2.4 Caratteristiche dei fasci
La sonda a singolo elemento ad ultrasuoni convenzionali a onde longitudinali funziona come un pistone in grado di diffondere delle vibrazioni meccaniche o delle onde sonore ad alta frequenza. Una volta che la tensione viene applicata, l'elemento piezoelettrico (spesso denominato cristallo) della sonda si comprime perpendicolarmente al proprio lato principale. Quando la tensione viene interrotta, in genere meno di un microsecondo dopo, l'elemento si decomprime, generando un impulso di energia meccanica che include un'onda ultrasonora. L'animazione riportata di seguito mostra un esempio concettualizzato della risposta dell'elemento piezoelettrico al breve impulso elettrico.
Le sonde più comunemente usate per il controllo non distruttivo ad ultrasuoni sono caratterizzate dalle seguenti proprietà funzionali fondamentali:
Tipo -- Le sonde sono classificate in base al loro tipo d'uso: di contatto, con linea di ritardo, a fascio angolare o ad immersione. Le seguenti caratteristiche dei materiali ispezionati influiscono sulla scelta del tipo di sonda: irregolarità della superficie, temperatura, velocità d'ispezione e accessibilità/posizione dei difetti.
Diametro -- Diametro dell'elemento attivo della sonda in genere alloggiato in un chassis di maggiori dimensioni.
Frequenza -- Numero di cicli d'onda completati in un secondo, in genere espressi in Kilohertz (KHz) o Megahertz (MHz). La maggior parte delle ispezioni ad ultrasuoni industriali vengono effettuate in un intervallo di frequenza compreso tra 500 KHz e 20 MHz. La maggior parte delle sonde hanno frequenze comprese in questo intervallo, tuttavia esistono delle sonde con frequenze inferiori a 50 KHz e maggiori a 200 MHz. La penetrazione aumenta con le basse frequenze mentre la risoluzione e la nitidezza focale aumentano a frequenze maggiori.
Larghezza di banda: Spettro delle frequenze compreso nei limiti d'ampiezza definiti dalla risposta di uno strumento. In questo contesto, è possibile notare che le sonde NDT comuni non generano onde ultrasonore ad una sola frequenza ma piuttosto ad un intervallo di frequenze centrato rispetto alle frequenze nominali definite. Lo standard industriale fissa la larghezza di banda a -6 dB (o metà ampiezza).
Durata della forma d'onda -- Numero di cicli d'onda generati dalla sonda ogni volta che riceve un impulso. Una sonda con larghezza di banda stretta ha un maggior numero di cicli rispetto a una sonda a larghezza di banda larga. Il diametro dell'elemento, il materiale, la regolazione elettrica e il metodo di eccitazione della sonda influenzano la durata della forma d'onda.
Sensibilità -- Relazione tra l'ampiezza dell'impulso di eccitazione e quella dell'eco ricevuta da un determinato target.
Con approssimazione elementare, il fascio di una sonda a disco non focalizzata è spesso considerata come una colonna d'energia proveniente dalla zona dell'elemento attivo che aumenta di diametro e che finisce per dissiparsi.
In realtà il profilo del fascio reale è complesso con dei gradienti di pressione in direzione trasversale e assiale. Nell'illustrazione del profilo del fascio riportata di seguito, il rosso rappresenta la zona ad alta energia, mentre il verde e il blu rappresenta la zona a bassa energia.
Il campo acustico di una sonda è divisa in due zone, il campo vicino e il campo lontano. Il campo vicino è la zona in prossimità della sonda dove la pressione acustica passa per una serie di massimi e di minimi. Termina all'ultimo massimo sull'asse a una distanza N dalla superficie della sonda. La distanza N del campo vicino rappresenta il centro naturale della sonda.
Il campo lontano è la zona oltre il valore N dove la pressione sonora diminuisce progressivamente fino a zero man mano che il diametro del fascio si espande e che la sua energia si dissipa. La distanza del campo vicino è una funzione della frequenza della sonda, del diametro della sonda e della velocità di propagazione delle onde ultrasonore nel materiale ispezionato. Questa distanza può essere calcolata per gli elementi circolari maggiormente usati nel rilevamento di difetti ad ultrasuoni: |
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A causa delle variazioni di pressione acustica nel campo vicino, può essere difficile valutare con precisione la dimensione dei difetti mediante le tecniche basate sull'ampiezza, sebbene la misura dello spessore nel campo vicino non sia difficoltoso. Inoltre, N rappresenta la maggior distanza alla quale il fascio della sonda può essere focalizzato mediante una lente acustica o delle tecniche di fasatura. Le sonde ad immersione possono essere focalizzate con delle lenti acustiche per creare un fascio a forma di clessidra che si restringe in una piccola zona focale ed in seguito si allarga. Anche certi tipi di sonde a linea di ritardo possono essere focalizzate. La focalizzazione dei fasci è molto utile quando si ispezionano tubazioni di diametro ridotto o altri componenti con raggio ridotto poiché concentra l'energia sonora in un'area limitata e migliora la risposta dell'eco.
