Attività del laboratorio di acustica subacquea e ultrasuoni · L Di Giambattista, P Grimaldi, I...

CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHEISTITUTO DI ACUSTICA E SENSORISTICA“O. M. CORBINO”

Attività del laboratorio di acustica subacquea e ultrasuoni

Novembre 2010

CNR-IDASC – Istituto di Acustica e Sensoristica “O. M. Corbino”Area della Ricerca di Roma 2 Tor Vergata

Via Fosso del Cavaliere 100 – 00133 Romatel: 06 4548 8482 – fax: 06 4548 8061

[email protected] – www.idasc.cnr.it

CNR-IDASC: ultrasuoni nov 2010 1

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GENERALITÀ SUL LABORATORIO

Il laboratorio di acustica subacquea delll'istituto CNR-IDASC nasce alla fine degli anni '90 come primo laboratorio metrologico esistente in Italia dedicato all'acustica subacquea, sia per le applicazioni marine sia per le applicazioni degli ultrasuoni in acqua nei settori industriale, medico e biologico.

Il laboratorio è collocato all'interno dell'area della ricerca del CNR di Roma Tor Vergata, in un edificio indipendente di 200 m2 circa che ospita una vasca di dimensioni 6 m x 4 m x 5,5 m. Le pareti della vasca non sono trattate acusticamente il che rende la vasca sostanzialmente riverberante. Mediante le consuete tecniche ad impulsi ('pulse-echo') è possibile effettuare misure acustiche per frequenze a partire da 2-3 kHz (per trasduttori con basso fattore Q).

La vasca è dotata di un sistema di posizionamento servoassistito basato su due carrelli con escursione X-Y (di cui uno anche con escursione di 25 cm lungo la verticale Z) e rotazione degli assi con motori passo-passo e lettura dell'angolo tramite encoder.

In una delle pareti sono praticate due finestre ottiche (una con diametro 50 cm e l'altra con diametro 8 cm trattata antiriflesso) ad una profondità di circa 2,5 m utilizzabili per esperimenti di vibrometria o cinematografia veloce. Ad esse si accede tramite un apposito locale tecnico attrezzato adiacente alla vasca.

Oltre alla vasca principale sono disponibili, per misure negli ultrasuoni con frequenze a partire da circa 500 kHz, altre vasche con dimensioni fino a 0,3 m x 0,4 m x 1,2 m dotate di meccanismi di scansione sui tre assi X,Y,Z.


Da sinistra a destra: vista d'insieme del locale vasca; oblò per riprese di cinematografia veloce; misure su trasduttori ad ultrasuoni.


DOTAZIONE STRUMENTALE PER ATTIVITÀ METROLOGICHE

La dotazione di strumenti di misura comprende preamplificatori a basso rumore e amplificatori di potenza per trasduttori piezoelettrici con gamma di frequenze da 0 Hz a 5 MHz.

Due idrofoni campione sono tarati da 5 kHz a 500 kHz (quello di prima linea con riferibilità all'istituto metrologico primario inglese NPL). Completano la gamma diversi idrofoni e trasduttori di lavoro per frequenze fino a 500 kHz, più un idrofono ad ago (diam. 0,5 mm) per frequenze da circa 200 kHz a 20 MHz.

Le tarature e prove su idrofoni e trasduttori elettroacustici subacquei sono realizzabili mediante doppia catena di misura:

• integrata nel sistema di taratura Reson ACS9060, per misure di sensibilità in trasmissione/ricezione, impedenza, direttività, per frequenze da 2-3 kHz a 5 MHz;

• a componenti discreti per tarature di idrofoni conformi alla norma IEC 60565:2006, in accordo con UNI EN ISO/IEC 17025:2005 (competenze dei laboratori di taratura) e UNI EN ISO/IEC 10012:2004 (conferme metrologiche), per frequenze da 5 kHz a 300 kHz.

Il laboratorio ha ottenuto per il quadriennio 2006-2010 l'accreditamento come centro di taratura per idrofoni dall'ente nazionale di accreditamento per i centri di taratura (all'epoca denominato SIT - Servizio di Taratura in Italia). I metodi accreditati sono il metodo del confronto (incertezza ±1,0 dB) ed il metodo della reciprocità (incertezza ±0,6 dB).


Esempi di risultati di tarature di idrofoni: misure di sensibilità in ricezione (a sinistra) e di direttività (a destra)


ATTIVITÀ DI RICERCA: STUDIO DELLA DINAMICA DI BOLLE

Tra le tecniche utilizzate per produrre impulsi acustici di grande potenza, inizialmente per le prospezioni marine e successivamente riprese nei primi esempi di apparecchi medici per il trattamento non invasivo dei calcoli mediante ultrasuoni (litotritori), vi è quella della cosiddetta implosione di bolla generata da una scarica elettrica ('sparker').

Il laboratorio studia sperimentalmente i processi di generazione, crescita e implosione di bolle di vapore prodotte da scariche elettriche in acqua attraverso la registrazione simultanea degli impulsi prodotti per via acustica e per via ottica nelle bande del visibile, dell'ultravioletto e dell'infrarosso vicino, correlando i dati così ottenuti con immagini registrate mediante cinematografia veloce. L'obiettivo è di individuare le condizioni ottimali per ottimizzare l'efficienza acustica di tali dispositivi.


Fotogramma di un video della dinamica della bolla (a sinistra) e setup sperimentale in uso (a destra)


ATTIVITÀ DI SERVIZIO: CARATTERIZZAZIONE DI TRASDUTTORI PER ULTRASUONI

Il laboratorio svolge attività per conto di committenti esterni riguardanti la caratterizzazione del campo ultrasonoro emesso da trasduttori operanti a frequenze intorno a 40 kHz (per applicazioni nei trattamenti estetici) e intorno a 1 MHz (per applicazioni fisioterapiche).

Nel caso di frequenze dell'ordine di 1 MHz le misure sono in accordo con le direttive della norma CEI EN 61689:2009, per quanto attiene alla determinazione delle grandezze ERA (area di radiazione efficace) e BNR (rapporto di nonuniformità del fascio).

Per frequenze inferiori a 500 kHz nella vasca principale da 6 m sono possibili misure riferibili al campione primario mediante l'utilizzo degli idrofoni tarati. Tali misure consentono di ottenere pressione (e intensità nell'approssimazione di onda piana) in campo libero al variare della posizione o dell'angolo di emissione rispetto all'asse primario, ed è quindi possibile caratterizzare il fascio prodotto sia mediante scansioni lineari o planari sia attraverso la funzione di direttività.

Per fornire ai committenti un servizio completo integrando le misure sul campo acustico di propria competenza, il laboratorio collabora inoltre con l'INRiM – Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica, che fornisce il servizio di misura di potenza ultrasonora totale con riferibilità al campione primario.


Caratterizzazione di trasduttori per applicazioni fisioterapiche operanti alla frequenza di 1 MHz: setup sperimentale (sinistra), esempio di scansione planare del fascio acustico (destra).


PRINCIPALI PUBBLICAZIONI RECENTI

G. B. Cannelli, S. Buogo, P. Calicchia, A hydrophone calibration centre for the Mediterranean area, ACOUSTICS‘08 PARIS.

S. Buogo, J. Plocek, K. Vokurka, Efficiency of energy conversion in underwater spark discharges and associated bubble oscillations: experimental results, Acta Acustica united with Acustica, Vol. 95, N. 1 (2009), 46-59.

Buogo S., Vokurka K.: Intensity of oscillation of spark-generated bubbles. Journal of Sound and Vibration 329, 20, 4266-4278, (2010).

L Di Giambattista, P Grimaldi, I Udroiu, D Pozzi, G Cinque, M D Frogley, A M Cassarà, A Bedini, C Giliberti, R Palomba, S Buogo, A Giansanti and A Congiu Castellano , The Ultrasound effects on non tumoral cell line at 1 Mhz therapeutic frequency , Proc. AMUM Conference, Teddington, 2010 (J. Physics, Conference Series).



CONTATTI

(dominio = idasc.cnr.it)

Laboratorio di acustica subacquea e ultrasuoni:

Giovanni Bosco Cannelli giovannibosco.cannelli@dominio

Paola Calicchia paola.calicchia@dominio

Sergio Iarossi sergio.iarossi@dominio

Silvano Buogo silvano.buogo@dominio

Segreteria istituto: segreteria@dominio

Tel. 06 4548 8482

Fax 06 4548 8061

Sede: Area della Ricerca CNR di Roma 2 Tor Vergata

Via Fosso del Cavaliere 100 – 00133 Roma

www.idasc.cnr.it


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