É una tecnica non distruttiva che utilizza onde ultrasonore che attraversano i materiali per rilevarne discontinuità.
Si possono usare sia per porzioni interne che superficiali su moltissimi materiali e su tutti i metalli. La facilità o la difficoltà dell’analisi dipendono dal materiale.
Fissiamo tre termini importanti:
- Indicazione – tutto ciò che osserviamo a prima vista senza fare alcun tipo di considerazione
- Discontinuità – ogni indicazione che può essere messa in relazione con disomogeneità presenti nella struttura del materiale in esame.
- Difetto – ogni discontinuità non ammessa dal criterio di accettabilità della specifica utilizzata. (o dal campione)
Percorso dell’analisi
- si osserva l’indicazione
- si valutano i disturbi (ad esempio interferenze elettriche)
- dalle indicazioni si valutano le discontinuità (per ora non definibili)
- rilevate le discontinuità si considerano come difetti o no, in base a criteri di valutazione.
- solo le discontinuità che non rientrano nei “criteri di accettabilità” vengono definite come difetti.
I criteri di accettabilità sono definiti ed identificati dai 3° livelli.
La qualifica degli ultrasonisti deve essere certificata ad uno dei seguenti livelli:
1° livello | qualificato all’utilizzo degli strumenti |
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2° livello | qualificato alle analisi e alla loro valutazione, gestisce i primi livelli |
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3° livello | qualificato ad emettere le procedure di controllo, formare i primi e i secondi livelli. |
La normativa di riferimento: ASNT Americana e EN 473 Europea
Ultrasuoni
L’ultrasuono è un onda meccanica che si trasferisce nel mezzo ad una frequenza superiore alla banda udibile, quindi a valori di frequenza superiori a 20KHz.
L’intervallo ultrasonico utilizzato per la diagnosi era solitamente compreso fra 0.5 MHz e 25MHz, ma l’anailisi dei materiali compositi ha reso oggi necessario allargare questa finestra verso il basso fino a 20 KHz.
Propagazione
La materia anche se detta solida è composta da grandi spazi fra le particelle che la compongono. Le particelle in questi spazi hanno gradi di libertà di movimento. Si potrebbero rappresentare queste particelle come palline collegate negli spazi fra di loro da molle elastiche che possano comprimersi e allungarsi. Se una pallina è premuta, trasferisce il movimento alla pallina adiacente generando lo spostamento anche in questa.
Quando il carico viene eliminato le palline ritornano al proprio posto. Grazie all’equilibrio delle molle la deformazione si assorbe e la materia ritorna allo stato iniziale.
La ripetizione di questa azione, se eseguita in modo ciclico, mette in vibrazione la materia in un movimento armonico di particelle, con trasmissione di onde da un capo all’altro della mezzo in esame.
Consideriamo ora una sola pallina e la sua molla collegate ad un vincolo fisso, se urtiamo istantaneamente la pallina nel senso di compressione della molla, questa comincerà a oscillare secondo l’elasticità della molla e l’ampiezza dell’oscillazione varierà nel tempo fino a raggiungere lo zero a pallina di nuovo ferma.
Se su un sistema di assi cartesiani portiamo in ascissa il valore del tempo che intercorre fra l’urto e l’istante in cui la pallina si ferma (ampiezza oscillazione = 0) e in ordinata le ampiezze, otterremo un grafico.
La pallina si sposterà comprimendo la molla fino ad un massimo e rimbalzerà fino al massimo opposto rispetto al centro di oscillazione.
Quindi la pallina oscillerà con centro in 0 in “M” e “m”.
Una completa escursione – 0-M-0-m-0 è detta CICLO dell’oscillazione.
Il tempo che intercorre fra i due zeri estremi si dice periodo e si indica con “T” misurandolo in secondi. Il numero di Cicli al secondo si misura in Hz. 1 Hz è il ciclo eseguito in un secondo. Questo valore si definisce Frequenza e si indica con “f”.
1 KHz sono 1.000 cicli al secondo 1 MHz sono 1.000.000 cicli al secondo
Se aumenta il periodo diminuisce la frequenza, quindi tali valori sono inversamente proporzionali.
T= 1/f
La distanza fra due picchi Massimi si definisce Lunghezza d’onda λ
La lunghezza d’onda è uno spazio e si misura in mm o suoi sottomultipli.
Maggiore è la frequenza, minore è la lunghezza d’onda.
La velocità “v” di penetrazione degli ultrasuoni all’interno di un mezzo si misura in m/sec e dipende dal tipo di onda e dal tipo di materiale.
La relazione fra velocità, frequenza e lunghezza d’onda è la seguente:
λ=v/f
si nota come velocità e frequenza siano inversamente proporzionali.
v=λ /f
la velocità è tanto maggiore quanto maggiore è la lunghezza d’onda.
La discontinuità più piccola rilevabile dall’ultrasuono è pari alla lunghezza d’onda del fascio che attraversa il materiale.
La dimensione rilevabile di una discontinuità non è la dimensione assoluta della discontinuità, ma la dimensione della proiezione di questa discontinuità sul piano trasversale al fascio di ultrasuoni.
Questo ci permette di comprendere che discontinuità lunghe e sottili possono non essere rilevate se ricercate con fasci che si propagano nella direzione perpendicolare alla loro lunghezza.
Se una discontinuità sferica ha diametro inferiore a λ non si vedrà perché qualunque proiezione di questa su un piano è di misura inferiore a λ.
Se una discontinuità cilindrica ha diametro ¼ λ ed è lunga 2λ potrà non vedersi se il fascio analizzatore incide perpendicolarmente alle basi del cilindro, ma sarà evidente se il fascio sarà incidente perpendicolarmente alle generatrici del cilindro, in quanto la lunghezza della proiezione sul piano perpendicolare al fascio in questo caso sarà un rettangolo lungo 2λ.
Esistono tuttavia sonde speciali dette “λmezzi” che rilevano discontinuità inferiori a λ.
Attenuazione
Quando un fascio attraversa un materiale, un mezzo, subisce una perdita di energia.
Tale perdita di energia è detta attenuazione.
L’attenuazione in un mezzo attraversato da una onda ultrasonica fa rilevare in due punti contigui conseguenti due valori di intensità acustica (energia acustica trasmessa) diversi.
L’attenuazione si misura in dB x mm (decibel per millimetri).
Impedenza acustica
Con il termine di Impedenza, come in elettricità, si indica la resistenza che un mezzo oppone al suo attraversamento, in questo caso di onde acustiche.
La relazione che la lega al mezzo è la seguente:
Z= ρ * v (Kg/m2s)
ρ=densità del mezzo
v= velocità di propagazione
Il decibel è l’unità di misura della pressione acustica.
La pressione acustica è il valore di energia che agisce sulle particelle del mezzo.
Per questioni di scala si definisce in base logaritmica e vale:
dB= 20log10P/P1
+ o – 6dB di segnale indicano segnali di intensità doppi o mezzi fra loro. Alcune procedure richiedono di aumentare o diminuire di 6dB durante procedure di rilievo al fine di valutare e definire le indicazioni.
+6 dB raddoppia
+12 dB quadrupla
Quando le particelle vibrano lo fanno in una direzione.
Quando un onda ultrasonora si muove lo fa propagandosi in una direzione.
Onde Longitudinali o di Compressione
Si generano nei liquidi, nei solidi e nei gas.
Si propagano nei gas, nei solidi e nei liquidi.
Nell’onda Longitudinale la direzione della vibrazione è parallela alla direzione di propagazione dell’onda ultrasonora.
E’ l’onda più energetica con massima propagazione, fino a 30-35 metri di profondità. E’ l’onda più veloce.
Un onda longitudinale in acciaio viaggia a circa 6000 m/sec.
La velocità nelle onde longitudinali si calcola con la seguente formula.
vL= √((E/ρ) x (1-σ)/(1+σ)x(1-2σ))
E= modulo di elasticità di Young del materiale
ρ= densità del materiale
σ = coefficiente di Poisson
Onde Trasversali
Si generano e propagano solo nei solidi In questa onda la direzione di vibrazione è perpendicolare alla direzione di propagazione.
La vibrazione lavora a taglio rispetto alla direzione di propagazione.
E’ un onda facilmente assorbita, e difficilemente giunge a 50 mm di profondità.
La velocità è circa un mezzo di quella longitudinale a parità di energia utilizzata.
La sua velocità e data dalla formula.
vT= √G/ρ
dove G= modulo di elasticità trasversale
Le onde Longitudinali e Trasversali sono le onde a propagazione interna più utilizzate.
Onda di Superficie o di Rayleigh
Le particelle orbitano ellitticamente generando un onda sinusoidale che entra ed esce dalla superficie del mezzo, sono state studiate in sismologia.
Queste onde si trasmettono in superficie ad una profondità inferiore alla lunghezza d’onda. Sono sensibilissime e rilevano anche macchie di acqua e di olio appoggiate sulla superficie di un pezzo metallico.
Si generano nei liquidi e nei solidi.
Si propagano nei solidi.
La velocità si calcola con la formula seguente
vS=0.9 vT
Onde di Lamb
Sono onde particolari che si propagano come superficiali e in profondità in materiali di basso spessore. Possono essere simmetriche o antisimmetriche..
Simmetriche
In superficie si comportano come superficiali, in profondità come longitudinali.
Antisimmetriche
In profondità si comportano come trasversali.
La velocità è molto simile in valore alla velocità delle onde superficiali.
Di queste onde ne esistono molte, infatti data una onda zero ne esistono diverse armoniche.
Queste onde si utilizzano su bassi spessori come le onde superficiali.
Esistono diverse onde di Lamb, quelle di ordine zero e uno, antisimmetriche sono le più efficaci a rilevare discontinuità, in quanto eccitano notevolmente il cuore della lamiera.
Tecniche ad ultrasuoni
Trasmissione o trasparenza Lo strumento fornisce un segnale ad una sonda trasmettitore “T” e lo raccoglie dopo che ha percorso il campione, con una sonda ricevitore “R”.
L’apparecchio fornisce un oscillogramma sul display.
Quello a sinistra è l’impulso di partenza, quello a destra è il segnale di fondo.
Se il pezzo è regolare (metallo) avremo del segnale al 100% in partenza, circa il 98% in arrivo sul trasmettitore.
Se il fascio inviato incontra degli ostacoli il valore in arrivo diminuisce.
Per verificare completamente un campione bisognerebbe verificare nelle due direzioni ortogonali per cui questo metodo è valido solo per superfici parallele ortogonali.
Questo è il motivo per cui questo sistema è ornai obsoleto e abbandonato.
Riflessione
L’eco parte da un trasmettitore/ricevitore e rimbalza sul fondo del campione fino a ritornare alla stessa sonda.
Qualunque picco intermedio è una discontinuità, quindi un eventuale difetto.
Sullo schermo si possono vedere più passaggi del segnale nello stesso campione.
Il campo è lo spazio che intercorre fra una rampa di salita e quella seguente di due echi di fondo e rappresenta lo spessore del pezzo.
Nell’analisi ultrasonica è fondamentale avere riferimenti. Il riferimento di un campione sano permette di verificare le discontinuità dei campioni difettosi.
Tecnica degli echi multipli
Si scansiona come riferimento una zona priva di difetti e si prendono almeno 12 campi di echi.
Quando si scansionerà una zona con un difetto, gli echi si restringeranno fra loro per l’inserzione della discontinuità, e l’oscillogramma diminuirà in lunghezza in quanto l’aumento di echi fa perdere energia al fascio che attraverserà meno volte il campione.
Risonanza
La risonanza è un fenomeno fisico che si innesca quando una frequenza di oscillazione si fasa sulla frequenza di un carico.
fR=n * v/2s
dove
fR= frequenza di risonanza
n= costante (1,2,3…n)
v= velocità del fascio
s= spessore
Alla Frequenza di risonanza fondamentale (per n=1) lo spessore è uguale a mezza lunghezza.
fR0=1*v/2s
fR0= Frequenza di risonanza fondamentale
v/λ = 1*v/2s
2s=λv
s= λ/2
Questa tecnica si usava per valutare gli spessori.
Ultrasuono e proprietà piezoelettrica
Non potremmo ottenere ultrasuoni se non esistesse il fenomeno piezoelettrico.
Tale fenomeno è la conversione di energia meccanica in elettrica e viceversa. Alcuni materiali in natura, come i cristalli, o prodotti artificialmente, hanno la caratteristica che se sottoposti a campi elettrici, orientano le loro caratteristiche elettriche (mediante l’orientamento degli assi polari), generando energia meccanica, (deformazione, vibrazione). Oppure se compressi o deformati generano differenze di potenziali agli estremi.
All’inizio dell’applicazione dell’ultrasuono si usavano cristalli naturali, oggi si producono materiali artificiali tramite la tecnica di incollaggio di polveri ad elevata pressione e temperatura, (sinterizzazione).
Trasduttore
Il trasduttore nelle sonde a ultrasuoni è quindi il piezo, elemento di materiale con caratteristiche piezoelettriche.
La sua frequenza di oscillazione è proporzionale al suo spessore.
Viene argentato su entrambi le superfici per favorire la conduzione elettrica.
Supporto
Nonostante il trasduttore sia il piezo, la tecnoclogia maggiore della sonda è contenuta nel supporto.
Questo deve avere capacità assorbenti e smorzanti.
Innanzitutto non deve restituire echi al piezo altrimenti si originerebbero dei disturbi non legati al campione ma alla morfologia della sonda, poi deve avere la caratteristica di tagliare le oscillazioni ad un determinato livello di queste, quando diverrebbero inefficaci o inutili.
Il piezo che riceve e trasmette deve farlo in fase, in quanto gli echi di partenza non possono esser emessi fino a che un eco riflesso non sia letto. Per questo in aiuto alla fasatura elettrica interviene lo smorzamento e il taglio da parte del supporto, delle oscillazioni iinutilizzabili. Un supporto può essere ad alto, medio o basso smorzamento.
Alto smorzamento – buona risoluzione e riduzione della zona morta.
Basso smorzamento – buona penetrazione.
La zona morta è una zona che si trova nel campo prossimo (vedremo più avanti) che non permette di misurare spessori troppo bassi.
Incollaggio
Supporto e piezo vengono incollati fra loro.
Avremo un incollaggio fra il piezo e il supporto e un incollaggio fra il piezo e la protezione. Se gli incollaggi non sono buoni si hanno disturbi che possono però esser verificati in sede di caratterizzazione della sonda, sopratutto quelli che generano deformazione del fascio.
Protezioni
Le protezioni evitano l’abrasione e il consumo del piezo durante lo sfregamento sul campione Esistono diversi tipi di protezione a seconda dell’applicazione.
Lattice – sonde per contatto
Plaxiglass – sonda per contatto
Lacca – solo sonde ad immersione, garantiscono che sia stagna.
Ceramica – sono integrate alla sonda
Va ricordato che qualunque protezione dissipa energia e quindi assorbe il segnale.
Conettori
I conettori non sono standard e le sonde possono collegarsi con BNC, micro BNC, LEMO, micro LEMO. Le sonde immerse hanno collegamenti stagni di tipi UHF.
Esistono poi riduttori da uno standard all’altro per poter usare qualunque prodotto con qualunque strumento.
Materiali
I cristalli utilizzati agli albori dell’analisi ultrasonora creavano problemi di estrazione, raffinazione e sopratutto di taglio.
Con l’avvento di piezoelettrici industriali oltre a superare queste difficoltà si sono ottenute caratteristiche superiori.
Resta comunque un limite per qualunque piezo elettrico: la temperatura di Curie, oltre la quale il piezo perde irreversibilmente tutte le proprie caratteristiche.
I prodotti più usati oggi sono costituiti da ceramiche.
Alle polveri sinterizzate si conferiscono le caratteristiche piezoelettriche mediante specifici processi.
Il punto di Curie nelle ceramiche è più basso che nei cristalli naturali.
Materiali piezoelettrici
Titanato di Bario*
Solfanato di Litio*
Metagnobato di Bario
Zirconato di Bario
Zirconato di Piombo
*sono i più comuni
Titanato di Bario
E’ un buon trasmettitore e costituisce il piezo delle sonde a contatto
B2S è la sigla di una sonda al titanato di Bario
B= titanato di Bario
S= tipo di sonda=Trasmettitore/Rivcevitore
Il Titanato di Bario invecchia e le sonde perdono con il tempo la loro efficienza.
Solfato di Litio
Ottimo ricevitore costituisce il piezo delle sonde ad immersione.
E’ solubile in acqua, quindi le sonde devono esser perfettamente protette e stagne
Sonde
Ci sono frequenze standard, (particolari sonde di fornitori vari a parte)
6 – 4 – 2 – 1 – 0.5 MHZ
Le sonde non sono tutte uguali, bisogna quindi Caratterizzarle per averne un profilo esatto delle caratteristiche.
Oggi per le sonde a contatto la xaratterizzazione viene fornita dalla casa, ma è comunque eseguita a campione e non matricola per matricola perchè il produttore considera le sonde, costruite con lo stesso processo, uguali.
Questo non puà essere vero e quindi se si volesse avere una caratterizzazione al cento per cento si dovrebbe intervenire caratterizando singolarmente ogni sonda attraverso laboratori specializzati.
Caratterizzazione
In sede di questa operazione vanno verificate:
- Risposta elettrica – con l’oscilloscopio si verifica l’oscillogramma e si valuta la risposta del segnale elettrico, il segnale deve esser equilibrato.
- Analisi dello spettro in frequenza – va valutata la banda e verificato che la risposta in frequenza sia al centro di questa.Analisi in frequenza a 2 Mhz
equilibrata
Non equilibrata Le sonde possono essere a Banda Larga (Broad Band, BB) o Banda stretta (Narrow Band, NB) La banda larga mette in gioco più lunghezze d’onda, è più risolutiva nella ricerca ma penetra meno. - Andamento dell’oscillogramma – l’oscillogramma, nella parte usata per l’analisi deve avere un andamento regolarmente smorzato senza picchi intermedi troppo elevati o troppo bassi.
Oscillogramma correttoOscillogramma irregolare - Forma del fascio – il fascio deve avere una forma omogenea e di tipo caratteristico per l’applicazione
Geometria del Fascio
Il fascio ha una zona in cui non esiste proporzionalità fra ampiezza dell’eco e dimensione della discontinuità, campo prossimo, mentre in tutto il resto del fascio, campo lontano, la pressione sonora varia secondo una legge che permette proporzionalità fra ampiezza e dimensione della discontinuità.
La misura del campo prossimo è legata al diametro della sonda attraverso questa relazione:
N= Ø2/4λ = Ø2f/4v
Ø= diametro utile del piezo, circa 0.9 il suo diametro effettivo
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Sonda a frequenza maggiore | Sonda frequenza maggiore |
L’intensità del fascio è massima al centro e si azzera ai margini.
A parità di diametro il fascio si allarga al diminuire della frequenza, quindi con la frequenza maggiore il difetto è più visibile in quanto è investito da una maggior energia e quindi l’eco riflesso è più intenso.
Il campo prossimo è detto anche zona di Fresnel.
Il campo lontano è detto anche di zona di Fraunhofer.
Interfaccia
Immaginiamo due materiali solidi uniti, senza aria nel mezzo.
La variazione del valore di impedenza fra i due materiale genera un onda riflessa nel primo materiale e una trasmessa nel secondo.
Il coefficiente di riflessione percentuale è regolato dalla seguente relazione:
αR%=((Z1-Z2)/(Z1+Z2))2
dove Z1 e Z2 sono i valori di impedenza dei rispettivi mezzi.
Accoppiamenti Acciaio/Aria in trasmissione dall’acciaio riflettono il 99.9%.
Accoppiamenti H2O/acciaio in trasmissione dall’acqua riflettono l’80%
L’aria per gli ultrasuoni si comporta come uno specchio.
Onde incidenti oblique
Un onda incidente obliqua giunge alla divisione dei mezzi con un incidenza “α” e viene riflessa con una angolo uguale come onda longitudinale ma passa attraverso il secondo mezzo venendo rifratta in due onde, una di tipo Longitudinale Lt con angolo α1 e una di tipo Trasversale T1, per effetto della conversione di modo con angolo β.
L’onda L si riflette nel primo mezzo anche in un onda T2 con angolo β/2.
L’angolo di Rifrazione Longitudinale è maggiore.
Questi gruppi di onde genererebbero interferenze sugli echi, quindi bisogna eliminare questo affollamento.
Aumentando l’incidenza del fascio incidente aumenta anche l’incidenza delle onde rifratte.
Quando l’onda rifratta Longitudinale Lt assume una ngolo di 90° tale onda scompare.
L’angolo α a cui accade questo fenomeno si chiama 1° Angolo Critico.
Il 2° Angolo Critico si ha quando a raggiungere i 90° è l’onda trasversale rifratta, tale onda si trasforma in superficiale.
Oltre il secondo angolo critico si ha la completa riflessione delle onde che restano intrappolate all’interno del primo materiale. (tale fenomeno è sfruttato nella trasmissione nelle fibre ottiche).
Angolo
0° | 1°angolo critico | 2° angolo critico | |||
L | L-T | T | T | S | nulla |
Onde nel secondo materiale
La relazione fra angoli e onde rifratte e riflesse è data dalla legge di Snell:
sen α / vL1 = sen α1 / vL2 = sen β / vT2
Avendo trattato fino a qui ci siamo accorti che sappiamo ora come procurarci i tre tipi di onde fondamentali utilizzate nell’indagine ultrasonica:
Longitudinali
Trasversali
Superficiali
Apparecchiatura
Principio di funzionamento
Il Generatore di Impulsi produce gli impulsi, gli “urti elettrici”, che raggingono il piezo, eccitandolo, permettendo l’emissione delle onde ultrasoniche.
Questo ha una frequenza di ripetizione degli impulsi. (che non è la frequenza dell’ultrasuono). RPF Repetition Pulse Frequency.
Ill Sincronizzatore permette di fasare gli echi trasmessi con quelli ricevuti.
Ill Circuito di Scansione governa la visualizzazione delle indicazioni sullo schermo e fa apparire l’oscillogramma sul Display.
Il banco filtri ottimizza l’uso delle varie e diverse sonde.
Indicazioni sul display
Le indicazioni possono essere visualizzate sul display in quattro modi diversi:
Radiofrequenza Da queste si convertono le altre, si vedono picchi positivi e negativi. |
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Semionda negativa Solo i picchi negativi raddrizzati |
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Semionda positiva Solo i picchi positivi |
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Completa Tutti i picchi negativi raddrizzati e i positivi |
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Le immagini sono relative ad una stessa scansione: il segnale di fondo di un laminato di 12 mm di spessore circa, su un campo (da 0 a 10) corrispondente a 50mm, sono la stessa indicazione, visualizzata e memorizzata nelle quattro modalità diverse.
La difficoltà nella pratica dell’ultrasuono sta nel fatto che comunque si danno valutazioni di interpretazioni che si possono basare su campioni, sull’esperienza e sopratutto accuratezza nella scelta delle sonde e delle regolazioni degli strumenti.
Le sonde sono diverse, sia in frequenza che in diametro. Come abbiamo visto in precedenza questo modifica il modo di indicare una discontinuità sul display.