filtro
Dispositivo che permette di modificare determinate componenti o caratteristiche di un segnale sonoro, luminoso o elettrico.
Apparecchiatura attraverso la quale si fa passare un fluido allo scopo di trattenere particelle solide sospese nel fluido stesso.
Per il significato di f. in matematica ➔ ordinamento.
F. acustici
Dispositivi acustici che permettono il passaggio di onde sonore di data frequenza o di una data gamma di frequenze sono, per es., i risonatori di Helmholtz e di König o risonatori a cavità (➔ risonatore), che fanno pervenire all’orecchio, rinforzata, la sola onda che ha una frequenza pari alla loro frequenza di risonanza; il tubo di Quincke (➔ Quincke, G.H.), che è in sostanza un interferometro acustico che si lascia attraversare dall’energia sonora di tutte le frequenze tranne una. È inoltre possibile realizzare f. che lasciano passare, oppure che attenuano, una determinata banda di frequenze acustiche ( f. passa-banda, f. arresta-banda).
F. negli autoveicoli
F. del carburante Reticella metallica che ha la funzione di trattenere le impurità per evitare otturazioni nei punti più ristretti del circuito del carburante (un f. di depurazione è collocato nel serbatoio, un f. per la benzina nella pompa a membrana o nel carburatore). F. dell’olio Dispositivo per la depurazione del lubrificante dalle impurità provenienti dai cilindri del motore e dalle alterazioni conseguenti l’esercizio; il tipo più diffuso, ricambiabile, è costituito da un supporto cilindrico forato su cui è avvolta una tela filtrante ( f. a cartuccia). Vi sono anche f. a lamelle autopulenti. F. dell’aria Cartuccia filtrante, costituita genericamente da carta speciale pieghettata e trattata con resine, applicata al carburatore per depurare dal pulviscolo l’aria aspirata. Vi sono anche f. centrifughi in cui l’aria è indotta in moto vorticoso entro un labirinto a spirale nel quale si depositano le particelle in sospensione.
F. elettrici
Dispositivi elettronici atti a modificare le caratteristiche di un segnale allo scopo di conseguire vari tipi di finalità, tipicamente la riduzione del rumore o di componenti indesiderate nei confronti della parte utile del segnale stesso. Nella maggior parte dei casi il f. agisce sul segnale alterandone lo spettro in frequenza in modo da mantenere inalterate le bande di frequenza utili e attenuare quelle non desiderate. Per rappresentare quantitativamente la risposta di un f. si utilizza la funzione di trasferimento, nella quale sono indicate le frequenze di taglio che separano le bande passanti dalle bande opache. Nel caso ideale, l’attenuazione è nulla nelle prime e infinita nelle seconde. I f. ideali più comuni sono il f. passa-basso (fig. 1A), il f. passa-alto (1B), il f. passa-banda (1C) e il f. arresta-banda (1D). In aggiunta alla funzione di trasferimento è utilizzato l’andamento del ritardo di gruppo, che nel caso ideale risulta costante nelle bande passanti, in modo da non produrre distorsioni di fase sul segnale di uscita. Nel caso reale, è possibile ottenere attenuazioni basse ma non nulle nelle bande passanti e attenuazioni alte ma non infinite nelle bande opache. Inoltre non è possibile realizzare f. reali in cui le bande passanti siano esattamente contigue a bande opache. Infatti, poiché la funzione di trasferimento non può avere andamenti discontinui, sono sempre presenti alcune bande intermedie, dette di transizione. Più piccole sono tali bande, maggiore è la selettività del filtro. I f. elettronici reali sono costruiti in modo da approssimare il più possibile le caratteristiche ideali desiderate. I metodi di approssimazione più usati sono quelli di Butterworth, di Čebyšev e di Cauer. La complessità di un f. reale è caratterizzata dal grado del f., al crescere del quale si ottengono migliori approssimazioni della caratteristica ideale (➔ rete). Altri tipi di approssimazione possono tenere conto anche dell’andamento del ritardo di gruppo, come nel caso dei f. di Bessel.
I f. elettronici si distinguono in f. analogici e in f. numerici (o digitali), a seconda che agiscano sul segnale analogico o sul segnale numerico ottenuto per mezzo di un convertitore analogico-digitale.
F. analogici. - Sono costituiti da un quadripolo inserito fra il generatore e il carico; si suppone generalmente che l’impedenza interna del generatore e quella di carico siano resistive. La realizzazione più semplice di un f. è basata sulla combinazione di resistori, condensatori e induttori. Questi filtri sono i cosiddetti circuiti RC, RL, LC e RLC. Gli induttori bloccano i segnali ad alta frequenza e conducono quelli a bassa frequenza, mentre i condensatori si comportano in modo inverso. Quindi, a seconda della disposizione in serie o in parallelo di questi due elementi circuitali, si possono ottenere f. con diverse funzioni di trasferimento. In fig. 2 è indicato lo schema di un f. LC passa-basso di quinto grado. I resistori non hanno la proprietà di selezionare le frequenze, ma sono aggiunti a capacitori e induttori per determinare le costanti di tempo del circuito, e quindi le frequenze di taglio del filtro.
F. digitali. - Si basano su principi totalmente diversi rispetto a quelli su cui si fondano i f. analogici. Infatti, in questo caso, il f. effettua operazioni matematiche sui campioni numerici che rappresentano il segnale. Pertanto un f. numerico può essere realizzato per mezzo di un elaboratore sul quale sia stata programmata la sequenza delle operazioni richieste. I f. numerici sono realizzati utilizzando alcuni elementi di base che hanno un ruolo simile ai componenti dei f. analogici. Essi sono gli elementi di ritardo, i sommatori e i moltiplicatori e la loro combinazione permette di realizzare f. numerici di arbitraria complessità. Utilizzando il metodo della trasformata z, è possibile determinare la risposta in frequenza del f. digitale e quindi la caratteristica di attenuazione e il ritardo di gruppo. Un parametro fondamentale è la lunghezza di parola e cioè il numero di bit con i quali sono rappresentati i campioni del segnale. Al diminuire della lunghezza di parola aumentano gli errori numerici di elaborazione e di conseguenza risulta maggiormente degradata la risposta del filtro. I f. numerici permettono di ottenere caratteristiche di attenuazione non realizzabili con f. analogici.
Tipi particolari. - Esistono molti f. che possiedono caratteristiche particolari, sia per la tecnica utilizzata nella loro realizzazione sia per il loro campo di applicazione.
F. adattati F. analogici o numerici la cui caratteristica di attenuazione è tale da ottimizzare in uscita il rapporto segnale-rumore in dipendenza dallo spettro in frequenza del segnale d’ingresso. F. adattativi F. numerici nei quali i valori dei moltiplicatori sono modificati in modo da ottenere particolari requisiti nella risposta. Tali f. sono utilizzati, per es., negli equalizzatori variabili per trasmissione di dati o nei soppressori d’eco.
F. anti-aliasing F. analogici passa-basso che precedono lo stadio di conversione analogico-digitale con lo scopo di attenuare le frequenze superiori alla frequenza di Nyquist del segnale, che provocherebbero effetti di disturbo sul segnale numerico. F. attivi F. analogici realizzati con componenti attivi e passivi. Utilizzano in genere come componenti passivi condensatori e resistori e come elementi attivi amplificatori operazionali. I f. attivi sono adatti a essere integrati, sebbene la presenza dei resistori sia un ostacolo all’uso di tecniche VLSI (➔).
F. a condensatori commutati F. attivi nei quali i resistori sono sostituiti da condensatori e interruttori. Tali elementi hanno infatti la proprietà di emulare il comportamento di resistori poiché danno luogo a fenomeni dissipativi all’atto della commutazione. Nei confronti dei f. attivi convenzionali, si ottengono numerosi vantaggi nei riguardi della sensibilità, della stabilità e della massima frequenza d’uso. Inoltre tali f. sono più adatti a essere completamente integrati. F. di Kalman F. adattativi nei quali l’errore quadratico medio tra l’uscita ottenuta e quella desiderata è minimizzato applicando in ingresso un segnale casuale generato da rumore bianco. Sono applicati nel progetto dei sistemi di controllo. F. a linee di trasmissione F. realizzati per mezzo di tronchi di linee di trasmissione aventi tempi di transito e impedenze caratteristiche differenti. Sono detti commensurabili se i tempi di transito sono uguali o multipli di un valore prefissato; in tal caso presentano una caratteristica di attenuazione periodica analogamente ai f. numerici. Negli altri casi sono detti incommensurabili.
F. meccanici F. analogici passivi nei quali il segnale elettrico è dapprima trasformato in segnale meccanico di vibrazione e successivamente ritrasformato in segnale elettrico di uscita. Le due trasformazioni sono ottenute per mezzo di elettrodi piezoelettrici applicati a una struttura meccanica. Tale struttura è costituita da barrette collegate fra loro per mezzo di accoppiatori meccanici ed è tale da realizzare sul segnale meccanico la caratteristica di attenuazione desiderata. Il circuito equivalente di un f. meccanico è costituito da una rete reattiva.
F. a microonde F. per frequenze comprese fra 1 GHz e circa 30 GHz. In tale campo di frequenze i f. sono realizzati utilizzando componenti propri delle microonde e sono sempre analogici e passivi. Possono essere usate cavità risonanti, spezzoni di guida d’onda o elementi planari. Il progetto è effettuato sulla base di circuiti equivalenti LC a parametri concentrati o per mezzo di f. a linee di trasmissione. Parametri critici per tali f. sono l’adattamento in banda passante e la larghezza della banda opaca.
F. numerici a onda F. numerici ottenuti applicando opportune trasformazioni circuitali a f. analogici a microonde. Sono comunemente indicati con la sigla WDF (wave digital filters) e sono caratterizzati da bassa sensibilità rispetto al valore dei moltiplicatori. F. a onda acustica superficiale Sono comunemente indicati con la sigla SAW (surface acoustic wave) e sono f. analogici costituiti da una lastrina di materiale piezoelettrico sulla quale sono depositati elettrodi metallici con la tecnica dei film sottili. Il primo elettrodo eccita un’onda acustica superficiale sulla lastrina, la quale si propaga e viene trasformata in un nuovo segnale elettrico in corrispondenza al secondo elettrodo. A seconda della forma e disposizione degli elettrodi si ottengono differenti tipi di caratteristiche di attenuazione. È molto semplice il progetto di tali f. sulla base dell’andamento della risposta impulsiva.
F. passivi F. analogici realizzati utilizzando solo componenti passivi. La definizione può essere estesa anche a certe classi di f. numerici. F. a quarzo F. analogici passivi contenenti condensatori ed elementi bipolari piezoelettrici. Possono essere considerati una evoluzione dei f. a scala LC, nei quali gli induttori sono stati sostituiti dagli elementi piezoelettrici. Ciò permette di ottenere caratteristiche di elevata selettività. F. di rete F. elimina-banda utilizzati per sopprimere interferenze a frequenza di rete. F. ricorsivi F. numerici in cui la funzione di trasferimento è di tipo razionale. Sono comunemente indicati con la sigla IIR (infinite impulse response). In essi il campione di uscita in un certo istante dipende dai campioni di ingresso nello stesso istante e in un numero illimitato di istanti precedenti. La risposta impulsiva risulta di durata infinita. F. trasversali F. numerici non ricorsivi in cui la funzione di trasferimento è di tipo polinomiale. Sono comunemente indicati con la sigla FIR (finite impulse response). In tali f. il campione di uscita in un certo istante è pari a una combinazione lineare dei campioni di ingresso nello stesso istante e in un numero finito di istanti precedenti. Di conseguenza la risposta impulsiva risulta di durata limitata.
F. per gas
Sono costituiti da tele sulle quali il gas deposita le particelle sospese. In senso più estensivo si intendono tutti i tipi di apparecchiatura (depolverizzatori per gravità, cicloni, colonne di lavaggio, elettrofiltri) impiegati per la depolverizzazione dei gas. In casi speciali (trattamento di effluenti gassosi contenenti particelle radioattive, di aria destinata ad ambienti di lavoro o di degenza in atmosfera inerte) sono stati realizzati f. che consentono di trattenere particelle con dimensioni anche notevolmente inferiori a 1 μm; tali f. ( f. assoluti) sono realizzati mediante pacchetti filtranti contenuti entro telai prismatici disposti trasversalmente alla direzione di flusso del fluido da depurare e costituiti da materiali fibrosi, spesso usati in combinazione.
I f. contenenti prodotti che fissano sostanze nocive o tossiche presenti o immesse nell’atmosfera da processi tecnologici, lavorazioni industriali o a scopo bellico, sono usati per le maschere antigas o antipolvere (➔ maschera).
F. per liquidi
I f. adottati nell’industria possono essere raccolti in due categorie fondamentali, i f. a letto filtrante e i f. a setto filtrante. Un’ulteriore classificazione in seno a ciascuna categoria si basa sulla pressione di funzionamento: nei f. in pressione la pressione del fluido all’uscita è maggiore o uguale a quella atmosferica, e ciò comporta che all’entrata e dentro al f. la pressione si mantenga sempre superiore a quella atmosferica, dovendo sussistere una differenza di pressione fra monte e valle dell’apparecchiatura filtrante; nei f. a vuoto, dove la pressione all’entrata è uguale o inferiore a quella atmosferica, il massimo salto di pressione non può essere che pari a 1 atmosfera, condizione che non sussiste per i f. in pressione. I f. a letto filtrante sono formati da strati di coke, scorie, quarzo, sabbia; si usano in genere quando occorre chiarificare portate rilevanti di liquidi contenenti piccole quantità di fini particelle in sospensione. Un tipo di f. a setto filtrante, molto usato nell’industria chimica, è la filtropressa che funziona in pressione. Funzionante sotto vuoto e anch’esso molto usato nell’industria chimica è il f. rotativo a tamburo. La superficie filtrante, costituita da una tela metallica perforata o da un tessuto filtrante, si avvolge intorno a un tamburo coassiale a un cilindro suddiviso in settori, indipendenti, secondo piani assiali. Questi sono collegati mediante tubazioni a un distributore automatico, per modo che in ciascuno di essi si può a piacere cambiare la pressione. Rispetto ai f. a pressione, i f. rotativi a vuoto presentano come vantaggio essenziale la continuità del funzionamento, mentre non si prestano a trattare sospensioni di difficile filtrabilità.
F. meccanici
Dispositivi cui si ricorre per trasmettere, oppure per smorzare, moti vibratori di frequenza determinata. Sono costituiti da masse (soggette a forze d’inerzia), molle (soggette a forze elastiche), smorzatori. Sono capaci di trasmettere moti vibratori con frequenza maggiore o minore di una frequenza data ( f. passa-alto o f. passa-basso) o compresa in un dato intervallo di frequenze ( f. passa-banda). F. meccanici sono usati in trasduttori e in strumenti di misurazione.
F. per neutroni
Denominazione che, per analogia con i f. elettrici e ottici, si dà a dispositivi, costituiti da lamine di adatte sostanze, cui è affidato il compito di arrestare, oppure di lasciar passare, neutroni di determinata energia; detti anche f. di energia, sfruttano in genere fenomeni di assorbimento e di diffusione.
F. ottici (o f. di luce)
Mezzi trasparenti capaci di trasmettere radiazioni di determinata lunghezza d’onda, nel campo visibile, o ultravioletto o infrarosso, assorbendo quelle di lunghezza d’onda diversa; se operano nel campo visibile, si dicono anche f. colorati. Un f. è essenzialmente caratterizzato dall’ampiezza della banda di lunghezze d’onda che esso trasmette (di qui le qualifiche di f. a larga banda, f. a stretta banda, f. monocromatici) e dal valore della lunghezza d’onda centrale o delle lunghezze d’onda estreme di tale banda (f. a 5800 Å; f. giallo, verde ecc.). Il funzionamento di un f. ottico si basa sull’impiego di uno o più dei seguenti fenomeni: assorbimento selettivo, riflessione selettiva, diffusione, interferenza, polarizzazione. I f. ad assorbimento, che sono i più diffusi anche se, in genere, a banda piuttosto larga, sono costituiti da mezzi trasparenti colorati, che trasmettono luci di colore non molto diverso dal loro. I f. a riflessione selettiva sfruttano il fatto che il coefficiente di riflessione può, in certi casi, dipendere dalla lunghezza d’onda. Una riflessione selettiva può anche ottenersi per interferenza facendo incidere le radiazioni da filtrare su lamine a facce piane e parallele, di spessore opportuno: non vengono riflesse le radiazioni di lunghezza d’onda tale che i raggi riflessi internamente e poi emergenti dalla lastrina siano in opposizione di fase con quelli della prima riflessione. F. di questo tipo sono in sostanza f. interferenziali. I f. a diffusione sono costituiti da una vaschetta contenente una sospensione di polvere di vetro in un liquido; le radiazioni di lunghezza d’onda cui corrisponde un ugual indice di rifrazione per il vetro e per il liquido vengono trasmesse, mentre quelle di lunghezza d’onda diversa vengono fortemente attenuate in virtù della diffusione che esse subiscono; la larghezza di banda non è molto stretta (circa 100 Å), ma il dispositivo è molto semplice e versatile. Si ricordano infine i cosiddetti f. neutri o grigi, che in realtà, non essendo selettivi, non sono veri e propri f.: si tratta di lastre di sostanze caratterizzate dalla proprietà di trasmettere con attenuazione sensibilmente costante le radiazioni comprese in un campo abbastanza vasto di lunghezze d’onda.
I f. ottici vengono spesso usati in fotografia e in cinematografia: generalmente sono anteposti all’obiettivo della fotocamera o della cinepresa (o anche, in fase di stampa, inseriti nell’ingranditore) al fine di assorbire determinate componenti cromatiche della radiazione incidente e lasciar passare le rimanenti (f. selettivi o f. colorati) e talvolta per assorbire in misura proporzionalmente uguale tutte le lunghezze d’onda (f. neutri o f. grigi). Altri f. di uso comune in fotografia sono: i f. di conversione, quelli usati per esporre la pellicola per luce diurna alla luce artificiale, e viceversa; i f. ultravioletti (o f. UV), usati per assorbire la radiazione ultravioletta eliminandone gli effetti nelle riprese ad alta quota o in pieno sole; i f. skylight, usati per correggere la dominante blu della luce del cielo nelle riprese di paesaggi, nelle ombre ecc.; i f. polarizzatori, che assorbono la luce incidente polarizzata secondo una certa direzione e che, ruotati in modo opportuno, assorbono per es. i riflessi di superfici metalliche o trasparenti.
In astronomia i f. sono usati per isolare la radiazione elettromagnetica, proveniente da un corpo celeste, di una determinata banda spettrale (➔ fotometro).
F. per radiazioni ionizzanti
Lamine di adatte sostanze, per solito metalliche, che vengono inserite lungo il percorso di un fascio di radiazioni ionizzanti (raggi α, β, γ; raggi X; ioni; elettroni) allo scopo di alterare in un determinato modo la composizione spettrale ( f. selettivi) oppure la distribuzione spaziale ( f. direzionali) del fascio stesso.
F. per sigarette
È costituito da uno spessore cilindrico, contenente materie filtranti, destinato a trattenere in parte le minute particelle disperse nel fumo. I f. si dicono semplici o multipli, a seconda che siano composti da una soltanto o da due o più materie filtranti. Per i f. semplici le materie filtranti normalmente impiegate sono la cellulosa pura o l’acetato di cellulosa. Per i f. multipli sono impiegati due o tre spezzoni consecutivi, alternativamente di acetato di cellulosa e di cellulosa pura, eventualmente cosparsa di carbone attivo. Talora il f. multiplo si presenta formato da due spezzoni distanziati in maniera da determinare un piccolo spazio (camera) che può essere vuoto oppure riempito da granuli di carbone attivo, eventualmente frammisto a silicato di magnesio attivato o dal gel di silice.