Ultrasuono e proprietà piezoelettrica

Non potremmo ottenere ultrasuoni se non esistesse il fenomeno piezoelettrico.
Tale fenomeno è la conversione di energia meccanica in elettrica e viceversa. Alcuni materiali in natura, come i cristalli, o prodotti artificialmente, hanno la caratteristica che se sottoposti a campi elettrici, orientano le loro caratteristiche elettriche (mediante l’orientamento degli assi polari), generando energia meccanica, (deformazione, vibrazione). Oppure se compressi o deformati generano differenze di potenziali agli estremi.

All’inizio dell’applicazione dell’ultrasuono si usavano cristalli naturali, oggi si producono materiali artificiali tramite la tecnica di incollaggio di polveri ad elevata pressione e temperatura, (sinterizzazione).

Trasduttore

Il trasduttore nelle sonde a ultrasuoni è quindi il piezo, elemento di materiale con caratteristiche piezoelettriche.
La sua frequenza di oscillazione è proporzionale al suo spessore.
Viene argentato su entrambi le superfici per favorire la conduzione elettrica.

Supporto

Nonostante il trasduttore sia il piezo, la tecnoclogia maggiore della sonda è contenuta nel supporto.

Questo deve avere capacità assorbenti e smorzanti.
Innanzitutto non deve restituire echi al piezo altrimenti si originerebbero dei disturbi non legati al campione ma alla morfologia della sonda, poi deve avere la caratteristica di tagliare le oscillazioni ad un determinato livello di queste, quando diverrebbero inefficaci o inutili.

Il piezo che riceve e trasmette deve farlo in fase, in quanto gli echi di partenza non possono esser emessi fino a che un eco riflesso non sia letto. Per questo in aiuto alla fasatura elettrica interviene lo smorzamento e il taglio da parte del supporto, delle oscillazioni iinutilizzabili. Un supporto può essere ad alto, medio o basso smorzamento.
Alto smorzamento – buona risoluzione e riduzione della zona morta.
Basso smorzamento – buona penetrazione.

La zona morta è una zona che si trova nel campo prossimo (vedremo più avanti) che non permette di misurare spessori troppo bassi.

Incollaggio

Supporto e piezo vengono incollati fra loro.
Avremo un incollaggio fra il piezo e il supporto e un incollaggio fra il piezo e la protezione. Se gli incollaggi non sono buoni si hanno disturbi che possono però esser verificati in sede di caratterizzazione della sonda, sopratutto quelli che generano deformazione del fascio.

Protezioni

Le protezioni evitano l’abrasione e il consumo del piezo durante lo sfregamento sul campione Esistono diversi tipi di protezione a seconda dell’applicazione.

Lattice – sonde per contatto
Plaxiglass - sonda per contatto
Lacca – solo sonde ad immersione, garantiscono che sia stagna.
Ceramica – sono integrate alla sonda

Conettori

I conettori non sono standard e le sonde possono collegarsi con BNC, micro BNC, LEMO, micro LEMO. Le sonde immerse hanno collegamenti stagni di tipi UHF.
Esistono poi riduttori da uno standard all’altro per poter usare qualunque prodotto con qualunque strumento.

Materiali

I cristalli utilizzati agli albori dell’analisi ultrasonora creavano problemi di estrazione, raffinazione e sopratutto di taglio.

Con l’avvento di piezoelettrici industriali oltre a superare queste difficoltà si sono ottenute caratteristiche superiori.
Resta comunque un limite per qualunque piezo elettrico: la temperatura di Curie, oltre la quale il piezo perde irreversibilmente tutte le proprie caratteristiche.
I prodotti più usati oggi sono costituiti da ceramiche.
Alle polveri sinterizzate si conferiscono le caratteristiche piezoelettriche mediante specifici processi.
Il punto di Curie nelle ceramiche è più basso che nei cristalli naturali.

Materiali piezoelettrici

Titanato di Bario*
Solfanato di Litio*
Metagnobato di Bario
Zirconato di Bario
Zirconato di Piombo

*sono i più comuni

Titanato di Bario

E’ un buon trasmettitore e costituisce il piezo delle sonde a contatto
B2S è la sigla di una sonda al titanato di Bario
B= titanato di Bario
S= tipo di sonda=Trasmettitore/Rivcevitore
Il Titanato di Bario invecchia e le sonde perdono con il tempo la loro efficienza.

Solfato di Litio

Ottimo ricevitore costituisce il piezo delle sonde ad immersione.
E’ solubile in acqua, quindi le sonde devono esser perfettamente protette e stagne