Teoria Degli Ultrasuoni - Panametrics

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CONTROLLO NON DISTRUTTIVO CON ULTRASUONI, TEORIA ED APPARECCHIATURE. 1

CONTROLLO NON DISTRUTTIVO CONULTRASUONI, TEORIA ED APPARECCHIATURE.

PANAMETRICS Teoria degli Ultrasuoni

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INDICE

1. ULTRASUONI ...................................................................................... 41.1. CONTROLLO NON DISTRUTTIVO CON ULTRASUONI............................ 41.2. ONDE ED OSCILLAZIONI...................................................................... 51.3. TIPI DI ONDE ....................................................................................... 6

1.3.1. Onde longitudinali ..................................................................... 61.3.2. Onde trasversali........................................................................... 61.3.3. Onde superficiali........................................................................ 71.3.4. Onde di Lamb ............................................................................ 71.3.5. Onde laterali............................................................................... 8

1.4. GRANDEZZE CARATTERISTICHE......................................................... 81.4.1. Ampiezza .................................................................................... 91.4.2. Periodo......................................................................................... 91.4.3. Frequenza................................................................................. 101.4.4. Lunghezza d’onda ................................................................... 10

1.5. VELOCITÀ DI PROPAGAZIONE ........................................................... 101.6. IMPEDENZA ACUSTICA ...................................................................... 111.7. PRESSIONE SONORA........................................................................ 121.8. INTENSITÀ ACUSTICA........................................................................ 13

2. PROPAGAZIONE .............................................................................. 132.1. FENOMENI RELATIVI ALLA PROPAGAZIONE DELLE ONDE SONORE ... 132.2. DIFFUSIONE...................................................................................... 132.3. RIFLESSIONE E TRASMISSIONE ........................................................ 142.4. DECIBEL ........................................................................................... 15

3. OTTICA DEGLI ULTRASUONI ..................................................... 163.1. OTTICA DEGLI ULTRASUONI ............................................................. 163.2. RIFRAZIONE...................................................................................... 163.3. ANGOLI CRITICI ................................................................................ 193.4. DIFFRAZIONE.................................................................................... 203.5. INTERFERENZA ................................................................................. 213.6. ATTENUAZIONE ................................................................................ 223.7. DIVERGENZA DEL FASCIO ULTRASONORO ....................................... 223.8. DIFFUSIONE...................................................................................... 233.9. ASSORBIMENTO ............................................................................... 23

4. GENERAZIONE DEGLI ULTRASUONI ....................................... 234.1. GENERAZIONE DEGLI ULTRASUONI .................................................. 244.2. EFFETTO PIEZOELETTRICO .............................................................. 24


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4.3. FERROELETTRICITÀ.......................................................................... 254.4. MAGNETOSTRIZIONE........................................................................ 254.5. MATERIALI PER TRASDUTTORI ......................................................... 25

4.5.1. Quarzo....................................................................................... 254.5.2. Materiali ceramici .................................................................... 264.5.3. Solfato di litio............................................................................ 26

5. CAMPO ULTRASONORO ............................................................... 275.1. CAMPO ULTRASONORO .................................................................... 27

5.1.1. Campo vicino ........................................................................... 275.1.2. Campo lontano ........................................................................ 28

6. TRASDUTTORI.................................................................................. 306.1. TRASDUTTORI ............................................................................. 306.2. TRASDUTTORI NORMALI ................................................................... 316.3. TRASDUTTORI ANGOLATI ................................................................. 31

7. APPARECCHIATURE ...................................................................... 347.1. APPARECCHIATURE.......................................................................... 347.2. TUBO CATODICO .............................................................................. 367.3. GENERATORE DI TENSIONE A DENTI DI SEGA .................................. 377.4. GENERATORE DI IMPULSI ................................................................. 377.5. SINCRONIZZATORE........................................................................... 387.6. AMPLIFICATORE ............................................................................... 387.7. APPARECCHIATURE DIGITALI ........................................................... 39

8. RAPPRESENTAZIONE DEL SEGNALE ULTRASONORO....... 408.1. ECOGRAMMA .................................................................................... 408.2. RAPPRESENTAZIONE DI TIPO A........................................................ 418.3. RAPPRESENTAZIONE DI TIPO B........................................................ 428.4. RAPPRESENTAZIONE DI TIPO C ....................................................... 438.5. 2.8.5 TECNICA TOFD ..................................................................... 43


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1. Ultrasuoni

1.1. Controllo non distruttivo con ultrasuoni

Il controllo non distruttivo con ultrasuoni si è sviluppato in epocapiuttosto recente, esso tuttavia ha già un campo di applicazionemolto vasto e si prevede una sempre maggiore diffusione,soprattutto dovuta al continuo miglioramento delle attualitecniche di controllo e all'introduzione dei potenti e veloci mezziinformatici.Il controllo ultrasonoro può essere considerato universale; infattiesso può essere applicato in moltissimi campi, completamentediversi tra loro. Basti pensare che le onde ultrasonore vengonoimpiegate con ottimi risultati, oltre che nel campo metallurgico,anche nel controllo di materiali lapidei (calcestruzzi, marmi, ...),nel monitoraggio di monumenti antichi, nel controllo di palifondazione, ecc..Gli ultrasuoni inoltre vengono egregiamente impiegati nelcontrollo di spessori di ogni genere: come quello dei tubi dioleodotti e metanodotti, delle placcature, degli intonaci diaffreschi antichi, del grasso sottocutaneo dei suini, ...

I principali vantaggi del metodo ultrasonoro sono:

- elevata sensibilità di controllo;

- risultato immediato;

- nessuna limitazione di spessore (si possono ispezionare spessori di metallo dell'ordine dei metri);

- possibilità di individuare la posizione del difetto, cosa questa molto utile nel caso delle saldature dove è possibile procedere ad una riparazione del giunto:

- ispezione da una sola superficie del pezzo;

- apparecchiature maneggevoli e poco ingombranti;

- costi di impianto e di esercizio ridotti;


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- nessun pericolo per l'operatore.

Con ciò non si vuole affermare che il metodo ad ultrasuoni sia ilmigliore in assoluto; infatti esistono limitazioni per quantoriguarda la geometria del pezzo. Pezzi particolarmente complessidal punto di vista costruttivo (per esempio le palette delle turbine)non si prestano al controllo ultrasonoro.Inoltre è richiesta una maggiore preparazione dell'operatorerispetto agli altri controlli, questo perché un controllo ultrasonoronon fornisce un documento obiettivo dell'indagine, al contrario diuna radiografia; l'interpretazione dei risultati quindi è lasciata achi effettua il controllo che se ne assume quindi la pienaresponsabilità.

Il principio del controllo con gli ultrasuoni è basato sullapropagazione di vibrazioni meccaniche ad alta frequenza(0,5-30 MHz); esse hanno la proprietà di propagarsi con facilitànei mezzi solidi e di venire più o meno riflesse se nel loropercorso incontrano una discontinuità.

1.2. Onde ed oscillazioni

Il controllo con la tecnica ad ultrasuoni si basa su onde meccaniche;queste, a differenza delle radiazioni elettromagnetiche, hanno bisogno diun mezzo di propagazione; infatti un’onda meccanica è creata dallospostamento dalla posizione di riposo delle singole particelle checostituiscono la materia. Tale perturbazione non rimane però circoscrittama si propaga in tutto il corpo e, se le condizioni al contorno loconsentono, anche all’infuori di esso.L’andamento di questo tipo di fenomeni può essere descritto in terminimatematici quasi sempre da funzioni sinusoidali; infatti le singoleparticelle costituenti il corpo solido possono essere viste come delle massecollegate a delle molle: la perturbazione fa si che la massa si sposti dallasua posizione di riposo instaurando così il moto oscillatorio.


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1.3. Tipi di onde

Se pensiamo ad un altoparlante notiamo come la membrana, mossa dallabobina, urta le molecole d’aria immediatamente adiacenti ad essa, queste aloro volta urtano altre molecole e così via, fino a portare il suono ad uneventuale ascoltatore, posto ad una certa distanza dall’altoparlante.

1.3.1. Onde longitudinali

Nel caso dell’altoparlante preso come esempio siamo in presenza dionde longitudinali; infatti la direzione dell’oscillazione delle singoleparticelle coincide con la direzione di propagazione dell’onda. Leonde longitudinali sono le uniche che si possono propagare neiliquidi e negli aeriformi.

Fig. 16 Le particelle costituenti il materiale subiscono uno spostamento alterno dallaposizione di riposo nello stesso senso in cui l'onda si propaga

1.3.2. Onde trasversali

Le onde trasversali sono caratterizzate dal fatto che le singoleparticelle costituenti il materiale compiono oscillazioni pressochéperpendicolari al verso di propagazione dell’onda. Le Ondetrasversali si possono propagare solo nei mezzi solidi in quantoquesti sono in grado di reagire alla sollecitazione di taglio. Le ondetrasversali sono inoltre caratterizzate dal fatto di avere, a parità di


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mezzo di propagazione, una velocità alquanto minore delle ondelongitudinali; nel caso dell'acciaio la velocità è circa la metà.

Fig. 17 Le particelle del materiale si spostano dalla posizione di riposo in sensoperpendicolare rispetto alla direzione di propagazione dell'onda

1.3.3. Onde superficiali

Sulla superficie dei corpi possono instaurarsi le onde superficiali,dette anche onde di Rayleigh. Queste interessano solo una piccolaporzione di materiale in prossimità della superficie per unaprofondità pari a circa una lunghezza d’onda.Esse ricordano in un certo senso le onde del mare, pur non essendoqueste onde elastiche. Onde simili alle onde di Rayleigh possonoesistere sulla superficie di separazione tra fase liquida e solida,oppure sulla superficie di separazione di due fasi. La deformazioneintrodotta da queste onde non è sinusoidale e la trattazionematematica è alquanto complessa.

1.3.4. Onde di Lamb

Su corpi sottili, per esempio lamierini, si possono instaurare le ondedi Lamb, tale tipo di oscillazione interessa il corpo in tutto il suospessore; possiamo distinguere le onde di Lamb simmetriche easimmetriche.


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Fig. 18 Su lamierini sottili si possono instaurare onde di Lamb simmetriche (a) easimmetriche (b).

1.3.5. Onde laterali

Sono onde che si instaurano poco al di sotto della superficie delpezzo; si hanno quando il fascio ultrasonoro penetra nel pezzo nonperpendicolarmente. Queste onde rivestono particolare importanzanella tecnica di indagine TOFD (vedi 2.8.5)

1.4. Grandezze caratteristiche

Finora abbiamo trattato l’argomento dal punto di vista qualitativo;esistono però ben determinate grandezze fisiche mediante le quali èpossibile descrivere questo tipo di fenomeni in maniera rigorosa.


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1.4.1. Ampiezza

L’ampiezza A dell’onda è il massimo spostamento che, rispetto laposizione di riposo, subisce un punto qualunque dell’onda stessa.

Fig. 19 Ampiezza di un'onda.

1.4.2. Periodo

Il periodo T di un’onda è il minimo intervallo di tempo impiegatoda un suo punto a riprendere la sua posizione iniziale

Fig. 20 Periodo di un'onda


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1.4.3. Frequenza

La frequenza f è l’inverso del periodo, ovvero il numero di volteche nell’unità di tempo un punto dell’onda riprende la sua posizioneiniziale.

fT

=1 [Hz] (2.1.1)

Ora possiamo definire gli ultrasuoni o onde ultrasonore; esse sono onde elastiche dellamedesima natura delle onde sonore, solo che sono caratterizzate dal fatto di avere frequenzesuperiori a 16 kHz, ovvero al di sopra del limite di udibilità da parte dell’orecchio umano. Le sonde ultrasonore normalmente impiegate per il controllo di materiali ferrosi impieganofrequenze che vanno dai 2 Mhz ai 5 Mhz.

1.4.4. Lunghezza d’onda

Un’altra grandezza caratteristica delle onde è la lunghezza d’onda λ,essa è definita come la distanza tra due punti omologhi dell’onda.

Fig. 21 La lunghezza d'onda delle onde ultrasonore nei materiali comunementeindagati con ultrasuoni si aggira si qualche millimetro.

1.5. Velocità di propagazione


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La velocità c con la quale l’onda si propaga dipende dallecaratteristiche fisiche del mezzo e dal tipo di onda.

In ogni caso, per tutti i tipi di onda sussiste una relazione trafrequenza, lunghezza d’onda e velocità di propagazione:

fc = λ (2.1.2)

Per i nostri scopi risulta comodo esprimere la frequenza in Mhz, lalunghezza d’onda in mm e la velocità in km/s; infatti orientativamenteavremo sempre a che fare con frequenze che variano da 0.5 Mhz a10 Mhz, il che significa una lunghezza d’onda nell’acciaio sull’ordine diqualche millimetro.

In appendice sono raccolte alcune velocità di propagazione delleonde longitudinali e trasversali nei vari mezzi.

1.6. Impedenza acustica

L’impedenza acustica Z è definita dal prodotto della densità ρ delmezzo in cui l’onda si propaga e la velocità con cui l’onda si muoveall’interno del mezzo stesso.

Z = ρ c [kg/m2s] (2.1.3)

Questa grandezza da un’idea della resistenza offerta dal materiale allapropagazione degli ultrasuoni all’interno di esso.

Possiamo così distinguere materiali “duri al suono” ovvero queimateriali caratterizzati da alta impedenza acustica come ad esempiol’acciaio con Z = 45 106 kg/m2s e materiali “dolci al suono” come, peresempio, l’acqua che ha Z = 1,5 106 kg/m2s (vedi tab. 2.1.1).

L’impedenza acustica gioca un ruolo fondamentale nel caso delpassaggio delle onde ultrasonore da un corpo ad un altro, caratterizzato dadiversi valori di Z.

La tabella 2.1.1 riassume le principali caratteristiche acustiche dialcuni materiali.


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Tab. 2.1.1

MaterialeDensità

[g/cm3]

Velocità ondelongitudinali

[km/s]

Velocità ondetrasversali

[km/s]

ImpedenzaacusticaZ = cl ρ

[106 kg/s m2]MetalliAlluminio 2,7 6,32 3,13 17Acciaio 7,7 5,9 3,23 45Ghisa 7,2 3,5 fino 5,6 2,2 fino 3,2 25 - 40Rame 8,9 4,7 2,26 42Zinco 7,1 4,17 2,41 30Non metalliPlexiglas 1,18 2,73 1,43 3,2Porcellana 2,4 5,6 fino 6,2 3,5 fino 3,7 13Teflon 2,2 1,35 0,55 3,0Vetro 3,6 4,26 2,56 15LiquidiAcqua (20°C)

1,0 1,483 - 1,5

Glicerina 1,26 1,92 - 2,5Olio (SAE 20) 0,87 1,74 - 1,5

1.7. Pressione sonora

La pressione sonora da un’idea della forza associata all’ondaultrasonora. Al passaggio dell’onda sonora infatti abbiamo visto come leparticelle costituenti la materia vengono poste alternativamente in unostato di compressione e rarefazione; se potessimo disporre di unmicroscopico manometro tale da poter essere inserito nel materiale,noteremmo una variazione sinusoidale della pressione in più ed in menorispetto la pressione di riferimento presa quando il materiale è in quiete.

Per onde piane longitudinali e trasversali è valida la seguenterelazione per la pressione sonora:

P = 2 π Z f a [N/m2] (2.1.4)

dove:

Z = impedenza acustica del materiale [kg/m2s]f = frequenza [Hz]


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a = massimo spostamento delle particelle dalla posizione di equilibrio [m].

1.8. Intensità acustica

L’energia associata all’onda acustica ovvero il flusso di energia cheattraversa una sezione unitaria dipende dalla pressione sonora edall’impedenza acustica, più precisamente si ha:

JpZ

=12

2

[W/m2] (2.1.5)

2. PROPAGAZIONE

2.1. Fenomeni relativi alla propagazione delle ondesonore

Sia la propagazione delle onde ultrasonore all’interno del corpo cheil loro incontro con le superfici che lo delimitano, creano degli importantieffetti che è necessario conoscere bene per poter effettuare seriamente ilcontrollo ultrasonoro.

2.2. Diffusione

Quando un’onda sonora incide una superficie scabra, accade chel’onda viene dispersa in tutte le direzioni. La rugosità della superficieviene definita in base alla lunghezza d’onda dell’onda incidente. Così, peresempio, una parete molto scabra si comporta da diffusore per le radiazioniluminose la cui lunghezza d’onda è dell’ordine del micron ma si comportada specchio per le onde sonore che hanno lunghezza d’onda dell’ordine delmetro.


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2.3. Riflessione e trasmissione

Abbiamo già accennato al fenomeno della riflessione considerandola rugosità della superficie. La riflessione però si ha anche quando le ondeultrasonore incontrano la superficie di separazione di due corpi la cuiimpedenza acustica è notevolmente diversa. Questo è il caso che ciinteressa più da vicino.

Consideriamo il caso più semplice di onde piane che colpisconoperpendicolarmente una superficie.

Fig. 22 Un'onda, di qualunque tipo essa sia, quando incontra la superficie diseparazione tra due materiali subisce il fenomeno della riflessione e della trasmissione.

In base alle pressioni acustiche possiamo definire i fattori ditrasmissione T e riflessione R; più precisamente si ha:

i

t

pp

T =i

r

ppR = (2.2.1)

tali fattori possono essere messi in relazione alle impedenze acustiche:

12

22ZZ

ZT+

=12

12

ZZZZR

+−

= (2.2.2)


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Consideriamo per esempio i fattori T ed R della superficieacciaio-acqua; otteniamo così i seguenti valori:

T = 0,065R = -0,935

che espresso in percentuale significa che solo il 6,5% della pressioneacustica incidente viene trasmessa, mentre ben il -93,5% viene riflessa.

Il segno meno sta ad indicare che l'onda riflessa è in opposizione difase rispetto l'onda incidente.

Nel caso opposto cioè se si considera la superficie di separazioneacqua-acciaio si ha sempre applicando le (2.2.2):

T = 1,935R = 0,935

Si può notare come l'onda trasmessa sia il 193,5% dell'ondaincidente.

2.4. Decibel

La tecnica d'esame ad ultrasuoni si avvale per la misuradell'amplificazione dei decibel (dB); per l'ampiezza della pressione sonorap sussiste la relazione:

[ ]dBpplg

2

120

Esprimendo in dB il caso, per esempio, della superficie diseparazione acqua-acciaio, si ha:

T = +5,74 dB (aumento dell'ampiezza dell'onda trasmessa di 5,74 dBrispetto l'onda incidente)R = -0,58 dB (decremento dell'onda riflessa di 0,58 dB rispetto l'ondaincidente).

Un aumento della pressione sonora superiore al 100% può sembrarea prima vista un paradosso, in contraddizione col principio diconservazione dell'energia. Il controsenso però non sussiste; infatti


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l'energia associata ad un'onda sonora dipende si dal quadrato dellapressione sonora, ma è anche inversamente proporzionale all'impedenzaacustica del materiale attraversato (1.5); il principio di conservazionedell’energia non viene quindi contraddetto:

Ji = Jt + Jr

Se consideriamo infine una generica superficie diseparazionemetallo-aria, notiamo come in questo caso in entrambe lesituazioni (metallo-aria e aria-metallo) l'onda trasmessa è praticamenteinesistente, ossia la superficie di separazione si comporta da specchio.

3. OTTICA DEGLI ULTRASUONI

3.1. Ottica degli ultrasuoni

Se un’onda ultrasonora incide obliquamente una superficie conl’angolo αi rispetto la normale alla superficie, l’onda riflessa e quellarifratta seguono le stesse leggi dell’ottica.

3.2. Rifrazione

Abbiamo già avuto modo di vedere come la velocità delle onde nonè la stessa nei diversi mezzi; in generale le onde che si propagano da unmezzo ad un altro, a causa delle differenti velocità che esse hanno neimezzi stessi, subiscono un cambiamento della loro direzione dipropagazione. A questo fenomeno, che si verifica qualunque sia la naturadelle onde, viene chiamato rifrazione.

L’angolo riflesso αrs e quello rifratto αrt dipendono dall’angoloincidente e dalle impedenze acustiche dei due materiali. Le leggi dell’otticaperò non bastano a descrivere completamente il fenomeno; infatti èpresente il fenomeno della conversione d’onda, ossia un’ondalongitudinale può trasformarsi in una trasversale e viceversa.


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Esiste una relazione generale che lega la direzione dell’onda riflessae trasmessa in funzione delle velocità di propagazione nei diversi materiali:

II

I

II

I

cc

sensen

=αα (2.3.1)

dove I e II sono due generiche onde cui competono rispettivamente levelocità cI e cII.

Fig. 23 L'onda riflessa longitudinale possiede un angolo che è uguale a quellodell'onda incidente, mentre l'angolo dell'onda rifratta trasversale ha un angolo minoredell'onda rifratta longitudinale in quanto quest'ultima possiede una velocità dipropagazione maggiore.

Consideriamo per esempio un’onda longitudinale incidente(Fig. 23) con angolo di incidenza αi e velocità c1 (nel mezzo 1), e l’ondagenerica rifratta αrt e velocità c2; quindi si ha:

sensen

αα

i

rt

cc

= 1

2(2.3.2)

Per cui, se è noto αi si può facilmente determinare αrt:

2

1

sensen

cc

rt

i =αα


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sen senα αrt i

cc

= 2

1(2.3.3)

Se le onde I e II incidenti e riflesse rimangono nello stesso materialee non si ha il fenomeno della conversione d’onda, si ha chiaramentel’eguaglianza tra l’angolo incidente e quello riflesso:

sensen

αα

i

rs= 1 (2.3.4)

quindi αi = αrs

Esempio:

supponiamo che il mezzo 1 sia acqua, il mezzo 2 alluminio e l'angolo diincidenza αi sia di 8° (fig. 24).

Dalla tab. 2.1.1 ricaviamo i dati che servono per la determinazionedegli angoli di rifrazione:

nell'acqua:cl = 1,483 km/s

nell'alluminio:cl = 6,32 km/sct = 3,13 km/s

quindi applicando la (2.3.2) una volta per le onde longitudinali e poi perquelle trasversali si ha:

sen sen,

,α lrt = 8

6 321 483

=> αl rt = 36,4°

sen sen,

,α trt = 8

3131 483

=> αt rt = 17,1°


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Fig. 24 Angoli di rifrazione nell'alluminio nel caso di un'onda longitudinaleincidente con un angolo di 8° sulla superficie di separazione acqua-alluminio.

Con queste considerazioni di carattere geometrico però, è possibilesapere qualcosa solo rispetto alla direzione delle onde, ma niente riguardoalla pressione sonora; infatti, per ogni superficie di separazione tra duemateriali, la pressione sonora dell’onda riflessa e rifratta ha dei massimi edei minimi che dipendono dall’angolo di incidenza. È peraltro utile saperei valori di questi angoli in quanto alla massima pressione sonoracorrisponde anche la massima risposta ottenibile con un apparecchioultrasuoni.

3.3. Angoli critici

In tutti i materiali le onde longitudinali hanno velocità dipropagazione maggiore rispetto le onde trasversali, ciò significa che leonde longitudinali rifratte avranno un angolo αi sempre maggioredell’angolo αt delle onde trasversali rifratte.

Osservando la figura si può notare come a partire da certi valoridell’angolo di incidenza αi non esistono più all’interno del secondomateriale onde longitudinali rifratte.

Il primo angolo critico è quell’angolo a partire dal quale non sihanno più onde longitudinali nel secondo mezzo; il secondo angolo criticoè quell’angolo a partire dal quale le onde trasversali rifratte proseguonolungo la superficie del pezzo.

È chiaro come a partire dal secondo angolo critico si ha la totale


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riflessione.Se riprendiamo l'esempio precedente vediamo che il primo angolo

critico è di 13,56°, mentre il secondo è di 29,2°.

I diagrammi della fig. 25 a e b riportano le percentuali dellapressione sonora delle onde rifratte in funzione dell'angolo di incidenza. Inletteratura esistono diagrammi simili per tutti i materiali comunementeusati.

Fig. 25 a) andamento della pressione sonora delle onde longitudinali rifrattenell'alluminio; b) andamento della pressione sonora delle onde trasversali semprenell'alluminio. Per angoli di incidenza fino a 14° esistono anche onde trasversali rifratte,ma la loro intensità è minima.

3.4. Diffrazione

Finora abbiamo supposto che le onde incontrino delle superficimolto grandi se rapportate alla lunghezza d’onda. Se invece l’onda sonoraincontra una discontinuità “piccola”, succede che essa procedeindisturbata, come se l’ostacolo, rappresentato dalla discontinuità, nonesistesse affatto.

Consideriamo per esempio un’onda che colpisce normalmente unaparete piana che presenta una fenditura le cui dimensioni sono paragonabilialla lunghezza d’onda. Dall’altra parte della fenditura si ha unapropagazione di onde sferiche, la fenditura si comporta quindi come uncentro di emissione di onde.


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Fig. 26 Una piccola (rispetto la lunghezza d'onda) fenditura si comporta come uncentro di emissione di onde.

3.5. Interferenza

Se due o più onde si propagano nello stesso mezzo, lo spostamentoda esse prodotte in un punto risulta uguale alla somma vettoriale deglispostamenti che le singole onde produrrebbero separatamente; tutti ifenomeni di interferenza, che sono peraltro molto complessi, derivano dacasi di sovrapposizione di onde.

A noi basta sapere che in certi casi l’interferenza può esserecostruttiva, per esempio quando due onde, caratterizzate dalla stessaampiezza e periodo, si propagano nello stesso verso: l’onda risultante inquesto caso mantiene le stesse caratteristiche delle onde di partenza, trannel’ampiezza che risulta doppia di quella di ciascuna di esse.

Se le due onde componenti sono in opposizione di fase si verificache l’onda risultante ha ampiezza nulla; in questo caso si dice che èavvenuta una interferenza distruttiva.


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Sussistono evidentemente tutti i casi intermedi, in cui l’ampiezzadell’onda risultante avrà valori diversi a seconda della fase delle onde dipartenza.

Questo fenomeno viene applicato nel caso della misura di spessorecon ultrasuoni.

3.6. Attenuazione

L’intensità delle onde sonore che si propagano in un qualunquemezzo decresce man mano che le onde si allontanano dal punto in cui sonogenerate.

L’attenuazione ha diverse origini: geometrica, dovuta alladivergenza del fascio; diffusione ed assorbimento, che dipendonoessenzialmente dal materiale.

3.7. Divergenza del fascio ultrasonoro

Consideriamo una sorgente puntiforme che emette onde sferiche; aduna certa distanza a possiamo notare come la pressione acustica siadistribuita su una certa regione (fig. 27). Ad una distanza 2a la stessapressione acustica è distribuita su un’area che è quattro volte la precedente;ciò significa che l’intensità ultrasonora decresce con il quadrato delladistanza.


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Fig. 27 Al raddoppiare della distanza l'energia ultrasonora si distribuisce su unasuperficie che è quattro volte più grande, quindi l'intensità, per unità di superficie, siriduce ad un quarto.

3.8. Diffusione

La diffusione è dovuta al fatto che il materiale non è maicompletamente omogeneo; infatti se pensiamo ad un materiale metallico, ibordi dei singoli grani, i confini tra le fasi e le inclusioni costituisconodelle superfici che determinano fenomeni di riflessione, diffrazione erifrazione, tutto ciò a scapito dell’energia ultrasonora che viene cosìdispersa.

Se il fascio di onde incontra nel suo percorso numerose superficidisposte in modo periodicamente ordinato si ha la diffrazione coerente. Uninteressante applicazione di questo fenomeno è la diffrazione dei raggi X ola diffrazione neutronica nei reticoli cristallini che viene utilizzata per ladeterminazione delle tensioni residue negli elementi strutturali.

In campo ultrasonoro è più diffusa la diffrazione incoerente dovutaalla distribuzione disordinata delle superfici che è la causa principale delladiffusione.

È necessario tenere bene presente questi fenomeni quando siconducono gli esami ultrasonori in quanto essi possono influire in manieradeterminante sull’interpretazione dei risultati finali.

3.9. Assorbimento

L’assorbimento consiste nella trasformazione dell’energiaultrasonora in calore; è dovuta principalmente alle caratteristiche fisichedel materiale. Si può ovviare a questo inconveniente aumentando lapotenza di emissione delle onde ultrasonore.

4. GENERAZIONE DEGLI ULTRASUONI


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4.1. Generazione degli ultrasuoni

Le onde ultrasonore vengono generate da trasduttori; questi sonoparticolari materiali in grado di trasformare un tipo di energia in un’altra. Itrasduttori possono quindi funzionare sia da trasmettitori che da ricevitori.

Il principio di funzionamento dei trasduttori si può basare su trefenomeni differenti: piezoelettricità, ferroelettricità e magnetostrizione.

4.2. Effetto piezoelettrico

Alcuni cristalli, come il quarzo, sono piezoelettrici; il fenomeno sipresenta quando il cristallo presenta uno o più assi polari.

Estraendo dal cristallo mediante taglio una placchetta le cui faccesiano perpendicolari ad uno qualsiasi degli assi, si osserva che,sottoponendo la placchetta ad uno sforzo di compressione o trazione, siottengono delle cariche elettriche di segno opposto sulle due facceparallele. Inversamente, applicando una differenza di potenziale alle stessefacce, la placchetta è sottoposta ad uno sforzo di compressione o trazione,a seconda della polarità della tensione applicata.

I trasduttori ultrasonori che possono essere ricavati da cristallipiezoelettrici si distinguono in base al taglio, in quanto è proprio il taglioche conferisce le caratteristiche al trasduttore.

Si hanno così trasduttori a taglio X quelli che hanno le facceprincipali perpendicolari all’asse X.

Applicando un campo elettrico lungo l’asse X si ha una contrazionedella piastrina; invertendo il campo si ha invece una dilatazione, semprenello stesso verso. Se viene applicata una tensione alternata la piastrina simette a vibrare, producendo così onde longitudinali. La massima ampiezzadelle oscillazioni si ha quando la frequenza della tensione è pari allafrequenza di risonanza del cristallo, questa dipende essenzialmente dallospessore del cristallo.

È valido naturalmente anche il fenomeno inverso; infatti se delleonde colpiscono il trasduttore, questo produce sulle sue due facceprincipali una tensione alternata.

I trasduttori a taglio Y hanno le facce principali perpendicolariall’asse cristallografico Y.

In questo caso il trasduttore funziona come generatore di ondetrasversali. Tali onde si possono propagare nel pezzo in esame solo sel’accoppiamento trasduttore-pezzo è abbastanza rigido, se l’accoppiamentoè fluido si instaurano nel materiale delle onde superficiali.


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4.3. Ferroelettricità

Il fenomeno è tipico di alcune sostanze ceramiche prepolarizzatecome il titanato di bario e lo zirconato di piombo.

I trasduttori ricavati da queste sostanze hanno un comportamentosimile ai materiali piezoelettrici, ovvero se sono sottoposti ad un campoelettrico alternato vibrano di frequenza propria. Il fenomeno è reversibile,così che questi trasduttori possono essere utilizzati sia come emettitori chericevitori.

4.4. Magnetostrizione

Un materiale ferromagnetico immerso in un campo magnetico sideforma, se il campo magnetico è variabile nel tempo anche ladeformazione del materiale risulta variabile, producendo così degli effettisimili ai materiali piezoelettrici o ferroelettrici.

In pratica questo fenomeno non viene applicato ai trasduttoriultrasonori in quanto risulta laborioso e di difficile realizzazione seconfrontato con i materiali piezoelettrici.

4.5. Materiali per trasduttori

I materiali dai quali vengono ricavati i trasduttori possiedono altrecaratteristiche oltre ovviamente a quelle piezoelettriche; infatti aitrasduttori oltre alla capacità di convertire segnali elettrici in oscillazionimeccaniche e viceversa, si richiedono anche altre caratteristiche qualiresistenza all’usura, stabilità alle diverse temperature, economicità, ecc.

Tutte queste caratteristiche non coesistono in un unico materialeecco quindi la necessità di usare materiali diversi a seconda dell’impiego acui sarà prevalentemente destinato il trasduttore.

4.5.1. Quarzo


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Il quarzo (SiO2) è stato il primo materiale piezoelettrico ad essereusato nei controlli ultrasonori; è facilmente reperibile in natura ed itrasduttori vengono ricavati semplicemente tagliando il cristallo conle modalità viste precedentemente.Esso possiede una buona resistenza all’usura ed è il materialechimicamente più stabile; oggigiorno però non viene più usato inquanto, in confronto con gli altri materiali, esso è un pessimogeneratore di energia ultrasonora.

4.5.2. Materiali ceramici

Questi sono materiali prodotti artificialmente mediante il processo disinterizzazione.Le proprietà piezoelettriche vengono conferite successivamente,attraverso la polarizzazione del trasduttore. Questa operazioneconsiste nel sottoporre il materiale a forti campi elettrici dopo averloportato ad una temperatura superiore al punto di Curie, in questomodo i singoli cristalli costituenti il trasduttore si orientano tuttinella stessa direzione.Di questo tipo sono le seguenti sostanze:

- zirconato-titanato di piombo

- titanato di bario (BaTiO3)

- metaniobato di piombo (PbNbO6)

Questi sono ottimi generatori di energia ultrasonora e possiedonouna buona stabilità chimica.

4.5.3. Solfato di litio

Il solfato di litio (LiSO4) viene ottenuto dalla relativa soluzione, essoè il migliore ricevitore di energia ultrasonora, d'altro canto esso èmolto fragile e solubile in acqua.

Nella tabella 2.4.1 è data una panoramica riassuntiva dellecaratteristiche delle varie sostanze impiegate, come materiale


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piezoelettrico, nella costruzione dei trasduttori:

Tab. 2.4.1Materiale Efficiente

trasmettitoreEfficientericevitore

Sensibilità Potererisolutore

Caratteristichemeccaniche

quarzo no mediocre scarsa ottimo buonesolfato di litio mediocre si buona ottimo sol. in acqua

titanati dibario

si mediocre ottima mediocre fragile

metaniobiatodi piombo

si mediocre ottima ottimo buone

5. CAMPO ULTRASONORO

5.1. Campo ultrasonoro

La parte del materiale interessata dalla propagazione delle ondeultrasonore è chiamato campo ultrasonoro. Il particolare andamento delcampo è determinato dal fatto che la sorgente degli ultrasuoni, iltrasduttore, possiede una certa superficie.

Secondo il principio di Huygens una superficie emettitrice di ondesonore, può essere vista come un’infinità di sorgenti puntiformi; questocomporta complicati fenomeni di interferenza tra le varie onde elementarile cui conseguenze saranno brevemente illustrate.

5.1.1. Campo vicino

Il primo tratto percorso dalle onde ultrasonore nel pezzo è chiamatazona vicina o di Fresnel. In questo tratto che si estende per unalunghezza N pari a:

ND

=−2 2

4λ

λ[mm] (2.5.1)


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essendo:D: la dimensione caratteristica del trasduttore espressa inmillimetri (diametro nel caso di trasduttori circolari);λ: lunghezza d’onda (mm).

Nell’ambito del controllo ultrasonoro dei materiali metallici lalunghezza d’onda è piccola (qualche millimetro) rispetto alledimensioni del trasduttore, quindi si può trascurare il termine alnumeratore al quadrato.La formula più comunemente usata è quindi la seguente:

ND

=2

4λ[mm] (2.5.2)

Per tutta la lunghezza N il campo prossimo ha un andamentocilindrico il cui diametro corrisponde al diametro del trasduttore.All’interno di questo cilindro la pressione acustica presenta deimassimi e dei minimi. Questo rappresenta uno svantaggio; infattiuna discontinuità che si trova in un punto del campo prossimo in cuila pressione acustica è minima, non darebbe nessuna onda riflessaquindi la discontinuità stessa non risulta rilevabile.

Fig.28 Il campo sonoro per una lunghezza pari a N a partire dal trasduttore presentadei massimi e dei minimi molto accentuati.

5.1.2. Campo lontano


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A partire dalla distanza N inizia il campo lontano detto anche Zonadi Fraunhofer. L’andamento del campo ultrasonoro segue ora leleggi viste precedentemente (vedi 2.3.7).La forma del campo ultrasonoro dipende dal diametro del trasduttoree dalla frequenza di prova.

Il semiangolo di apertura del cono che definisce la divergenza delfascio ultrasonoro è determinato dalla relazione

D. λα 221= (2.5.3)

dove:λ = lunghezza d’onda [mm]D = diametro del trasduttore [mm]

Da questa formula si vede che si può ottenere un fascio tanto piùstretto quanto più alta è la frequenza di prova (piccolo λ) e quantopiù grande è il diametro del trasduttore; inoltre la divergenza èmaggiore, a parità di frequenza e diametro del trasduttore, permateriali che hanno una velocità di propagazione più alta.

Fig. 29 Il fascio ultrasonoro è cilindrico (onde piane) per tutto il campo prossimo,poi inizia a divergere (onde sferiche) con angolo α costante.


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Quella della figura è una rappresentazione schematicadell’andamento del campo ultrasonoro, in quanto non tiene contodella contemporanea presenza di più tipi d’onda, per i nostri scopiperò tali approssimazioni non comportano problemi.

6. TRASDUTTORI

6.1. TRASDUTTORI

La placchetta di materiale piezoelettrico (a) rappresenta il cuoredella sonda; il complesso è costituito infatti da più parti: l'involucro (b)solitamente metallico, che consente una corretta impugnatura da partedell'operatore e che porta la presa (e) per il cavo coassiale; un materialeassorbente (c) che impedisce il propagarsi delle onde ultrasonore indirezioni diverse da quella voluta; le connessioni elettriche della placchetta(d) ed eventualmente una membrana protettiva di materiale plastico tra laplacchetta ed il pezzo in esame.

Fig. 30 Sonda normale. Con sonde di questo tipo le onde ultrasonore entrano nelmateriale perpendicolarmente rispetto la superficie.


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Ci occuperemo prevalentemente di sonde per sistemi di esame acontatto, essendo questo tipo di esame di gran lunga più diffuso per ilcontrollo delle saldature.

6.2. Trasduttori normali

Sono così chiamati quei trasduttori che emettono il fascioultrasonoro in direzione perpendicolare alla superficie di appoggio dellasonda (vedi fig. 30).

Le onde che proseguono nel pezzo in esame sono longitudinali;infatti in questo caso, per poter trasmettere onde trasversali, è necessarioun accoppiamento fisso tra sonda e pezzo.

Affinché la piastrina di materiale piezoelettrico possa emettere ondeultrasonore, è necessario applicare sulle superfici principali di essa unatensione alternata. Il circuito elettrico può chiudersi attraverso il pezzo inesame se quest'ultimo è un conduttore e se la piastrina poggia direttamentesulla superficie del materiale in esame; frequentemente però il trasduttore èprotetto da una membrana di materiale plastico isolante, quindi il circuitoelettrico deve per forza di cose chiudersi attraverso due conduttori.

Il sottile strato di plastica non ha solo il compito di evitare l'usuradel trasduttore, ma serve anche a migliorare le condizioni diaccoppiamento trasduttore pezzo; infatti le caratteristiche acustiche delmateriale plastico sono simili a quelle dei lubrificanti comunemente usaticome mezzo di accoppiamento, questo rende le condizioni diaccoppiamento trasduttore pezzo meno sensibile alla pressione esercitata.

Il materiale assorbente può essere metallico o ceramico, in ogni casodeve essere caratterizzato da un'elevata impedenza acustica, il materialeassorbente ha anche il compito di smorzare le oscillazioni della piastrinapiezoelettrica e di creare al trasduttore un valido supporto meccanico.

I trasduttori normali possiedono spesso trasduttori circolari il cuidiametro varia tra i 5 e 25 millimetri.

6.3. Trasduttori angolati

I trasduttori angolati sono, per motivi che avremo modo di vedere inseguito, quelle maggiormente impiegate nel controllo delle saldature.


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Questo tipo di trasduttori è caratterizzato dal fatto che le ondeultrasonore (longitudinali) prodotte dal trasduttore penetrano nel pezzo indirezione obliqua sotto forma di onde trasversali..

I fenomeni di rifrazione e conversione d'onda assumono qui grandeimportanza.

a) cuneo in plexiglas;b) trasduttore;c) materiale assorbente;d) presa per il cavo coassiale;e) involucro


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a) cuneo in plexiglas;b) trasduttore;c) materiale assorbente;d) presa per il cavo coassiale;

Fig. 31 Le sonde angolate permettono di introdurre nel materiale in esame ondetrasversali (o anche superficiali) con ben determinati angoli.

Come si può vedere dalla figura 31, il trasduttore è fissato su unsupporto a forma di cuneo (a) che permette alle onde ultrasonore diraggiungere in maniera obliqua la superficie del pezzo in esame; in questocaso le onde ultrasonore penetrano nel pezzo con un angolo di rifrazione di70°, il valore dell'angolo deve essere sempre impresso in maniera benvisibile sulla custodia della sonda.

Nel pezzo sono presenti quindi sia onde trasversali che ondelongitudinali; per non creare confusione nell'interpretazione dei segnali,bisogna impedire il propagarsi nel pezzo delle onde longitudinali; perquesto motivo le onde ultrasonore sono inviate nel pezzo in esame con unangolo di incidenza che è compreso tra il primo ed il secondo angolocritico. Non è casuale quindi la scelta del materiale con il quale è costruitoil cuneo; infatti la velocità di propagazione delle onde ultrasonore in essodeve essere minore di quella del pezzo in esame, affinché l'angolo dirifrazione delle onde trasversali sia maggiore dell'angolo di incidenzadelle onde longitudinali.


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Per esami su acciaio (Vt = 3,2 km/s) vanno bene i cunei in Plexiglas(Vl = 2,7 km/s).

La parte di energia riflessa dalla superficie del pezzo in esame chetorna alla sonda, può ricadere sul trasduttore dopo una serie di riflessioniall'interno della sonda stessa , questo determina l'apparire sullo schermo diindicazioni subito dopo l'impulso iniziale (nelle sonde normali invecel'indicazione della riflessione della superficie del pezzo è praticamentecoincidente con l'impulso iniziale), determinando un incremento della zonamorta.

Per eliminare o quantomeno ridurre tale fenomeno si può, oltre ascegliere con cura il materiale assorbente, studiare accuratamente la formadella sonda in modo da convogliare lontano le onde riflesse.

Esternamente alla sonda devono essere sempre impresse lafrequenza e angolo di rifrazione. Le sonde angolate si usano anche per lagenerazione di onde superficiali.

7. APPARECCHIATURE

7.1. Apparecchiature

Le sonde ultrasonore sono collegate ad apparecchi che sonoessenzialmente dei generatori di impulsi elettrici ad alta frequenza , lavisualizzazione dei segnali avveniva nella maggior parte dei casi suschermi a raggi catodici, recentemente il crescente diffondersi dei modernied efficienti mezzi informatici, mette a disposizione dei tecnici nuove edinteressanti metodologie di rappresentazione ed elaborazione dei segnaliprovenienti dai trasduttori.

In ogni caso il principio di funzionamento di un apparecchio adultrasuoni è grossomodo quello schematizzato nei diagrammi a blocchidelle figure 32 a per le apparecchiature analogiche e 32 b per leapparecchiature digitali tipo EPOCH III modello 2300 della Panametrics:


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a) Sincronizzatore e generatore a denti di sega;b) Generatore di impulsi ad alta frequenza (2-10 Mhz);c) Amplificatore;d) Pezzo in esame;e) Tubo a raggi catodici;f ) Filamento del tubo a raggi catodici;1) Regolazione della profondità d'esame;2) Potenza dell'impulso;3) Frequenza;4) Attenuazione.

Fig. 32 a - Schema di funzionamento di un apparecchio analogico ad ultrasuoniultrasuoni per la rappresentazione dell’A-scan.


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Fig. 32 b - Schema di funzionamento di un apparecchio ad ultrasuoni ultrasuonidigitale per la rappresentazione dell’A-scan.

7.2. Tubo catodico

Il tubo catodico detto anche tubo a raggi catodici, è costituito da untubo di vetro nel quale è stato fatto il vuoto; la parte frontale, dettaschermo, è rivestita dalla parte interna da speciali materiali che diventanofluorescenti quando vengono colpiti dagli elettroni emessi da un filamentoposto dall'altra estremità del tubo. Il materiale fluorescente deve inoltregarantire una ben determinata persistenza dell'immagine, ciò per rendereleggibili gli impulsi che appaiono sullo schermo; se la persistenza è troppobreve infatti l'operatore non ha il tempo necessario per valutare i segnali,se è troppo lungo invece si potrebbero avere sovrapposizioni di immaginiche renderebbero confusa la rappresentazione.

Gli elettroni prodotti dal filamento vengono accelerati e focalizzatiin modo da ottenere un fascio (o pennello) abbastanza sottile, tale fasciosubisce poi delle deflessioni orizzontali e verticali che producono sulloschermo i ben noti segnali detti anche picchi o echi. I movimenti delpennello elettronico sono generati da campi elettrici variabili che agisconomediante particolari organi detti placchette di deflessione.


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7.3. Generatore di tensione a denti di sega

Il compito del generatore di tensione a denti di sega è duplice. Ilprimo è quello di fornire alle placchette di deflessione orizzontale unatensione variabile, crescente linearmente; in questo modo il fascioelettronico è costretto a spostarsi da sinistra verso destra sullo schermo, unosservatore vedrà dunque apparire sullo schermo una linea orizzontaledenominata linea di base o dei tempi.

Conoscendo la velocità di propagazione delle onde ultrasonore nelpezzo in esame, la linea di base rappresenta la distanza percorsa delleonde nel materiale; tanto è vero che sullo schermo degli apparecchiultrasuoni sono normalmente riportate delle scale fisse tarate in millimetri.

Il secondo scopo del generatore a denti di sega è quello di regolare latensione ai capi del filamento che emette gli elettroni; infatti quando ilpennello elettronico ha raggiunto l'estremità dello schermo, deve essereinterrotta l'emissione di elettroni in modo da consentire alle placchette dideflessione orizzontale di ripristinare il campo elettrico iniziale senza peròlasciare traccia sullo schermo.

Distinguiamo così il tempo operativo che è quello in cui il fascioelettronico genera un segnale visibile sullo schermo (questo è il tempo diinvestigazione delle onde ultrasonore all'interno del materiale), ed il tempodi riposo, che è il tempo durante il quale il pennello elettronico torna allaposizione iniziale; durante questa seconda fase non viene generata sulloschermo nessuna luminescenza, rimangono però visibili sullo schermo isegnali dovuti alla persistenza dell'immagine prodotta durante il tempooperativo.

7.4. Generatore di impulsi

Il generatore di impulsi è quella parte dell'apparecchio ultrasuonidirettamente collegato alla sonda (o alle sonde, nel caso si esegua ilcontrollo per trasparenza o con sonda doppia). Su comando delsincronizzatore il generatore invia impulsi elettrici a determinata frequenzae voltaggio alla sonda; la frequenza può variare normalmente tra i 0.5 e i10 Mhz, mentre l'ampiezza varia tra un centinaio di Volt vino a 1000 Volt.Inoltre è possibile regolare sia la durata dell'impulso che il suosmorzamento; tali regolazioni vanno effettuate di volta in volta in base altipo di sonda e alla tecnica d'esame impiegati, inoltre è da tenere benepresente che questi parametri influiscono in maniera determinante su


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alcune fondamentali proprietà dell'apparecchio quali sensibilità e potere dirisoluzione.

Per sensibilità si intende l'attitudine del complesso sonda-apparecchio di rilevare piccole doscontinuitàe di rappresentarle sullo schermo sotto forma di segnali distinguibili; per potere risolutivo invece siintende la capacità del complesso sonda-apparecchio di presentare sullo schermo due segnali distintiprovenienti da discontinuità poste a breve distanza tra di loro.

7.5. Sincronizzatore

Il sincronizzatore invia con una certa cadenza (regolabile) impulsielettrici sia al generatore di tensione a denti di sega che al generatore diimpulsi, coordinandone il funzionamento. E' il sincronizzatore chedetermina la durata di investigazione delle onde sonore all'interno delpezzo in esame.

Questa è forse la regolazione più comune che un operatore si trova adover effettuare durante un controllo con gli ultrasuoni; tramite il relativopotenziometro infatti si seleziona sullo schermo la parte utile che si intendeesaminare all'interno del pezzo, evidenziando così con maggior chiarezza isegnali che si presentano.

7.6. Amplificatore

Il trasduttore, quando è interessato dalle onde ultrasonore riflesse,produce deboli segnali elettrici che possono variare tra 1 mV e 1V. Questisegnali devono essere necessariamente amplificati prima di venire applicatialle placchette di deflessione verticale del tubo a raggi catodici; in questomodo sono visibili sullo schermo, sotto forma di picchi, i segnali cherappresentano eventuali discontinuità o la parete di fondo del pezzo inesame.

Come si può vedere dallo schema a blocchi l'amplificatore èdirettamente collegato al generatore di impulsi, questo fa si che sulloschermo sia ben visibile l'impulso iniziale che è preso come punto dipartenza della linea di base.

Bisogna però tenere presente che una eventuale discontinuità postaimmediatamente nelle vicinanze della sonda (subito sotto la superficie delpezzo) produrrebbe un segnale che non è in alcun modo visibile sulloschermo; infatti l'impulso iniziale, provenendo direttamente dal generatoredi impulsi, ha un'ampiezza di parecchi Volt, quindi sicuramente superioreal debole segnale proveniente dalla discontinuità.


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La distanza all'interno del pezzo che non può essere investigata sichiama zona morta.

L'entità della zona morta è influenzata anche dal fatto che il trasduttore, nel momento in cui è attivocome trasmettitore non può per ovvie ragioni funzionare anche da ricevitore; quindi l'eventuale energiaultrasonora riflessa non è captata dal trasduttore. E' altresì evidente coma la durata dell'impulso inizialeagisca in maniera nefasta sulla lunghezza della zona morta: più l'impulso iniziale è lungo e più aumental'entità della zona morta. Il problema non si pone se l'indagine viene effettuata con il metodo per trasparenza o con la sondadoppia.

7.7. Apparecchiature digitali

La crescente evoluzione, negli ultimi anni, della microelettronica e deisupporti informatici ad essa associata, hanno consentito la realizzazione diapparecchiature sempre più sofisticate, facili da usare e con prestazioniultrasonore sempre più spinte.

Esse si caratterizzano, innanzitutto, dalle dimensioni sempre più ridottegrazie all’impiego di display digitali ad alta risoluzione i quali, oltre che lanormale rappresentazione della forma d’onda, hanno il compito di forniretutte le informazioni relative ai parametri di calibrazione e di misura.


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Fig. 33 - Rappresentazione su display elettroluminescente di apparecchiaturadigitale dell’ultima generazione.

Inoltre, la notevole quantità di memoria disponibile, permette lamemorizzazione, sotto forma di files, delle forme d’onda e dei relativiparametri di calibrazione, le quali possono essere richiamate per una rapidaricalibrazione dello strumento, oppure, consentire la realizzazione deirapporti di lavoro direttamente a computer, stando comodamente seduti inufficio.

8. RAPPRESENTAZIONE DEL SEGNALEULTRASONORO

8.1. Ecogramma


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Il segnale riflesso da un riflettore presente nel pezzo può essererappresentato essenzialmente in tre sistemi diversi. Tali sistemi dirappresentazione vengono contraddistinti con le lettere A, B e C.

Esiste inoltre la tecnica TOFD che sta riscuotendo al giorno d'oggisempre maggiori consensi.

8.2. Rappresentazione di tipo A

E' fino al giorno d'oggi il sistema di rappresentazione più usato. Ildifetto viene rappresentato sullo schermo del tubo catodico da un picco,detto anche eco. La posizione del picco rispetto la linea orizzontale èproporzionale alla distanza percorsa dalle onde ultrasonore all'interno delpezzo, mentre l'altezza del picco è proporzionale all'intensità delle ondeultrasonore riflesse.

Fig. 34 - Rappresentazione di tipo A. Sullo schermo appaiono i picchi dell'impulsoiniziale, dei difetti e della parete di fondo ad una distanza che è proporzionale allaprofondità dei riflettori all'interno del pezzo.

L'apparecchio ultrasuoni provvede al filtraggio e al raddrizzamentodel segnale in modo da renderlo più leggibile.


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8.3. Rappresentazione di tipo B

Questo tipo di rappresentazione è meno impiegato. La differenzarispetto alla rappresentazione di tipo A (A-scan) è che si ottiene unavisione bidimensionale, cioè si ottiene un'immagine che rappresenta unasezione del pezzo (fig. 34).

Fig. 35 - Rappresentazione B-scan. Questo genere di rappresentazione si presta beneper controlli di serie automatizzati.

L'apparecchiatura usata presenta alcuni componenti in più rispetto aquella che viene impiegata con una rappresentazione di tipo A, questicomponenti hanno le seguenti funzioni:

- Regolare l'intensità dell'immagine in modo proporzionale all'ampiezza del segnale riflesso;

- provvedere alla deflessione della traccia sullo schermo in sincronismo con il movimento del trasduttore;

- garantire una sufficiente persistenza dell'immagine.


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8.4. Rappresentazione di tipo C

Questo tipo di rappresentazione si presta particolarmente negli esamicon ultrasuoni che vengono eseguiti con sistemi automatici abbinati ad unsistema di registrazione permanente, per esempio nel controllo dellelamiere.

Le discontinuità vengono rappresentate come se fossero "l'ombra"dei difetti presenti nel pezzo in esame.

Fig. 36 - Rappresentazione C-scan. Questo sistema è completamente automatizzato,viene usato prevalentemente con il metodo per immersione.

E' possibile quindi valutare l'estensione del difetto intesa comelarghezza e lunghezza ma nessun dato viene dato riguardo la profondità delriflettore all'interno del pezzo.

8.5. 2.8.5 Tecnica TOFD

La tecnica TOFD (Time Of Flight Diffraction) si basasull'interazione dell'onda ultrasonora con i bordi delle discontinuità.


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Tali bordi si comportano come degli emettitori puntiformi di ondeche possono venire facilmente rilevate. In base al tempo di volo delsegnale è possibile determinare l'estensione e la posizione in profondità deidifetti.

La configurazione base della tecnica TOFD (fig. 36) consiste in unacoppia di sonde angolate; una trasmittente e una ricevente, mantenutemeccanicamente ad una prefissata distanza tra loro.

Fig. 37 - Tecnica TOFD. Questo procedimento si avvale di un computer per laregistrazione e la rappresentazione dei segnali.

Una rappresentazione schematica dei segnali tipici TOFD è riportata infig. 38:


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Fig. 38 - Segnali tipici della tecnica TOFD, essi sono caratterizzati dal fatto che leonde ultrasonore presentano un'inversione di fase.

Il primo segnale è l'onda laterale che viaggia proprio sotto lasuperficie del pezzo in esame. In assenza di discontinuità, il secondosegnale che arriva al ricevitore è l'eco di fondo. Questi segnali, cheseguono rispettivamente il più breve e il più lungo percorso ultrasonoro,vengono utilizzati come riferimento.

Se viene intercettata una discontinuità, i bordi di quest'ultimaemettono dei segnali generati per diffrazione, naturalmente il segnalegenerato dal bordo superiore della discontinuità arriverà prima di quellogenerato dal bordo inferiore.

L'altezza della discontinuità può essere dedotta dalla differenza deitempi di volo tra i due segnali diffratti. Analizzando i segnali, si notal'inversione di fase tra l'onda laterale e l'eco di fondo e tra i segnali relativiai bordi superiore e inferiore della discontinuità.

La tecnica TOFD si rivela adatta nel controllo delle giunzioni saldatedi testa, in particolare quelle eseguite al laser, i cui difetti tipici (porosità,bolle ed eventuali cricche da ritiro), sono posizionati sicuramente in unvolume ristretto intorno ad un piano verticale.

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Teoria Degli Ultrasuoni - Panametrics