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Principi dell’analisi ad ultrasuoni

 01.11.2002 – Nautica n.487 – di Miriam Cerutti

Il suono generato al di sopra della banda sonora udibile dall’orecchio umano (tipicamente 20 kHz) è chiamato “ultrasuono”. La banda di frequenze normalmente utilizzate nei test non distruttivi con ultrasuoni è compresa tra 100 kHz e 50 MHz. L’ultrasuono si comporta come il suono udibile, ma dato che ha una lunghezza d’onda minore è riflesso da superfici molto piccole, come i difetti all’interno dei materiali (bolle, inclusioni, ecc.). Questa proprietà è sfruttata per i test non distruttivi. Lo “spettro acustico” è l’insieme di una larga banda di suoni. Le vibrazioni ultrasonore si propagano sotto forma di onde, nello stesso modo in cui viaggia la luce. Però, a differenza della luce che si propaga anche nel vuoto, l’ultrasuono richiede un mezzo elastico come un liquido o un solido, in quanto sono onde di pressione. I parametri principali che caratterizzano unonda sono la lunghezza d’onda (L) e il periodo (T) di un ciclo completo.
Il numero di cicli completati in un secondo si chiama frequenza (f) ed è misurata in Hertz (Hz), ecco qualche esempio:

    • 1 ciclo/secondo = 1 Hz
    • 1.000 cicli/secondo = 1 kHz
    • 1.000.000 cicli/secondo = 1 MHz

Il tempo impiegato per completare un intero ciclo è il periodo (T), ed è misurato in secondi o suoi sottomultipli. La relazione tra la frequenza e il periodo di un’onda è:

f=1/T

La velocità dell’ultrasuono (c) in un materiale perfettamente elastico, a una data temperatura e pressione è costante. La relazione tra c, f, L e T è:

L = c/f oppure L = cT

I metodi comunemente utilizzati per l’analisi con ultrasuoni utilizzano le onde longitudinali o le onde trasversali. Esistono comunque altre forme di propagazione dell’ultrasuono, tra cui le onde superficiali e le onde di Lamb.
L’onda longitudinale è un’onda di compressione in cui il moto delle particelle è parallelo alla direzione di propagazione. Nell’onda trasversale invece il moto delle particelle è perpendicolare alla direzione di propagazione. Le onde superficiali (di Rayleigh) hanno un moto delle particelle ellittico e si propagano sulla superficie di un materiale. La loro velocità è pari a circa il 90% della velocità delle onde trasversali e lo spessore di materiale interessato dal fenomeno è circa pari ad una lunghezza d’onda.


Le onde di Lamb hanno un complesso modo di vibrazione e si manifestano quando lo spessore del materiale è minore della lunghezza d’onda dellultrasuono che lo attraversa. Durante un test non distruttivo con ultrasuoni vengono inviate onde sonore ad alta frequenza in un campione per ottenerne informazioni senza alterarlo o danneggiarlo. Il valore misurato in un test a ultrasuoni è il “tempo di volo” owero il tempo impiegato dal suono per attraversare il campione. A partire dal tempo di volo (ts) e dalla velocità dell’onda (c) può essere misurato lo spessore del materiale (t):

t = cts /2

In ogni materiale la velocità di propagazione degli ultrasuoni ha un valore caratteristico e questo diventa pertanto un metodo di discriminazione dei materiali stessi. Per esempio, è possibile valutare la quantità di vuoti presenti in un laminato, una volta note le velocità dell’ultrasuono nell’aria e nel laminato privo di porosità. La tabella seguente mostra alcune velocità caratteristiche:

MATERIALI
VELOCITÀ
(m/s) x 1000
Acrylic resin
2,30
(Perspex®)
2,73
Aluminum
6,32
Beryllium
12,90
Brass, naval
4,43
Cadmium
2,78
Columbium
4.92
Copper
4,66
Glycerine
1.92
Gold
3.24
lnconel®

5,82
Iran
5,90
Iron, cast (slow)
3,50
Iron, cast (fast)
5,60
Lead
2,16
Manganese
4,66
Mercury
1,45
Molybdenum
6,25
Motor Qii (SAE 20 or 30)
1,74
Nickel, pure
5,63
Platinum
3,96
Polyamide(nylon, Perlon®) (slow)
2,20
Polyamide (nylon, Perlon® (fast)
2,60
Polystyrene
2,34
Polyvinylchloride, PVC, hard
2,395
Silver
3,60
Steel, 1020
5,89
Steel, 4340
5,85
Steel 302 austenitic stainless
5,66
Steel 347 austenitic stainless
5,74
Tin
3,32
Titanium, Ti 150A
6,10
Tungsten
5,18
Uranium
3,37
Water (20° C)
1,48
Zinc
4,17
Zirconium
4,65
Pubblicato in Rassegna Stampa
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