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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
sergiocalcina@unica.it
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
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
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
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
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).
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
Impedenza acustica di alcuni materiali in funzione della velocità di propagazione delle onde longitudinali.
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
Impedenza acustica di alcuni materiali in funzione della velocità di propagazione delle onde longitudinali.
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
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.
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
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
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
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.
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
2PV
3
4
k
VP
211
1
EVP
SV
1
1
2
EVS
Onde Longitudinali
Onde Trasversali
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
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).
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
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
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
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
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
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.
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
-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
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
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.
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
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.
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
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.
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
Determinazione della velocità dell’impulso ultrasonico attraverso il metodo di Trasmissione Indiretta (ITT). [Tratto dalla norma EN 12504-4, 2004]
Esempio di acquisizione ITT
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
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.
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
Perché utilizzare segnali ad alta frequenza? Risoluzione: Prima zona di Fresnel
Costruzione geometrica della prima zona di
Fresnel
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
Perché utilizzare segnali ad alta frequenza? Risoluzione: 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.
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
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!
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
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).
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
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
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
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.
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
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.
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
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.
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
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).
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
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).
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
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.
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
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
Metodi a Ultrasuoni (Ultrasonic Testing UT)
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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