Controllo fluidi con gli ultrasuoni nei sistemi automotive

In ambito automotive esistono diversi tipi di fluidi (carburante, olio motore, liquido di raffreddamento, liquido lavavetri, e altri ancora) che richiedono un monitoraggio dello stato o del consumo utilizzando dei metodi non invasivi, sicuri, ed affidabili. Scopriamo in questo articolo la tecnica probabilmente più diffusa per questo tipo di applicazioni, basata sulle proprietà fisiche degli ultrasuoni

Gli ultrasuoni

Gli ultrasuoni sono del tutto simili alle comuni onde sonore, in quanto entrambi viaggiano  e si propagano attraverso un determinato mezzo materiale. In particolare, gli ultrasuoni sono rappresentati da onde sonore di elevata frequenza, non percettibili dall'orecchio umano. La frequenza degli ultrasuoni è infatti normalmente al di sopra dei 20 kHz, mentre la massima frequenza udibile da un essere umano è proprio pari a circa 20 kHz. Tuttavia, alcune specie animali (come ad esempio i pipistrelli, ma anche i delfini e le balene) sono in grado sia di sentire che di generare onde sonore di alta frequenza come gli ultrasuoni. Potremmo anche affermare che esiste un'analogia tra gli ultrasuoni e la luce ultravioletta, nel senso che entrambi appartengono a una regione dello spettro acustico e luminoso, rispettivamente, non accessibili alla percezione degli esseri umani. In Figura 1 possiamo osservare un diagramma in cui sono riportati i range di frequenze udibili da alcune specie animali e dagli esseri umani.

Figura 1: range di frequenze udibili da alcune specie animali e dall'uomo

Quando le onde sonore si propagano attraverso l'etere, viene prodotta una vibrazione nelle particelle presenti nell'aria, che provoca anche una variazione della densità e della pressione delle stesse lungo la direzione di moto dell'onda. La velocità del suono viene definita come la variazione della posizione di queste particelle rispetto al tempo. Le onde sonore, e quindi anche gli ultrasuoni, possono propagarsi soltanto all'interno di un mezzo materiale: la velocità di propagazione dell'onda sonora (o, viceversa, il suo grado di attenuazione) dipende proprio dalle differenti caratteristiche dei materiali in cui può propagarsi. In particolare, la velocità delle onde sonore in un mezzo materiale dipende dalla comprimibilità e dalla densità del mezzo stesso. Se il mezzo è un liquido oppure un gas con modulo di compressione K e densità ρ, la velocità delle onde sonore v nel fluido è ottenibile tramite la seguente formula:

L'espressione generale della velocità di tutte le onde meccaniche in un determinato materiale è invece data dalla seguente formula:

La velocità del suono varia al variare della temperatura. La velocità del suono nell'atmosfera, alla temperatura di 0°C, è pari a 331,45 m/s, mentre il suo valore in funzione della temperatura può essere determinato tramite la seguente equazione:

dove varia rappresenta la velocità del suono nell'aria (in metri al secondo), t è la temperatura dell'aria in gradi Celsius, v0 è la velocità a 0 °C, e k è il tasso di variazione della velocità rispetto alla temperatura (pari a circa 0,607 m/s per ogni grado centigrado di variazione della temperatura). In Tabella 1 sono elencati alcuni materiali e le rispettive caratteristiche legate alla velocità degli ultrasuoni. Il fattore di impedenza caratteristico (Ns/m3) rappresenta la resistenza alla propagazione degli ultrasuoni in un determinato mezzo.

Materiale Temperatura (°C) Densità (kg/m3) Velocità del suono (m/s) Impedenza acustica caratteristica (Pa·s/m)
Aria 0 1,293 331,45 429
Argon 0 1,783 319 569
Elio 0 0,178 965 172
Ossigeno 0 1,429 316 452
Azoto 0 1,251 334 418
Ammoniaca 0 0,771 415 320
Acqua 20 998 1483 1,48·106
Gasolio 20 800 1250 1,0·106
Mercurio 20 13500 1451 19,6·106
Alcol metilico 20 720 1120 0,89·106
Alcol etilico 20 790 1159 0,92·106
Etere etilico 20 714 1006 0,72·106
Glicerina 20 1228 1895 2,33·106
Acetone 20 794 1189 0,94·106
Olio 20 890 1425 1,27·106

Tabella 1: velocità del suono e impedenza acustica caratteristica di alcune sostanze gassose e liquide

L'effetto piezoelettrico

La generazione degli ultrasuoni è del tutto simile alla generazione di un'onda sonora udibile, come quella prodotta da un comune altoparlante. Il diaframma dell'altoparlante viene infatti comandato elettronicamente a muoversi in avanti e indietro, producendo nell'aria delle zone di maggiore o minore pressione. Nel caso della generazione di ultrasuoni, il diaframma deve oscillare avanti e indietro a una velocità molto superiore rispetto a quella delle onde sonore udibili. La frequenza e l'ampiezza delle onde sonore possono essere determinate misurando le fluttuazioni e la differenza di pressione subita dalle particelle che permettono la propagazione delle onde sonore attraverso l'aria. Il diaframma di un microfono, visibile in Figura 2, produce dei segnali elettrici che sono un'esatta replica della pressione sonora subita dal diaframma. La [...]

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 9 febbraio 2018

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