Laboratorio per la Taratura dei Microfoni campione primario

Primary Standard Microphones Calibration Laboratory

referenti: Renato Spagnolo, Giuliana Benedetto, Claudio Guglielmone
contact person: Renato Spagnolo, Giuliana Benedetto, Claudio Guglielmone

SETTORE ACUSTICA

Il settore svolge attività di ricerca nei campi dell'acustica fisica e applicata, finalizzata allo sviluppo di applicazioni nelle aree della metrologia acustica e della metrologia dei fluidi. Conduce un'intensa attività di taratura di trasduttori e strumenti di misura (microfoni, fonometri, calibratori acustici, sorgenti sonore di riferimento) e di prova delle proprietà acustiche di materiali e componenti per l'edilizia, l'architettura, i trasporti (coefficiente di assorbimento acustico, potere fonoisolante, isolamento per via solida, resistenza al flusso, fattore di smorzamento).
Tra gli impianti speciali e gli apparati sperimentali disponibili si segnalano:

• Apparato sperimentale per la realizzazione del campione nazionale di pressione sonora, mediante la taratura assoluta dei microfoni a condensatore con la tecnica di reciprocità.
• Apparati per la misura di precisione della velocità del suono nei gas e nei liquidi.
• Camera anecoica-semianecoica per la determinazione della potenza sonora delle sorgenti in condizioni di campo libero, e per lo studio delle loro caratteristiche di irraggiamento acustico.
• Camera riverberante per la misura del coefficiente di assorbimento acustico dei materiali in condizioni di campo diffuso, attraverso la determinazione del tempo di riverberazione.
• Coppie di camere semiriverberanti per la misura del potere fonoisolante di divisori leggeri e in muratura, vetri e serramenti

Laboratorio di acustica fisica

Misura delle velocità del suono nei fluidi in fase gassosa
La velocità del suono è una grandezza fisica che permette di determinare importanti proprietà di gas puri e miscele, ad esempio calori specifici di gas perfetto, forze intermolecolari, densità. Essendo strettamente legata alla temperatura termodinamica, la velocità del suono, in gas puri di cui siano ben note le proprietà, ha inoltre applicazioni metrologiche fondamentali, tra cui la determinazione della costante universale dei gas R e la misura della temperatura termodinamica.
Attualmente lo sviluppo dei metodi sperimentali e dei modelli teorici interpretativi permette di ottenere accuratezze di misura di poche parti per milione.
Considerata la stretta dipendenza della velocità del suono dalla temperatura del gas, l'esperimento è realizzato all'interno di un termostato di elevata stabilità (1 mK). La velocità del suono è ottenuta dalla misura delle frequenze di risonanza, in particolare i modi puramente radiali, di una cavità sferica riempita di gas, a diverse pressioni. La caratterizzazione completa di un gas richiede l'esecuzione di misure lungo alcune isoterme. L'apparato sperimentale realizzato all'IEN consente di variare la pressione fino a 2MPa e la temperatura fra 230 e 370 K.

Misura della velocità del suono nei fluidi in fase liquida
Anche per i liquidi, la misura della velocità del suono permette la determinazione di proprietà termofisiche importanti come la compressibilità isentropica, la compressibilità isoterma ed il calore specifico a pressione costante.
Le misure vengono effettuate in una piccola cella di acciaio, in cui un trasduttore piezoelettrico agisce sia come trasmettitore dell'onda ultrasonica, sia come ricevitore. Viene misurato il ritardo tra le riflessioni, gli "echi", del suono su due riflettori collocati a distanze diverse dal trasduttore; da questo tempo e dalla conoscenza delle dimensioni della cella, è possibile ricavare direttamente la velocità del suono.
La cella è inserita in un contenitore che assicura la tenuta in pressione fino a 70 MPa, e che viene inserito a sua volta all'interno di un bagno termostatico per il controllo della temperatura.

Esperimenti di sonoluminescenza.
La sonoluminescenza è il fenomeno fisico per cui una piccola bolla di gas può essere intrappolata all'interno di una cavità piena d'acqua, sottoposta all'azione di un campo acustico di intensità elevata, che ne causa l'espansione, fino al momento in cui il raggio della bolla raggiunge un valore critico e la bolla collassa emettendo una luce. Ad ogni nuovo ciclo acustico la bolla torna ad espandersi e l'effetto si ripete. Il fenomeno ha destato considerevole interesse nella comunità scientifica internazionale in quanto esso ha numerose implicazioni fisiche tra cui il fatto che lo spettro di luce comporterebbe all'interno della bolla temperature molto elevate, anche di decine di migliaia di gradi.
Presso l'IEN è stato realizzato un apparato sperimentale per lo studio della sonoluminescenza a singola bolla e delle interazioni tra bolle gassose e gocce di reagenti mantenute in stato di levitazione da campi ultrasonici.

PHYSICAL ACOUSTICS LABORATORY

Measurement of speed of sound in gaseous fluids
Speed of sound is a physical quantity which allows to determine important properties of pure fluids and mixtures, as perfect-gas specific heats, intermolecular forces, density. Being strongly related to thermodynamic temperature, speed of sound in gases with well-known properties has fundamental metrological applications, among which the determination of the universal gas constant R and the measurement of the thermodynamic temperature.
At present the development of experimental methods and interpretative theoretical models allows to achieve an accuracy of a few parts per million.
Considering the strong dependence of speed of sound on gas temperature, the experiment is performed inside a high-stability (1 mK) thermostatic bath. Speed of sound is obtained from the resonance frequencies of purely radial modes of a spherical cavity full of gas. For the complete characterization of a gas, measurements of speed of sound have to be performed as a function of pressure along different isotherms. The experimental apparatus set-up at IEN allows to make measurements for pressures up to 2MPa, and in the temperature range 230-370 K.

Measurement of speed of sound in liquids
Also for liquids, the measurement of speed of sound allows to determine important thermophysical properties, as isentropic compressibility, isothermal compressibily and specific heat capacity at constant pressure.
Measurements are performed in a small steel cell, with a piezoelectric transducer acting both as transmitter of the ultrasonic wave and as receiver. The delay time between the "echoes", that is the reflections undergone by the ultrasonic wave on two acoustic mirrors at different distances from the transducer, is measured. By knowing cell dimensions it is then possible to compute directly speed of sound value.
The cell is inserted in a vessel which can hold pressures up to 70 MPa and is inserted in a thermostatic bath for temperature control.

Experiments on sonoluminescence
Sonoluminescence is the physical phenomenon which occurs when a small bubble of gas trapped in a cavity full of water and submitted to an intense acoustic field, expands until reaching a critical radius value when collapses and emits light. During each new acoustic cycle, the bubble expands again, and the effect repeats itself. The phenomenon is very interesting for international scientific community, owing to its many physical implications, among which the consideration that the light spectrum would involve a very high temperature (tens of thousands degrees) of the gas inside the bubble.
An experimental apparatus has been set-up at IEN with the purpose to investigate single-bubble sonoluminescence and interactions between gas bubbles and drops of reactants kept under levitation by ultrasonic fields.