Applicazione
Misure dell'attenuazione e della velocità ultrasonora in campioni geologici come rocce e minerali.
Contesto
Le tecniche di trasmissione degli ultrasuoni sono stati utilizzati per definire le proprietà meccaniche dei materiali geologici. Nello specifico queste tecniche sono state usate per quantificare i parametri fisici come la durezza, i moduli elastici e la struttura dei grani dei materiali. Queste tecniche sono state inoltre usate per determinare la compattezza del suolo o della sabbia in condizioni di laboratorio. In genere questi controlli vengono eseguite su campioni preparati con due superfici piane e parallele mediante tecniche di trasmissione diretta con trasduttori a bassa frequenza. Di seguito ne viene riportata la descrizione. I controlli sul campo sono normalmente eseguiti a frequenze sismiche molto al di sotto dell'intervallo ultrasonoro.
Apparecchiatura
I campioni geologici preparati possono in genere essere controllati attraverso strumenti a ultrasuoni come il rilevatore di difetti Olympus EPOCH 650™. Vengono utilizzate delle coppie di trasduttori a bassa frequenza in modalità onda longitudinale e onda trasversale. Il tipo di trasduttore da usare in un caso specifico dipende dalle proprietà acustiche dei materiali da controllare e dalle dimensioni dei campioni, tuttavia sono più comunemente usate frequenze pari o inferiori a 1 MHz. La frequenza dovrebbe essere scelta al fine di assicurare forme d'onda non distorte e una penetrazione ottimale.
Procedura
I campioni possono essere preparati con diverse forme e dimensioni, a condizione che abbiano due superfici piane e parallele per l'accoppiamento dei trasduttori. In genere vengono preparati dei cilindri o dei parallelepipedi di spessore approssimativo compreso tra 50 mm (2 in.) e 250 mm (10 in.) nella direzione di misura. Il diametro o la larghezza del campione dovrebbe essere maggiore della dimensione dell'elemento del trasduttore utilizzato. In genere sono utilizzati i controlli a trasmissione diretta con trasduttori trasmittenti e riceventi separati a causa dell'elevata diffusione prodotta dalla maggior parte dei materiali geologici alle frequenze ultrasonore. Definire il pulsatore dello strumento in modalità trasmissione diretta, inoltre regolare il guadagno e il filtro per assicurare una risposta ottimale. Nei controlli a trasmissione diretta, il ritardo dello zero della sonda può essere determinato unendo insieme due trasduttori e usando il segnale come punto zero. L'accoppiante a gel è utile per i controlli a onda longitudinale per minimizzare l'assorbimento nei campioni porosi. Per l'accoppiamento dei trasduttori a onda trasversale deve essere usato uno speciale accoppiante a alta viscosità, come l'accoppiante a onda trasversale SWC-2 Olympus.
Il tempo di transito dell'impulso può essere misurato con un rilevatore di difetti, un oscilloscopio o un display digitale per forme d'onda collegato a un pulsatore-ricevitore. Il software per il rilevatore di difetti può inoltre calcolare la velocità e effettuare la misura.
Onda longitudinale![]() | Onda trasversale![]() |
La misura unidirezionale del tempo di transito in un campione di arenaria di 95 mm (3.75”) controllato con un rilevatore di difetti Epoch 600, due trasduttori a onda longitudinale V102-SB e due trasduttori a onda trasversale V152-RB (entrambi da 1 MHz, e 2,54 cm [1”] di diametro).
La velocità misurata e la densità del materiale possono essere usati per calcolare le proprietà elastiche come descritto nella Nota applicativa di misura dei moduli elastici. L'attenuazione è correlata alle proprietà fisiche come la struttura dei grani o le micro-cricche determinate sperimentalmente mediante campioni di riferimento, rappresentanti condizioni note per definire una curva di taratura.