Brainstorming – Good Vibrations

Scoprire che qualcosa è danneggiato solo quando si rompe è spesso troppo tardi. Specie se si parla di uno yacht che sta navigando offshore. Ma con gli ultrasuoni si può indagare a fondo per evitare brutte sorprese.

Ogni barca ha la propria musica che dice che tutto va bene. Dalla tradizione alle moderne tecnologie, anche il suono può diventare uno strumento per studiare lo stato di salute di un’imbarcazione: è la nuova frontiera della ricerca, l’analisi sonora e ultrasonora delle strutture composite. Facciamo un passo in dietro. Scrive Encarta, l’enciclopedia della Microsoft: suono, fenomeno fisico di carattere ondulatorio che stimola il senso dell’udito. Le vibrazioni sonore percepibili dall’uomo si collocano a frequenze comprese tra i 15 e i 20 mila hertz. Il significato del termine suono è stato esteso dai fisici moderni anche a fenomeni ondulatori che si verificano in campi di frequenza esterni al campo di udibilità dell’orecchio umano; in particolare, ai suoni di frequenza superiore ai 20 mila hertz, che sono detti ultrasuoni. Quindi suono e ultrasuono sono generati dalle differenze di pressione del mezzo elastico all’interno del quale si sposta la vibrazione. Entrambi sono caratterizzati dalla distanza tra le zone di compressione successive (i massimi dell’onda) e quindi dalla frequenza.
Altro importante parametro che caratterizza un’onda ultrasonora è la sua velocità di propagazione (si misura in metri al secondo; varia in funzione del tipo di materiale e del tipo di onda che lo attraversa). È questo il parametro che sta alla base dell’utilizzo degli ultrasuoni, il cui primo impiego è il controllo della qualità del manufatto. Una verifica cui i migliori cantieri sottopongono i propri prodotti per offrire all’armatore un’imbarcazione perfetta dal punto di vista costruttivo. Secondo impiego, la diagnosi non distruttiva di eventuali anomalie manifestate (per esempio, dopo una collisione o un’avaria) senza dover alare a terra l’imbarcazione o smontare gli elementi sottoposti ad analisi come alberi o timoni. Lo spessore del gelcoat o degli stucchi o i sandwich molto complessi degli scafi non sono un limite.

L’impiego degli ultrasuoni nella nautica non è una novità, anche se la costruzione con materiali ibridi, come vetro-kevlar o vetro-carbonio, ha reso necessario catalogare dal punto di vista ultrasonoro tutti i tipi di composito, in tutte le possibili combinazioni e relativi difetti. Ogni interfaccia tra materiali diversi fornisce infatti uno spettro ultrasonoro caratteristico, una firma. Con l’analisi ultrasonora si verifica se la firma è leggibile; se non lo è, ovvero se è alterata, c’è un’anomalia nella struttura. Nella pratica, l’analisi deve cercare di rispondere a una serie di domande che vanno dal controllo della qualità costruttiva alla localizzazione e definizione dell’eventuale difetto (per esempio una delaminazione); poi riuscire a individuare quando si è prodotta, se nella costruzione o in navigazione, ma anche se è dovuta ai materiali impiegati (e ciò mette in discussione tutta la struttura), oppure se interessa o meno elementi vitali. Sono tutte considerazioni che entrano nella valutazione finale, svolta assieme al progettista, al cantiere e all’armatore, in cui vengono presi in considerazione anche il tipo di navigazione che la barca dovrà affrontare e perfino gli aspetti economici dell’eventuale riparazione.
Ma questa metodica presto sarà rivoluzionata. La Q.I. Composites è pronta con due tecniche di indagine che analizzano la struttura mentre è al lavoro. La prima è l’analisi sonora/ultrasonora di strutture composite. Lo spunto è venuto dalla visita di un’azienda che produce cerchioni per automobili e che utilizzava l’analisi sonora dei cerchioni per validarne qualità e integrità. Il principio di funzionamento non è molto dissimile dall’accordatura di un pianoforte in cui si usa il diapason. Qui si batte il cerchione con un percussore e si ascolta il suono, tipico e caratteristico, prodotto dal cerchione stesso: un suono diverso è indice di problemi strutturali. Con una ricerca mirata è possibile avere tutta la gamma di suoni possibili a seconda del tipo di difetto. Abbinando questa tecnica alla verifica ultrasonora si potrà quindi così “accordare” un albero in carbonio e verificarne periodicamente l’integrità con il semplice aiuto di un percussore e di un microfono. Nel caso in cui il suono non risponda alla nota giusta si procederà con l’analisi ultrasonora per determinare la natura del difetto.
Ulteriore e più interessante applicazione è la possibilità di monitorare costantemente l’imbarcazione (o l’albero) mediante il suono che si produce quando si sviluppa un difetto o una frattura. Attraverso l’uso di complessi microfoni laminati all’interno delle strutture sarà possibile identificare in tempo reale l’insorgere e il propagare di una frattura. L’equipaggio potrà quindi monitorare l’entità del danno e, al limite, decidere se continuare la navigazione o meno. Inoltre si potrà non solo denunciare la nascita di un difetto ma anche definirne la provenienza grazie alla triangolazione di più microfoni. Anche qui, una volta acquisita la provenienza, si procederà con un’analisi a ultrasuoni.
Nel domani delle analisi non distruttive c’è anche l’analisi automatica del sartiame. Nella graduatoria delle bestie nere di ogni armatore di una barca a vela, dopo l’osmosi, c’è il timore che il sartiame sia arrivato alla fine dei propri giorni. Oggi le analisi sono condotte con ultrasuoni e liquidi penetranti, ma per un’analisi completa è necessario procedere all’ispezione con il sartiame a terra. La soluzione cui stiamo lavorando è un piccolo robot in grado di “scalare” la sartia e al tempo stesso di ispezionarla mediante l’analisi delle variazioni del campo elettromagnetico passante per la sartia. Individuato il difetto, si procederà anche in questo caso all’analisi a terra dove gli ultrasuoni, in continuo sviluppo, sono la migliore indagine non distruttiva.