Congurazioni sperimentali esaminate

Per fornire a un recipiente di metallo liquido una sollecitazione in direzione normale alla sua base per mezzo di un elemento piezoelettrico, dal manuale d'uso della ditta produttrice si apprende che è necessario semplicemente colle- gare solidalmente alla base del recipiente l'elemento stesso, tramite serraggio o per mezzo di speciali colle, e quindi erogare agli elettrodi la dierenza di potenziale necessaria.

Il problema che sorge in tale applicazione sperimentale è, piuttosto, quello di fornire all'elemento un segnale elettrico dalle caratteristiche volute.

Il problema di fornire in ingresso all'elemento piezoelettrico un segnale con frequenza dell'ordine delle centinaia di kiloHertz è ulteriormente compli- cato dal fatto che, per l'applicazione desiderata, tale segnale è di ampiezza notevolmente elevata.

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Figura 5.13: Montaggio di un elemento piezoelettrico sul fondo del recipiente da sollecitare

Per risolvere il problema, esistono due possibili soluzioni concettuali:

• generare un segnale di ampiezza e frequenza di oscillazione pari a quelle desiderata

• _{generare un segnale dell'ampiezza desiderata, e modularlo in frequenza}

tramite un opportuno dispositivo

La prima soluzione è senz'altro la più semplice dal punto di vista proget- tuale, in quanto prevede l'utilizzo di particolari dispositivi che permettono di produrre il segnale desiderato, come ad esempio il generatore di segna- le DEI modello PVX - 4150, distribuito da numerose ditte specializzate in apparecchiature ad alta tensione.

Tale soluzione però è stata scartata, sia per il costo del dispositivo in questione che per la dicoltà di giusticarne l'acquisto per quello che sareb- be potuto rimanere un singolo eperimento; sono state perciò preferite scelte progettuali che permettessero di utilizzare apparecchiature già presenti nei laboratori di ALTA.

Per quanto riguarda la seconda soluzione concettuale, sono a disposizione per gli esperimenti sui propulsori FEEP apparecchiature ad alta tensione che permettono di ottenere un segnale costante dell'ampiezza desiderata; si

Un'alternativa che è stata analizzata è quella di inserire nel circuito di alimen- tazione in corrente continua del piezoelettrico un apposito interruttore, che interrompesse e ristabilisse l'erogazione del segnale con un intervallo tale da simulare, grazie anche all'inerzia elettrica del circuito, un segnale oscillante dell'ampiezza richiesta.

Esistono in commercio degli speciali interruttori elettrici, detti fotoaccop- piatori, che potrebbero servire allo scopo in quanto riescono ad isolare, in posizione chiusa, segnali no a 5 kV di ampiezza, e sono caratterizzati da un tempo di reazione di 3 µsec, che corrisponde a una frequenza di funziona- mento di oltre 330 kHz.

L'inconveniente di tale soluzione è però, ancora una volta, la coesistenza nell'applicazione considerata di elevata ampiezza e frequenza del segnale utilizzato.

Da una parte, infatti, l'elevata ampiezza del segnale può generare ele- vate extracorrenti di apertura e chiusura nel circuito le quali, ripetendosi a frequenza così alta, coprirebbero il segnale utile erogato rendendo inutile le modulazione in frequenza ricercata; tale inconveniente potrebbe essere in parte risolto attorcigliando uno sull'altro i li elettrici che compongono il circuito nel loro percorso dal generatore all'elemento piezoelettrico, in modo da minimizzare l'area della spira attraverso la quale avviene l'autoinduzione magnetica.

Dall'altra parte, l'inerzia elettrica del circuito, per livelli di ampiezza così alti, renderebbe impossibile far oscillare il segnale con tempi di salita e disce- sa talmente brevi, rendendo di fatto il segnale ottenuto pressochè inalterato rispetto al segnale continuo di partenza, o comunque oscillante con un'am- piezza così ridotta da essere inutile per gli scopi pressati.

Un'ulteriore metodo di risoluzione del problema potrebbe essere quello di operare direttamente sull'ampiezza di oscillazione dell'elemento piezoelettri- co da un punto di vista meccanico anziché elettrico. L'ampiezza di oscillazio- ne del piezoelettrico, infatti, interviene direttamente sulla accelerazione che l'elemento imprime al liquido, che determina le caratteristiche della deforma- zione superciale ottenuta. Tale ampiezza, a sua volta, è direttamente legata

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Figura 5.14: Oscillatore acustico o horn

al valore del voltaggio applicato al piezoelettrico stesso, tramite la costante di deformazione denita precedentemente.

Un metodo per aumentare l'ampiezza di oscillazione impressa dal piezoe- lettrico senza aumentare il voltaggio applicato è quello di utilizzare un ele- mento risonante detto oscillatore o horn, collegato solidalmente al piezoelet- trico stesso. L'oscillatore è un elemento metallico, costruito in alluminio o titanio per conferirgli una suciente resistenza a fatica, e opportunamente dimensionato per avere un'estremità libera vibrante alla stessa frequenza del piezoelettrico.

L'estremità vibrante è calibrata in modo che la sua lunghezza sia un mul- tiplo o un sottomultiplo intero della semilunghezza d'onda dell'oscillazione da amplicare, anchè si verichi un accoppiamento acustico il cui eet- to è quello di amplicare meccanicamente l'ampiezza dell'oscillazione; tale amplicazione è tanto maggiore tanto più è lunga l'estremità vibrante dell'o- scillatore, ed è perciò limitata dall'ingombro del dispositivo e dai fenomeni di smorzamento interni all'oscillatore, che divengono anch'essi sempre più rilevanti al crescere della sua lunghezza.

Una tecnologia concettualmente simile, che permette però di ottenere mag- giori amplicazioni dell'oscillazione riducendo i problemi dovuti alle mecca- niche di smorzamento interne al dispositivo, è quella utilizzata nel campo della saldatura dei materiali plastici.

In tale tecnologia, infatti, vibrazioni ultrasoniche di ampiezza relativa- mente elevata vengono applicate alle parti plastiche da saldare, poste a con- tatto, in modo da riscaldarle no al raggiungimento della temperatura di fu- sione della plastica, in corrispondenza della quale avviene la saldatura delle parti.

Figura 5.15: Dispositivo di amplicazione dell'ampiezza di oscillazione

L'amplicazione della vibrazione si basa su un dispositivo, collegato soli- dalmente all'elemento piezoelettrico, che è composto da un amplicatore di ampiezza detto booster e un elemento acustico anh'esso detto horn, ma di struttura cilindrica invece che planare.

L'eetto combinato dell'amplicazione del booster e dell'accoppiamento acustico dell'horn permettono di ottenere un guadagno elevato, no a otto volte l'ampiezza di oscillazione del piezoelettrico. Tale vantaggio, però, è mitigato dal notevole ingombro del dispositivo, e dalla dicoltà di adattarlo ad un ambiente di ultra-alto vuoto come quello necessario per l'esperimento in esame.

Capitolo 6