni udibili. Le proprietà fisiche più importanti degli ultrasuoni sono le seguenti: data la corta lunghezza d onda, la propagazione avviene con modalità quasi corrispondenti all ottica geometrica (propagazione rettilinea, formazione di zone d ombra) 4

6 elevato valore di intensità ottenibili, proporzionale al quadrato della frequenza e della ampiezza (senza assordare nessuno) l assorbimento degli ultrasuoni nei vari mezzi. Le più importanti applicazioni degli ultrasuoni riguardano la cura medica, la rivelazione e localizzazione dei corpi sottomarini (sonar), l indagine di struttura di materia medianet la misura dei parametri di propagazione (velocità dell ultrasuono, assorbimento) e dei parametri elastici dei mezzi solidi, liquidi, aeriformi, con metodi a risonanza. Ma anche il controllo dei difetti dei materiali, che vengono fatti attraversare da radiazioni ultrasonore continue (di cui si misura l attenuazione, o a impulsi, misurando gli eventuali difetti di eco dovuti ad incrinature o cavità) e la rivelazione di possibili difetti nelle saldature o in processi termici. Gli ultrasuoni vengono anche impiegati nei trattamenti dei metalli e nelle leghe fuse dove servono a ottenere un migliore grado di raffinazione o disaereazione (tolgo le bolle dalla fusione) Trasduttori ultrasonici Gli ultrasuoni sono prodotti tramite appositi convertitori statici di potenza e frequenza alternata sinusoidale ( o quadra). Questi ultimi vibrano per effetto piezoelettrico o per effetto magnetoinduttivo e generano vibrazioni velocissime (gli ultrasuoni) con alte frequenze e,anche, con grandi energie in gioco (elettronica di potenza nelle alte e medie frequenze). Benché esistano diverse tipologie di elementi generatori di ultrasuoni le principali categorie molto sinteticamente si possono definire in: lamine elastiche sospese nel campo magnetico variabile generato da una bobina alimentata da correnti a frequenze ultrasoniche materiali piezoelettrici (quarzi, composti ceramici di sintesi) sottoposti a frequenze ultrasoniche. Questi ultimi sono quelli che, in pratica vengono usati molto più diffusamente, lasciando ai primi un campo piuttosto ristretto di applicazioni. Di seguito pertanto si farà riferimento a questa tipologia. Tuttavia è importante sottolineare questo: il tipo di trasduttore dipende 5

7 molto da ciò che si deve fare. Per i sensori a ultrasuoni (per fare un esempio, sensori di parcheggio) si impiegano capsule emittenti che sono piccolissimi altoparlanti, mentre per sensori di maggiore potenza si impiegano membrane piatte e rigide. Rilevatori e misuratori Una delle applicazioni in cui si sfrutta l eco prodotto dagli ultrasuoni è il rilievo della distanza degli oggetti, che permette sia la misura della distanza pura e semplice, sia il rilevamento della prossimità di oggetti e persone e del loro spostamento. L applicazione più semplice della riflessione degli ultrasuoni è il misuratore di distanze. Consiste in un generatore di frequenze ultrasonore che pilota un trasduttore ultrasonico molto direttivo. Il segnale generato ha una frequenza tale da rendere le vibrazioni irradiate nell aria abbastanza direzionali. Una volta colpita la parete o un oggetto di riferimento, le onde riflesse tornano indietro, e possono essere rilevate da un trasduttore acustico elettrico tipo un microfono, ossia qualcosa che trasformi le vibrazioni dell aria e la pressione che imprimono, in corrente elettrica. 6

8 Misuratore di distanze ad ultrasuoni Sapendo quando l onda ultrasonica è stata trasmessa e verificando l istante in cui torna indietro, si ricava il tempo impiegato. Nota la velocità del suono in aria, che ammonta a 340 m/s, diviene abbastanza facile calcolare lo spazio percorso, dato che la velocità (v) v = Dove s è lo spazio percorso dalle onde e t è il tempo impiegato a percorrelo. Lo spazio, ovvero la distanza, è dunque pari a: s = Dato che il sistema di misura sfrutta il tempo trascorso da quando gli ultrasuoni vengono trasmessi, a quando il loro eco torna indietro, la distanza s è in realtà quella andata e ritorno. Quindi la distanza d dall oggetto e comunque quella da misurare è pari a: s t vt d = v t 2 7

9 Apparecchi medicali Uno dei settori dove gli ultrasuoni vengono largamente impiegati è quello medicale. Tra le applicazioni più diffuse non possiamo non citare le macchine per la frantumazione dei calcoli renali, efficace alternativa a ben più impegnatici e rischiosi interventi di carattere chirurgico. Tuttavia è sicuramente l ecografia il più comune macchinario medico che rimanda direttamene all utilizzo degli ultrasuoni. Ecografia Si tratta di una tecnica molto utilizzata, messa a punto nella seconda metà del secolo scorso, che permette di vedere, come all interno di una finestra, l interno del corpo umano, utilizzando uno strumento versatile, di facile impiego, privo di rischi e poco costoso. L ecografia si basa su un semplice principio fisico: proiettando un fascio di ultrasuoni con l apposito sensore (il dispositivo, chiamato anche sonda che il personale medico appoggia sul paziente mentre esegue l esame) questi si spostano come onde d acqua prodotte da un sasso gettato in uno stagno e, come queste, se trovano l ostacolo, tornano indietro. La sonda dell ecografo (è questo il nome della macchina che fa le ecografie) non solo genera ultrasuoni, ma misura anche gli echi di ritorno. Differentemente quindi da quanto visto nei misuratori di distanza, non è più presente un secondo sensore di ricezione, ma è il sensore stesso che trasmette e riceve i segnali, ovviamente in tempi diversi. Ovviamente una descrizione meno sommaria di una macchina complessa come l ecografo avrebbe bisogno di molto più spazio, ma l esempio citato precedentemente esprime in maniera efficace il funzionamento. 8

10 Ecografo di recente produzione Ecodoppler L indagine ecografia pura e semplice permette di verificare quello che accade in un certo momento o dinamicamente in una determinata parte del corpo. Eseguita invece, sfruttando la tecnica Doppler permette di esaminare il flusso di sangue nel cuore e nei vasi. La tecnica Doppler sfrutta l effetto omonimo che consiste nel fatto che, quando un onda è diretta verso un oggetto in movimento, la parte riflessa cambia la propria frequenza in funzione della velocità dell oggetto (effetto Doppler). L ammontare del cambiamento della frequenza dipende dalla velocità del bersaglio. Riesce quindi a fotografare dinamicamente il flusso del sangue nel cuore, arterie e vene. Analisi ultrasonica dei materiali Le prove effettuate con tecniche ultrasoniche vengono definite non distruttive perché consistono in metodiche di indagine che permettono di evidenziare difetti in pezzi di prodotti senza dover fare sollecitazioni meccaniche tali da portare i pezzi stessi alla rottura, o sezionare i particolari per indagare la loro struttura interna, alla ricerca di bolle, crepe ed altro genere di imperfezione. Quando un difetto, una discontinuità nel materiale 9

11 (ad esempio una bolla in una pressofusione o in un pezzo stampato) viene colpito da onde ultrasoniche incidenti, vibra, emettendo a sua volta onde elastiche di frequenza tipica della sua risonanza e variamente sfasate. Dunque il segnale che torna verso il trasduttore è molto complesso, perché è la risultante della sommatoria delle onde di uguale frequenza ma sfasate, e di altre onde di frequenza diversa, pure sfasate tra loro. Tale segnale contiene tutte le informazioni sulle dimensioni, geometria e natura dell ostacolo incontrato dal fascio di ultrasuoni incidenti. Questo segnale, opportunamente amplificato e analizzato da computer con specifici algoritmi, permette una rappresentazione su un monitor, di vederne realmente la forma, diagnosticarne la natura, analogamente all ecografia descritta precedentemente. Ecoscandaglio e Sonar Il sonar (abbreviazione di Sound NAvigation and Ranging, navigazione sonora e misura) è un apparato che usa la propagazione del suono in acqua per rilevare oggetti sommersi. Può essere di due tipi: attivo e passivo. Il primo, consta di un generatore di onde acustiche che irradia nell acqua e di un ricevitore col quale rileva le onde riflesse dagli oggetti sommersi o dai fondali marini. Misurando i tempi intercorsi tra trasmissione e ricezione determina la distanza e acquisisce informazioni sulla loro natura. Il sonar passivo invece è un mezzo di ascolto. E semplicemente un ricevitore di segnali emessi da altri. Da qui si comprende come il suo utilizzo sia limitato a scopi di ricerca o bellici Trattando quindi il sonar attivo, valgono le stesse considerazioni già fatte per l ecografo: Il trasduttore genera degli impulsi e calcolando il tempo che impiega a riceverli riesce a calcolare la distanza dell oggetto contro cui le onde si sono riflesse. Tuttavia subentrano in questo caso altri parametri che modificano sensibilmente la misura. La differenza di densità dell acqua nei vari strati di profondità, la differenza di salinità, temperatura presenza di correnti può falsare le letture. Normalmente la propagazione del suono in acqua è di circa 1500 m/s. Tuttavia a causa di queste variabili l indicazione del sonar può essere falsata anche di molto. Per questo dispone di numerosi filtri digitali che, in funzione della profondità correggono i parametri di calcolo. Un altro fattore che influenza il funzionamento del sonar è la pressione d acqua, la quale condizione la propagazione del suono: l aumento della pressione aumenta la velocità del suono (ciò perché l acqua diventa più densa e il suono va più veloce nei corpi densi che rarefatti: non è un caso che la velocità del suono sia in acqua maggiore che nell aria..) 10

12 Ecoscandaglio professionale Analogo discorso vale per l ecoscandaglio, strumento che, al contrario del sonar manca di direttività (permette solo una visione dell alto verso il basso). Le frequenze di emissione ultrasonica variano da 20 Khz a 200 Khz. In generale a parità di potenza, la penetrazione è migliore alle basse frequenze mentre minore per le alte. Tuttavia la definizione di immagine che si và ad ottenere è in funzione della lunghezza d onda, quindi sarà migliore per le alte frequenze e viceversa. 11