Caratteristiche dei fasci ultrasonori
I trasduttori utilizzati per le misure a ultrasuoni avranno le seguenti proprietà funzionali di base, le quali di conseguenza influenzeranno le proprietà dei fasci ultrasonori che genereranno in una determinata componente:
Tipo - Il trasduttore sarà identificato in base al design e alla funzione (es: tipo a contatto, a linea di ritardo o a immersione). Le caratteristiche della componente da misurare come l'irregolarità della superficie, la temperatura e l'accessibilità, oltre alle proprietà di trasmissione ultrasonora e all'intervallo di spessore da misurare, influenzeranno la scelta del tipo di trasduttore.
Diametro - Diametro dell'elemento attivo del trasduttore in genere alloggiato in un telaio di maggiori dimensioni. I trasduttori di diametro inferiore si accoppiano più facilmente alla componente da misurare mentre trasduttori di diametro maggiore si possono accoppiare più efficientemente in superfici irregolari grazie all'effetto della media (averaging effect). I trasduttori di diametro superiore sono inoltre utilizzati per ragioni di design al diminuire della frequenza del trasduttore.
Frequenza - Numero di cicli d'onda completati in un secondo, in genere espressi in kilohertz (KHz) o megahertz (MHz). La maggior parte delle misure a ultrasuonivengono effettuate in un intervallo di frequenza compreso tra 500 KHz e 20 MHz. La maggior parte dei trasduttori hanno frequenze comprese in questo intervallo, tuttavia esistono dei trasduttori 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 - I tipici trasduttori per la misura di spessori non generano onde utrasonore riferibili a una singola frequenza ma nell'ambito di un intervallo di frequenze centrato rispetto alla specifica frequenza nominale. La larghezza di banda rappresenta la parte di risposta della frequenza compresa nei limiti d'ampiezza definiti in uno strumento. In genere auspicabile un'ampia larghezza di banda nelle applicazioni di misura di spessore che implicano l'utilizzo di trasduttori a contatto, a linea di ritardo e a immersione.
Durata della forma d'onda - Numero di cicli d'onda generati dal trasduttore ogni volta che riceve un impulso. Un trasduttore con larghezza di banda stretta ha un maggior numero di cicli rispetto a un trasduttore a larghezza di banda ampia. Il diametro dell'elemento, il materiale, la regolazione elettrica e il metodo di eccitazione del trasduttore influenzano la durata della forma d'onda. Una breve durata dell'onda (risposta della banda larga) è auspicabile nella maggior parte delle applicazioni di misura di spessori.
Sensibilità - Rappresenta la relazione esistente tra l'ampiezza dell'impulso di eccitazione e quella dell'eco ricevuta da un determinato target. È una funzione dell'energia trasmessa dal trasduttore.
Profilo del fascio - In modo approssimativo, il fascio di un trasduttore a disco non focalizzato viene spesso considerato come una colonna d'energia proveniente dalla zona dell'elemento attivo che si trasmette come colonna dritta per un tratto, aumentando successivamente di diametro e finendo per dissolversi come il fascio di un faretto.
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.
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In un determinato caso, la forma esatta del fascio è definita dalla frequenza del trasduttore, dal diametro del trasduttore e dalla velocità di propagazione dell'onda ultrasonora nel materiale. L'area di massima energia, a breve distanza dalla superficie del trasduttore, indica la transizione tra le componenti dei fasci note come campo vicino e campo lontano, ognuno dei quali è caratterizzato da specifici tipi di gradienti di pressione. La lunghezza del campo vicino rappresenta un fattore importante per il rilevamento di difetti a ultrasuoni, visto che influenza l'ampiezza degli echi provenienti da difetti di ridotte dimensioni come le cricche, tuttavia non rappresenta un fattore significativo nelle applicazioni di misura degli spessori.
Focalizzazione - I trasduttori ad immersione possono essere focalizzati 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 trasduttori a linea di ritardo possono essere focalizzati. La focalizzazione dei fasci è molto utile quando si misurano tubazioni di diametro ridotto o altri componenti con raggio ridotto poiché concentra l'energia ultrasonora in un'area limitata e migliora la risposta dell'eco.
Attenuazione - Quando si sposta in un mezzo, il fronte d'onda organizzato generato da un trasduttore ad ultrasuoni comincia a degradarsi a causa di una trasmissione imperfetta dell'energia nella microstruttura dei materiali. Le vibrazioni meccaniche organizzate (onde sonore) si trasformano in vibrazioni meccaniche casuali (calore) fino a quando il fronte delle onde non è più rilevabile. Questo fenomeno è noto come attenuazione acustica. L'attenuazione varia in funzione del materiale e aumenta proporzionalmente alla frequenza. Come regola generale, i materiali duri come i metalli sono meno attenuanti rispetto ai materiali più morbidi come le plastiche. Fondamentalmente l'attenuazione limita lo spessore massimo del materiale che può essere misurato con una specifica configurazione del misuratore e uno specifico trasduttore, visto che determina il punto per il quale un'eco sarà troppo piccola per essere rilevata.
