metodo ultrasonico - people.unica.it · 2016. 1. 22. · metodi a ultrasuoni (ultrasonic testing...

UNIVERSITÀ DI CAGLIARI

DICAAR Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Architettura

Sezione di Geologia e Geofisica Applicata

METODO ULTRASONICO

C.I. di Tecniche Diagnostiche e Materiali per l’Architettura

Modulo di Diagnostica Fisica delle Costruzioni

A.A. 2014-2015

Dott. Sergio Vincenzo Calcina

[email protected]

Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)

Il suono si propaga nei corpi mediante la vibrazione elastica degli atomi e

delle molecole che lo compongono ad una velocità dipendente dalle

caratteristiche meccaniche del materiale attraversato.

Gli ultrasuoni sono onde acustiche caratterizzate da frequenze maggiori di

20 KHz, pertanto superiori alla banda di frequenze udibili dall'orecchio

umano (banda compresa tra 20 Hz e 20 KHz).

Generalità


I controlli non distruttivi che utilizzano i segnali in banda ultrasonica si

basano su diversi fenomeni fisici che governano la propagazione delle onde

attraverso i materiali.

Infatti, la presenza di imperfezioni o di domini disomogenei all’interno del

mezzo studiato provoca l’insorgere di fenomeni di riflessione, rifrazione e

scattering che si manifestano con la presenza di eco spurie, riverberi e

con una maggiore o minore attenuazione anelastica dell’onda durante il

percorso compiuto attraverso il corpo.

Grandezze fisiche caratteristiche

Velocità di propagazione V [m/s]

Periodo T [s]: definito come il tempo che impiega l'onda acustica per passare da un massimo di pressione al successivo.

Frequenza f [Hz – s-1]: l'inverso del periodo T.

Lunghezza d'onda λ [m]: rappresenta la distanza percorsa dal fascio US in un periodo T e alla velocità V


Impedenza acustica Z [Ns/m3 (= 1 rayl)]:

Questo parametro caratterizza la resistenza al passaggio del fascio US

nel mezzo ed è espresso dalla relazione:

L’impedenza acustica caratterizza il comportamento del suono nei confronti

di un dato materiale ed è facilmente dimostrabile che risulta legata alle

proprietà fisiche del materiale mediante l’espressione:

in cui ρ rappresenta la densità del mezzo [kg/m3] e V [m/s] la velocità di propagazione. Per ogni materiale si possono definire una o più impedenze in funzione della tipologia di propagazione dei segnali US (onde longitudinali, trasversali e superficiali, onde di Lamb).


Impedenza acustica di alcuni materiali in funzione della velocità di propagazione delle onde longitudinali.



È interessante osservare che l’impedenza acustica è molto bassa nei gas

(circa quattro ordini di grandezza minore rispetto a quella dei solidi) e ciò

comporta valori del coefficiente di riflessione molto elevati alla superficie

di separazione solido-gas, caratterizzati da forti contrasti di impedenza

(per esempio acciaio-aria, caso frequente nella pratica).

Questo fenomeno si riflette nella difficoltà di trasmissione nell’aria

incontrate dalle onde ultrasoniche dopo aver attraversato un materiale

solido. Per tale ragione è necessario interporre uno strato costituito da una

sostanza solida, o da un fluido viscoso tra il trasduttore ed il materiale da

testare per poter eseguire il controllo in modo efficace, ottenendo

risultati affidabili.


Intensità acustica I [J/s/m2]: Rappresenta la quantità d’energia che attraversa l'unità di superficie nell'unità di tempo e analiticamente si ricava attraverso la relazione:

tA

tvAE

tA

VE

tA

EI tottottot

20

2

2

1ucvEI tot

in cui δEtot rappresenta la densità di energia (energia per unità di volume), V il volume,v la velocità di propagazione dell’onda, ΔA la superficie e Δt l’intervallo temporale in cui avviene la trasmissione dell’energia. Mediante semplici manipolazioni si può ottenere la seguente espressione:

2211 SISI

S1

S2

r1

r2 Prinicipio di conservazione dell’energia


Propagazione delle onde ultrasonore: velocità di propagazione e proprietà

elastiche del mezzo.

Nel caso di mezzo omogeneo, isotropo a comportamento elastico lineare, i parametri fisici del mezzo attraversato da onde ultrasoniche, che compaiono nelle varie espressioni delle velocità di propagazione, sono i seguenti:

1. Modulo di Young E [Pa];

2. Coefficiente di Poisson ν;

3. Densità ρ [kg/m3].

o altri due moduli elastici (modulo di taglio G/μ, modulo edometrico Eed, modulo di compressione sferica o isotropa Kv.


2PV

3

4

k

VP

211

1

EVP

SV

1

1

2

EVS

Onde Longitudinali

Onde Trasversali


Il controllo mediante ultrasuoni si basa essenzialmente sull’analisi delle variazioni delle caratteristiche delle onde riflesse e trasmesse quando il fascio incontra una discontinuità. La relazione fondamentale che governa la ripartizione dell’energia in seguito alla riflessione di un’onda (ultrasonica) che incide ortogonalmente sulla superficie di separazione tra due mezzi di impedenza acustica diversa Z1 e Z2 è stata formulata da Poisson* e si esprime nella forma: Analoga relazione può essere ricavata per ciò che riguarda il coefficiente di trasmissione T:

Propagazione delle onde ultrasonore: Riflessione e Trasmissione

Ampiezza

Ampiezza

Energia

Energia

*generalizzata successivamente da Zoeppritz (1919).


Attenuazione anelastica del segnale attraverso il mezzo

V

Rj

ReeRA

RRA

1

1,1

, 00

1

11

V

Rj

ReeRA

RRA

2

2,1

, 00

2

22

R1

R2

Tx Rx (posizione1) Rx(posizione 2)

Si modifica l’ampiezza del segnale per effetto della divergenza geometrica (geometrical spreading) e dell’attenuazione anelastica (correlata alle caratteristiche dissipative del mezzo di propagazione). Inoltre, cambia il contenuto in frequenze del segnale (pulse broadening, non linearità).

Segnale alla sorgente


Rapporto Spettrale

12

12 2

2

1

2

1

11

22

,

, RRQVRR

eR

Re

R

R

RA

RA

12

2

1

11

22

2ln

,

,ln RR

QVR

R

RA

RA

qmY

Retta di regressione

Calcoliamo il logaritmo di ambo i termini:

12

2

1

11

22

2ln

,

,ln RR

QVR

R

RA

RA

m

t

mV

RRQ

22

12

mqY

Y

q m = coefficiente angolare



Prove ultrasoniche: Metodi operativi La prova consiste nel misurare il tempo impiegato da onde ultrasoniche di adeguata frequenza (40-120 KHz) ad attraversare un mezzo compreso tra due trasduttori collocati ad una data distanza, ricavandone la velocità di propagazione.

- Tecniche per Riflessione Metodo che impiega un solo trasduttore che opera sia come sorgente di emissione dell’impulso ultrasonico, che come ricevitore del segnale di ritorno (analogo al sistema del georadar in configurazione monostatica). Il metodo è largamente impiegato per lo studio dei materiali metallici.


-Tecniche per Trasmissione

Metodo che impiega due sonde: una costituisce la sorgente di emissione dell’impulso ultrasonico (trasmittente) l’altra riceve il segnale (ricevente). Il metodo è largamente impiegato nel campo dell’edilizia e della caratterizzazione dei lapidei. Gli schemi di indagine usati in questo caso sono fondamentalmente tre: 1. Trasmissione diretta; 2. Trasmissione semidiretta; 3. Trasmissione indiretta.

1

3

2


Principali configurazioni di acquisizione E (sonda trasmittente ,Tx transmitter) – R (sonda ricevente, Rx receiver)

1. Trasmissione diretta (Direct Transmission Technique DTT) Configurazione in cui i due trasduttori sono applicati a contatto di due superfici opposte dell’oggetto da indagare. Questo tipo di indagine rappresenta certamente il metodo più sensibile dei tre in quanto la maggior parte dell’energia emessa dalla sonda emittente è diretta a quella ricevente.


2. Trasmissione semidiretta Prevede che le sonde siano applicate sull’oggetto da indagare, in due punti posti su allineamenti perpendicolari tra loro. Questo tipo di indagine è meno precisa della precedente in quanto solo una parte dell'energia emessa dalla sonda emittente è diretta a quella ricevente. Sarà necessario misurare con la massima accuratezza la distanza da centro a centro delle facce dei trasduttori.


3. Trasmissione indiretta (Indirect Transmission Technique ITT) In questa configurazione i trasduttori sono posizionati in punti allineati sulla medesima superficie del mezzo da studiare. In queste modalità di acquisizione solo una parte dell'energia emessa dalla sorgente (sonda trasmittente) è diretta a quella ricevente. La velocità dell'impulso di solito è influenzata dallo strato superficiale del materiale, che solitamente presenta caratteristiche diverse dagli strati profondi. Per tale motivo si rende necessario effettuare una serie di misure a distanza progressivamente crescente dalla sorgente. La sonda trasmittente deve essere mantenuta fissa in una determinata posizione, mentre si fa variare la posizione di quella ricevente che deve essere posta a distanze successive uguali lungo una linea prestabilita. I tempi di trasmissione misurati permetteranno di stabilire una velocità media dell'impulso.


Determinazione della velocità dell’impulso ultrasonico attraverso il metodo di Trasmissione Indiretta (ITT). [Tratto dalla norma EN 12504-4, 2004]

Esempio di acquisizione ITT


Perché utilizzare segnali ad alta frequenza? Risoluzione: Prima zona di Fresnel

L’ampiezza della prima zona di Fresnel

definisce il livello di risoluzione orizzontale

delle indagini. Quando due anomalie sono

separate da una distanza più piccola della

prima zona di Fresnel non possono essere

individuate distintamente.

Il raggio della zona di Fresnel è correlato alla

lunghezza d’onda λ (e pertanto alla frequenza)

del segnale utilizzato e alla profondità z

dell’anomalia.



Costruzione geometrica della prima zona di

Fresnel



Il raggio della prima zona di Fresnel varia in funzione della profondità dell’anomalia (a) e in funzione della frequenza del segnale utilizzato (b).

Tomografia ultrasonica

?, yxv

Tooz = Sezione

Sorgente

Ricevitore

yxl ,

Identificazione delle caratteristiche

elastiche (acustiche) di una sezione

di un determinato mezzo tramite la

distribuzione della velocità delle

onde ultrasoniche all’interno del

dominio di studio.


Registrazione dei tempi di tragitto del segnale considerando numerose posizioni sorgente-ricevitore

m

j

jiji slt1

ni ...1

nt

t

t

2

1

t

ms

s

s

2

1

s

nmn

m

m

ll

ll

ll

1

221

111

A

Ast

Percorso del raggio i-esimo

è funzione della lentezza ijl

Attenzione: il legame tra t ed s non è lineare!


ti= tempo impiegato dal raggio i-esimo per attraversare la sezione;

lij= percorso del raggio all’interno della cella j-esima;

sj = lentezza della cella j-esima (inverso della velocità).


Tomografia Ultrasonica: esempi

Tomografia US: nucleo a bassa velocità di propagazione del segnale (associato alla presenza di materiali caratterizzati da scadenti proprietà elastiche).

Tomografia di attenuazione del segnale US


Generazione di segnali in banda ultrasonica

I trasduttori utilizzati per la conversione di impulsi elettrici in vibrazioni meccaniche e viceversa sfruttano il principio della piezoelettricità di alcuni materiali. Quando un campo elettrico attraversa questi materiali, induce dei fenomeni di polarizzazione (separazione di cariche) accompagnati da deformazioni (espansioni e contrazioni) del reticolo cristallino. Viceversa, se si sottopone l’elemento trasduttore ad una tensione meccanica capace di deformarlo, tra le superfici opposte del cristallo si genera spontaneamente una differenza di potenziale elettrico.


I materiali con cui attualmente si realizzano i trasduttori ultrasonici in generale appartengono alla famiglia dei materiali piezo-ceramici polarizzati. Un fattore estremamente importante ai fini della scelta del trasduttore è rappresentato dallo smorzamento dell’oscillatore una volta che l’impulso di onde meccaniche è stato prodotto. Le superfici dell’oscillatore sono ricoperte con un sottile strato metallico in modo tale che sia garantito il comportamento da elettrodo.

L’elemento radiante è protetto dal mondo esterno mediante rivestimento con uno strato cosiddetto “di usura” (a volte indicato con il nome di “zeppa” o “scarpa”) che provvede ad evitare il danneggiamento accidentale, o causato dall’uso, nonché la contaminazione con agenti solidi o liquidi.


Campi di applicazione del metodo microsismico vibrazionale L'uso degli ultrasuoni trova impiego nei campi dell’Ingegneria Civile, dellla Scienza dei Materiali, dell’Architettura e del Restauro monumentale. La sua applicazione è codificata da norme UNI per gli acciai e per il calcestruzzo. Analogamente al calcestruzzo possono essere indagati i materiali lapidei, le malte, il legno, le murature, etc. L'esame ultrasonico non si limita a segnalare l'eventuale presenza di discontinuità ma fornisce anche le seguenti informazioni:

• Grado di omogeneità;

• Presenza di vuoti, fessure, nidi di ghiaia o altre imperfezioni;

• Entità della discontinuità;

• Localizzazione di zone alterate prima che le modificazioni della materia

siano visibili ad occhio nudo;

• Variazioni delle proprietà dei materiali nel tempo;

• Valore del modulo elastico dinamico del materiale a piccole deformazioni;

• Indice della resistenza meccanica del materiale.


Relazione sperimentale tra velocità ultrasonica e resistenza a compressione monoassiale rilevata su carote (tratta da Diagnosis and Assessment of Concrete Structures - State of Art Report, Bulletin d’Information, no 192, gennaio 1989).


Metodo SONREB Il metodo SONREB (SONic + REBound) è un metodo che combina la prove ultrasoniche con quelle sclerometriche per superare parzialmente i limiti delle due tecniche, considerate singolarmente.

Sclerometro Schmidt.

Curva che correla l’Indice di rimbalzo S (sclerometro) con la resistenza cubica a compressione (tratta da British Standard 4408: Part 5, Non-destructive Methods of Test for Concrete Measurement of the Velocity of Ultrasonic Pulses in Concrete, London, 1974).


L’applicazione del metodo SONREB richiede la valutazione dei valori locali di

velocità del segnale ultrasonico V e dell’indice di rimbalzo S, a partire dai

quali è possibile ottenere la resistenza del calcestruzzo Rc mediante

espressioni della forma:

Diverse espressioni proposte in bibliografia per il coefficiente a e per gli esponenti b e c che compaiono nella precedente relazione.

in cui Rc è la resistenza cubica a compressione espressa in N/mm2, S è

l’indice sclerometrico e V è la velocità ultrasonica espressa in m/s.


Metodo Sonreb: uso del grafico con curve di isoresistenza (ricavate da RILEM, 1993, NDT 4 Recommendations for in situ concrete strength determination by combined non-destructive methods, Compendium of RILEN Technical Recommendations, E&FN Spon, London).

Curve di isoresistenza


Metodo SONREB Curve di isoresistenza ricavate da P. Bocca, F. Cianfrone, 1983. Le prove non distruttive sulle costruzioni: una metodologia combinata, L’Industria Italiana del Cemento, n. 6.

Vantaggi

1. Rapidità di esecuzione delle misure;

2. Portabilità, consente il controllo di strutture in opera;

3. Misura effettuata in condizioni totalmente non invasive, senza alterare le

caratteristiche elasto-meccaniche del materiale attraverso il prelievo di provini.

Limitazioni

1. L’interpretazione dei risultati può essere difficoltosa, con rischio di false

indicazioni;

2. Richiede personale altamente qualificato con notevole esperienza;

3. Non applicabile per spessori sottili (inferiori a 6 - 8 mm);

4. Costo relativamente elevato delle attrezzature;

5. Non applicabile o applicabile in misura limitata a materiali che presentano forte

attenuazione alla trasmissione degli ultrasuoni (ghise grigie).


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