BREVE RASSEGNA DEI METODI DI MISURA DELLA VELOCITÀ DELLA SUONO

Le metodologie sperimentali per la misura della velocità del suono possono schematicamente essere distinte in tecniche a stato stazionario, caratterizzate dall’uso dell’emissione continua dalla sorgente di un’onda stazionaria, e tecniche impulsate o transienti, nelle quali l’eccitazione non è costante nel tempo.

Il primo tipo di metodologia sfrutta il fenomeno delle onde stazionarie che si formano all’interno di una cavità acustica di geometria semplice con misurazioni nel dominio della frequenza o del numero d’onda, il secondo si basa sulle proprietà delle onde viaggianti con misurazioni nel dominio del tempo.

La scelta fra questi due possibili metodi sperimentali dipende principalmente dallo stato termodinamico del fluido preso in esame. Poiché le onde stazionarie richiedono che le pareti della cavità risonante (solitamente costituita da materiali solidi) siano acusticamente riflettenti, le tecniche stazionarie si adattano meglio allo studio dei fluidi in fase gassosa. Le tecniche ad impulsi sono largamente utilizzate nelle misurazioni sui liquidi, poiché permettono di limitare fortemente l’influenza delle pareti del contenitore e richiedono sistemi semplici dal punto di vista meccanico, adatti ad applicazioni in condizioni di alta pressione statica o alta temperatura. A causa della limitazione imposta alla durata degli impulsi, gli apparati adattabili alla scala dimensionale dei normali laboratori operano a frequenze ultrasoniche (nominalmente, frequenze superiori a 20 kHz, più comunemente comprese tra 500 KHz e 1GHz). Le sorgenti utilizzate consistono generalmente in cristalli di quarzo o ceramiche sinterizzate dotate di proprietà piezoelettriche: l’applicazione di una tensione elettrica alternata provoca la produzione nella ceramica di vibrazioni meccaniche. Il trasduttore è inoltre perfettamente reversibile e può essere utilizzato anche come ricevitore (onde di pressione che agiscono sulla superficie del materiale generano una tensione alternata tra le superfici attive). La robustezza, la semplicità di funzionamento e il buon adattamento d’impedenza acustica fanno degli elementi piezoelettrici lo strumento d’elezione negli esperimenti di acustica dei liquidi. Nell’applicazione delle tecniche impulsate alla misurazione su fluidi allo stato gassoso sono invece preferibili i trasduttori a condensatore.

Qualsiasi sia la scelta del metodo sperimentale, si presenta la necessità di tener conto delle deviazioni dalle condizioni ideali che l’apparato sperimentale inevitabilmente introduce; in particolare:

- il campione di fluido su cui si eseguono le misurazioni ha estensione finita;

- sono sempre presenti fenomeni dissipativi interni che causano assorbimento;

- le sorgenti hanno estensione finita e generano fronti d’onda non perfettamente piani;

- l’interazione tra onde e pareti del contenitore comporta inevitabilmente uno scambio di calore con conseguente dissipazione di energia.

Recentemente, S. J. Ball et al. [1] hanno messo a punto una procedura che utilizza una cella per tecniche a doppio eco e un oscilloscopio digitale ad alta velocità di campionamento che permette di eseguire misurazioni di velocità del suono con un’incertezza relativa complessiva di 0,1%. Il metodo consiste nella digitalizzazione (con una risoluzione temporale di 5 ns e un’accuratezza di 40 ps) delle forme d’onda prodotte dagli echi e di un successivo processo di sovrapposizione operato tramite calcolatore sui campioni raccolti, in modo da minimizzare una opportuna funzione obiettivo. Presso il Laboratorio di Acustica Fisica dell’I.N.RI.M., è stato realizzato e viene utilizzato un apparato sperimentale che si basa su tale metodologia sperimentale [2, 3, 4].

L’incertezza relativa complessiva raggiungibile è inferiore allo 0,05%. Poiché è necessaria una complessa procedura di adattamento statistico delle forme funzionali per ottenere l’equazione di stato a partire da misurazioni della velocità dal suono (quest’ultima fornisce infatti informazioni solo sul gradiente delle superfici termodinamiche di interesse), è di capitale importanza poter contare su determinazioni sperimentali caratterizzate da bassi livelli di incertezza.

[1] S. J. Ball and J.P.M. Trusler, Int. J. Thermophys. 22:427 (2001).

[2] S. Lago, P. A. Giuliano Albo, D. Madonna Ripa, Proceedings della 17th European Conference on Thermophysical Properties, Bratislava, Slovakia, 5-8 settembre 2005 (su CD) e sottoposto alla rivista Int J. Thermophys

[3] G. Benedetto, R. M. Gavioso, P. A. Giuliano Albo, S. Lago, D. Madonna Ripa, R. Spagnolo, Proceedings del 15^th Symposium on Thermophysical Properties, Boulder, CO, USA, 22-27 giugno 2003, p. 624 e Int J. Thermophys., 26:6, p.1667-1680 (2005).

[4] G. Benedetto, R. M. Gavioso, P. A. Giuliano Albo, S. Lago , D. Madonna Ripa, R. Spagnolo, Proceedings del 15^th Symposium on Thermophysical Properties, Boulder, CO, USA, 22-27 giugno 2003, p. 656 e Int J. Thermophys., 26:6, p.1651-1665 (2005).