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:
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:
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):
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:
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MATERIALI
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VELOCITÀ
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(m/s) x 1000
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Acrylic resin
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2,30
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(Perspex®)
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2,73
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Aluminum
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6,32
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Beryllium
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12,90
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Brass, naval
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4,43
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Cadmium
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2,78
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Columbium
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4.92
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Copper
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4,66
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Glycerine
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1.92
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Gold
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3.24
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lnconel® |
5,82
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Iran
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5,90
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Iron, cast (slow)
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3,50
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Iron, cast (fast)
|
5,60
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Lead
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2,16
|
|
Manganese
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4,66
|
|
Mercury
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1,45
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Molybdenum
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6,25
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Motor Qii (SAE 20 or 30)
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1,74
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Nickel, pure
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5,63
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Platinum
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3,96
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Polyamide(nylon, Perlon®) (slow)
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2,20
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Polyamide (nylon, Perlon® (fast)
|
2,60
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Polystyrene
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2,34
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Polyvinylchloride, PVC, hard
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2,395
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Silver
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3,60
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Steel, 1020
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5,89
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Steel, 4340
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5,85
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Steel 302 austenitic stainless
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5,66
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Steel 347 austenitic stainless
|
5,74
|
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Tin
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3,32
|
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Titanium, Ti 150A
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6,10
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Tungsten
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5,18
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Uranium
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3,37
|
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Water (20° C)
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1,48
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Zinc
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4,17
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Zirconium
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4,65
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