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0380. Come funziona un idrofono?

Come funziona esattamente un idrofono? Quali sono quelli più moderni su quale principio si basano? Ho sentito dire che ora sono usati anche nelle ricerche che si fanno a Ginevra sulle particelle. È vero? È possibile auto-costruirne uno? (Federico Bacchi)

sem_esperto_verdeUn idrofono icona_glossario è uno strumento che permette di rivelare le onde acustiche in un liquido attraverso un fenomeno fisico misurabile, indotto dalle onde nel mezzo di rivelazione . Gli idrofoni più commerciali utilizzano per la rivelazione sensori piezo-elettrici che permettono di trasformare la pressione esercitata dall'onda in segnale elettrico. Esistono idrofoni basati su vari principi di funzionamento e con differenti sensibilità. Recentemente è stato proposto, per realizzare idrofoni con un’elevatissima sensibilità, di utilizzare una tecnica innovativa che sfrutta la proprietà di un laser icona_glossario con cavità FBG (Fiber Bragg Grating ) di modificare la lunghezza d’onda icona_glossario emessa quando la sua cavità ottica viene modificata da una perturbazione esterna (per esempio un'onda acustica). Gli idrofoni attuali più sensibili sono capaci di misurare suoni d’intensità molto più piccola di quelli emessi dai cetacei. Si possono misurare onde acustiche d’intensità uguale o più piccola del rumore acustico causato dai venti, dalle attività umane, e dal moto caotico delle molecole d'acqua (moto browniano ). E' stato verificato che un fascio di protoni assorbito in acqua emette onde acustiche d’intensità sufficiente da poter essere rivelato. Si pensa che anche una singola particella che rilasci energia nell'acqua possa generare onde acustiche. L'onda acustica associata al passaggio di una, o più particelle nel liquido, è causata dal riscaldamento prodotto dal deposito di energia lungo la direzione di volo dei protoni (dissipazione idrodinamica dell'energia del primario). Un neutrino di altissima energia interagendo con l'acqua origina sciami di particelle secondarie; è stato calcolato che possa così prodursi un'onda termo-acustica rivelabile, di intensità dell'ordine del rumore di fondo acustico del mare. Un gruppo di sperimentatori sta utilizzando un sistema di idrofoni piezo-elettrici di una vasta catena di idrofoni che la Marina Americana ha immerso nelle acque della Florida con lo scopo di dimostrare che la tecnica di rivelazione acustica è appunto utilizzabile per la rivelazioni di neutrini di altissima energia. Una rassegna delle ricerche in questo campo è scaricabile dalla rete .

Idrofoni piezoelettrici vengono già utilizzati in via sperimentale in esperimenti per la rivelazione ottica di neutrini in acque profonde per misurare la posizione relativa delle catene di rivelatori ottici come nel caso dell’esperimento NEMO icona_linkesterno. In questo tipo di esperimenti, equipaggiati con migliaia di rivelatori ottici (fototubi) capaci di rivelare l'onda luminosa associata al passaggio dei neutrini. Questa tecnica di rivelazione si basa sulla rivelazione della radiazione Cherenkov icona_glossario icona_biografia icona_esperto[66] emessa dal muone icona_glossario prodotto dall'interazione del neutrino con l'acqua e che ha una velocità superiore a quella di propagazione della luce in acqua. Nella sezione di Pisa icona_linkesterno dell’INFN icona_linkesterno è in via di sviluppo un idrofono, che utilizza la tecnologia delle fibre ottiche con reticolo di Bragg incorporato dette FBG . Viene sfruttata la proprietà di rispondere ad ogni perturbazione meccanica e, quindi, anche all’effetto meccanico dell’onda termo-acustica del neutrino nell’acqua. Il sensore è costituito da una cavità laser LBG .

Gli idrofoni piezo-elettrici in commercio costano qualche migliaio di euro ed è sicuramente possibile costruirseli a partire da un dischetto di materiale piezoelettrico. Per la lettura del segnale (la banda dei segnali interessanti in acque marine arriva fino a 100 kHz) è possibile utilizzare una scheda sound-blaster con campionamento a 96kHz.

Mauro Morganti - Fisico


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