3.2. Transductor ultrasónico

El transductor es el encargado de convertir la señal eléctrica a frecuencias ultrasónicas en una señal de presión acústica que se propaga por el aire.

ESPECIFICACIONES PREVIAS

Nuestro transductor ideal, debería cumplir los siguientes requerimientos:

-Ancho de banda que vaya desde los 20 KHz hasta el infinito, es decir, que no pueda generar ninguna frecuencia audible, para evitar cualquier eventual interferencia con las ondas generadas en el aire y que pueda generar cualquier frecuencia ultrasónica por elevada que esta sea.

-Diagrama de radiación completamente directivo, por razones evidentes, ya que es la principal característica que buscamos en nuestros dispositivos de sonido focalizado.

-Capacidad para proporcionar cualquier amplitud de salida, por elevada que esta sea.

Evidentemente esto es pedir demasiado. Ninguno de las tres condiciones es físicamente realizable. Unos requerimientos menos exigentes que podrían funcionar son:

-Ancho de banda de al menos 20 KHz, que permite, con la modulación empleada cubrir todo el rango audible al demodular.

-Diagrama de radiación lo más directivo posible

-Amplitud de salida lo más grande posible, situando la portadora en el pico de resonancia de la respuesta en frecuencia del transductor.

-Respuesta en frecuencia con caída de 12 dB / octava, para dotar al sistema de cierta capacidad de auto-ecualización. Esto es así porque al demodular con esta respuesta del transductor, conseguimos una respuesta plana en el rango audible, para que todas las frecuencias suenen con la misma intensidad.

Para conseguir la última de las anteriores condiciones, la caída de la respuesta en frecuencia es, como se aprecia en la gráfica, demasiado abrupta y a frecuencias altas la amplitud se hace insuficiente para generar efectos no lineales.   (-12 dB/octava x 10 octavas=-120 dB en la última octava). Esto no se puede mejorar incrementando la amplitud de la señal, ni siquiera aunque la salida del transductor lo permitiera, ya que a partir de un nivel la columna de aire frente al transductor se satura, y el exceso de energía se transforma en calor y no en mayor amplitud de presión acústica.

La única solución posible es que, como vemos en la siguiente gráfica, la caída comience a una frecuencia mayor, con lo que estaremos renunciando a tener respuesta plana en el rango audible para las frecuencias más bajas. Poniendo el límite en 500 Hz, comenzamos más de 4 octavas más adelante, mejorando así la amplitud en unos 56 dB. El precio que pagamos es tener una débil respuesta para frecuencias menores de 500 Hz, en comparación con el resto. Por lo tanto, estos dispositivos no son adecuados para reproducir frecuencias muy bajas.

TAMAÑO

Otro problema que se nos puede presentar es el del tamaño físico del dispositivo. Por un lado queremos que la fuente sea grande para que pueda focalizar bien el sonido y para que la columna de aire frente a ella sea más ancha y aguante más potencia sin saturarse; por otra parte, se necesita una vibración de un elemento pequeño para producir una onda pequeña. La solución de compromiso es tener un array de pequeños elementos: así cada uno de ellos puede generar longitudes de onda ultrasónicas, siendo al mismo tiempo la fuente el conjunto de todos ellos, con una superficie suficientemente amplia para nuestros propósitos de focalización y amplio margen de saturación.

SOLUCIÓN BASADA EN EL PZT BIMORFO

Hasta 1998, el material más empleado para la fabricación de los transductores fue el PZT (PieZoelectric Transducer) bimorfo. Se trata de una oblea compuesta por dos capas de material polarizado. Al aplicar la señal, una oblea se estira y la otra se encoge, haciendo que la estructura cambie continuamente de cóncava a convexa. El máximo desplazamiento se produce, como es fácil imaginar, en el centro de la estrucura. Lo que se hace es soldar a ese punto un pequeño cono de 8 mm de diámetro para acoplar este movimiento al aire y poder generar ondas acústicas. Además, la estructura se asienta sobre una cavidad resonante a λ/4, que maximiza el efecto.

Si esta estructura se sustituyó en 1998, es porque no estaba exenta de problemas. En primer lugar, el pequeño tamaño de los transductores hacía necesario un número muy elevado de ellos para conformar el array (en torno a 100). Esto no sería demasiado grave de no ser porque los elementos no son nunca completamente idénticos y producen ligeras diferencias de fase al conectarse a la misma portadora por tener cada uno una frecuencia de pico distinta. Por si esto fuera poco, la estructura resulta poco robusta y al llevarla a los niveles de amplitud requeridos, algunos elementos sufren daños en torno al punto de soldadura que hacen que empiece a chillar debido a la producción de subharmónicos.

SOLUCIÓN BASADA EN EL PVDF MONOLÍTICO

Ante las anteriores dificultades, se pensó en una película monolítica de material piezoeléctrico, con vistas a eliminar los problemas de diferencias de fase. Se concluyó que el material más adecuado era una variante del difluoruro de polivinilideno (PVDF), un polímero derivado del clásico vinilo de los discos que es ampliamente utilizado en diversas aplicaciones por sus propiedades piezoeléctricas.

Se trata de una fina película de apariencia plástica que presenta deformaciones en los ejes X e Y al aplicar tensión. Para transformar estas deformaciones en movimiento en el eje Z, perpendicular a la lámina y así actuar como transductor, necesitamos que ésta esté doblada. Lo que se hace pues, es colocar la lámina sobre una superficie metálica con perforaciones y aplicar presión o vacío en uno de los lados, de manera que la lámina se dobla hacia donde la presión es menor y se consigue un array de diafragmas de PVDF, capaces de actuar como transductores individuales.

De esta manera, se eliminan todos los problemas del PZT bimorfo y se añaden otras ventajas, como una gran facilidad para la producción en serie de dispositivos idénticos.