Note tecniche per l’impiego dei trasduttori piezoelettrici

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lezione
Note tecniche per l’impiego dei trasduttori piezoelettrici
Tipo di risorsa Tipo: lezione
Materia di appartenenza Materia: Studio delle basi idrofoniche
Avanzamento Avanzamento: lezione completa al 100%.

La teoria generale relativa ai trasduttori piezoelettrici è molto complicata ed indirizzata prevalentemente agli specialisti di elettroacustica per i progetti industriali.

In questa lezione faremo soltanto cenno a quella parte della teoria che interessa gli utilizzatori finali di tali componenti.

Il circuito equivalente di un trasduttore piezoelettrico[modifica]

Il circuito equivalente di un trasduttore piezoelettrico in acqua è riportato, a solo scopo illustrativo, in figura 1:

76dtc1.jpg

In essa si possono osservare i diversi parametri caratteristici del dispositivo dipendenti, sia dalla struttura puramente elettrica, sia da quella meccanica:

Per la parte elettrica:

  • sono rispettivamente la capacità del trasduttore e le sue perdite definite come ammettenza bloccata (caratteristica del trasduttore in aria).

Per la parte meccanica sono rispettivamente:

  • - l'equivalente elettrico della rigidità meccanica
  • - l'equivalente elettrico della massa meccanica
  • - l'equivalente elettrico della resistenza meccanica interna
  • - l'equivalente elettrico della resistenza meccanica di radiazione

I sei parametri caratterizzano la frequenza di risonanza in acqua del trasduttore; l'insieme di questi è sintetizzato da due funzioni, che definiscono completamente il trasduttore in acqua.

Le due funzioni possono essere espresse in diversi modi secondo dei casi; ad esempio:

  • tramite un circuito parallelo
  • con un circuito serie
  • con un cerchio d'impedenza
  • con un cerchio d'ammettenza

Nello sviluppo della lezione prenderemo in esame, come utilizzatori finali del trasduttore, le funzioni in oggetto utilizzando le diverse forme della loro rappresentazione.

I parametri utilizzati per i calcoli a seguire si riferiranno sempre al trasduttore funzionante in acqua.

Trasduttore per la trasmissione tramite generatore di tensione (I caso)[modifica]

Nel caso in cui se debba trasmettere in acqua un segnale ad una frequenza è necessario che il trasduttore sia costruito in modo che la la sua frequenza di risonanza, , coincida con

S'ipotizzi, ad esempio, che le funzioni del trasduttore, appositamente siano espresse come elementi di un circuito parallelo in cui come mostrato in figura 2:

76dtc2.jpg

Supponiamo che tramite un generatore di tensione [1], si debba pilotare un trasduttore in grado di emettere in acqua un segnale alla frequenza e che il costruttore ci fornisca tale manufatto secondo la struttura di figura 2, con le seguenti caratteristiche:

  • Emissione omnidirezionale
  • Risposta in trasmiss.

Per collegare tale trasduttore al generatore di tensione è necessario accordarlo serie alla frequenza , mediante apposita induttanza , in modo che il carico al generatore risulti soltanto resistivo .

Questa operazione richiede una successione di trasformazioni per modificare il circuito parallelo indicato dal costruttore in circuito equivalente serie accordabile con induttore serie secondo lo schema di figura 3:

76dtc3.jpg

Per la trasformazione sopra indicata dobbiamo applicare le formule relative a circuiti con :

(si veda: Manuale per la progettazione dei circuiti elettronici analogici di bassa frequenza- Tecnica applicata - in bibliografia )

dal valore di si calcola la capacità :

ed infine il valore dell'induttanza del circuito risonante serie :

Dopo l'accordo il generatore vedrà il carico di

Trasduttore per la trasmissione tramite generatore di tensione (II caso)[modifica]

Nel caso in cui se debba trasmettere in acqua un segnale ad una frequenza è necessario che il trasduttore sia costruito in modo che la sua frequenza di risonanza, , coincida con .

S'ipotizzi, ad esempio, che le funzioni del trasduttore siano espresse come elementi di un circuito serie in cui come mostrato in figura 5.

76dtc5.jpg

Supponiamo che, tramite un generatore di tensione, si debba pilotare un trasduttore in grado di emettere in acqua un segnale alla frequenza e che il costruttore ci fornisca tale manufatto secondo la struttura di figura 5, con le seguenti caratteristiche:

  • Emissione omnidirezionale
  • Risposta in trasmiss.

Per collegare tale trasduttore al generatore di tensione è necessario accordarlo serie alla frequenza , mediante apposita induttanza disposta secondo figura 6 in modo che il carico al generatore risulti resistivo pari ad .

76dtc6.jpg


Questa operazione richiede soltanto la semplice valutazione di tramite l'espressione:

Trasduttore per trasmissione tramite generatore di corrente[modifica]

S'ipotizzi, ad esempio, che le funzioni del trasduttore siano espresse ancora come elementi di un circuito parallelo in cui come mostrato nella ripetizione di figura 2:

76dtc2.jpg

Supponiamo che, tramite un generatore di corrente [2], si debba pilotare un trasduttore in grado di emettere in acqua un segnale alla frequenza e che il costruttore ci fornisca tale manufatto secondo la struttura di figura 2, con le seguenti caratteristiche:

  • Emissione omnidirezionale
  • Risposta in trasmiss.

Per collegare tale trasduttore al generatore di corrente è necessario accordarlo parallelo alla frequenza , mediante apposita induttanza disposta secondo figura 4 in modo che il carico al generatore risulti resistivo pari ad .

76dtc4.jpg


Questa operazione richiede soltanto la semplice valutazione di tramite l'espressione:

Trasduttore per la ricezione omnidirezionale di una banda di segnali[modifica]

Nel caso in cui, ad esempio, se debba ricevere in acqua una banda di segnali acustici compresa tra è necessario che il trasduttore sia costruito in modo che la la sua frequenza di risonanza, , sia più elevata di .

Anche in questo caso le funzioni del trasduttore possono essere espresse come elementi di un circuito parallelo come mostrato in figura 2.

76dtc2.jpg

Supponiamo che la banda dei segnali sia compresa tra ed il costruttore ci fornisca un trasduttore piezoelettrico con le seguenti caratteristiche:

  • Ricezione omnidirezionale
  • Sensibilità = costanti nella banda compresa tra

Il trasduttore fornito può essere collegato direttamente all'ingresso non invertente di un'amplificatore operazionale a basso rumore senza necessità di rifasamento.

Trasduttore definito tramite cerchio d'impedenza[modifica]

Nel caso in cui il trasduttore piezoelettrico sia definito tramite il cerchio d'impedenza, quale ad esempio quello riportato in figura 7 con , si devono estrapolare da esso per l'utilizzo con i generatori specifici ( di tensione o di corrente ) per applicare , in base al tipo, il metodo di rifasamento idoneo.

figura 7


Dal diagramma si ricavano alla frequenza di risonanza :

relativi ad una configurazione parallelo del tipo mostrato in figura 2.

La configurazione parallelo può essere trasformata in configurazione serie con un processo simile a quello relativo alla figura 3.

Il cerchio d'impedenza definisce le caratteristiche del trasduttore in tutto il campo di frequenza che gli è proprio consentendone l'impiego, in base alle necessità, a qualsiasi frequenza facente parte del campo stesso.

Trasduttore definito tramite cerchio d'ammettenza[modifica]

Nel caso in cui il trasduttore piezoelettrico sia definito tramite il cerchio d'ammettenza, quale ad esempio quello riportato in figura 8 con , si devono estrapolare da esso per l'utilizzo con il generatore specifico ed applicare il metodo di rifasamento idoneo.

fogura 8


Per estrapolare dal diagramma , secondo la configurazione parallelo, alla frequenza di risonanza si deve osservare che:

  • la suscettanza è espressa in micromhos [3]
  • la conduttanza è espressa in micromhos

secondo la configurazione parallela.

Alla frequenza di risonanza si legge:

  • conduttanza = micromhos: pari a
  • suscettanza = micromhos: pari a

Trasformando, con la procedura vista in precedenza si ha:

Il cerchio d'ammettenza definisce le caratteristiche del trasduttore in tutto il campo di frequenza che gli è proprio consentendone l'impiego, in base alle necessità, a qualsiasi frequenza facente parte del campo stesso.

note[modifica]

  1. Generatore con resistenza interna idealmente zero.
  2. Generatore con resistenza interna idealmente infinita

Bibliografia[modifica]

G. Pazienza, Fondamenti della localizzazione marina, La Spezia, Studio grafico Restani, 1970.

International Transducer Corporation, Catalog of underwater sound transducers, Califonia, 1970