SOFTWARE
78
progettare 374
•
SETTEMBRE
2013
Si potrebbe quasi affermare che
in Esaote conosciamo i materiali
meglio di quanto li conoscano i
fornitori stessi.
Con un modello di simulazione,
comunque, siamo in grado di ana-
lizzare i cambiamenti che si verifi-
cano sia nei materiali sia nel fun-
zionamento delle sonde. Comsol
Multiphysics ha semplificato il
nostro lavoro, perché consente di
effettuare analisi specifiche sulle
interazioni acustico-strutturali, con
la possibilità di includervi anche
altre fisiche accoppiate. Il vantag-
gio maggiore è che un modello
realizzato con Comsol fornisce in
un mese risultati che altrimenti
richiederebbero un anno di lavoro
e la realizzazione di molti prototipi.
Tra gli aspetti che stiamo esami-
nando, per esempio, vi è il modo
in cui gli strati meccanici nelle
sonde influenzano l’ampiezza della
banda. Possiamo modificare molti
aspetti del processo produttivo e
verificare facilmente se gli aspetti
geometrici, come lo spessore del-
lo strato ceramico o degli strati
epossidici di adattamento acustico,
sono ottimali per gli obiettivi che
ci poniamo. In aggiunta, il modello
consente di simulare importanti
proprietà della sonda, come le sue
caratteristiche direzionali e la sua
capacità di beam steering. Una vol-
ta individuato il modo per ottimiz-
zare queste proprietà, possiamo
chiedere ai produttori di modificare
il prodotto di conseguenza oppure
possiamo introdurre delle modifi-
che al progetto della sonda.
Il primo modello ha fornito una
chiara immagine delle proprietà
dei materiali utilizzati e ha con-
sentito di riconoscere facilmente
gli effetti di ciascuna di esse sul-
la performance dei trasduttori. Il
modello teneva conto dello studio
del materiale piezoelettrico e degli
elementi critici da considerare nelle
fasi produttive di un trasduttore,
simulandone l’impedenza elettrica
e il livello della pressione nella re-
gione di campo lontano. Le simula-
zioni includevano anche uno strato
di accoppiamento davanti al disco.
Questo strato è importante perché,
proprio come in un sistema elettri-
co le impedenze devono essere ac-
coppiate per trasferire la massima
potenza, così avviene anche per il
trasferimento di potenza acustica
dal disco piezoelettrico al corpo
umano. Questo tipo di impedenza
acustica è misurata in Mrayls. In
questo caso, il materiale ceramico
ha un’elevata impedenza acustica
(30 Mrayls), mentre il materiale
biologico ha un valore basso (1,5
Mrayls).
Abbiamo constatato che le pro-
prietà elastiche, piezoelettriche e
dielettriche dei materiali sono tut-
te ugualmente fondamentali nel
determinare il comportamento del
trasduttore.
Ciò significa che questi parametri
non possono essere semplificati
nel modello completo della sonda.
La concordanza tra le misurazioni
effettuate nei test e i risultati delle
simulazioni era buona per l’intera
gamma di frequenza, in particolare
sia le frequenze di risonanza sia
quelle di antirisonanza sono state
simulate con un margine di errore
inferiore al 3% circa. Questo ha
rafforzato la fiducia nelle tecniche
utilizzate per modellare questo tipo
di applicazione.
Inoltre, esaminando l’elemento
smorzante posteriore del trasdut-
tore (backing), è stato scoperto
che anche i parametri elastici di
quest’ultimo influenzano la rispo-
sta dell’impedenza elettrica del tra-
sduttore. In questo primo modello
si è usato una specifica funzionalità
di Comsol per il trattamento delle
condizioni al contorno (PML) per
ridurre il tempo di calcolo e la
memoria richiesti. Per i trasduttori
Il modello Comsol mostra come la lente in silicone permette al fascio di ultrasuoni di essere guidato o
direzionato.
