UNIVERSITÀ DI PISA
ACCADEMIA NAVALE
Corso di Laurea Magistrale in Scienze Marittime e Navali
TESI DI LAUREA
IN SCIENZE MARITTIME E NAVALI
I TRASDUTTORI: STORIA, CARATTERISTICHE E PROGETTAZIONE
LAUREANDO: GM Natan Porcu
RELATORE Ing. Massimo Giovannelli CO-RELATORE Ing. Franco Silvano
INDICE
Introduzione...1
CAPITOLO 1: Applicazioni e Storia 1.1 Applicazioni subacquee del trasduttore...2
1.2 Breve storia dei trasduttori sonori subacquei...5
CAPITOLO 2: L'effetto piezoelettrico 2.1 Cristalli Piezoelettrici...12
2.2 Struttuta Cristallina...15
2.3 Materiali Impiegati...18
CAPITOLO 3: Produzione dei PZT 3.1 Risultato della Polarizzazione...23
3.2 Caratteristiche Meccaniche ed Elettriche...25
3.3 Capacità...28
3.4 Altri parametri di progettazione...29
4.3 I Piezocompositi...34
4.4 I Piezopolimeri...36
4.5 Materiali Magnetostrittivi...37
CAPITOL 5: Progettazione dei Trasduttori 5.1 Trasduttori elettroacustici e metodi di progettazione...38
5.2 Sensibilità e risposta in trasmissione di un trasduttore...39
5.3 Progettazione di trasduttori...43
5.4 Modelli a parametri concentrati...43
5.5 Modelli a linee di trasmissione...44
5.6 Modelli ad elementi finiti...44
5.7 Circuito equivalente a parametri concentrati...47
5.8 Ammettenza...50
5.9 Impedenza di Radiazione...52
5.10 Limiti di potenza per proiettori...55
5.11 Cavitazione...56
5.12 Source Level...57
CAPITOLO 6: Dal singolo trasduttore al Sonar 6.1 Necessità di array di proiettori ...59
6.2 Necessità di array di idrofoni...60
6.3 Beam Patterns...60
6.4 Direttività di un dipolo...61
6.5 Array lineare generico ...65
6.7 Lunghezza e Spaziatura ...67
6.8 Ponderazione... 69
6.9 Riduzione del SL in trasmissione... 70
6.10 Indice di direttività di un dipolo semplice...71
6.11 Indice di direttività di un Array Lineare...73
6.12 Indice di direttività di un Array Planare...74
6.13 Indice di direttività di un Array Cilindrico...74
6.14 Array Conforme ...75
6.15 Array Volumetrico ...76
6.16 Generazione dei Lobi (Beamformers)...77
6.17 Array e relativi alloggiamenti...78
CAPITOLO 7 Performance dei Sonar Navali 7.1 Velocità del Suono in Acqua...80
7.2 L'equazionde del sonar...81
7.3 Rumore Elettronico...81
INTRODUZIONE
Generalmente, un trasduttore è un dispositivo che converte l'energia da una forma all'altra; nello specifico un trasduttore elettroacustico converte l'energia elettrica in energia acustica o viceversa.
Tali processi di conversione dell'energia e dispositivi che operano in maniera analoga sono molto comuni. Ad esempio, un temporale è un processo naturale in cui l'energia elettrica, resa visibile dal lampo, è parzialmente convertita nel suono di un tuono. D'altra parte, l'altoparlante a bobina mobile utilizzato nelle radio, televisioni e altri sistemi audio è un familiare trasduttore artificiale. Le denominazioni familiari di altoparlante e microfono per trasduttori utilizzati come sorgenti e ricevitori di suoni nell'aria diventano rispettivamente proiettore e idrofono per sorgenti e ricevitori in acqua. Il termine SONAR (SOund Navigation And Ranging) viene utilizzato per il processo di rilevamento e localizzazione di oggetti attraverso la ricezione di suoni che essi emettono (sonar passivo) o ricevendo echi da loro riflessi quando vengono insonificati in eco-range (sonar attivo). Ogni utilizzo del suono in acqua richiede trasduttori per la generazione e la ricezione del suono, e la maggior parte di questi sono basati sullo studio dell'elettroacustica.
Lo sviluppo di trasduttori elettroacustici subacquei si è espanso rapidamente durante il ventesimo secolo e continua ancora oggi ad essere un campo di conoscenza in crescita, che, con molte applicazioni significative, combina meccanica, elettricità, magnetismo, fisica dello stato solido e acustica. L'ultimo mezzo secolo ha visto molti miglioramenti nei materiali di trasduzione, nei concetti, modelli e metodi di calcolo e misurazione che sono disponibili per l'attuale design del trasduttore e per il suo sviluppo futuro.
Applicazioni subacquee del trasduttore
Lo spettro utile del suono subacqueo si estende da circa 1 Hz a oltre 1 MHz con la maggior parte delle applicazioni in specchi d'acqua grandi (ma a volte poco profondi). Per esempio è possibile una comunicazione acustica ampia per migliaia di chilometri in oceani, ma sono necessarie frequenze inferiori a circa 100 Hz perché l'assorbimento del suono aumenta rapidamente all'aumentare della frequenza. D'altra parte, l'ecoscandaglio in acque profonde fino a 1 metro è importante per le piccole imbarcazioni, ma è necessario emettettere brevi impulsi sonori a poche centinaia di kHz per separare l'eco dalla trasmissione. Il sonar attivo a corto raggio ad alta risoluzione utilizza invece le frequenze più alte (1,5 MHz).
Le applicazioni su questa vasta gamma di frequenze richiedono molti diversi design del trasduttore e altrettante sono le applicazioni navali del suono subacqueo che richiedono un gran numero e varietà di trasduttori. La comunicazione acustica tra due sottomarini in immersione richiede un proiettore per trasmettere il suono e un idrofono per riceverlo su ciascuno sottomarino. L'eco-ranging richiede un proiettore e un idrofono solitamente sulla stessa piattaforma; l'ascolto passivo richiede solo un idrofono. Tuttavia, idrofoni e proiettori sono spesso utilizzati in grandi gruppi fino a 1000 o più trasduttori strettamente assemblati in array planari, cilindrici o sferici montati su navi militari. Altre applicazioni navali includono mine acustiche attivate dalla tensione proveniente da un idrofono sensibile al suono a bassa frequenza irradiato da una nave in movimento. Per la comunicazione acustica tra sottomarini sommersi o da una nave di superficie a un sottomarino sono necessari proiettori e idrofoni speciali. Siluri con sistemi di homing acustico attivo richiedono array direzionali ad alta frequenza, mentre quelli con homing passivo richiedono capacità di rilevamento a bassa frequenza per captare il rumore irradiato dalla nave.
I sottomarini sono solitamente dotati di altri idrofoni specializzati per monitorare il proprio rumore o per potenziare i principali sistemi sonar. Le boe sonore sono combinazioni di idrofono e radiotrasmettitore del tipo "launch and forget" lasciate cadere in acqua da un aereo. La radio galleggia in superficie, con il cavo collegato all'idrofono ad una profondità adeguata per rilevare i sottomarini. Alcuni tipi di boe ascoltano passivamente, mentre altri vanno in trasmissione attiva, ma entrambi i tipi riportano le informazioni radio all'aereo.
Man mano che la tecnologia del sonar maturava, iniziò ad avere significative applicazioni commerciali come l'ecoscandaglio, una forma di sonar attivo in cui vengono ricevuti gli echi dal fondo. La conoscenza accurata della profondità dell'acqua sotto l'imbarcazione è importante non solo alle Marine Militari ma a tutti i marinai, da quelli a bordo delle navi più grandi a quelli su piccole imbarcazioni da diporto. E il sonar può fare di più che trovare la profondità dell'acqua nel punto in cui si trova la nave. Può essere esteso per fornire un fondale dettagliato (ovvero la sua mappatura) e con delle buone carte nautiche è possibile navigare tramite ecoscandaglio.
Le mappe del fondo ora esistono per gran parte, ma non per tutti i 140 milioni di miglia quadrate degli oceani. In modo simile, questo sistema può essere usato sotto la superficie inferiore del ghiaccio, il che è fondamentale per i sottomarini che navigano sotto la calotta glaciale artica. Le tecniche di mappatura del fondale possono essere prontamente estese all'esplorazione e alla ricerca di oggetti sommersi che variano da nave a nave e relitti di aerei a tesori antichi. Il sonar ormai è una parte importante dell'oceanografia, questo grazie alla penetrazione delle onde acustiche nei primi strati del fondale che permettono così una determinazione delle sue caratteristiche.
Ad esempio, è stato studiato il fondo di Peconic Bay, Long Island, New York dal sonar nel tentativo di determinare i motivi della diminuzione della popolazione delle capesante. Le misurazioni della propagazione acustica possono essere utilizzate per studio dei modelli dei bacini oceanici utilizzando tecniche di ecoscandaglio e tomografiche. Il suono subacqueo è utile anche nell'ingegneria oceanica in molti modi. Conoscere di preciso la posizione di punti o oggetti specifici è spesso cruciale durante la perforazione di petrolio e gas nelle profondità dell'oceano o posa di cavi o condutture sottomarine. Una combinazione di acustica subacquea e sismica è necessaria per trovare depositi di petrolio o gas sotto gli oceani.
eruzioni vulcaniche sotto il mare. In quella che potrebbe diventare la versione definitiva del concetto delle boe sonore, sono stati fatti piani per far atterrare i sensori acustici sulla luna di Giove Europa. Crepe che si pensa si verifichino naturalmente nel ghiaccio che ricopre la superficie di Europa genera suoni in esso che potrebbero svelare l'esistenza di un oceano che potrebbe trovarsi sotto il ghiaccio.
I suoni ricevuti dai sensori acustici possono essere interpretabili in termini di spessore del ghiaccio e profondità e temperatura dell'oceano sottostante. Tali informazioni possono fornire indizi sulla possibile esistenza di vita extraterrestre. Il suono subacqueo può anche svolgere un ruolo nel campo di fisica delle particelle se i fisici riescono a dimostrare che gli array di idrofoni sono capaci di rilevare i suoni causati dai neutrini ad alta energia che passano attraverso l'oceano. Tutte queste applicazioni del suono subacqueo richiedono un gran numero di trasduttori, con una grande varietà di caratteristiche speciali per l'utilizzo su una vasta gamma di frequenza, potenza, dimensioni, peso e profondità dell'acqua. I problemi sollevati dalla varietà di applicazioni e le numerose possibilità di soluzioni continuano per rendere la ricerca e lo sviluppo di trasduttori sonori subacquei una sfida.
Breve storia dei trasduttori sonori subacquei
L'elettroacustica ha iniziato a svilupparsi più di 200 anni fa con le osservazioni degli effetti meccanici associati all'elettricità e al magnetismo e trovò un posto importante nel suono subacqueo all'inizio del ventesimo secolo.
Daniel Colladon e Charles Sturm collaborarono nel 1826 alla prima misurazione diretta della velocità del suono nell'acqua dolce del Lago di Ginevra in Svizzera. Non avevano un trasduttore elettroacustico per generare suoni nell'acqua bensì uno meccanoacustico: il suono di una campana sott'acqua. L'esperimento era il seguente: vi erano due barche poste a 13 km l'una dall'altra. Sulla prima una campana veniva colpita contemporaneamente all'emissione di un lampo di luce, mentre sulla seconda barca veniva effettuata la misurazione dell'intervallo di tempo tra il flash e l'arrivo del suono. L'osservatore non disponeva inoltre di trasduttore elettroacustico per rilevare l'intervallo di tempo tra i due segnali; il suo idrofono consisteva nel suo orecchio posto a un'estremità di un tubo e l'altra estremità nell'acqua.
1439 m / s . Questa è una precisione notevole essendo questa la prima misurazione mai fatta, considerando inoltre un tempo di propagazione inferiore a 10 secondi.
L'interesse per la telegrafia nell'ultima parte del Settecento e nella prima parte del diciannovesimo secolo ha fornito il primo impulso pratico per lo sviluppo di trasduttori elettrici. All'inizio l'acustica non era coinvolta; un input meccanico che causava un segnale elettrico poteva essere osservato visivamente all'altra estremità del fili telegrafici come un altro effetto meccanico, (ad esempio, il movimento di un ago). I dispositivi utilizzati a ciascuna estremità del sistema erano trasduttori elettromeccanici o magnetometrici.
I trasduttori elettroacustici furono introdotti nella telegrafia da Joseph Henry nel 1830 utilizzando un trasduttore ad armatura mobile (ora spesso chiamato trasduttore a riluttanza variabile) in cui il segnale trasmesso era stato osservato dal suono dell'armatura. Questi sviluppi portarono all'invenzione del telefono, principalmente da Alexander Graham Bell nel 1876, utilizzando trasduttori elettroacustici d'armatura su entrambe le estremità della linea. James Joule è solitamente accreditato con la scoperta della magnetostrizione basata sui suoi esperimenti quantitativi tra il 1842 e il 1847 compresa la misurazione della variazione di lunghezza di una sbarra di ferro quando è magnetizzata, sebbene vari fenomeni di magnetostrizione erano stati osservati in precedenza da altri.
Fu nel 1880 che la piezoelettricità fu scoperta nel quarzo e in altri cristalli da Jacques e Pierre Curie. L'interesse per gli effetti meccanici prodotti da campi elettrici e magnetici durante il diciannovesimo secolo era strettamente associato allo sviluppo di una comprensione teorica di elettricità, magnetismo ed elettromagnetismo.
La prima applicazione del suono subacqueo alla navigazione fu fatta dal Sub-Marine Signal Company (in seguito una divisione della Raytheon Company) all'inizio del XX secolo. Richiedeva all'equipaggio di una nave di misurare l'intervallo di tempo prima ascoltando l'arrivo di un suono sottomarino e un suono aereo. Una campana colpita sott'acqua era la fonte del suono subacqueo mentre il simultaneo fischio di una sirena da nebbia nella stessa posizione forniva il suono nell'aria.
I primi dispositivi acustici a bordo delle navi includevano mezzi meccanici per generare il suono e mezzi biauricolari per determinarne la direzione. LF Richardson depositò domande di brevetto presso l'ufficio brevetti Britannico per la localizzazione acustica sia con il suono aereo che subacqueo nel 1912, poco dopo che il Titanic era affondato urtando un iceberg. Apparentemente non aveva implementato queste idee, probabilmente perché non erano disponibili trasduttori adatti.
Tuttavia, RA Fessenden, un canadese che lavorava negli Stati Uniti, presto colmò quel bisogno sviluppando un nuovo tipo di trasduttore a bobina mobile che, nel 1914, era con successo utilizzato per la segnalazione tra sottomarini e per il calcolo della distanza tramite l'eco acustico. Il 27 aprile 1914 un iceberg fu rilevato a una distanza di quasi due miglia usando i trasduttori di Fessenden. Questi "Fessenden Oscillators” operanti a 500 e 1000 Hz furono installati sui sottomarini degli Stati Uniti durante la prima guerra mondiale.
Questa fu probabilmente la prima applicazione pratica subacquea dei trasduttori elettroacustici.
Prima dell'inizio della prima guerra mondiale si era capito che le onde elettromagnetiche sono assorbite a breve distanza in acqua, ad eccezione delle frequenze estremamente basse e anche per la luce blu-verde. Quindi le onde sonore
In Francia Paul Langevin e altri iniziarono a lavorare all'inizio del 1915 usando un elettro-trasduttore statico come proiettore e microfono in carbonio impermeabile come telefono. Sebbene fosse stato ottenuto un certo successo nel ricevere echi da obiettivi a corto raggio, numerosi problemi avevano chiarito che per sfruttare al meglio questi dispositivi in guerra erano necessari dei trasduttori migliorati.
Quando i risultati francesi furono comunicati agli inglesi, un gruppo sotto RW Boyle (Allied Submarine Detection Investigation Committee, ASDIC) iniziò esperimenti simili nel 1916. Sebbene entrambe le parti si rendessero conto che l'uso dell'effetto piezoelettrico nel quarzo avesse del potenziale per trasduttori migliorati è stato Langevin che dimostrò questa validità non appena furono trovati campioni di quarzo idonei. I risultati migliori si ottennerò prima sostituendo l' idrofono di carbonio con uno di quarzo (di cui troviamo un disegno a lato), e di nuovo all'inizio del 1917 quando i trasduttori al quarzo furono utilizzati sia per il proiettore che per l'idrofono. Dopo un ulteriore miglioramento nella loro progettazione, si udirono i primi echi da un sottomarino all'inizio del 1918. Il principale miglioramento del design consisteva nel realizzare un risonatore inserendo il quarzo tra piastre di acciaio, un approccio ancora utilizzato nei moderni trasduttori.
Questi successi migliorarono notevolmente le prospettive di un'efficace estensione della portata eco dei sottomarini, e gli sforzi aumentarono in Francia, Gran Bretagna, Stati Uniti e anche in Germania. Il gruppo di Boyle sviluppò inoltre apparecchiature, denominate "ASDIC gear ”, da installare su alcune navi della flotta britannica. Negli Stati Uniti un programma di eco-range fu avviato presso la Naval Experimental Station a New London, Connecticut con il supporto della ricerca, in particolare sui materiali piezoelettrici, insieme a diversi altri laboratori. Sebbene nessuno di questi lavori fosse progredito rapidamente abbastanza da avere un ruolo significativo nella prima guerra mondiale, ha fornito la base per continuare la ricerca sull'eco-range che presto sarebbe
Tra le due guerre mondiali il sonar di profondità montato sulle navi fu sviluppato commercialmente, e la ricerca di un'efficace gamma di sonar sui sottomarini continuò negli Stati Uniti principalmente presso il Naval Research Laboratory sotto HC Hayes. Uno dei problemi principali era la mancanza di trasduttori sufficientemente potenti da raggiungere le portate necessarie. Si scoprì che i trasduttori magnetostrittivi potevano farlo poichè producono una maggiore potenza acustica, e allo stesso tempo la loro robustezza li rendeva molto adatti per uso subacqueo. Tuttavia, sia le perdite elettriche che magnetiche nei traduttori magnetostrittivi risultarono in una forte perdita di efficienza rispetto ai trasduttori piezoelettrici. Furono anche esplorati altri concetti di trasduttore, incluso uno che utilizzava l'estensione dovuta alla magnetostrizione per guidare una superficie radiante in flessione (chiamato trasduttore flessestensionale).
Dopo la prima guerra mondiale il sale di Rochelle, che era noto per avere un effetto elettrico più forte rispetto al quarzo, divenne disponibile anche sotto forma di cristalli sintetici così da fornire un'ulteriore possibilità per lo sviluppo di trasduttori migliorati.
lo sviluppo di sistemi sonar con un'utile ma limitata capacità. Il potenziale per un miglioramento significativo era chiaro e, con i sottomarini tedeschi che provocavano gravi danni alla navigazione al largo della costa orientale del Stati Uniti, il bisogno era grande. I lavori iniziarono già nel 1941 con la divisione di ricerca sulla guerra della Columbia University a New London, "Harvard University: l'Underwater Sound Laboratory" (HUSL) a Cambridge e l'Università della California's Division of War Research a San Diego.
Il loro lavoro portò all'equipaggiamento di molte navi americane con eco-range e sistemi di ascolto passivo. Altri tipi di apparecchiature che impiegavano trasduttori in merito all'acustica subacquea erano sviluppate anche come siluri ad inseguimento acustico, mine acustiche e boe sonore. Dall'uso di tutto questo si accumulò una grande quantità di esperienza pratica e fornì una solida base per molti nuovi sviluppi durante e dopo la guerra. Alla fine della seconda guerra mondiale furono in molti che si occuparono dello sviluppo di apparecchiature elettroacustiche subacquee e vennero coinvolti vari laboratori su tutto il territorio americano.
La seconda guerra mondiale e la guerra fredda che seguì, motivò la ricerca per nuovi materiali di trasduzione artificiali che portarono all'ammonio diidrogeno fosfato (ADP), solfato di litio e altri cristalli nei primi anni '40. Poi nel 1944 le proprietà piezoelettriche furono scoperte da AR von Hippel nella ceramica di titanato di bario permanentemente polarizzata, e nel 1954 fu trovata una piezoelettricità ancora più forte con della ceramica polarizzata al titanato di zirconato di piombo. La scoperta di questi materiali avviarono l'era moderna dei trasduttori piezoelettrici in tempo per svolgere un ruolo importante nell'affrontare ancora una volta la minaccia dei sottomarini al largo della costa orientale degli Stati Uniti Uniti, questa volta di sottomarini sovietici armati di missili nucleari a lungo raggio.
Alla fine del XX secolo i composti di titanato di zirconato di piombo (PZT) furono ancora utilizzati nella maggior parte dei trasduttori sonori subacquei. Tuttavia, altri simili materiali sono in fase di sviluppo, come il piombo magnesio niobato (PMN) e il "Single Crystal" di composti correlati e materiali magnetostrittivi Terfenol-D e Galfenol, che hanno un potenziale di miglioramento rispetto ai PZT in alcune
essere realizzati in grande varietà di forme e dimensioni con molte varianti di composizione che forniscono proprietà specifiche di interesse. Le caratteristiche di questi materiali hanno portato allo sviluppo e alla produzione di trasduttori innovativi e progetti relativamente economici che sarebbero stati inimmaginabili nei primi giorni dell'elettroacustica.
L'effetto piezoelettrico
Per descrivere questa caratteristica prendiamo come esempio i cristalli di sale. Essi sono costituiti di atomi carichi di elettricità. Questi «cristalli ionici» non sembrano comportarsi come farebbero oggetti carichi di elettricità: sono nel complesso elettricamente neutri perché contengono un ugual numero di cariche positive e negative. Per la maggior parte le prove della presenza di cariche elettriche nei cristalli sono prove indirette. Per esempio il fatto che i cristalli sono composti di unità elementari dotate di carica elettrica ha fornito una buona spiegazione del perché il cloruro di sodio e il nitrato di sodio si sfaldano facilmente secondo certe direzioni.
Ma alcuni cristalli mostrano in maniera un po' più diretta di contenere cariche elettriche: si può fare in modo che le cariche producano un effetto elettrico. Il fenomeno, chiamato «effetto piezoelettrico», si manifesta quando si comprime il cristallo. Un cristallo mostra l'effetto piezoelettrico perché la compressione ne modifica la forma. Anche se la compressione non è tale da danneggiare il cristallo, si ha una leggerissima deformazione, e il cristallo torna alla sua forma originaria quando si elimina la compressione.
Perché un cristallo possa cambiare forma, i suoi atomi devono muoversi e quando questi atomi sono ioni e portano cariche elettriche, le cariche elettriche si muovono con gli ioni; ma un movimento di cariche elettriche è una corrente elettrica: di conseguenza, quando un cristallo viene compresso, ci si può aspettare di osservare una corrente elettrica mentre il cristallo si deforma.
A prima vista questo ragionamento potrebbe far pensare che tutti i cristalli mostrino l'effetto piezoelettrico, ma in realtà questo vale solo per certi cristalli.
Cristalli Piezoelettrici
Ogni cristallo contiene un ugual numero di cariche positive e di cariche negative, e quando la forma del cristallo cambia i due tipi di cariche si muovono. Se le cariche positive e le cariche negative si muovono nella stessa direzione, la corrente elettrica dovuta allo spostamento delle cariche negative annulla la corrente dovuta alle cariche positive e non si avrà nel complesso nessuna corrente elettrica.
Un cristallo mostrerà l'effetto piezoelettrico soltanto quando una compressione sposta le cariche negative e le cariche positive in direzioni opposte. Di conseguenza questo effetto richiede speciali tipi di ordinamento cristallino.
Parecchi dei cristalli che si possono coltivare hanno la struttura necessaria: il clorato e il bromato di sodio, entrambi gli idrati del solfato di nichel, il cromato doppio di litio trisodico esaidrato, il sale di Seignette, mostrano tutti questo effetto. L'effetto è straordinariamente notevole in quest'ultimo tanto che sono numerosi gli esperimenti che lo prendono in oggetto. Un esempio banale è verificare la presenza dell'effetto piezoelettrico percuotendo il cristallo con un martello.
È facile interpretare male ciò che avviene in questo esperimento. L'improvvisa pressione esercitata sul cristallo dal martello sembra spremere fuori l'elettricità, e si è tentati di credere che fluirebbe una corrente continua se il cristallo fosse compresso ininterrottamente in una morsa. In realtà, invece, la corrente fluisce solo mentre la compressione cambia e non si ha affatto corrente se essa rimane costante.
Un colpo di martello determina nel cristallo una compressione che cresce rapidamente modificando repentinamente la forma del cristallo e producendo un breve passaggio di corrente mentre la forma cambia. Quando il martello cessa di comprimerlo, il cristallo riassume la sua forma originaria, e le cariche tornano nelle posizioni che occupavano
I cristalli che presentano l'effetto piezoelettrico hanno un'altra interessante proprietà: quando si applica ad essi una differenza di potenziale, si deformano leggermente. Questo effetto è cosi strettamente legato a quello piezoelettrico da essere spesso chiamato «effetto piezoelettrico inverso»: «inverso» in quanto, mentre nell'effetto piezoelettrico normale una causa meccanica (una compressione) produce un effetto elettrico (un passaggio di corrente), qui una causa elettrica (una differenza di potenziale) produce un effetto meccanico (una deformazione).
Struttura Cristallina
I cristalli che presentano il fenomeno della piezoelettricità sono, come si è detto, numerosi, ma la sostanza piezoelettrica per eccellenza è il quarzo, sia per la relativa abbondanza di cristalli di notevoli dimensioni, sia per la buona lavorabilità meccanica, sia infine per la costanza e la linearità con cui si presenta in esso l’effetto piezoelettrico. Il quarzo, cristallizza nella classe trapezoedrica trigonale. Essa possiede un asse di simmetria ternaria, z, detto asse ottico, e tre assi
di simmetria binaria, x1 , x2 , x3 , normali all’asse ottico e a 120° fra loro, detti assi elettrici; i tre assi y1 , y2 , y3 complanari e ortogonali ciascuno all’asse elettrico di ugual indice sono detti assi meccanici.
Tagliata dal cristallo una lamina parallelepipeda ortogonalmente all’asse ottico, siano e, m i suoi spessori lungo, per esempio, gli assi x1 e y1 , che verranno di qui in avanti chiamati semplicemente x e y. La matrice dei coefficienti piezoelettrici assume la forma:
invece che di compressione, si inverte il segno delle cariche sulle facce. Se invece una sollecitazione di compressione p è applicata lungo l’asse meccanico y anziché lungo x, la polarizzazione si manifesta sempre lungo l’asse elettrico corrispondente x (il che giustifica il nome di quest’ultimo) con una densità superficiale Py=−d11 pm/e. Se p è infine applicata lungo l’asse ottico z, non si ha alcuna polarizzazione elettrica. Inversamente, se si applica una differenza di potenziale elettrico V tra le facce ortogonali all’asse elettrico x, la lamina si dilata (o si contrae, a seconda del segno di V) lungo lo stesso asse di una quantità sx=d′11V e si contrae (o si dilata) lungo l’asse y di una quantità sy=−d′11Vm/e, essendo d′11 una costante dipendente da d11 e dell’ordine di 10–11m/V. Nessun effetto meccanico si osserva invece lungo z.
Se la tensione applicata alla lamina è oscillante, la lamina stessa prende a vibrare con la stessa frequenza, in regime di oscillazioni forzate; l’ampiezza delle sue vibrazioni diviene massima allorché la frequenza della tensione eccitante è tale da suscitare in essa onde stazionarie. Si dice allora che la lamina è in risonanza; la frequenza alla quale ciò avviene si chiama frequenza di risonanza della lamina: il suo valore dipende unicamente dallo spessore della lamina stessa, ed è quindi molto stabile, in particolare molto più stabile che nei circuiti oscillanti elettrici ordinari. Il fatto che si destino vibrazioni longitudinali (lungo l’asse elettrico) e trasversali (lungo l’asse meccanico corrispondente), porta a considerare, per una data lamina, due diverse frequenze di risonanza, delle quali generalmente è più elevata quella relativa alle vibrazioni longitudinali; per aumentare il distacco fra le due frequenze, si usa tagliare le lamine piezoelettriche in forma di lastrina. Allorché la lamina vibra, si sviluppa in essa lungo l’asse elettrico, per l’effetto piezoelettrico inverso, una tensione che, naturalmente, diventa anch’essa massima alla risonanza.
Per le loro caratteristiche i cristalli piezoelettrici sono equivalenti a circuiti oscillanti estremamente selettivi, aventi un fattore di qualità dell’ordine di 104-106 (risonatori piezoelettrici): proprietà sfruttata nei filtri piezoelettrici. Inoltre, come tutti i circuiti oscillanti, anche un cristallo piezoelettrico può essere usato per la generazione di oscillazioni elettriche persistenti (oscillatore piezoelettrico): ciò può essere ottenuto, per esempio, connettendo opportunamente il cristallo a un transistore.
Gli effetti piezoelettrici sono diversi a seconda che l’azione meccanica (o quella elettrica) sia applicata a un asse elettrico oppure a un asse meccanico; si usa quindi distinguere tra cristalli in taglio X (a in 1D) e cristalli in taglio Y (b), a seconda che lo spessore s della lamina risulti parallelo a un asse elettrico oppure a un asse meccanico. I cristalli in taglio X hanno un regime di oscillazione molto stabile, mentre i cristalli in taglio Y hanno innesco più facile, ma regime d’oscillazione meno stabile.
Lamine piezoelettriche sono anche usate nei filtri a onde acustiche superficiali (in inglese SAW, surface acoustic waves). In tali dispositivi gli elettrodi sono depositati, con la tecnica dei film sottili, su una sola faccia della lamina, secondo configurazioni interdigitali. Una coppia di elettrodi costituisce il trasduttore di ingresso che, alimentato con una tensione variabile nel tempo, genera onde superficiali che si propagano verso il trasduttore di uscita, al quale è connesso il carico. Tali filtri possono essere realizzati per frequenze centrali di funzionamento che vanno da una decina a varie centinaia di megahertz, con ampiezze di banda passante relativamente larghe.
Materiali Impiegati
Come già accennato in precedenza nella grande maggioranza delle applicazioni acustiche subacquee vengono utilizzati dispositivi basati sui materiali piezoelettrici. Questi materiali sono tali che i trasduttori risultano molto lineari in un ampio range di frequenza, per cui è comune trovare trasduttori che vengono usati sia trasmissione che in ricezione. La densità di potenza di uscita dell’ordine di almeno 1 Watt/cm2 sono comuni per trasduttori usati come proiettori e gli stessi elementi vengono usati come idrofoni per ricevere segnali dell’ordine di meno di 10^(-12) Watt/cm2.
Come già accennato l’effetto piezoelettrico fu scoperto dai fratelli Jacques e Pierre Curie nel 1880. Essi notarono che determinati cristalli si polarizzano elettricamente quando sottoposti a una deformazione meccanica, ed il livello di polarizzazione è proporzionale alla forza applicata (effetto piezoelettrico diretto). Scoprirono inoltre che questi stessi materiali si deformano quando vengono sottoposti ad un campo elettrico (effetto piezoelettrico inverso o effetto Lippmann). L’effetto piezoelettrico si manifesta in alcuni cristalli naturali, ma risultati migliori si ottengono con l’importante gruppo di materiali chiamati ceramiche piezoelettriche.
I materiali piezoelettrici sono in uso da parecchi decenni in acustica subacquea; possiamo inquadrarli in 4 grandi famiglie:
• Ceramiche piezoelettriche (elettrostrittive) • Monocristalli (Single crystal)
• Compositi • Polimeri
Le ceramiche piezoelettriche sono usate sia singolarmente, sia nei compositi. I single crystal piezoelettrici offrono risposta elettromeccanica migliorata, ma sono limitati in particolare dal costo di realizzazione. I polimeri piezoelettrici presentano un ottimo adattamento di impedenza acustica e flessibilità nella costruzione di trasduttori, ma le prestazioni globali sono inferiori alle altre tecnologie. I compositi riuniscono per certe applicazioni i vantaggi delle ceramiche e dei polimeri. Le ceramiche piezoelettriche furono introdotte nei primi anni 50 del secolo scorso e subito divennero i materiali dominanti per trasduttori subacquei per le loro elevate proprietà e la facilità di realizzazione in svariate forme e dimensioni.
La piezoelettricità è una proprietà caratteristica di qualsiasi cristallo privo di centro di simmetria (nei quali il momento di dipolo totale è diverso da zero). I principali materiali piezoelettrici naturali sono: Quarzo, Tormalina, Sale Rochelle; mentre esempi di materiali piezoelettrici dopo polarizzazione sono:
•Piezoceramici (policristallini): BaTiO3, PbTiO3, PZT, PbNb2O6 •Piezocompositi (polimero-piezoceramico)
•Single crystal
•Piezopolimeri: PVDF.
Nei materiali piezoceramici policristallini la struttura cristallina è di tipo perovskite1 (es. BaTiO3, PbTiO3, famiglia PZT = Pb[ZrxTi1−x]O3). Il comportamento di questi materiali è fondamentalmente condizionato dalla temperatura. Indicando con TC la temperatura di Curie:
1. Per T>TC la cella elementare ha una struttura cubica con disposizione simmetrica delle carichepositive e negative (cristallo non piezoelettrico) 2. Per T<TC la cella elementare ha una struttura tetragonale (ortorombica) non
simmetrica. I cristalli (dipoli) presentano cariche elettriche orientate (polarizzazione spontanea).
Gruppi di celle unitarie con lo stesso orientamento vengono detti domini ferroelettrici. A causa della distribuzione casuale dell’orientamento dei domini nel materiale ceramico non si evidenzia però un comportamento piezoelettrico macroscopico. È però possibile forzare un allineamento permanente dei diversi domini tramite il processo di polarizzazione. In questo processo viene applicato un elevato campo elettrico in presenza di alta temperatura con l’effetto di ruotare permanentemente i domini lungo la direzione del campo ed introducendo quindi un’asimmetria delle proprietà. Successive applicazioni di campi elettrici con la stessa polarità, nella direzione di polarizzazione, causa un’ulteriore, seppur temporanea, espansione in quella direzione.
Nella fase iniziale della produzione del materiale ceramico, i dipoli non hanno una direzione preferenziale, per cui sono disposti alla rinfusa.
I PZT artificiali vengono portati oltre la loro temperatura di Curie e sottoposti, durante il raffreddamento, ad un intenso campo elettrico che ne orienta i dipoli come desiderato (2) e provoca una polarizzazione stabile (3) nei limiti di sollecitazione meccanica, termica od elettrica del materiale.
Produzione dei PZT
Al fine di ottenere le caratteristiche volute l'ingegneria del settore si è concentrata sulla produzione di ceramiche che potessero fornire le migliori performance. Il processo di produzione necessita molte accortezze poichè sono molti i passaggi in cui è possibile rovinare il prodotto finale.
•Miscelazione
•Calcinazione (a circa 1000°C) •Macinazione della polvere
•Spruzzatura e miscelazione con un legante •Formatura e pressatura
Una volta ottenuta la miscela adatta è necessario dare la forma giusta al composto tramite una pressa idraulica. Questa compatta il materiale in varie forme quali dischi, piastre, barre o cilindri. E' possibile già ottenere le dimensioni adatte, tenendo conto del restringimento del materiale dopo la sinterizzazione, oppure successivamente tramite lavorazione con frese e altri macchinari al fine di ottenere la precisione voluta.
•Prima combustione (a circa 800°C) per eliminare il legante
•Sinterizzazione ad elevate temperature (circa 1300°C)
Processo di consolidazione del materiale nella forma voluta. E' necessario tenere conto di una riduzione del volume di circa il 15%. Il risultato è una ceramica solida ad altà densità.
•Taglio, lucidatura, lappatura
Nonostante la durezza dei materiali è comunque possibile, come già accennato, rifinire forma e dettagli del prodotto. Con la tecnologia moderna si possono produrre fori di un diametro fino a 0.3 mm mentre i contorni possono essere modificati con precisioni di un decimo di millimetro
•Applicazione degli elettrodi in argento, nichel, oro (sputtering)
Processo che applica un sottile strato metallico (circa 1 µm) in corrispondenza delle zone da polarizzare
Risultato della polarizzazione
Si consideri un cilindro piezoceramico polarizzato lungo il suo asse.
La figura (a) mostra il cilindro senza sollecitazioni. Se una forza esterna produce una deformazione in compressione od in trazione, il conseguente cambiamento nel momento di dipolo causa la comparsa di una tensione elettrica tra gli elettrodi. Se il cilindro viene compresso (cosicché tende ad assumere la sua forma originale prima della polarizzazione) la tensione elettrica avrà la stessa polarità della tensione di polarizzazione (Fig. (b)). Se viene tirato, la tensione tra gli elettrodi assume una polarità opposta a quella di polarizzazione (Fig.(c)). Se la forza è alternata anche il segnale elettrico risulta tale.
Nella conversione di energia elettrica in energia meccanica se una tensione elettrica opposta alla tensione di polarizzazione viene applicata agli elettrodi, il cilindro si accorcia (Fig.(d)). Se la tensione ha la stessa polarità della tensione di polarizzazione, il cilindro si allunga (Fig. (e)). Applicando una tensione elettrica alternata, anche il movimento risulta tale (Fig. (f)).
Le ceramiche piezoeletriche possiedono proprietà: -Elettriche
-Meccaniche -Elettromeccaniche
Queste proprietà sono il risultato della formulazione chimica e del processo produttivo. Molte di queste proprietà dipendono dall’asse di misura (rispetto alla direzione di polarizzazione). Tipici parametri elettrici sono la costante dielettrica relativa (εr) ed il fattore di dissipazione dielettrico (tgδ): alti valori di costante dielettrica sono desiderabili in quanto riducono l’impedenza elettrica. Un basso fattore di dissipazione comporta basse perdite dielettriche. Tipici parametri meccanici sono la densità (ρ) e le costanti elastiche che permettono la determinazione delle frequenze di risonanza. Tipici parametri elettromeccanici sono i coefficienti di accoppiamento elettromeccanico (k) e le costanti piezoelettriche (g) e (d).
Le ceramiche piezoeletriche possiedono anche proprietà “piroelettriche” ovvero variazioni di temperatura causano variazioni delle dimensioni della ceramica. Tale variazione meccanica produce stress con conseguente produzione di cariche elettriche sugli elettrodi della ceramica. In questo modo possono crearsi tensioni molto elevate e sono necessarie alcune precauzioni per evitare danni ai dispositivi elettronici collegati e fastidi agli operatori durante la manipolazione delle ceramiche.
Uno dei principali vantaggi delle ceramiche è che le loro proprietà possono essere modificate introducendo determinati droganti chimici durante il processo produttivo; esistono così delle famiglie di materiali. Di contro è difficile avere caratteristiche costanti da diversi produttori e persino su diversi lotti di produzione dello stesso produttore. La prima piezoceramica largamente utilizzata fu il titanato di bario, che fu seguita negli anni ’60 del secolo scorso da varie composizioni di zirconatotitanato di piombo; queste ultime continuano ad essere la più utilizzate, la cui formulazione generale è PbTi(1− x)ZrxO3 con x circa 0.5.
Mentre le proprietà dei materiali piezoelettrici naturali sono determinate dalla loro struttura cristallografica, e non possono essere modificate, le proprietà piezoelettriche dei materiali elettrostrittivi polarizzati dipendono dalla polarizzazione residua e possono essere variate dalle condizioni operative (limitazioni). Nonostante queste limitazioni,
Caratteristiche meccaniche ed elettriche
Nella figura (a) l’andamento della polarizzazione rispetto al campo elettrico con polarizzazione residua P0, cui corrisponde una deformazione rimanente S0 quando il campo elettrico E è rimosso, figura (b). L’applicazione di un campo alternato, E1, causa una deformazione alternata S1 intorno ad S0.
Il comportamento, nella ”parte” lineare, di questi materiali è descritto da equazioni (matriciali) che mettono in relazione:
•Lo stress applicato: T •La deformazione: S •Il campo elettrico: E
•Lo spostamento dielettrico: D
S = sE T + dt E D = d T + εT E
In queste equazioni S e T sono vettori colonna 1x6, E e D vettori colonna 1x3, sE è la matrice 6x6 dei coefficienti della cedevolezza elastica, d è una matrice 3x6 di
Per esempio, sE è la derivata parziale di S rispetto a T quando E è mantenuta costante (e può essere misurata dalla pendenza della curva della deformazione rispetto allo stress, a campo elettrico costante). Omettiamo per semplicità il fatto che i coefficienti delle equazioni sono dipendenti dalla temperatura.
In realtà i coefficienti delle equazioni sono dipendenti dalla temperatura, in modo variabile a seconda del materiale; nelle particolari applicazioni (proiettori o idrofoni) va tenuto conto anche di questo aspetto nella scelta del materiale più adatto.
Considerando il seguente sistema di riferimento (nei materiali piezoelettrici, la direzione della polarizzazione positiva viene in genere fatta coincidere con l’asse z):
Le grandezze ed i parametri hanno pedici (1,2,3) per quanto riguarda le caratteristiche longitudinali parallele agli assi 1, 2, e 3, e (4,5,6) per le caratteristiche trasversali (shear) attorno agli assi 1, 2, e 3. I parametri meccanici ed elettrici che agiscono in ognuna delle tre direzioni vengono identificati con l’indice corrispondente.
Nel caso più generale, i parametri espressi in coordinate cartesiane sono: • 3 componenti del vettore campo elettrico: E1 E2 E3.
• 3 componenti del vettore spostamento dielettrico: D1 D2 D3.
• 6 componenti dello stress: compressionale T1 T2 T3 trasversale (shear) Yz Zx Xy.
• 6 componenti della deformazione: compressionale xx yy zz, trasversale yz zx xy.
• 36 costante di rigidità elastica: chk. • 36 costante di cedevolezza elastica: shk. • 18 costante di stress piezoelettrico: eik.
Capacità
La capacità di una piezoceramica viene in genere definita e misurata a bassa frequenza, e comunque lontano dalla frequenza di risonanza. In genere la frequenza di riferimento è 1 kHz. Utilizzando la permeabilità dielettrica relativa fornita, la capacità può essere calcolata, utilizzando formule appropriate a seconda della geometria. Un altro parametro usualmente collegato alla capacità è il fattore di dissipazione dielettrica (tg δ).Esso rappresenta il rapporto tra la potenza persa e la potenza reattiva quando la ceramica viene sollecitata con un segnale sinusoidale a frequenza molto minore della sua prima frequenza di risonanza (in generale ancora ad 1 kHz). Come esempio di calcolo, un semplice parallelepipedo di spessore e (in metri) fra superfici metallizzate di area A (in metri2) ha capacità (in Farad) data dalla nota relazione:
in cui ε0 (in Farad/m) è la costante dielettrica nel vuoto (= 8.85 10^(-12) F/m) ed ε (adimensionale) è la costante dielettrica relativa del materiale. Questa capacità è per definizione uguale alla carica (in coulomb) divisa per la tensione (in volt) ai capi del condensatore.
Altri parametri di progettazione
I coefficienti piezoelettrici che risultano più utili sono d, che in pratica esprime la deformazione prodotta da un campo elettrico applicato e g, che esprime il campo elettrico conseguente ad una pressione. Così d è correlato con i trasduttori proiettori e g con gli idrofoni (trasduttori ricevitori).
Altri parametri, messi in relazione con quelli visti, vengono spesso più direttamente usati: per esempio le costanti di rigidità elastica e la densità possono essere combinati per ricavare le costanti di frequenza per i vari modi di vibrazione di una ceramica. Uno dei parametri più importanti di un materiale piezoelettrico è il suo coefficiente di accoppiamento (k). Esso può essere interpretato in termini fisici come la radice quadrata del rapporto dell’energia meccanica immagazzinata rispetto all’energia totale in ingresso. La sua importanza deriva dal fatto che indica l’efficacia del materiale nel convertire energia elettrica in energia acustica e nella sua influenza nella massima larghezza di banda ottenibile per un trasduttore che usa questo materiale. Il coefficiente di accoppiamento è in relazione con altri parametri tramite le relazioni:
k2 = d 2 (εTsE)= (εTg2 ) sE
in cui vanno aggiunti i particolari pedici, a seconda del modo di vibrazione considerato. A seconda delle condizioni al contorno, esistono infatti cinque differenti fattori di accoppiamento che riflettono il fattore di forma ed il modo di oscillare.
Invecchiamento delle ceramiche piezoelettriche
Dal momento che le ceramiche escono dal dispositivo di polarizzazione, le caratteristiche del materiale cambiano. L’invecchiamento procede molto rapidamente nelle prime ore; dopo pochi giorni i cambiamenti si riducono notevolmente ed assumono un andamento in funzione del tempo che tende ad essere logaritmico; i dati di invecchiamento vengono quindi indicati come cambiamento per “decade” (tempo che si incrementa di un fattore 10). Come conseguenza, più si è lontani dalla polarizzazione, più il materiale diventa stabile. L’entità dell’invecchiamento delle varie proprietà dipende dalla composizione della ceramica e dal modo in cui la ceramica viene processata durante la realizzazione dei trasduttori (da 1 a 6% per decade a seconda del materiale piezo).
In generale vengono indicati dai produttori il decadimento della capacità, della frequenza di risonanza e del fattore di accoppiamento elettromeccanico. L’invecchiamento per altri parametri è ricavabile a calcolo.
L’esposizione della piezoceramica ad uno, o più combinazioni di certe condizioni, può accelerare il processo di invecchiamento: se la temperatura aumenta, le prestazioni della piezoceramica degradano fino alla completa e permanente depolarizzazione, che avviene alla temperatura di Curie. In pratica, la temperatura cui vengono sottoposte le
generale, non è raccomandabile superare la metà del suo valore.
Una ceramica piezoelettrica può essere depolarizzata da un forte campo elettrico che abbia polarità opposta alla tensione originale di polarizzazione. Il limite di questo valore dipende dal tipo di materiale, dalla durata della applicazione e dalla temperatura operativa. Il limite tipico è compreso tra 500V/mm e 1000V/mm. Si deve notare che campi elettrici alternati possono avere lo stesso effetto durante il ½ ciclo che è opposto alla direzione di polarizzazione. Elevati stress meccanici possono depolarizzare una ceramica piezoelettrica. Il limite di stress applicabile dipende dal tipo di materiale ceramico e dalla durata dell’applicazione. L’ordine di grandezza di uno stress depolarizzante è di centinaia di bar.
Single Crystal
I single crystal (ad esempio in materiale PMNPT, cioè Piombo Magnesio Niobato – Titanato di Piombo) sono una nuova generazione di materiali piezoelettrici, sviluppata alla fine del 20-mo secolo. Presentano caratteristiche superiori alle ceramiche PZT in tutti i parametri piezoelettrici. La differenza tra un singolo cristallo ed una ceramica dello stesso materiale, è che un singolo cristallo ha reticolo cristallino continuo lungo l'intero campione, mentre la ceramica è un agglomerato di piccoli cristalli (grano ceramico) fusi insieme in modo casuale. Anche nel caso dei single crystal è necessaria una fase di polarizzazione per allineare i dipoli nella direzione del campo applicato. In particolare si evidenzia un aumentato accoppiamento elettromeccanico ed una molto più grande deformazione. Ciò comporta un ampliamento della larghezza di banda, maggior sensibilità e source level: nelle applicazioni ai trasduttori elettroacustici si ottiene un miglioramento del 20% dell’accoppiamento elettromeccanico, del 45% del rendimento e del 66% della larghezza di banda. Per contro, questi materiali sono limitati dalla temperatura. Se i cristalli vengono scaldati oltre 80-90°C, una (parziale) depolarizzazione causa un degrado irreversibile delle prestazioni. Inoltre shock termici possono causare micro fratture nel cristallo, che possono ulteriormente degradare le prestazioni. Infine, i single crystal risultano meccanicamente più deboli rispetto alle ceramiche policristalline. Per questo motivo vengono richieste particolari precauzioni nella movimentazione ed assemblaggio. Una ulteriore limitazione è costituita dalla differenza di costo, molto più elevato rispetto alle piezoceramiche.
Vantaggi e Svantaggi dei PZT
I materiali PZT offrono un ottimo compromesso tra costi di produzione e prestazioni mentre i materiali monocristalli sono usati in applicazioni in cui sono richieste alta sensibilità ed alta potenza. Tuttavia questi materiali hanno caratteristiche che non sono ideali per certe applicazioni subacquee. La prima controindicazione è l’alta impedenza acustica: sia i monocristalli che le ceramiche hanno una impedenza acustica molto elevata (ρ∙c) a causa sia della densità che del modulo elastico elevati. L’impedenza tipica dei PZT e dei monocristalli è maggiore di 30 Mrayls, mentre quella dell’acqua è solo 1.5 Mrayls. Questo importante disaccoppiamento di impedenza causa riflessioni del segnale acustico all’interfaccia tra il materiale sensibili ed il mezzo di propagazione; per questo motivo, spesso, vengono interposti opportuni strati di adattamento così da minimizzare questo svantaggio. In secondo luogo, le ceramiche ed i single crystal hanno una scarsa risposta idrostatica. Nello specifico in applicazioni idrofoniche idrostatiche, in cui il segnale acustico avvolge completamente il materiale sensibile, la sensibilità idrofonica è proporzionale alla costante idrostatica gh.
gh = g33 + 2g31
La scarsa risposta è dovuta al fatto che i due parametri g (g33 e g31) hanno segni opposti e di conseguenza il valore della sensibilità va diminuendo. Tuttavia seguendo
determinati accorgimenti si riesce a massimizzare la risposta del parametro g33 annullando quasi completamente g31.
Uno svantaggio ulteriore delle ceramiche e dei monocristalli è che sono duri e fragili. Questa mancanza di flessibilità impedisce in alcuni casi di conformare il sensore su superfici curve.
I Piezocompositi
I materiali piezocompositi sono ottenuti combinando ceramiche piezoelettriche e materiali polimerici.Viene chiamata connettività il modo in cui i due materiali vengono associati nel composito. I principali motivi di utilizzo di questi materiali riguardano la loro flessibilità e ridotta impedenza acustica. Matematicamente ci sono 10 modi diversi in cui le due “fasi” (ceramica e polimero) si possono connettere in un composito, descritti tramite due numeri (es. 0-3, 1-3, ecc.). Ciascun numero indica le dimensioni in cui ciascuna fase è connessa. Il primo numero si riferisce alla ceramica, il secondo al polimero. Per esempio un composito 0-3 è ottenuto disperdendo particelle di ceramica (dimensione “0”) in una matrice polimerica (dimensione “3”).
Un composito 1-3 è un array di barrette ceramiche immerse in un polimero, con gli elettrodi agli estremi delle barrette. Le barre non sono connesse da ceramica lungo le direzioni x ed y mentre il polimero è connesso in tutte le 3. In commercio si trovano in genere compositi 0-3, 1-3 e 2-2
I compositi 0-3 sono difficili da polarizzare, ma hanno il vantaggio di una elevata flessibilità. Presentando un k basso, sono più adatti per applicazioni idrofoniche.
I compositi 1-3 sono adatti per realizzare sia idrofoni che proiettori. Le prestazioni di un composito dipendono da parecchi parametri tra cui i principali sono: la frazione di volume della ceramica rispetto al polimero, il tipo di ceramica, la disposizione della ceramica, ecc. Un confronto tra un composito 1-3 (realizzato con il 15% di ceramica PZT5H e l’80% di matrice polimerica) ed un PZT-5H monolitico è riportato in tabella:
Da notare, per il composito, il miglior coefficiente di accoppiamento in spessore e la minor impedenza acustica.
I Piezopolimeri
Un’importante applicazione degli idrofoni flessibili deriva dalla necessità di ridurre il flow-noise generato dal veicolo che si muove in acqua. Per esempio un array progettato per la ricezione in bassa frequenza potrebbe avere idrofoni spaziati dell’ordine del mezzo metro; utilizzando idrofoni di superficie estesa che copra l’estensione dell’array è possibile effettuare una media spaziale con riduzione del flow-noise. Materiali adatti a questo scopo sono i piezopolimeri. I piezopolimeri, in particolare il poly-vinylidene-fluoride o PVDF sono disponibili in fogli sottili e presentano una bassa impedenza acustica. Per migliorare le loro prestazioni come sensori, durante la polarizzazione, sono sottoposti ad un’operazione di “stretching” (in direzione 1). In tal modo si ottengono costanti piezoelettriche g diverse nelle 2 direzioni trasversali.
Poiché la sensibilità nel modo 31 è ancora dello stesso ordine di grandezza di quella del modo 33, in modalità idrostatica la prestazione risulta ancora penalizzata, anche se comunque decisamente superiore ad un PZT. Normalmente quindi vengono presi alcuni accorgimenti (aumento dello spessore degli elettrodi od accoppiamento con supporti rigidi) per ridurre questo effetto. Gli idrofoni utilizzati in modo idrostatico sono inoltre particolarmente utili quando si opera ad elevate pressioni e ciò rende difficile schermare le parti terminali dei materiali.
La riduzione del flow noise può essere ottenuta se la dimensione degli idrofoni è maggiore della lunghezza d’onda del flow noise stesso, grazie alla media sulla superficie. Questo avviene perché le onde di pressione parallele alla superficie dell’idrofono provocano zone di massimo e di mimimo e la risposta elettrica si cancella parzialmente nella risposta idrofonica (maggiore è il rapporto dimensione idrofono/lunghezza d’onda del rumore, maggiore è la riduzione del flow noise).
Materiali magnetostrittivi
Altri materiali utilizzati per la realizzazione di trasduttori elettroacustici subacquei sono quelli che presentano marcate caratteristiche magnetostrittive. Sono stati comunemente usati durante la seconda guerra mondiale e negli anni 50 del 1900, in seguito accantonati per il notevole sviluppo delle ceramiche piezoelettriche. Negli ultimi due decenni sono stati sviluppati materiali magnetostrittivi ad elevate prestazioni, che hanno riportato in parte in auge queste tecnologie. I materiali magnetostrittivi generano una deformazione meccanica quando sottoposti ad un campo magnetico. Il comportamento può essere descritto da equazioni di stato simili a quelle delle piezoceramiche (con il campo magnetico al posto di quello elettrico). Anche in questo caso è necessaria una “polarizzazione”, un campo di bias, ottenuto o tramite magnete permanente o tramite una corrente continua che scorre in una bobina. Materiali largamente utilizzati in passato sono il nichel ed il 2V-Permedur (lega al 49% di ferro, 49% di cobalto e 2% di vanadio).
I materiali magnetostrittivi tradizionali soffrono di elevate perdite dovute alle correnti di Foucault (eddy currents). Questo viene minimizzato, così come per i trasformatori, realizzando i trasduttori tramite pacchetti di sottili lamine, isolate una dall’altra per mezzo di ossidazioni o con riempimenti isolanti. Una riduzione delle correnti di perdita si ha anche utilizzando ferriti magnetostrittive. I materiali più recenti sono costituiti da leghe ferro-terre rare; con questi materiali si ottengono elongazioni dell’ordine da 10 a 100 volte maggiori di quelle nel nichel. In particolare la lega ternaria Terbio-Disprosio-Ferro (Terfenol_D, Tb0.3 Dy0.7 Fe1.92) mostra la magnetostrizione più elevata fino a 0.002 m/m alla saturazione. Tuttavia le elevate deformazioni sono ottenute combinando campi magnetici molto elevati ed alti campi di polarizzazione, quindi l’utilizzo di questi materiali risulta poco utilizzato nella maggior parte delle applicazioni in acustica subacquea.
Trasduttori elettroacustici e metodi di progettazione
Come regola generale, il progetto di trasduttori non ha bisogno di essere trattato come una scienza precisa; sebbene si basi su principi fisici ed equazioni esatte, i parametri ottenuti raramente hanno bisogno di essere realizzati in modo estremamente preciso e si può far ricorso a varie approssimazioni per fare in modo che l’analisi sia più semplice. D’altronde anche i parametri fisici dei materiali utilizzati (in particolare polimeri e materiali piezoelettrici) sono noti solo con una certa approssimazione e sono inoltre dipendenti dalle condizioni ambientali (temperatura, pressione). Come già ribadito, ci concentreremo su trasduttori che utilizzano come elemento attivo la ceramica piezoelettrica, perché, nonostante la possibilità di utilizzo di altri materiali, per motivi sia tecnologici che di costo, la stragrande maggioranza dei trasduttori (ed in particolare i proiettori) in uso in acustica subacquea, sono basati sulle piezoceramiche.
I requisiti di specifica generalmente richiesti per un trasduttore sono: • Frequenza di risonanza • Larghezza di banda • Potenza d’uscita • Source Level • Rendimento elettroacustico • Sensibilità in ricezione • Dimensioni • Peso
• Resistenza alla pressione statica
Una volta che l’utente ha definito con precisione le richieste di specifica, il progettista decide quale tipo di trasduttore prendere in esame. Va sottolineato che non esiste un metodo quantitativo di confronto tra i diversi meccanismi di trasduzione. Spesso è utilizzato come parametro di confronto dei proiettori il rapporto tra potenza d’uscita e peso complessivo del trasduttore, ma così facendo si trascurano inevitabilmente parametri importanti come larghezza di banda, rendimento, affidabilità.
Sensibilità e Risposta in trasmissione di un trasduttore
Sensibilità (o risposta in Ricezione) e Risposta in Trasmissione sono tra i parametri di maggiore utilizzo per la valutazione delle caratteristiche di un trasduttore. I trasduttori elettroacustici sono caratterizzati, in ricezione, dalla sensibilità (S) = tensione elettrica generata, rapportata alla pressione incidente (normalmente espressa in µPa). In caso di trasduttore direttivo il valore è riferito alla direzione di massima irradiazione. La sensibilità è inoltre funzione della frequenza ed è espressa in dB//V/ µPa. L’andamento tipico della sensibilità di un idrofono piezoceramico è:
In trasmissione il parametro caratterizzante un trasduttore è la sua risposta in trasmissione. Essa è chiamata in altri vari modi: Livello indice, Source Level, TRTV (Transmission to Voltage Ratio). A parte il caso TRTV, è sempre bene controllare se la risposta è riferita ad 1 Volt o ad una tensione diversa o talvolta alla potenza. La risposta in trasmissione è espressa in dB//µPa/V ad 1 m. L’andamento tipico di una risposta in trasmissione di un trasduttore piezoceramico è:
Facendo alcuni esempi di trasduttori abbiamo:
• Trasduttore per misure di rumore ambiente e/o di trasmissioni acustiche.
Trasduttore usato normalmente come idrofono. Utile per ricevere segnali deboli, ad esempio rumore ambientale marino dove si usano idrofoni preamplificati a basso rumore elettronico. Nella figura, solo come esempio, l’idrofono è costituito da uno stack di cilindretti. L’eventuale preamplificazione a basso rumore è integrata nell’idrofono.
• Trasduttore sferico
Può essere usato sia in trasmissione che in ricezione. È costituito da due semisfere metallizzate internamente ed esternamente. Questo tipo di trasduttore garantisce la omnidirezionalità.
• Trasduttore tipo Tonpilz
Dal tedesco suono + fungo, costituito da una parte sensibile, compresa tra 2 masse di cui una radiante ed una idealmente ferma, è normalmente usato insieme ad altri per formare un array per Sonar e Teste Acustiche di Siluri. Il trasduttore è ancorato ad un supporto meccanico (piastra porta trasduttori) tramite un sistema che lo disaccoppia dinamicamente ed interfacciato con il mezzo di trasmissione tramite una apposita resina, detta finestra acustica.
La finestra acustica, normalmente ottenuta con processi di colata e polimerizzazione, possiede, con, una certa approssimazione, la stessa impedenza dell’acqua di mare. Lo scopo è quello di «far vedere» al trasduttore il mezzo di propagazione pur mantenendo la necessaria ermeticità. La parte del trasduttore a contatto con la finestra acustica è detta massa anteriore e ad essa è demandato il massimo della vibrazione sia quando il trasduttore è in trasmissione sia quando è in ricezione. Il «motore» del trasduttore è costituito da uno stack di ceramiche, normalmente anelli. Completa il trasduttore un
Tra le altre tipologie di trasduttori elettroacustici subacquei, quelli particolarmente adatti all’utilizzo in bassa frequenza sono:
Free-Flooded Ring (FFR) Ampia banda di frequenza grazie alla risonanza di cavità (Helmholtz). Possibilità di impiego a profondità praticamente illimitate.
Flextensional Elevata potenza acustica con trasduttori piccoli nei confronti della lunghezza d’onda. Soffrono la pressione idrostatica se non compensati.
Progettazione di trasduttori
Vari e di complessità diversa sono gli strumenti di calcolo a disposizione del progettista al fine di determinare le caratteristiche più importanti di un trasduttore e quindi dimensionare i particolari che lo compongono al fine di ottimizzare il comportamento. Essi si distinguono di norma in modelli per idrofoni ed in modelli per proiettori, anche se tale distinzione spesso non è sostanziale in quanto uno stesso modello, con piccole varianti, può rappresentare sia un proiettore che un idrofono. I modelli di calcolo si differenziano in funzione della particolare configurazione di trasduttore cui si riferiscono ed inoltre per la accuratezza con cui lo rappresentano.
Modelli a parametri concentrati
In tali modelli le masse sono rappresentate in elementi di pura massa e la rigidità della ceramica è rappresentata in un elemento puramente elastico; l’approccio è semplice (oscillatore meccanico semplice - 1 solo grado di libertà) ma la precisione ottenibile non è sempre sufficiente, in particolare a frequenze elevate e comunque lontane dalla frequenza di risonanza. Non si evidenziano eventuali frequenze “spurie” dovute a modi di vibrazione diversi dal principale
Modelli a linee di trasmissione (TLM)
Utilizzando tali modelli, il trasduttore è considerato come una successione di strati fisici omogenei costituiti da tratti di linea cui si applicano le relative equazioni. Il modello è tanto più valido quanto più ogni sezione trasversale (all’asse longitudinale) presenta in tutti i suoi punti un movimento di ampiezza (e fase) costante. La precisione è, di norma, buona e generalmente sufficiente a descrivere il comportamento del trasduttore. L’approccio non è particolarmente complesso. Anche con questo modello non si colgono frequenze “spurie”.
Modelli ad elementi finiti (FEM - BEM)
In tali modelli, tutte le parti del trasduttore, compresa la parte ceramica, vengono considerate costituite da un numero sufficientemente grande di elementi (in relazione alla frequenza di analisi) di cui è possibile determinare lo stato di deformazione e tensione. La simulazione è tale da descrivere, con sufficiente affidabilità e precisione il reale comportamento del trasduttore. L’approccio è relativamente complesso e richiede, oltre la disponibilità di programmi dedicati come ad esempio il programma ad elementi finiti ANSYS od il programma PZFlex, anche la presenza di personale esperto nella gestione di tali programmi. La conoscenza dettagliata dei parametri fisici dei vari
Bisogna notare poi che per la completa definizione delle prestazioni elettroacustiche ottenibili da un trasduttore, come ad esempio la sua ammettenza e le sue risposte in trasmissione e ricezione, è necessaria anche la determinazione della sua impedenza di carico, dovuta alla impedenza caratteristica del mezzo di propagazione ed alla sua particolare struttura. Anche per la valutazione dell’impedenza di carico sono disponibili vari modelli che si distinguono per il tipo di trasduttore (sferico, cilindrico, pistone, array piani, ecc.). Di norma gli algoritmi di calcolo sono rappresentati da espressioni matematiche, anche se, in alcuni casi, il calcolo viene eseguito mediante analisi ad elementi finiti.
Il primo passo nella progettazione di un trasduttore per sonar è quello di definire, in base alla applicazione a cui è destinato, la configurazione di massima. In un array sonar attivo, il tipo di trasduttore più adatto, nella banda 2-60 kHz risulta quello a pistone (Tonpilz).
L’effetto delle masse sulla catasta ceramica è quello di abbassare la frequenza di risonanza e di allargare la banda di frequenza. Per frequenze inferiori a 2 kHz la lunghezza d’onda in acqua è tale che un trasduttore a pistone non può più avere le dimensioni sufficienti per presentare un buon carico acustico ed una buona efficienza.
In questo range di frequenza risultano più adatte altre tipologie di trasduttori tipo i trasduttori flessoestensionali, cilindri in funzionamento free-flooded od i segmented ring.
Tornando al trasduttore a pistone o Tonpilz, esso è composto essenzialmente da:
• Una massa vibrante anteriore in lega leggera di alluminio o di altri materiali come il titanio od il magnesio. (La forma della massa anteriore, che presenta un’ampia superficie radiante, contemporaneamente ad un minimo volume -e quindi minimo peso- è quella a tronco di cono; a questa forma va però aggiunto un tratto cilindrico per mantenere rigida la superficie vibrante)
• Uno stack ceramico intermedio, normalmente costituito da anelli ceramici e polarizzato longitudinalmente, in materiale tipo PZT4 o PZT8. Il numero degli anelli è, di norma 2 o 4 o 6, pur potendo risultare assai superiore per applicazioni a bassa frequenza. Le ceramiche risultano meccanicamente in serie ed elettricamente in parallelo.
• Un certo numero di elettrodi, per portare la tensione di eccitazione sugli anelli ceramici, ovvero per prelevare il segnale (in ricezione). Il materiale di tali elettrodi è normalmente bronzo fosforoso con argentatura o doratura superficiale.
• Una massa inerziale posteriore in materiali ad elevata impedenza meccanica tipo bronzo, acciaio o tungsteno.
• Un certo numero di giunzioni in adesivo rigido fra gli anelli ceramici, gli elettrodi, le masse. Nelle giunzioni, per assicurare la conduzione, può essere impiegato, in piccola parte, anche un adesivo conduttivo.
• Un perno centrale in acciaio speciale od in un metallo ad elevata resistenza (esempio lega di titanio), ma a basso modulo elastico, che assicuri la precompressione statica assiale, funzione in particolare della potenza trasmessa e del particolare carico acustico. Durante il ciclo di vibrazione, la catasta piezoelettrica è soggetta a trazione; poiché i materiali ceramici sono scarsamente resistenti a trazione, è necessario evitare che le ceramiche lavorino in tale condizione; ciò può essere ottenuto inserendo il perno di prestressaggio che applichi una forza di compressione maggiore del picco di tensione dinamica del segnale in modo tale che la ceramica lavori sempre in compressione.
• Deve essere inoltre considerato un elemento di vincolo alla struttura esterna; tale elemento è, di norma, realizzato mediante un materiale “pressure release” interposto tra la massa posteriore e la stessa struttura; un altro tipo di vincolo può essere costituito da un filtro meccanico interposto fra struttura e massa
