Rilevamento con ultrasuoni

Collaboratore Responsabile Settore Diagnostica e Restauro:  Dott. Geologo Marco Manca

Le Prove non distruttive con ultrasuoni sfruttano i fenomeni della propagazione nei solidi, liquidi o gas, di fasci d'onde elastiche. Per le prove ultrasoniche si utilizzano le onde elastiche di tipo longitudinale. Queste durante la loro propagazione all’interno di un mezzo, producono uno spostamento dei volumi elementari, parallelo alla direzione di propagazione, creando zone di compressione e decompressione della materia. Le onde ultrasoniche hanno una frequenza superiore a 20 kHz, fino a 1000 MHz, non udibili dall'orecchio umano. La specificità delle onde ultrasoniche consiste nel fatto che se incontrano (una volta inviate nel sistema spaziale da esaminare), uno strato d’aria (fessura, cavità, intercapedine), esse vengono quasi completamente riflesse. Si calcola che è sufficiente una fessura di circa 1 μm per bloccare la trasmissione degli ultrasuoni aventi una lunghezza d'onda di circa 1 mm. Il fascio d'onde ultrasonore, in altre parole il segnale, è generato sfruttando le proprietà piezoelettriche o magnetostrittive di alcuni cristalli, cioè la loro capacità di contrarsi ed espandersi sotto l'azione di un campo elettrico o di un campo magnetico alternato (Fig. 1) . Le vibrazioni del cristallo producono onde elastiche di frequenza ultrasonora, purché il campo elettrico (o magnetico) alternato eccitante possegga l'adatta frequenza. Gli ultrasuoni così generati sono trasferiti direttamente nel materiale da controllare grazie al contatto, ossia al semplice accostamento del generatore (trasduttore) alla superficie del materiale, purché esista un mezzo di accoppiamento adeguato tra le due interfacce.Text Box:      In fase d’acquisizione, è fondamentale il perfetto contatto tra il materiale e i trasduttori. Nel caso di superfici irregolari, la continuità fra trasduttori e materiale, è garantita da una speciale membrana in silicone che è posta sulla superficie di contatto dei trasduttori; quest’ultima, oltre a garantire il perfetto accoppiamento, è in grado di contenere il disadattamento d’impedenza acustica, e trasferire il suono senza eccessivo assorbimento. Il fascio d'onde ultrasonore si propaga nel materiale da esaminare con la stessa frequenza del generatore e con una velocità che dipende dal materiale attraversato. Quando il fascio incontra un ostacolo sarà riflesso, assorbito, deviato o riffratto secondo le leggi comuni a tutti i fenomeni di propagazione delle onde. Le onde riflesse possiedono la stessa frequenza di quelle incidenti, ma sono sfasate rispetto ad esse, anche in funzione del cammino percorso, cioè della distanza del trasduttore dai vari punti della superficie dell'ostacolo. Analoga sorte spetta alle onde riffratte: l'energia assorbita dal difetto colpito, produce in genere una diminuzione della velocità di propagazione del fascio d’onde. Il fenomeno fisico della piezoelettricità o magnetostrizione, che è stato sfruttato per generare l'onda, è reversibile; ne deriva che lo stesso cristallo capace di emettere ultrasuoni (effetto piezoelettrico indiretto), può generare un segnale elettrico o magnetico, quando sia investito da un fascio d'onde elastiche (effetto piezoelettrico diretto) . Perciò, quando il segnale emesso, arriva al trasduttore ricevente questo darà un impulso elettrico, il quale è recepito da un cronometro elettronico che ci da direttamente il valore del tempo (espresso in micro secondi), impiegato dalle onde ultrasoniche per percorrere la distanza che separa i due trasduttori. Il tempo di ritardo tra l’inizio dell’eccitazione del trasduttore trasmittente e la rivelazione dell’impulso ricevuto, è assunto come tempo di propagazione dell’onda nel mezzo, mentre l’attenuazione da essa subita è generalmente valutata come l’amplificazione necessaria a riportare il primo picco del treno di impulsi, all’ampiezza che si avrebbe con i trasduttori a contatto e con il solo materiale di accoppiamento interposto. Il segnale opportunamente amplificato e filtrato, potrà essere visualizzato sul quadrante dell'oscilloscopio, di cui sono sempre dotati gli strumenti rivelatori d'ultrasuoni. variazioni di V lungo una certa dimensione di una struttura di spessore nominale costante, ciò può essere imputato a variazioni delle caratteristiche elastiche del materiale (variando il materiale varia E d) oppure alla presenza di fessure o di cavità

Descrizione della strumentazione

Uno degli strumenti utilizzati per effettuare le prove ultrasoniche è il “PUNDIT” (Portable Ultrasonic Not-Distrctive Digital indicatine Tester); il quale ha il compito di fornire al trasduttore trasmittente, gli impulsi elettrici tali da far emettere allo stesso il segnale ultrasonico, inoltre è fornito di un cronometro elettronico capace di misurare l’intervallo di tempo intercorso tra il segnale elettrico trasmesso al trasduttore trasmittente e il segnale elettrico proveniente dal trasduttore ricevente (Fig. 2) .

I trasduttori utilizzati sono due: uno è chiamato trasmittente, e serve per trasmettere l’impulso ultrasonico al materiale oggetto di studio, l’altro è chiamato ricevente e serve per captare l’impulso ultrasonico che ha attraversato il mezzo, trasformandolo in segnale elettrico. Entrambi sono collegati all’unità principale “Pundit” mediante dei cavi lunghi fino a 30 m. Si possono connettere trasduttori con diverse frequenze ultrasoniche, che possono essere utilizzati in funzione degli obiettivi dell’indagine: maggiore è la frequenza utilizzata, minore è la capacità di penetrazione del segnale ultrasonico.

Esistono trasduttori a forma cilindrica, e trasduttori a punta conica, questi ultimi sono utili quando si opera su superfici irregolari (es. strutture murarie). La punta conica garantisce una maggiore aderenza tra il trasduttore e il materiale, ha però lo svantaggio di ricoprire una minor superficie di contatto, ciò comporta una minore energizzazione del mezzo materiale. In fase d’acquisizione ci si può avvalere dell’utilizzo di un’oscilloscopio collegato al “Pundit”, che serve per visualizzare le forme d’onda derivate dal segnale recepito. In base alla forma d’onda possiamo stabilire se il segnale acquisito proveniente dal mezzo indagato è significativo. L’oscilloscopio è collegato con un PC, il quale consente di memorizzare i dati per una successiva analisi dei segnali mediante opportuni metodi di trattamento delle serie digitali