Come rivelare e misurare gli ultrasuoni

Lo studio degli ultrasuoni (cioè dei suoni superiori a 20 kHz di frequenza) può aprire allo scienziato dilettante un vero e proprio mondo. Sono infatti numerose le sorgenti di ultrasuoni naturali e artificiali che – per i nostri esperimenti o anche solo per divertimento – possiamo rivelare e misurare, cosa che per molti animali è del tutto naturale avendo a differenza dell’uomo una sensibilità spiccata (se non superiore) in quella gamma acustica. Questo articolo vuole essere un’introduzione generale all’argomento, propedeutica ad altri nostri articoli più specifici per le varie applicazioni pratiche e relativi esperimenti.

Gli ultrasuoni sono onde sonore con frequenze superiori al limite udibile superiore dell’udito umano, che è di circa 20 kHz (20.000 Hz) in giovani adulti sani ma di circa la metà per un uomo di mezz’età. Un ultrasuono è definito, dall’American National Standards Institute, come “suono a frequenze superiori a 20 kHz”. In aria a pressione atmosferica, le onde ultrasoniche hanno una lunghezza d’onda di 1,9 cm o inferiore. I dispositivi a ultrasuoni funzionano con frequenze da 20 kHz a diversi gigahertz.

I cosiddetti “ipersuoni”, invece, sono onde sonore di frequenze superiori a 10¹³ hertz (10 Ghz, poiché 1 GHz = 10¹² Hz). A frequenze così elevate è molto difficile che un’onda sonora si propaghi in modo efficiente: infatti, al di sopra di una frequenza di circa 1,25 × 10¹³ hertz, è impossibile che le onde longitudinali si propaghino affatto, anche in un liquido o in un solido, perché le molecole del materiale in cui viaggiano le onde non possono far passare la vibrazione rapidamente.

Lo spettro delle onde sonore.

Un pulitore a ultrasuoni in un ambiente industriale che ha prodotto un’energia significativa a 40 kHz è stato segnalato dai lavoratori causare affaticamento, rumori ronzanti e fischi dolorosi, nausea e mal di testa anche ore dopo la cessazione dell’esposizione. L’esposizione professionale agli ultrasuoni superiore a 120 dB può provocare la perdita dell’udito; quella superiore a 155 dB può produrre effetti di riscaldamento dannosi per il corpo umano ed esposizioni superiori a 180 dB possono portare alla morte.

Utilità di un misuratore di ultrasuoni: alcuni esempi

Poter rivelare – e soprattutto misurare e analizzare lo spettro – degli ultrasuoni non ha interesse solo per la tutela della salute, ma anche per ricerche scientifiche di vario tipo, giacché gli ultrasuoni sono impiegati da numerosi animali (pipistrelli, delfini, etc.) e possono essere utili anche nello studio delle piante. A tal proposito, suggeriamo il ns. articolo su come “mappare” gli ultrasuoni sentiti in casa dai cani (che trovi qui) e quello su come studiare i “lamenti” ultrasonici delle piante (che trovi qui).

Un rilevatore di perdite ad ultrasuoni, invece, consente di rilevare il suono sibilante ultrasonico. Si possono così scoprire le perdite negli impianti di condizionamento dell’aria e di refrigerazione. Avrai familiarità con il suono sibilante che fa una grande perdita. Le perdite più piccole emettono suoni, tuttavia la frequenza è troppo elevata per essere rilevata dalle nostre orecchie. Alcune perdite possono essere rilevate da diversi metri di distanza, quindi l’accesso alla perdita non è sempre necessario.

Sistema per l’ispezione tramite ultrasuoni di una grossa tubatura in PVC.

Non solo. Una nuova tecnica di violazione della privacy che traccia i consumatori attraverso l’uso dei toni ultrasonici oggi è la realtà. Questi toni quasi silenziosi non possono essere rilevati dall’orecchio umano, ma ci sono app nel tuo telefono che li ascoltano sempre. Questa tecnologia si chiama “tracciamento ad ultrasuoni cross-device” e funziona emettendo toni ad alta frequenza in pubblicità e in cartelloni pubblicitari, pagine Web e attraverso punti vendita al dettaglio o stadi sportivi.

Le app con accesso al microfono del tuo telefono possono captare questi toni e creare un profilo su ciò che hai visto, dove e in alcuni casi anche sui siti Web che hai visitato. La tecnologia è ancora agli inizi, ma sta crescendo in popolarità. Nel 2016, i ricercatori hanno scoperto 234 app Android che includono la capacità di ascoltare i toni ultrasonici “all’insaputa dell’utente”. Pertanto, è interessante esplorare l’ambiente casalingo e quello pubblico alla ricerca di questi “beacon ultrasonici”.

Alcune app possono captare gli ultrasuoni e usarli per spiarti.

Inoltre, un misuratore di ultrasuoni può essere utile per verificare la capacità lavorativa di vari dispositivi elettronici a ultrasuoni – come ad es. i repellenti per insetti, nonché di altri dispositivi di emissione di ultrasuoni – per vedere se funzionano nella gamma di frequenza appropriata. Infine, può essere prezioso per rilevare una sorta di armi ad ultrasuoni, che causano dolore fisico sfuggendo alla rilevazione umana, o per verificare la qualità dei suoni ad alta frequenza degli altoparlanti.

Le principali sorgenti naturali e artificiali di ultrasuoni

Animali come pipistrelli e focene usano gli ultrasuoni per localizzare prede e ostacoli. I pipistrelli usano una varietà di tecniche ad ultrasuoni (ecolocalizzazione) per rilevare le loro prede. Le balene dentate, compresi i delfini, possono ascoltare gli ultrasuoni e produrre e usare tali suoni nel loro sistema di navigazione (biosonar) per orientare e catturare le prede. Le focene hanno il limite uditivo superiore più alto conosciuto a circa 160 kHz. Diversi tipi di pesci possono rilevare gli ultrasuoni.

I pipistrelli sono in grado di rilevare frequenze oltre 100 kHz, possibilmente fino a 200 kHz. Molti insetti hanno un buon udito ad ultrasuoni e la maggior parte di questi sono insetti notturni in ascolto di pipistrelli ecocentrici. Questi includono molti gruppi di falene, scarafaggi, mantidi oranti e merletti. Anche le falene tigre emettono dei “clic” che possono disturbare l’ecolocalizzazione dei pipistrelli, e in altri casi gli animali possono pubblicizzare il fatto che sono velenosi emettendo del suono.

Il range uditivo in frequenza di vari animali.

Molti animali hanno la capacità di ascoltare suoni nella gamma di frequenza ultrasonica umana. Una presunta sensibilità di scarafaggi e roditori alle frequenze nella regione di 40 kHz ha portato alla produzione di cosiddetti “repellenti elettronici” che emettono suoni forti in quella gamma di frequenze per allontanare i parassiti, ma non sembrano funzionare come pubblicizzato. Anche contro le zanzare esistono dei dispositivi analoghi, ma purtroppo i risultati non paiono essere migliori.

Due comuni sorgenti domestiche di ultrasuoni (e di sfarfallìo luminoso) sono le lampadine a LED ed i televisori LCD. Lo sfarfallìo della lampadina a LED è dovuto alle sue parti economiche. Le lampadine a LED sono dispositivi in CC che funzionano con l’alimentazione a parete in CA domestica che deve essere convertita prima di alimentare i LED nella lampadina. Nella maggior parte delle lampadine, l’elettronica che esegue quella conversione fa un lavoro rozzo, con lo sfarfallìo come sottoprodotto.

Le lampade a led sono una delle numerosi sorgenti domestiche di ultrasuoni.

Altri dispositivi ad ultrasuoni vengono utilizzati per rilevare oggetti e misurare le distanze. L’imaging ad ultrasuoni o l’ecografia sono spesso usati in medicina. L’ecografia non è diversa dal suono “normale” (udibile) nelle sue proprietà fisiche, tranne per il fatto che gli umani non possono ascoltarlo. Nei test non distruttivi di prodotti e strutture, l’ecografia viene utilizzata per rilevare difetti invisibili. Industrialmente, gli ultrasuoni vengono utilizzati per pulire, miscelare e accelerare i processi chimici.

Una delle più comuni applicazioni degli ultrasuoni è senza dubbio costituita dai sensori per apertura porte e dai sistemi di allarme a ultrasuoni (presenti soprattutto nelle automobili). Un’altra importante applicazione è il sonar, un po’ l’equivalente subacqueo del radar, sebbene quest’ultimo utilizzi onde elettromagnetiche, non acustiche. Noi stessi, nell’articolo Come costruire un radar a ultrasuoni (che trovi qui) abbiamo mostrato come si possono sfruttare gli ultrasuoni per “mappare” l’ambiente.

Negli ultimi anni, una soluzione innovativa al problema del rumore percepito da alcuni dispositivi è progettare un prodotto in modo che l’energia acustica che emette risieda in una banda ad alta frequenza in cui l’udito umano è meno sensibile. Ciò significa che, sebbene la potenza acustica complessiva del sistema possa essere ridotta o meno, il livello di rumore percepito lo è. Esempi di successo dell’applicazione di tali tecnologie includono gli asciugamani elettrici che troviamo nei bagni.

Gli asciugamani elettrici moderni (ad es. i Dyson) emettono molto a frequenze ultrasoniche.

I trasduttori ultrasonici: come scegliere il più adatto

Un trasduttore ad ultrasuoni è un dispositivo utilizzato per convertire altri tipi di energia in una vibrazione ad ultrasuoni. Esistono diversi tipi di base, classificati in base alla fonte di energia e al mezzo in cui vengono generate le onde. I dispositivi meccanici comprendono trasduttori a gas o pneumatici come fischi e trasduttori a liquido come oscillatori idrodinamici e pale vibranti. Questi dispositivi hanno una serie di applicazioni industriali, tra cui l’essiccazione, la pulizia ad ultrasuoni, etc.

I trasduttori elettromeccanici sono molto più versatili e includono dispositivi piezoelettrici e magnetostrittivi. Un trasduttore magnetostrittivo utilizza un tipo di materiale magnetico in cui un campo magnetico oscillante applicato comprime gli atomi del materiale, creando una variazione periodica della lunghezza del materiale e producendo così una vibrazione meccanica ad alta frequenza. I trasduttori magnetostrittivi vengono usati principalmente nelle gamme di frequenza più basse.

Alcuni esempi di trasduttori ultrasonici.

Il tipo di trasduttore ultrasonico di gran lunga più popolare e versatile è il cristallo piezoelettrico, che converte un campo elettrico oscillante applicato al cristallo in una vibrazione meccanica. I cristalli piezoelettrici includono quarzo, il sale di Rochelle e alcuni tipi di ceramica. I trasduttori piezoelettrici vengono prontamente impiegati su tutta la gamma di frequenze e su tutti i livelli di uscita. Una forma di disco fornisce un’onda ultrasonica piana, una a tazza focalizzerà in un punto specifico.

I trasduttori piezoelettrici e magnetostrittivi sono impiegati anche “all’inverso”, cioè come ricevitori ad ultrasuoni, captando una vibrazione ad ultrasuoni e convertendola in un’oscillazione elettrica. Si noti che i microfoni normali si prestano di meno per gli ultrasuoni: la risposta in frequenza di un noto microfono dinamico professionale “a gelato” come lo Shure SM58 arriva a 15 kHz, mentre quella di un microfono da studio a condensatore a diaframma piccolo come l’AKG C1000 arriva a 20 kHz.

Ciò non significa che per usi non particolarmente “spinti” non possa essere usato un microfono. Ad esempio, se l’intensità del segnale non è un problema e non siamo interessati a ultrasuoni di frequenza molto elevata, un buon microfono di tipo tradizionale può essere un’opzione, sebbene non certo la migliore. Infatti, la risposta in frequenza indica la zona della curva di risposta in cui questa è piatta, per cui non modifica il suono originale. Perciò dobbiamo guardare le curve di risposta per valutare.

Un esempio di curva di risposta in frequenza di un microfono tradizionale.

Ad esempio, utilizzando dei microfoni e un computer, dei ricercatori israeliani di recente hanno misurato gli ultrasuoni emessi a 10 cm di distanza da piante di pomodoro e di tabacco, scoprendo che esse emettono ultrasuoni nell’intervallo fra 20 kHz e 100 kHz quando soffrono la carenza di acqua o quando vengono tagliate. L’esperienza, assai interessante per uno scienziato dilettante, è stata illustrata in dettaglio nel nostro articolo Come ascoltare i “lamenti” delle piante, che puoi trovare qui.

Il rilevamento, invece, dei “clic” ad alta frequenza emessi dai pipistrelli va effettuato con un trasduttore ultrasonico. Infatti, tali trasduttori sono molto sensibili agli ultrasuoni e producono grandi tensioni di uscita al momento del rilevamento (rispetto a un microfono audio generico). Inoltre, i trasduttori a ultrasuoni rispondono a malapena al suono a bassa frequenza (come quello nella gamma udibile) e quindi le normali conversazioni e/o i suoni vicini non interferiscono.

La scelta, o selezione, del microfono appropriato all’uso che si deve fare è fondamentale. I classici trasduttori ad ultrasuoni a disco o a sbalzo (cantilever), infatti, non sono sempre la scelta migliore, a meno che non debbano essere usati, rispettivamente, come pickup (microfono a contatto, come nella chitarra) a largo spettro o come sensore per vibrazioni a bassa frequenza. Per usi audio, invece, un semplice buzzer o cicalino piezoelettrico o ceramico usato come microfono può produrre risultati superiori.

Un buzzer o cicalino piezoelettrico (in basso), utilizzabile come sensibile sensore di ultrasuoni, e un pickup piezo a disco (in alto), più adatto per rivelare vibrazioni. Sono mostrate anche le forme d’onda registrate da un oscilloscopio digitale USB (ne trovi diversi qui) se diamo un colpetto sopra ciascuno di questi sensori.

Contrariamente ai progetti audio, quelli ad ultrasuoni rappresentano sempre una sfida speciale: come simulare il segnale di ingresso? La fonte di ultrasuoni più semplice ed efficace è in realtà la propria bocca. Emettere un sibilo qualsiasi fino a un metro di distanza dal microfono provoca una bella scarica di rumore nelle cuffie, derivante dai potenti componenti ultrasonici del suono. Un’altra tecnica è strofinare due dita insieme o far scorrere la punta di un dito su un foglio di carta tenuto vicino al microfono.

Come realizzare un sistema per misurare gli ultrasuoni

Vi sono varie difficoltà nel misurare gli ultrasuoni. Tra queste, vi può essere la necessità di calibrare le apparecchiature per frequenze a 20 kHz e superiori, cosa che pochi laboratori sono in grado di fare, e il requisito di ridurre gli effetti di piccoli movimenti nella posizione del trasduttore o del microfono. Inoltre, i fonometri – vedi il ns. articolo Come realizzare un fonometro con Arduino, che trovi qui – di solito non sono in grado di fare misurazioni del livello di pressione acustica (SPL) oltre i 20 kHz.

Avere un trasduttore è, naturalmente, il primo passo per poter rivelare e misurare gli ultrasuoni, un po’ come un normale microfono è il primo passo in campo audio, cioè per rivelare, riprodurre – ed eventualmente misurare – voci e suoni nel range udibile dall’uomo. Un fondamentale passo successivo è l’interfacciamento a un computer. Di solito si effettua anche un filtraggio delle frequenze più basse e più alte di quelle che ci interessano, cosa che si può fare anche a livello software.

L’elevata tensione di uscita fornita dai trasduttori ultrasonici in molti casi evita la necessità di amplificare il segnale se il computer è relativamente vicino al trasduttore, ma impedisce il collegamento diretto all’ingresso microfono (MIC) di una scheda audio di un computer, pena la probabile distruzione della stessa. Tipicamente tali schede accettano max 1 V se il guadagno di input è impostato al livello più alto (cioè di 100). Ma c’è anche un altro motivo per cui il collegamento diretto non è una buona idea.

Il collegamento diretto fra un trasduttore ultrasonico e una scheda audio può essere evitato in vari modi: ad esempio, usando una Direct Injection Box “attiva” (come quelle che puoi trovare ad es. qui), sebbene esista una soluzione migliore, come ora vedremo.

Infatti, i trasduttori piezoelettrici (come ad esempio i pickup usati per gli strumenti musicali) sono dispositivi ad alta impedenza (hi-Z) e per connetterli direttamente a un ingresso che accetta il segnale di un dispositivo ad impedenza diversa occorre trasformare il segnale: in pratica “far vedere” alla scheda audio la chitarra come se fosse un microfono. Per ovviare a tali problemi esistono vari modi, che abbiamo illustrato nel nostro articolo Come collegare un pickup piezo a un computer, che trovi qui.

Qui ci limiteremo a sottolineare come la migliore soluzione sia rappresentata dall’impiego di una cosiddetta “interfaccia audio” (come ad esempio una Focusrite), che, oltre alla qualità intrinseca garantita dalla digitalizzazione in genere a 24 bit e dal campionamento fino a 196 kHz, permette di bypassare del tutto la scheda audio del proprio computer, che di solito è scadente, tanto più per un simile uso. Un’alternativa di poco più economica ma assai meno raccomandabile è l’uso di una D.I. Box “attiva”.

L’interfaccia audio Focusrite MOSC0024, in vendita qui. La frequenza di campionamento a 196 kHz permette, in pratica, di leggere nello spettro in frequenza del segnale le frequenze fino a 98 kHz, il che è sufficiente per la maggior parte delle applicazioni e degli esperimenti di interesse per lo scienziato dilettante e non solo.

Una volta interfacciato il trasduttore ultrasonico al computer, tutto il resto si può fare a livello software, un po’ come succede con la “Radio Definita dal Software” (SDR) rispetto alla radio tradizionale. La scelta fra i vari software audio di base (a cominciare dal noto Audacity) e fra quelli più adatti all’analisi dello spettro in frequenza dipende, in generale, da ciò che dobbiamo fare. Può essere utile, a tal riguardo, una lettura del ns. articolo Come fare lo spettrogramma di un segnale audio, che puoi trovare qui.

Naturalmente, anche l’approccio tradizionale, hardware, resta valido, soprattutto quando sono richieste amplificazioni elevate del segnale, ad es. dell’ordine di centinaia di volte. È il caso dei rivelatori di pipistrelli, che si giovano di circuiti elettronici vagamente simili a quelli di una radio a eterodina per amplificare e trasformare gli ultrasuoni di questi animali in segnali nel range udibile, ascoltabili con una cuffia o un altoparlante (vedi il ns. articolo Come costruire un rivelatore di pipistrelli, che trovi qui).

Alcuni esempi di rivelatori di pipistrelli portatili.

Come eseguire misurazioni per “mappare” le sorgenti

In preparazione di una misurazione formale con apparecchiature calibrate fisse, è possibile effettuare delle misurazioni preliminari mobile (ad esempio in luoghi pubblici) – e ottenere delle stime approssimative del livello degli ultrasuoni (± 5 dB) per l’energia contenuta fino a 22 kHz – usando ad es. uno smartphone, meglio se in precedenza calibrato in modo incrociato con il microfono che verrà poi usato per le misurazioni formali. È così possibile selezionare un elenco finale di sorgenti da misurare formalmente.

Per le registrazioni, il microfono o trasduttore può essere tenuto in mano e puntato verso il centro della sorgente (o il centro apparente della sorgente dove questo non è chiaro) e la distanza dalla sorgente può essere misurata con un misuratore di distanza laser oppure a nastro. In alcuni siti, dove c’è il rischio che la stima del livello sonoro sia influenzata dal vento o da altri flussi d’aria, si può usare un “parabrezza” per microfono e un’opportuna correzione secondo le specifiche del produttore.

Per una ricerca preliminare di sorgenti di ultrasuoni possiamo usare un’app per smartphone.

Per tutte le misurazioni effettuate sul campo, la fonte di ultrasuoni può essere stimata o identificata sulla base di un’ispezione visiva. Naturalmente, vanno effettuate misurazioni con il microfono o trasduttore rivolto verso la presunta fonte e confrontate con il livello di fondo. Per ciascuna sorgente, va presa una misura il più vicino possibile alla sorgente reale o presunta, mentre una misura aggiuntiva va effettuata sull’asse rispetto alla presunta fonte acustica, quando possibile.

Naturalmente, si ha una variazione del livello sonoro con l’aumentare della distanza dalla sorgente (con un valore negativo che rappresenta una diminuzione del livello). Va notato che, per molte delle misurazioni, le sorgenti saranno al di sopra della posizione di registrazione e quindi un cambiamento di distanza significa anche un cambiamento di angolo rispetto alla sorgente. Si prevede una riduzione del livello sonoro di 6 dB per ogni raddoppio della distanza per una sorgente puntuale in uno spazio anecoico.

Uno schermo e una parabola per microfono, due accessori che possono risultare utili per la misurazione degli ultrasuoni.

In pratica, vi conviene usare distanze “standard” e annotarle con cura e metodicità quando effettuate le misure. Potete ad es. eseguite misurazioni “vicine” a 0,25 e 0,5 m dalla sorgente, misurazioni a distanze “moderate” a 1 e 2 m dalla sorgente, e misurazioni “lontane” a 2 e 4 m dalla sorgente. Le misurazioni degli asciugamani elettrici dovrebbero essere eseguite con il parabrezza del microfono acceso a causa dell’aumento del flusso d’aria all’interno della stanza causato dai dispositivi.

Può essere infine utile sapere che gli ultrasuoni – in particolare quelli alle frequenze più alte – vengono rapidamente dissipati e assorbiti da materiali come moquette e mobili. Inoltre, gli ultrasuoni si muovono più velocemente con l’aria calda che con l’aria fredda. La muffa e l’umidità nell’aria riducono la velocità del suono. Se l’umidità supera l’85%, riduce significativamente il livello degli ultrasuoni. Le superfici irregolari vengono utilizzate per disperdere i movimenti degli ultrasuoni.

Per la successiva elaborazione dei dati registrati, è possibile usare app o software analizzatori di spettro, in modo simile a quanto si farebbe per i segnali audio. In questo modo, è possibile ottenere uno spettrogramma per ciascuna sorgente o presunta tale. Si dovrebbe così scoprire che alcune sorgenti artificiali producono toni pulsati, mentre altre producono toni costanti. Si potrebbero, ad esempio, scoprire picchi nelle regioni 15-17,7 kHz e 17,8–22,4 kHz (cioè nella banda di 20 kHz).

Spettrogrammi per quattro diversi tipi di sorgente misurati: (A) una sorgente tonale continua, e (B), (C) e (D) mostrano tre deterrenti per i parassiti.

Lo spettro di rumore dell’asciugamani di design convenzionale ad es. emette la sua energia di picco nella banda di frequenza audio. Nella regione ad alta frequenza, l’energia acustica decade con la frequenza e non ci sono picchi distinti. Negli asciugamani tipo Dyson, la gamma è in larga parte a banda larga e i valori citati sono i picchi più alti nello spettro. Un asciugamani di tipo innovativo può produrre molta più energia nella gamma ad altissima frequenza e ultrasuoni rispetto ai dispositivi di confronto.