nuova versione+foto

215
Università degli studi di Cagliari Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Ingegneria Meccanica Corso di Laurea in Ingegneria Civile Indirizzo Strutture Diagnostica nelle costruzioni. Misura automatizzata della profondità degli elementi costruttivi mediante tecnica “Ecopulse” Relatori: Tesi di laurea di:

Upload: francesco-bistrussu

Post on 06-Aug-2015

35 views

Category:

Documents


3 download

TRANSCRIPT

Page 1: Nuova Versione+Foto

Università degli studi di CagliariFacoltà di Ingegneria

Dipartimento di Ingegneria MeccanicaCorso di Laurea in Ingegneria Civile Indirizzo Strutture

Diagnostica nelle costruzioni.

Misura automatizzata della profondità degli elementi

costruttivi mediante tecnica “Ecopulse”

Relatori: Tesi di laurea di:

Prof. Ing. Barbara DeNicolo Francesco Bistrussu

Prof. Ing. Rinaldo Vallascas

Controrelatore:

Prof. Ing. Andrea Paglietti

Anno Accademico 1998-1999

Page 2: Nuova Versione+Foto

A Katiuscia A Mamma e Papà

Dedicato a …

A miei fratelli A mio Padrino Francesco

Page 3: Nuova Versione+Foto

RINGRAZIAMENTI

Desidero esprimere tutta la mia gratitudine verso il Prof. Rinaldo Vallascas

per quanto insegnatomi durante tutto il corso della presente tesi e per

la grande pazienza e costanza con la quale ha seguito e guidato un

aspirante Ingegnere Civile Strutturista alle prese con la meccanica e

l’elettrotecnica.

Ringrazio vivamente la Prof.ssa Barbara De Nicolo per quanto insegnato

durante tutto il Corso di Studi sia per quanto riguarda la mia futura

professione che per quanto riguarda i preziosi insegnamenti di vita

ricevuti.

Ancora ringrazio i Dottorandi, dott.Ing.Roberto Baccoli, dott.Ing.Alberto

Casula, dott.Ing.Andrea Garbato e dott.Ing.Corrado Puddu (ricordati in

rigoroso ordine alfabetico per non far torto a nessuno), per quanto da

loro appreso e per tutte le volte che pazientemente hanno sopportato le

mie mille domande e richieste, ma soprattutto per l’ambiente

amichevole e cordiale con il quale mi avete accolto. Mi mancherete!

Ringrazio infine il personale dell’officina del Dipartimento di Ingegneria

Meccanica, nelle persone dei sigg.ri Marco Marongiu, Marongiu Gianluca

e Lai Ignazio, per l’aiuto fornito e per la pazienza con la quale hanno

realizzato parte delle nostre creazioni.

Page 4: Nuova Versione+Foto

Grazie a tutti.

Francesco

Page 5: Nuova Versione+Foto

INDICE

Indice 1

Premessa.................................................................................................................................................... 4

1 METODOLOGIA DI INDAGINE ULTRASONICA.............................................................................................1-6

1.1. INTRODUZIONE....................................................................................................................... 1-7

1.2. TECNICHE FONDAMENTALI.......................................................................................................1-9

1.2.1. Tecnica per trasmissione....................................................................................1-10

1.2.2. Tecnica per riflessione........................................................................................1-11

1.2.3. Tecnica della risposta in frequenza.....................................................................1-13

1.3. PROBLEMATICHE CONNESSE ALLA NATURA DEL CALCESTRUZZO..............................................1-13

2 METODOLOGIA DI DIAGNOSTICA ULTRASONICA APPLICATA ALL'INGEGNERIA CIVILE: GENERALITÀ E STATO

DELLE PIÙ RECENTI RICERCHE..............................................................................................................2-15

2.1. INTRODUZIONE.....................................................................................................................2-16

2.2. TECNICHE "PULSE VELOCITY" (PV).......................................................................................2-19

2.3. TECNICHE "ECHO PULSE".....................................................................................................2-21

2.3.1. Impact Echo (IE).................................................................................................2-22

2.3.2. Ultrasonic Pulse Echo (US-PE)...........................................................................2-25

2.4. ANALISI SPETTRALE DELLE ONDE DI SUPERFICIE (SASW).......................................................2-33

2.5. ACOUSTIC EMISSION (AE)....................................................................................................2-33

2.6. LIMITAZIONI NELLE APPLICAZIONI DELLA TECNICA....................................................................2-34

3 APPLICAZIONE DELLA TECNICA ECHOPULSE.........................................................................................3-36

3.1. INTRODUZIONE.....................................................................................................................3-37

3.2. TECNICA ECHOPULSE...........................................................................................................3-37

3.3. METODOLOGIA APPLICATIVA..................................................................................................3-38

1

Page 6: Nuova Versione+Foto

3.4. PROBLEMATICHE..................................................................................................................3-39

3.5. IL PROBLEMA DELL’ACCOPPIAMENTO......................................................................................3-43

4 PROGETTAZIONE DI UN SISTEMA AUTOMATIZZATO PER LA DETERMINAZIONE DELLO SPESSORE...............4-46

4.1. INTRODUZIONE.....................................................................................................................4-47

4.2. DESCRIZIONE DEL SISTEMA SVILUPPATO................................................................................4-48

4.3. PROGETTO DEL SISTEMA DI GENERAZIONE E TRATTAMENTO DEL SEGNALE...............................4-52

4.3.1. Generazione del segnale....................................................................................4-53

4.3.2. Amplificazione del segnale in trasmissione.........................................................4-53

4.3.3. Trasmissione del segnale...................................................................................4-58

4.3.4. Ricezione, amplificazione ed analisi del segnale di ritorno.................................4-58

4.4. ELABORAZIONE DELL’ECHO...................................................................................................4-62

4.5. PROGETTO DEL SISTEMA DI CARRELLI PORTASONDA...............................................................4-68

4.5.1. Il sistema porta carrello.......................................................................................4-69

4.5.2. Carrello Portasonda............................................................................................4-69

4.5.3. Box pilotaggio motori...........................................................................................4-70

4.5.4. Scheda pilotaggio motori.....................................................................................4-71

4.5.5. Supporto portasonde...........................................................................................4-71

5 PROGRAMMI PER L’ELABORATORE ELETTRONICO..................................................................................5-75

5.1. INTRODUZIONE.....................................................................................................................5-76

5.2. STRUMENTI VIRTUALI............................................................................................................5-77

5.3. CARATTERISTICHE GENERALI DEI PROGRAMMI........................................................................5-78

5.4. DESCRIZIONE DEL PROGRAMMA DI GESTIONE SVILUPPATO......................................................5-80

5.4.1. Programma posizionamento sonde.....................................................................5-81

5.4.2. Programma di selezione Burst............................................................................5-83

5.4.3. Programma di acquisizione dati..........................................................................5-86

6 SPERIMENTAZIONI................................................................................................................................ 6-93

6.1. MISURE PRELIMINARI............................................................................................................6-94

6.2. CALCOLO DELLO SPESSORE..................................................................................................6-97

2

Page 7: Nuova Versione+Foto

6.3. MISURA AUTOMATICA DELLO SPESSORE.................................................................................6-98

6.4. SPERIMENTAZIONI IN AUTOMATICO.......................................................................................6-101

7 CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI.......................................................................................................7-105

8 APPENDICE A: ELEMENTI DI FISICA DEGLI ULTRASUONI...................................................................8-107

8.1. INTRODUZIONE................................................................................................................... 8-108

8.2. TIPI DI ONDA...................................................................................................................... 8-108

8.3. GRANDEZZE FISICHE CARATTERISTICHE...............................................................................8-110

8.3.1. Pressione..........................................................................................................8-111

8.3.2. Frequenza.........................................................................................................8-111

8.3.3. Velocità e lunghezza d'onda.............................................................................8-112

8.3.4. Impedenza acustica..........................................................................................8-113

8.3.5. Intensità............................................................................................................8-113

8.4. EMISSIONE E PROPAGAZIONE DEGLI ULTRASUONI.................................................................8-113

8.5. FENOMENI DI RIFLESSIONE E RIFRAZIONE.............................................................................8-116

8.6. CARATTERIZZAZIONE DEL FASCIO ULTRASONICO..................................................................8-119

8.7. IMPULSI ULTRASONICI.........................................................................................................8-121

8.8. FENOMENO DELL'ATTENUAZIONE.........................................................................................8-123

8.9. FENOMENI DI RIFLESSIONE SU OSTACOLI.............................................................................8-124

8.10. GENERAZIONE DI VIBRAZIONI ULTRASONICHE.......................................................................8-126

8.10.1. Trasduttori piezoelettrici....................................................................................8-127

8.10.2. Trasduttori elettrostrittivi....................................................................................8-127

8.10.3. Trasduttori magnetostrittivi................................................................................8-128

8.10.4. Trasduttori elettromagnetici...............................................................................8-129

8.10.5. Eccitazione dei trasduttori.................................................................................8-129

8.10.6. Tipi di trasduttori in relazione alle modalità di impiego......................................8-130

9 APPENDICE B: REALIZZAZIONE DEI CIRCUITI STAMPATI....................................................................9-133

10 APPENDICE C: DOCUMENTAZIONE FOTOGRAFICA.............................................................................10-136

Bibliografia............................................................................................................................................... 143

3

Page 8: Nuova Versione+Foto

PREMESSA

La presente ricerca si colloca nel panorama di lavori che da alcuni anni sono stati

prodotti da una proficua collaborazione tra i dipartimenti di Ingegneria Meccanica e

quello di Ingegneria Strutturale. Gli uni in possesso della strumentazione tecnologica

delle competenze nel campo delle misure (e nella progettazione di sistemi di misura), gli

altri mossi dalla necessità, che spesso si presenta all'Ingegnere Civile, di poter disporre

di efficaci strumenti di valutazione non distruttiva per il controllo delle strutture

nell’ambito dell’edilizia civile.

Lo scopo del programma di tesi è orientato verso due obiettivi complementari ben

identificati.

Il primo è quello di perfezionare le tecniche di indagine ultrasonica mediante

l’applicazione della metodologia “per riflessione” denominata “echopulse”.

Il secondo obbiettivo, di più ampio respiro, prevede la realizzazione di una

strumentazione che permetta l’analisi automatica dello spessore, ed anche della

struttura interna, di manufatti civili.

Al momento della stesura del presente elaborato si ritiene di aver raggiunto buona

parte degli obbiettivi che ci si era imposto anche se la realizzazione di una

apparecchiatura perfettamente funzionante, testata ed applicabile in situ, richiederà

ancora degli sviluppi, sia della strumentazione ultrasonica che dell’apparecchiatura

meccanica.

Mentre questa tesi va in stampa e viene consegnata in segreteria il lavoro in

laboratorio continua, e continuerà anche dopo la discussione della tesi di laurea, al fine

4

Page 9: Nuova Versione+Foto

di risolvere i problemi incontrati e fornire i primi dati sul funzionamento dell’intera

strumentazione.

Con il presente studio, seguendo le precedenti direzioni di ricerca stabilite da altre

tesi nell’ambito dell’indagine ultrasonica sia per trasmissione che per riflessione, si sono

ulteriormente precisate quelle che saranno le direzioni di sviluppo future dell’intera

apparecchiatura.

Si ritiene di aver fatto un passo in avanti verso lo sviluppo di quel sistema

completamente automatico che replichi in campo Ingegneristico Civile il procedimento

utilizzato in medicina per la diagnosi di tipo ecografico.

Nel primo capitolo vengono riassunti i vari metodi di indagine ultrasonica.

Nel secondo capitolo si pone attenzione alle metodologie di indagine ultrasonica

applicate all’Ingegneria Civile e si fornisce un panorama dettagliato delle tecniche e

degli studi più recenti nel settore.

Nel terzo capitolo viene ulteriormente approfondito l’argomento della tecnica

“echopulse” e le sue applicazioni nell’ambito della nostra sperimentazione.

Nel quarto e quinto capitolo si descrive la strumentazione utilizzata e realizzata

nell’ambito della presente tesi e del dottorato di ricerca in “Misure Meccaniche e

Termiche” con il quale si è intrecciato il lavoro unitamente ai programmi di acquisizione

gestione e controllo della strumentazione.

Nel capitolo sesto e settimo vengono forniti alcuni dati di natura sperimentale e si

tracciano le conclusioni soprattutto in relazione alle potenzialità di sviluppo futuro.

In appendice vengono riportate nozioni di fisica degli ultrasuoni (A), la procedura

realizzativa di un circuito stampato (B) ed una piccola documentazione fotografica (C).

5

Page 10: Nuova Versione+Foto

1 METODOLOGIA DI INDAGINE ULTRASONICA

Page 11: Nuova Versione+Foto

1.1. INTRODUZIONE

L'idea di valutare la velocità di trasmissione delle onde nel calcestruzzo per

ricavarne informazioni sulla qualità risale agli anni '30. Queste prime prove, condotte in

miniera su colonne in calcestruzzo, si avvalsero dell'impiego di due geofoni, di due

amplificatori ad alto rendimento e di una telecamera con pellicola; all'interno di ogni

colonna vennero praticati due fori verticali, in prossimità dei quali si posizionarono i

geofoni, prima di completarne il riempimento con del cotone; un martello, sbattuto in

prossimità della base della colonna, forniva l'impulso registrato dalla pellicola della

telecamera; misurando la distanza tra due segnali sulla pellicola e conoscendo la

velocità di avanzamento della pellicola si poteva risalire al tempo impiegato dall'impulso

a percorrere la distanza tra i due geofoni e quindi alla velocità dell'impulso.

Altri esperimenti furono eseguiti nella stessa direzione utilizzando un sismografo in

cui la velocità longitudinale dell'onda creata da un singolo impatto veniva misurata tra

due geofoni disposti arbitrariamente.

Nel 1946, in Canada, una serie di studi mirati alla diagnosi della fessurazione nelle

strutture monolitiche in calcestruzzo, portarono alla costruzione del «soniscopio»,

un'apparecchiatura formata da un trasmettitore di sforzo e da un ricevitore di impulsi

utilizzanti cristalli piezoelettrici e collegati ad un circuito elettronico atto all'attivazione

del trasmettitore ed alla rappresentazione del segnale trasmesso e di quello ricevuto su

un tubo a raggi catodici.

Negli ultimi anni ha trovato larga diffusione uno strumento portatile, funzionante a

batteria, per la misura della velocità di propagazione degli ultrasuoni.

Lo strumento consente di misurare il tempo necessario all'impulso per attraversare

il calcestruzzo: se la distanza tra le sonde è nota, si ricava semplicemente la velocità di

7

Page 12: Nuova Versione+Foto

propagazione. Contrariamente a quanto avviene per il metodo della frequenza di

risonanza, la tecnica della velocità di trasmissione è applicabile sia al calcestruzzo in

situ che ai provini di laboratorio con risultati indipendenti dalle dimensioni e dalla forma

dei provini.

La tecnica risulta adatta alla valutazione della resistenza del calcestruzzo, della

sua uniformità, del suo modulo elastico e della presenza di fessure all'interno del

manufatto. La tecnica presenta dei limiti quando si deve determinare la presenza e

l'eventuale estensione delle fessure nel calcestruzzo poiché se le fessure sono riempite

d'acqua la loro localizzazione può risultare molto complessa.

Nonostante non esista ancora un perfetto accordo sul significato da attribuire alla

velocità di propagazione e sull'associazione di questa alle proprietà del calcestruzzo è

generalmente riconosciuto come a velocità molto alte (superiori a 4570 m/s)

corrisponda un conglomerato di buona qualità, mentre a velocità molto basse (minori di

3050 m/s) corrisponda un conglomerato di bassa qualità.

L'utilizzo degli ultrasuoni nel settore della diagnostica non distruttiva su manufatti

civili ha portato allo sviluppo di diverse tecniche, opportunamente studiate per sfruttare

al meglio le loro proprietà di propagazione nei materiali da costruzione.

Una prima fondamentale divisione può effettuarsi in relazione alle modalità di

accoppiamento acustico fra trasduttore e manufatto:

a) Metodo per contatto: il trasduttore viene direttamente accoppiato al manufatto,

affidando la trasmissione degli ultrasuoni ad un sottile velo d'olio o di altre

sostanze grasse capaci di eliminare ogni intercapedine all'interfaccia di

contatto. Occasionalmente le sonde possono essere attaccate in modo semi-

permanente a mezzo di malta, qualora siano richieste osservazioni sul lungo

periodo.

8

Page 13: Nuova Versione+Foto

b) Metodo per immersione: il trasduttore ed il manufatto non sono a contatto

diretto, ma sono immersi in un liquido ad una certa distanza l'uno dall'altro; gli

ultrasuoni emessi dal trasduttore compiono quindi un percorso nel liquido prima

di venire a contatto col manufatto. Questo metodo presenta notevoli vantaggi

nel contatto con superfici ruvide ed, inoltre, consente una più funzionale

automazione dei controlli.

Il metodo per contatto è più immediato, ma richiede maggiori oneri in termini di

tempo e grosse difficoltà per quanto riguarda la costanza dell'accoppiamento acustico;

quello per immersione è più veloce ed uniforme, ma richiede più attenzione

nell'assicurare l'esatto angolo d'incidenza del fascio ultrasonoro.

Il mezzo di accoppiamento deve, inoltre, soddisfare ai seguenti requisiti:

valore dell'impedenza acustica intermedio fra quello del trasduttore e quello del

materiale;

sufficiente viscosità, allo scopo di riempire le eventuali irregolarità della

superficie e non scorrere via.

1.2. TECNICHE FONDAMENTALI

Le tecniche fondamentali, indipendentemente dalle modalità di accoppiamento,

possono dividersi in tre gruppi:

Tecnica per trasmissione (trasparenza);

Tecnica per riflessione (echopulse o pulse-echo);

Tecnica della risposta in frequenza.

1.2.1.TECNICA PER TRASMISSIONE

La tecnica consiste nell'immettere un fascio ultrasonoro, continuo o ad impulsi, e

9

Page 14: Nuova Versione+Foto

nell'analizzare lo stesso dopo l'attraversamento del manufatto: la prova comporta,

dunque, l'utilizzo di due trasduttori, uno emittente e l'altro ricevente, da allinearsi lungo

la traiettoria da esaminare.

La misura del tempo di transito, inteso come tempo impiegato dal segnale

ultrasonico per percorrere la distanza tra le due sonde, la conseguente valutazione

della velocità e l'analisi dell'attenuazione dell'onda, come rapporto tra l'ampiezza del

segnale in uscita e l'ampiezza del segnale in entrata, forniranno utili informazioni circa

l'omogeneità dei materiali lungo la traiettoria esaminata ed indicheranno l'eventuale

presenza di difetti.

Se un segnale ultrasonico attraversa un materiale contenente al suo interno zone

di differente natura per materiale e/o geometria giungerà al trasduttore ricevente in

maniera differente da quella del materiale integro ed omogeneo. Avremo che:

Se la traiettoria interessa una fessura buona parte dell'energia vibrazionale in

arrivo dalla sorgente verrà riflessa, con netto aumento dell'attenuazione rispetto

ai valori registrati lungo la traiettoria di riferimento del mezzo integro; se la

fessura non presenta zone di contatto, si registrerà un aumento dei tempi di

transito per le onde che, per arrivare alla sonda ricevente, dovranno

circoscrivere la fessura stessa, viceversa le zone di contatto fungeranno da

"ponte di trasmissione" ed il tempo di transito non sarà alterato dalla presenza

della fessura.

Se la traiettoria del fascio attraversa un vuoto si registrerà un aumento del

tempo di transito e dell'attenuazione.

Se la traiettoria interessa una zona con vuoti e piccoli ponti di collegamento,

come un vespaio, si registrerà un ridottissimo aumento del tempo di transito ed

un netto aumento dell'attenuazione.

10

Page 15: Nuova Versione+Foto

Se attraversa una zona con diverse caratteristiche elasto-meccaniche; si

registrerà la corrispondente variazione del tempo di transito ed un'eventuale

variazione nell'intensità trasmessa.

Appare evidente che i tempi di transito, e le corrispondenti velocità apparenti, non

sono sufficienti per individuare tutte le anomalie: alcune anomalie sono rilevabili solo

accompagnando la misurazione dei tempi di transito con un'analisi dell'energia

trasmessa.

Si ricorda che, per poter applicare la tecnica per trasmissione, le due superfici

contrapposte del manufatto devono essere entrambe accessibili.

1.2.2.TECNICA PER RIFLESSIONE

Quando il fascio ultrasonoro incontra un ostacolo sarà riflesso, assorbito, deviato

e rifratto; le onde riflesse possiedono la stessa frequenza di quelle incidenti, ma sono

sfasate rispetto ad esse in funzione della distanza del trasduttore dai vari punti della

superficie dell'ostacolo; analoga sorte spetta alle onde diffratte. L'energia assorbita dal

difetto colpito dalle onde incidenti fa sì che esso possa vibrare emettendo a sua volta

onde elastiche di frequenza tipica della sua risonanza e variamente sfasate.

Il segnale che ritorna verso il trasduttore è dunque molto complesso perché è la

risultante della sommatoria di molte onde di uguale frequenza, ma sfasate, ed altre di

frequenza diversa, pure sfasate tra loro; questo segnale contiene tutte le informazioni

sulle dimensioni, geometria e natura dell'ostacolo incontrato dal fascio di ultrasuoni

incidente e potrà essere visualizzato, opportunamente amplificato e filtrato, sul

quadrante di un oscilloscopio.

La filtrazione del segnale elimina, di fatto, tutte le informazioni utili per identificare

la geometria del difetto, lasciando soltanto quelle relative alla distanza dell'ostacolo dal

11

Page 16: Nuova Versione+Foto

trasduttore ed all'attenuazione del segnale rispetto all'eco di fondo; ciò si rende

necessario per rendere il segnale pulito e comprensibile all'operatore, non essendo

ancora diffusi strumenti capaci di demodulare l'intero segnale e ricostruire l'immagine

del difetto. Gli sforzi della ricerca nel campo delle tecniche ultrasoniche sono

attualmente tesi alla demodulazione dei segnali di ritorno attraverso l'applicazione della

trasformata di Fourier: questo permetterebbe di vedere realmente la forma dei difetti e

di diagnosticarne la natura, come già accade per l'ecografia in campo medico.

Attualmente la strumentazione si compone di due parti: il generatore del segnale

ed il rivelatore che riceve, amplifica, filtra e visualizza i segnali di ritorno alla sonda; in

tal modo è possibile rivelare soltanto gli echi riflessi da eventuali difetti e gli echi di

fondo, più o meno attenuati in funzione dei difetti presenti; attraverso il rapporto tra i

tempi di ritorno dell'eco riflesso e dell'eco di fondo è possibile ricavare informazioni sulla

posizione del difetto, mentre, osservando un'eventuale brusca variazione dell'intensità

del fascio riflesso dalla parete di fondo, si potrà rivelare la presenza di un difetto interno,

anche nel caso in cui questo non generi riflessione, e se ne potrà valutare il potere

assorbente.

Quando viene individuata la presenza di un difetto, l'intensità dell'eco del difetto o

la diminuzione dell'intensità dell'eco di fondo vengono confrontate con quelle degli echi

di difetti di entità note, in modo tale da assegnare ad ogni difetto una dimensione

equivalente, cioè affermare che le sue dimensioni e la sua forma sono tali da generare

un'eco simile a quella di un foro di diametro definito e posizionato alla stessa distanza

dal trasduttore; la dimensione equivalente non è direttamente collegabile con quella

reale, ma è un parametro approssimativo, attualmente necessario per classificare

l'entità dei difetti rivelati.

12

Page 17: Nuova Versione+Foto

1.2.3.TECNICA DELLA RISPOSTA IN FREQUENZA

Le indagini ultrasoniche sul calcestruzzo si sono limitate a lungo a semplici

misure condotte esprimendo l'impulso nel dominio del tempo, così come si è fatto

calcolando la velocità attraverso il tempo di volo; l'ammontare delle informazioni che si

possono così ottenere è, tuttavia, davvero limitato, soprattutto se messo a confronto

con una dettagliata analisi della composizione spettrale.

Attraverso l'analisi delle caratteristiche di attenuazione è possibile acquisire

informazioni relative alla misura degli aggregati, mentre informazioni ancora più

dettagliate possono essere ottenute passando al dominio delle frequenze: è stato

dimostrato che l'energia contenuta all'interno delle varie bande di frequenza cambia

considerevolmente in accordo con la struttura interna del calcestruzzo. E' così possibile

effettuare la trasformata di Fourier del segnale ricevuto ed eliminare la risposta in

frequenza del trasduttore: la curva di risposta in frequenza mostrerà per il calcestruzzo

delle forti bande passanti ed una rapida attenuazione delle frequenze al di fuori di

queste. Questa curva filtro potrà essere utilizzata per misurare la resistenza e le

caratteristiche fisiche del mezzo, determinate principalmente dalle proporzioni dei

componenti e dalla porosità del calcestruzzo.

1.3. PROBLEMATICHE CONNESSE ALLA NATURA DEL CALCESTRUZZO

La dimensione minima delle anomalie rilevabili attraverso una diagnosi

ultrasonica è in stretta correlazione con le caratteristiche del fascio utilizzato: se si

desidera rilevare un difetto di dimensioni pari a 2a, la vibrazione immessa per l'analisi

deve possedere una lunghezza d'onda decisamente inferiore.

L'intrinseca eterogeneità del conglomerato cementizio limita, di fatto, le

13

Page 18: Nuova Versione+Foto

frequenze utilizzabili; dal momento che le dimensioni degli inerti sono dell'ordine di 2-3

cm, al fine di evitare che questi generino eccessive riflessioni, sarà necessario limitare

la frequenza a valori inferiori ai 100 kHz, rinunciando, inevitabilmente, a diagnosticare

difetti di entità paragonabile alle dimensioni degli inerti. Queste frequenze non

permettono di ottenere fasci collimati, com'è consueto nei materiali metallici, in cui è

agevole ottenere angoli di divergenza di soli 8° con sonde di 25 mm e frequenze pari a

2 MHz; per ottenere un risultato analogo, un trasduttore utilizzato nel calcestruzzo

dovrebbe possedere un diametro pari a circa 350 mm.

In pratica, le sonde non sono molto più larghe di quelle utilizzate normalmente,

così da avere dimensioni dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d'onda; di

conseguenza la sonda irradia, con apprezzabile intensità, tanto onde longitudinali

quanto onde trasversali e di superficie, così da generare nel mezzo un gran numero di

echi di disturbo da direzioni ignote e rendere il metodo dell'eco raramente utilizzabile.

La perdita di direzionalità rende possibile congiungere con onde ultrasonore

punti arbitrari su differenti superfici, comunque orientate; la prima onda ricevuta in

questo modo è sempre l'onda longitudinale diretta, seguita dalle onde trasversali e dalle

onde di superficie che, in dipendenza dalla forma del campione, possono già essere

disturbate da onde longitudinali riflesse.

La scarsa direzionalità, in concomitanza con il permanere di elevate caratteristiche

di assorbimento da parte del mezzo, porta, inoltre, a dover utilizzare sorgenti ad elevata

potenza emissiva.

14

Page 19: Nuova Versione+Foto

2 METODOLOGIA DI DIAGNOSTICA ULTRASONICA

APPLICATA ALL'INGEGNERIA CIVILE: GENERALITÀ E STATO DELLE PIÙ RECENTI RICERCHE

Page 20: Nuova Versione+Foto

2.1. INTRODUZIONE

Negli ultimi anni si è incrementato il numero di studi che mirano allo sviluppo e alla

applicazione delle tecniche di valutazione non distruttiva nell'ambito delle strutture

dell'ingegneria civile (NDE-CE) tra le quali tecniche un posto di primissimo piano, nelle

ricerche e nelle aspettative, ricoprono i metodi sonici ed ultrasonici.

Tale importanza deriva dal fatto che per ispezionare strutture murarie si può

operare ponendo in vista l'interno, eliminando la parte superficiale, oppure mediante

indagini endoscopiche ovvero ancora con tutta una serie di prove dette "non distruttive",

nel senso che non minano la stabilità e la resistenza globale dell'opera, ma che

comunque mantengono un certo grado di invasività, più o meno elevata, fino ad arrivare

al prelievo di "carote" o campioni murari da sottoporre ad esami di laboratorio, mentre

con le tecniche di indagine ultrasonica, invece, viene a mancare completamente questo

carattere di invasività e la prova può esser considerata "non distruttiva" nel senso più

ampio del termine. Inoltre con i metodi "tradizionali" è possibile ottenere esclusivamente

una campionatura casuale e non diffusa, proprio a causa della natura distruttiva delle

prove, che non certo può fornire una immagine complessiva dello stato e delle

caratteristiche, cosa che invece può essere effettuata attraverso le tecniche soniche ed

ultrasoniche le quali possono essere utilizzate per un rilevamento ed un monitoraggio

sistematico e diffuso della struttura arrivando alla ricostruzione interna della struttura

così come accade in campo medico con la tomografia computerizzata (TAC).

L'applicazione di tali tecnologie al calcestruzzo, al CA ed al CAP, alle murature ed

agli altri materiali da costruzione di natura composita, mediando quanto già fatto con i

metalli ed altri materiali omogenei e quanto sviluppato in altri campi quali quelli

aerospaziale e medico, trova comunque grossi problemi.

16

Page 21: Nuova Versione+Foto

Il primo ostacolo che si frappone all'analisi sonica del calcestruzzo è la sua natura

eterogenea che, al contrario dei metalli e delle materie plastiche omogenei, crea un

fenomeno di disturbo elevato dovuto alla diffusione o scattering delle onde sonore che

si manifesta in corrispondenza degli aggregati generando una sorta di "rumore di fondo"

che può coprire totalmente, o rendere irriconoscibile, l'eco di ritorno dell’interfaccia che

si vorrebbe rilevare (parete opposta, vuoti o altre imperfezioni). Inoltre è presente una

forte attenuazione del segnale dovuta alla dissipazione dell'energia del fascio

ultrasonico tendente a divenire di intensità non sufficiente a farlo distinguere dai "rumori

di fondo" degli aggregati. Questi fenomeni generano confusione nella interpretazione

dei dati di ritorno rendendo difficoltoso rilevare e separare quelli che sono i "difetti" o le

grandezze d'interesse (spessore) da quelle che sono le naturali, e generalmente

innocue, "imperfezioni" fisiologiche del calcestruzzo.

Un secondo problema è quello che non esistono dei criteri universalmente

accettati per determinare quando una imperfezione possa essere considerata dannosa

o quando questa possa essere considerata fisiologica.

In sostanza si potrebbe dire che il problema non è solamente il come fare a

vederlo ma anche il che cosa guardare.

In aggiunta la carenza di normative o direttive in tal senso, ma soprattutto la

carenza di uniformità nell'esecuzione delle prove, non aiuta certamente la fase della

comparazione dei risultati al fine di creare una metodologia operativa che fornisca un

risultato uniforme e che possa essere applicato validamente "sul campo".

Il risultato e che a tutt'oggi le tecniche di valutazione non distruttiva basate sulle

tecnologie di indagine ultrasonica applicate negli ultimi 25 anni al calcestruzzo risultano

notevolmente insoddisfacenti e carenti, se comparate alle analoghe tecniche applicate

in altri campi (es. aerospaziale, medico). Gli studi fin qui condotti hanno però ben

17

Page 22: Nuova Versione+Foto

evidenziato quali possano essere i campi nei quali le tecniche di NDE abbiano le più

importanti potenzialità di sviluppo:

1. Identificazione degli elementi strutturali nel calcestruzzo (armature e cavidotti

per pre e post compressione con ricoprimenti di cls superiori a 60 mm);

2. Rilevamento e localizzazione dei cavidotti iniettati di malta ed eventuali difetti

di iniezione;

3. Rilevamento e stima difetti di costipamento, vespai, fessurazione e vuoti,

discontinuità nel calcestruzzo;

4. Valutazione della omogeneità della struttura;

5. Rilevamento informazioni geometriche (spessore) quando l'elemento è

accessibile da un solo lato.

Allo stato attuale si può operare una classificazione delle metodologie operative

con l'impiego dei metodi "acustici" in base ai criteri adottati ed alle grandezze che

vengono misurate.

Avremo pertanto [6], [15], [7]:

1. Tecniche basate sulla misura della velocità dell'impulso "Pulse Velocity";

2. Tecniche basate sul rilevamento e l'analisi dell'eco di ritorno, "Pulse Echo", e di

questa le due grandi aree del:

Impact Echo;

Ultrasonic Pulse Echo.

3. Tecniche basate sull'analisi spettrale delle onde superficiali (SASW);

4. Tecniche basate sul rilevamento delle Emissioni Acustiche (Acoustic Emission)

delle strutture da investigare.

18

Page 23: Nuova Versione+Foto

2.2. TECNICHE "PULSE VELOCITY" (PV)

Questa tecnica si pone quale obbiettivo quello di mettere in relazione la qualità del

calcestruzzo (resistenza a compressione e costanti elastiche) con la velocità di

propagazione di un impulso ultrasonico (limitatamente alle onde longitudinali dette

anche onde di pressione o P-waves) che attraversa il materiale. Molte ricerche hanno

tentato esplicitare in forma analitica la relazione tra velocità dell'impulso US e la

resistenza a compressione del cls. L'idea di base è che la velocità di propagazione sia

funzione della densità del materiale che a sua volta è correlata con la resistenza a

compressione del conglomerato. In pratica i risultati hanno fornito dei dati abbastanza

confusi. Il numero delle variabili che governano il fenomeno e che entrano nella

funzione della resistenza a compressione è elevato; rapporto a/c (acqua/cemento),

forma e dimensione degli aggregati, dimensione del campione e dosaggio di cemento

sono direttamente collegati alla resistenza, senza contare che le caratteristiche resistive

del calcestruzzo sono anche influenzate dalle modalità di confezionamento, trasporto,

posa in opera e stagionatura. Comunque non tutte queste variabili influenzano la

velocità di propagazione dell'impulso.

Il risultato e che a tutt'oggi non è possibile applicare in modo universale ed

univoco i metodi della velocità dell'impulso US al fine di determinarne la resistenza a

compressione del calcestruzzo. E' però largamente accettato che la velocità di

propagazione dell'impulso ultrasonico sia un ottimo indicatore dell'incremento di

resistenza del cls in giovane età a cominciare da pochi giorni. [17]

Uno degli impieghi principali dell'utilizzo della tecniche basate sulla misura della

velocità dell'impulso ultrasonico è quello della valutazione della uniformità della struttura

mediante la generazione di "mappe" di velocità che individuano i campi di velocità

19

Page 24: Nuova Versione+Foto

all'interno dell'elemento strutturale. Infatti, anche se non è correlabile direttamente con

la resistenza a compressione, la misura della velocità dell'impulso ultrasonico rimane un

ottimo indicatore della "qualità", in senso ampio, e dell'uniformità del conglomerato

cementizio investigato. Questo poiché è largamente provato e documentato che un

impulso ultrasonico viaggi a velocità più elevate in un calcestruzzo "compatto" ed

uniforme con assenza di fessurazione diffusa il che è certamente un ottimo indicatore

della qualità complessiva della struttura. La presenza di fessure o zone a bassa

omogeneità (presenza di grani grossi o con un non perfetto riempimento di pasta

cementizia) si manifesta con una marcata riduzione della velocità dell'impulso.

La tecnica Pulse velocity è stata largamente impiegata nella valutazione dello

stato di integrità delle murature e nella valutazione dell'efficacia del ripristino realizzato

mediante iniezioni di malta. In questo modo è possibile valutare se l'intervento di

ripristino abbia ridato alla struttura muraria la sua uniformità e compattezza. [10], [11],

[12], [13], [14].

In relazione alla misura della velocità dell'impulso US nel calcestruzzo esistono

alcune normative che hanno posto delle regole sulla sua misurazione tra le quali la

DIN/ISO 8047 "Hardened Concrete - determination of Ultrasonic Pulse Velocity" ed altre

normative tra le quali la ASTM C 597-83 (91); la BS 1881 : part 203 : 1986; la

RILEM/NDT 1972; la GOST 17624-87 (Russia); la STN 73 1371 (Slovacchia) e CSN 73

1371 (Rep. Ceca); la MI 07-3318-94 (Ungheria).

Per tutte queste normative la velocità dell'impulso v deve essere calcolata come:

dove L è la distanza tra i due trasduttori (emittente e ricevente) e t è il tempo di arrivo

del segnale al trasduttore ricevente misurato in s.

20

Page 25: Nuova Versione+Foto

Vengono fornite inoltre prescrizioni relative alla strumentazione (relativamente alla

precisione di misura), alla procedura della prova (posizione dei trasduttori), resoconto

della prova, precisione dei risultati, forma e dimensioni dei provini, modo della presa in

conto dei fattori che influenzano la misura (armature di rinforzo, distanza tra i trasduttori,

umidità).

Il difetto più grande che è stato osservato è che queste normative sono quasi tutte

vecchie di dieci anni e risultano pertanto carenti dei progressi nel campo dei test

ultrasonici applicati al calcestruzzo. Inoltre alcune di queste norme indicano una mezza

dozzina di applicazioni della misura della velocità dell'impulso, tra le quali valutazione

della resistenza e delle costanti elastiche, rilevamento dei difetti. Questo genera la falsa

impressione, ed aspettativa, che tale metodologia sia egualmente applicabile e

affidabile in tutti questi casi. Tale applicazione (determinazione della velocità delle onde

longitudinali) lavora al meglio nella verifica dell'uniformità del calcestruzzo e nel

monitoraggio dei cambiamenti nel tempo del calcestruzzo. La resistenza può essere

determinata con il 20% di precisione e per il momento solamente in condizioni di

laboratorio con l'ausilio di apposite curve di calibrazione. Questa scarsa precisione non

è migliorabile mediante una misura supplementare della velocità con altre tecniche. Le

altre applicazioni suggerite dalle norme ( valutazione dei difetti e misura della profondità

delle fessure etc. ) risultano veramente poco affidabili. [5]

2.3. TECNICHE "ECHO PULSE"

Lo sviluppo di queste tecnologie applicate ai materiali da costruzione, ed in special

modo al calcestruzzo, è stato basato sul principio che un segnale, sonico o ultrasonico,

che attraversa un materiale venga riflesso da imperfezioni, difetti, vuoti, o dalla

superficie opposta, generando un eco di ritorno che può essere rilevato mediante

21

Page 26: Nuova Versione+Foto

trasduttori. Uno degli scopi principali di queste tecnologie è quello di valutare l'integrità

strutturale e/o localizzare difetti nelle strutture anche quando esse risultano accessibili

da un solo lato, in special modo per le strutture in CA e CAP, che in passato potevano

essere esaminate solamente con l'uso di mezzi radiografici (con spessori inferiori a 60

cm) oppure mediante procedimenti più o meno distruttivi.

Sotto il termine tecniche Echo Pulse, che viene utilizzato in senso ampio, sono

state sviluppate numerose tecniche che differiscono tra loro sia per i metodi di

trattamento del segnale di ritorno e sia per il tipo di segnale impiegato (frequenza) ed il

modo con cui esso viene generato:

1. Generazione meccanica da impatto del segnale: Impact Echo;

2. Generatore di segnale ultrasonico: Ultrasonic Pulse Echo.

2.3.1.IMPACT ECHO (IE)

Considerevoli ricerche e sviluppi sono stati fatti nelle tecniche IE applicate alle

strutture in cls e muratura. Questa tecnica è una derivazione diretta dei controlli

effettuati in passato che consistevano nel dare una martellata alle ruote dei carri e

valutarne l'integrità dal "suono" che essa produceva ovvero del modo sommario, ma

efficace, di valutare la presenza di vuoti sotto le pavimentazioni. Il principio base di

questa tecnica e che un uno sforzo impulsivo impresso alla struttura mediante un

martello, caduta di una sfera d'acciaio o altra fonte d'impatto, genera un'onda elastica di

sollecitazione a bassa frequenza (da 1 a 60 kHz) costituita da onde di pressione di

taglio e di superficie che si propaga nella struttura venendo riflessa dalle imperfezioni o

dall'altra parete dell'elemento strutturale. L'eco dovuto alle riflessioni viene rilevato da

un trasduttore ultrasonico anch'egli posizionato sulla superficie della struttura.

Il segnale di ritorno, l'eco d'impatto, captato dal trasduttore viene trasformato in un

22

Page 27: Nuova Versione+Foto

segnale elettrico di voltaggio proporzionale all'intensità dello spostamento rilevato. Il

segnale ricevuto (voltaggio/tempo) detto "forma d'onda" viene acquisito ed elaborato da

un computer che lo analizza mediante il "metodo della risonanza" trasformandolo

matematicamente, attraverso la trasformata di Fourier, nel corrispondente spettro delle

ampiezze/frequenze. La condizione di risonanza può essere chiaramente osservata in

un'analisi delle frequenze delle forme d'onda acquisite del trasduttore. La misura della

distanza tra la superficie esterna ed i difetti (o l'altra superficie) può essere determinata

mediante una relazione del tipo:

Dove D e la distanza da rilevare, Vp è la velocità dell'impulso nel materiale ed f è la

frequenza di risonanza.

La lunghezza d'onda del segnale è di norma compresa tra i 50 mm ed i 2000 mm,

molto più grande delle normali imperfezioni e degli aggregati del cls, il che permette che

l'impulso si propaghi come se si fosse in presenza di un modulo elastico omogeneo.

L'uso di lunghezze d'onda così elevate, e di conseguenza basse frequenze, permette di

ottenere una debole attenuazione del segnale che distingue il metodo IE dagli altri

metodi ultrasonici ma nel contempo non permette una risoluzione elevata nella

determinazione dei difetti.

La tecnica IE si è mostrata abbastanza efficiente nella localizzazione di grossi

vuoti o discontinuità particolarmente in strutture "a piastra" (pavimentazioni o strutture

da ponte) dove i vuoti e le discontinuità (laminazione) tendono ad essere paralleli alla

superficie della struttura. Il sistema si è rilevato efficace anche nella localizzazione delle

guaine iniettate di malta per armature di presollecitazione. E' comunque difficoltoso il

rilevamento di piccole imperfezioni e fratture a causa delle relativamente basse

23

Page 28: Nuova Versione+Foto

frequenze impiegate che rendono "trasparenti" le grandezze dell'ordine della

dimensione degli aggregati utilizzati.

Inoltre possono essere fornite delle misurazioni accurate dello spessore di piastre

di cls ovvero per il rilevamento di vuoti sottostanti piastre o pavimentazioni. Può inoltre

determinarsi la dimensione o localizzare fessure, vuoti o altri difetti, in strutture murarie

nelle quali i blocchi o mattoni siano uniti con malta.

Una incognita nella formula prima citata è da ritrovarsi nel valore della velocità

delle onde di pressione che deve essere nota. Essa potrebbe essere determinata

preventivamente all'esecuzione della prova con le modalità descritte nel paragrafo della

metodologia "Pulse velocity". Per ovviare a questo problema alcuni ricercatori hanno

proposto e sperimentato l'utilizzo di un'apparecchiatura dotata di due trasduttori in linea

posti a distanza nota (s2) l'uno dall'altro. In questo modo la velocità delle onde P viene

rilevata, in un'unica misura e nello stesso campione, attraverso il tempo che in segnale

impiega a raggiungere il trasduttore 1 ed il trasduttore 2. Misurato il tempo di transito dal

trasduttore 1 al 2 è possibile determinare la velocità come [16]:

Tra le tecniche di indagine ultrasonica la tecnologia IE è senza dubbio la più

semplice nella sua applicazione, in quanto può essere utilizzata facilmente per

misurazioni in situ, e consta di una strumentazione facilmente trasportabile. In

commercio si trovano disponibili delle apparecchiature per realizzare un sistema

completo atto all'applicazione delle tecniche IE che combinano la strumentazione per la

generazione del segnale (martello o sfere) e quelle di misurazione del segnale di ritorno

(trasduttore) e del trattamento ed elaborazione per l'analisi dei dati via software.

24

Page 29: Nuova Versione+Foto

2.3.2.ULTRASONIC PULSE ECHO (US-PE)

La tecnologia Pulse Echo (denominata anche Echopulse), stretta parente della IE,

differisce sostanzialmente per le modalità di generazione del segnale che a differenza

della IE viene generato da un trasduttore che, collegato ad un "generatore di segnale"

con il quale è possibile scegliere la tipologia e frequenza dello stesso, lo immette nella

struttura. Il segnale viene riflesso e il suo eco di ritorno viene captato da un altro

trasduttore (o dal medesimo nel caso di utilizzo di un solo trasduttore che funga da

trasmittente e ricevente) posto sulla superficie. Il segnale di ritorno viene visualizzato su

un oscilloscopio (ampiezze/tempo) ed in esso sono visibili i picchi relativi alle riflessioni

dovute a difetti e quello dovuto alla parete opposta. Dall'esame dell'oscillogramma si

può rilevare il tempo di transito del segnale e valutare così la distanza dei difetti o lo

spessore dell'elemento.

Le applicazioni della tecnologia della diagnostica ultrasonica Echo Pulse sono

intensamente utilizzate nella verifica dei componenti metallici. A causa della

omogeneità dei metalli possono essere utilizzate delle frequenze veramente elevate

(>1MHz) in molti casi una visualizzazione diretta dei dati su un oscilloscopio è

sufficiente per la determinazione dei difetti. Nel calcestruzzo, a causa della sua natura

eterogenea, le frequenze ultrasoniche che possono essere impiegate devono essere

ridotte con un massimo di 250 kHz. Inoltre può essere presente un particolarmente

intenso segnale di disturbo causato dai fenomeni di diffusione (o scattering) e

riflessione del segnale dovuta alla disposizione casuale degli aggregati che genera una

sorta di "rumore di fondo" che appare nel segnale di ritorno e che può andare a

confondersi con gli echi da rilevare facendo perdere chiarezza e significato alla

visualizzazione. Il fenomeno è accentuato dal fatto che il calcestruzzo, sempre a causa

25

Page 30: Nuova Versione+Foto

della sua natura eterogenea, ha un forte potere smorzante del segnale che ritorna al

trasduttore con debole intensità.

Per ovviare a questi inconvenienti, riducendo l'influenza del disturbo ed

amplificando la zona di interesse, si sono sviluppate alcune tecniche che

presuppongono un trattamento del segnale di ritorno per via software al fine di ottenere

una visualizzazione più chiara dell'interno. Si va dai tentativi di aumentare la potenza

del segnale al fine di ottenete un segnale di ritorno sufficientemente potente, alle

tecniche di elaborazione e visualizzazione via computer che permettono di ottenere

risultati paragonabili a quelli ottenuti in campo medico con la TAC che utilizza, però,

raggi x.

I segnali di ritorno devono essere visualizzati ed interpretati dall'operatore. Per

fare questo sono state messe a punto varie tecniche di visualizzazione, vediamo in

dettaglio le più significative ed utilizzate:

La più intuitiva di queste è denominata A-Scan che consiste in una visualizzazione

diretta dell'onda elastica ricevuta dal trasduttore su un oscilloscopio il quale permette

una rappresentazione Ampiezza/Tempo dell'eco di ritorno. Paradossalmente il difetto

più grande delle A-scan sta nel loro alto contenuto di informazioni che però vengono

visualizzate contemporaneamente. Una delle ragioni di questo è dovuta al largo angolo

di divergenza (oltre il campo prossimo) che genera una diffusione del segnale che va ad

interessare una ampia zona attorno all'asse del trasduttore aumentando, di

conseguenza, la possibilità di echi di ritorno non desiderati. Un'altra causa è da

riscontrarsi nel fatto, già precedentemente citato, che le informazioni "significative" sono

spesso nascoste e confuse dal rumore di fondo dei grani e dalle riflessioni degli altri tipi

d'onda (di taglio e superficiali). Risultano pertanto rare le situazioni nelle quali le A-scan

26

Page 31: Nuova Versione+Foto

sono sufficienti a caratterizzare un elemento di calcestruzzo (o di altro materiale di

natura estremamente composita) mentre sono ottimi indicatori per materiali omogenei.

Un ulteriore passo in avanti nella rappresentazione dei dati viene fornito con quelle

che vengono definite B-Scan. Questa tecnica permette di visualizzare i dati provenienti

da numerose A-scan in un'unica immagine. Muovendo il trasduttore lungo la superficie

si è in grado di confrontare direttamente i dati relativi a posizioni differenti

simultaneamente e ricevere informazioni sulla intensità e la fase del segnale ed i suoi

relativi cambiamenti. Attraverso l'elaborazione di un personal computer le singole A-

scan vengono "composte" realizzando una immagine dello stato della sezione della

struttura tracciata dal movimento del trasduttore. Gli eco rilevati vengono visualizzati

nell'immagine mediante diversa intensità di colore o di grigi (corrispondenti alle

ampiezze del segnale) e permettono una rapida vista d'insieme consentendo il

rilevamento di difetti e della parete opposta. Esse necessitano di un maggiore sforzo

nella scansione lineare ma le informazioni in esse contenute sono allargate alla

seconda dimensione aiutando l'occhio umano all'interpretazione dei dati. Tuttavia se

non si interviene con opportuni sistemi, algoritmi software o mediante l'utilizzo di filtri,

l'immagine che viene rappresentata assume una natura "diffusa" e sfumata a causa dei

disturbi presenti nelle A-scan.

Un altro tipo di visualizzazione, diverso dalle B-scan per il principio di movimento

del trasduttore, sono le C-Scan nelle quali con il movimento del trasduttore viene

prodotta una scansione di un'area superficiale dell'oggetto in esame. Il risultato della

visualizzazione di tipo C è costituito da una "vista aerea" o mappa del provino nella

quale sono evidenziate le zone nelle quali si è rilevato un eco di ritorno. In questo caso

la visualizzazione, che può essere effettuata a colori o a scale di grigio, viene posta in

27

Page 32: Nuova Versione+Foto

relazione alle intensità delle ampiezze rilevate. Contrariamente alle B-scan si perde la

relazione con la profondità ottenendo solamente "vista aerea". Questo tipo di

rappresentazione può essere utile in presenza di struttura a piastra o a volta (specie

quelle sottili) nelle quali assume una rilevanza minore la profondità dei difetti.

Una variante delle C-scan è costituita dalla visualizzazione di tipo D che fornisce

una vista aerea della zona rilevata ma questa volta in luogo delle ampiezze degli eco di

ritorno vengono visualizzati, con le stesse modalità (colori o scale di grigio), i tempi di

volo dai quali possiamo desumere la profondità dei difetti o degli echi della parete

opposta.

Una combinazione opportuna di queste tecniche di rappresentazione può essere

utilizzata per ottenere una ricostruzione spaziale dell'insieme combinando le varie

rappresentazioni. Infatti combinando una serie di B-scan è possibile tenere

contemporaneamente le informazioni relative alle profondità ed alle loro intensità e nello

stesso tempo rilevare una superficie per linee di scansione ottenendo una

rappresentazione 3D dell'elemento. Questa tecnica di visualizzazione prende il nome di

P-scan (Projection scanning) ovvero visualizzazione mediante proiezione.

Le misure possono essere documentate registrando le immagini successive o

stampandole in diretta per un successivo confronto. [4], [8], [9], [24].

Come risulta dalla definizione queste sono tecniche di visualizzazione dei dati

nelle quali non vi è alcuna elaborazione del segnale al fine di ridurre i disturbi. In tutti

questi casi, anche se i dati divengono sempre più nitidi, vi è sempre la presenza dei

disturbi che possono rendere confusa l'immagine vincolandola all'interpretazione

dell'operatore. Un passo in avanti è stato fatto con lo sviluppo di tecniche che

presuppongono un trattamento ed una manipolazione dei dati al fine di cercare di

28

Page 33: Nuova Versione+Foto

attenuare i fenomeni di disturbo.

Tra queste tecniche abbiamo quella della visualizzazione dei risultati mediante la

tecnologia SAFT (Syntetic Aperture Focusing Tecnique) [3] o quella dell'analisi statistica

del rumore dei grani [4].

La tecnica SAFT è basata sulla susseguente messa a fuoco dei dati rilevati dal

trasduttore in ogni punto di una zona di ricostruzione (aperture) attraverso la

sovrapposizione delle differenti registrazioni nel tempo. Quello che nelle A-scan è stato

definito un inconveniente legato all'angolo di divergenza dei trasduttori ultrasonici, nel

SAFT diviene un fenomeno desiderato che permette di "illuminare" l'oggetto del

rilevamento da varie posizioni ottenendo una sequenza di A-scan che risultano essere

sfalsate nel tempo e sovrapposte. La media temporale di queste rappresentazioni

consente di eliminare una parte del fenomeno stocastico del rumore dei grani: quando

si è in presenza di difetti i segnali presentano una interferenza costruttiva che gli

amplifica mentre in assenza di difetti (solo "rumore dei grani") si verifica una

interferenza distruttiva che a causa della sua natura stocastica abbatte il segnale. In

questo modo è possibile evidenziare le riflessioni della zona di interesse. Attraverso la

tecnica SAFT è possibile non solo ottenere una visualizzazione Ampiezza/Tempo,

ottenuta elaborando numerose A-Scan, più nitida ma è altresì possibile operare una

ricostruzione grafica (sfruttando le tecniche di visualizzazione) realizzando una

immagine che mette in evidenza, a colori o a scale di grigio, le zone di provenienza

dell'eco e le sue intensità. Ovviamente la maggiore risoluzione viene pagata in termini

di tempi di elaborazione che si dilatano notevolmente se paragonati alla visualizzazione

"in tempo reale" delle A-scan su un oscilloscopio.

La tecnologia SAFT è stata oggetto di numerose ricerche ed implementazioni che

29

Page 34: Nuova Versione+Foto

hanno portato ad alla realizzazione di immagini bi e tridimensionali.

Una interessante applicazione è stata quella di utilizzare un vibrometro laser [2]

(rilevamento interferometrico laser), al posto dei trasduttori ultrasonici, per il rilevamento

degli echi ritorno, con questo strumento si è in grado di esaminare e tenere sotto

controllo un'area della struttura di prova senza la necessità di un contatto diretto con la

superficie e quindi indipendentemente dallo stato superficiale, dall'accoppiamento

trasduttore/superficie o dall'accessibilità della zona da investigare cosa fatto non

trascurabile per le applicazioni dell'ingegneria civile.

Tuttavia il maggiore problema della interferometria laser è la sua insufficiente

sensibilità che risulta da un basso rapporto segnale/rumore (S/N) e dal fenomeno di

diffusione che si manifesta sulla superficie ruvida del calcestruzzo a causa della natura

coerente del laser che risulterà come una interferenza "granulare" (speckle) con

distribuzione casuale. Questo disturbo si manifesta come un "rumore" che disturba la

ricezione del segnale ultrasonico. Per migliorare questa applicabilità del laser

vibrometro si sono percorse due strade: quella di aumentare l'ampiezza del segnale

introdotto e contemporaneamente agire riducendo l'influenza del disturbo "granulare".

Per aumentare l'intensità del segnale si può procedere seguendo due strade; una

è quella di amplificare l'intensità del segnale, l'altra è quella di utilizzare un particolare

tipo di segnale, detto chirp, che consente di ottenere il medesimo risultato. Il primo

metodo ha l'inconveniente di necessitare di amplificatori e di utilizzare tensioni elevate

per le quali devono essere elevati gli standard di protezione degli operatori. Il secondo

presuppone l'invio di un segnale chirp caratterizzato da un tempo di impulso (t) ed una

larghezza di banda delle frequenze emesse (BW, Band width). In funzione del prodotto

tra il tempo e la banda si ottiene un effetto risultante di un segnale avente un guadagno

30

Page 35: Nuova Versione+Foto

d'ampiezza (AG) del fattore:

che costituisce il fattore amplificativo dell'ampiezza. Ad esempio con un chirp di 70 V

per un tempo di 250 s ed una banda di 400 kHz si ottiene un AG di 7 e quindi un

segnale equivalente di circa 500 V.

Per ridurre l'effetto granulare sulla superficie dovuto alla coerenza del laser e alla

ruvidezza della superficie si è operato mediante una "modulazione" dello speckle con

due procedimenti. Il primo prevede un cambiamento di fuoco con piccoli movimenti che

produce una modificazione del modello di disturbo imprevedibile, in questo caso la

misura viene effettuata quando il disturbo è basso. Un altro metodo è stato sviluppato

inducendo una piccola vibrazione dello specchio di scansione. Questo assicura che la

grandezza da rilevare sia "visibile", con un basso livello di disturbo, per essere

misurata. Questo sistema detto "modulatore casuale di speckle" miglio il rapporto S/N

da 3 a 5.

L'applicazione della rilevazione laser interferometrica permette una risoluzione di

punti teorica di circa 4000 punti per direzione e quindi, sempre in teoria, un totale di 1.6

milioni di punti su un'area di scansione, tuttavia essendo necessari da 1 a 5 secondi per

ogni misura risulta evidente che le limitazioni sono imposte dai tempi di acquisizione.

Anche questi metodi di trattamento del segnale di ritorno non sono esenti da

critiche. Infatti la qualità dell'immagine non è ancora sufficientemente chiara da

permettere una determinazione "certa" di quelli che sono i difetti da rilevare che

rimangono offuscati dal "rumore dei grani" che non si riesce ad eliminare totalmente.

Questo fenomeno inoltre risulta maggiormente marcato all'aumentare della dimensione

31

Page 36: Nuova Versione+Foto

media degli aggregati. Il risultato è che le immagini risultano puntinate, granulari e

sfumate con la possibilità di trarre in inganno l'operatore e rendere molto influente la

soggettività della misura.

Questo fa si che le gli attuali algoritmi di visualizzazione o elaborazione non siano

ancora perfettamente in grado di andare incontro alla prescrizione delle norme di qualità

ISO 9001 per le quali la misura deve assicurare un grado di indeterminazione noto e

costante con le capacità di misura. Dove opportuno di conseguenza lo sperimentatore

dovrà stabilire procedure per individuare adeguati procedimenti statistici per verificare

l'accettabilità della misura.

Il rumore dei grani non può essere del tutto eliminato mediante una media

temporale (principio base della tecnica SAFT) inquanto i fenomeni di diffusione ai grani

derivano da una grandezza invariante temporale ovvero la loro posizione nella matrice

cementizia, forma e dimensione. Per cercare di risolvere il problema della presenza del

"rumore dei grani" alcuni ricercatori hanno proposto un approccio statistico, il solo che

possa permettere di affrontare un problema derivante dalla distribuzione casuale dei

grani, avendo constatato che esso possiede delle affinità con alcuni processi di

emissione elettronici.

Attraverso una indagine di tipo statistico può essere definita una "soglia di

valutazione": se il segnale ricevuto eccede questa soglia viene accettato ed allora può

scattare l'allarme del difetto ed il segnale viene visualizzato altrimenti viene soppresso.

In questo modo si ottiene una immagine che è libera dell'effetto "puntinato" ed

offuscato dovuto agli eco di ritorno dei grani. Ovviamente vengono visualizzati

solamente quei segnali che corrispondono al superamento della soglia statistica

prefissata che in questo caso rappresenta la precisione statistica della misura e la

32

Page 37: Nuova Versione+Foto

risoluzione che si riesce ad ottenere.

Essendo la soglia prefissata dall'operatore, o dal committente, esiste quindi la

possibilità di effettuare delle affermazioni oggettive e non dipendenti dall'operatore. [4].

2.4. ANALISI SPETTRALE DELLE ONDE DI SUPERFICIE (SASW)

Fu sviluppata inizialmente per applicazioni geotecniche al fine di individuare le

stratificazioni sottostanti. La tecnica sfrutta la proprietà delle onde superficiali per le

quali la dispersione è funzione delle proprietà del materiale alle differenti profondità, in

questo modo i substrati sottostanti possono essere analizzati senza un accesso diretto.

Tale tecnologia è stata applicata con successo nella valutazione delle pavimentazioni

delle piste degli aeroporti. Molto di recente si è tentato di estendere ed adattare tale

tecnica anche alle strutture in cls. Nel SASW un'onda superficiale viene generata con

un sistema simile a quello dell'impact echo. La funzione spostamento/tempo delle onde

superficiali viene misurata da due trasduttori in linea posti ad una distanza nota dalla

sorgente. Da quanto rilevato ad ogni trasduttore viene analizzato per determinare la

frequenza in funzione della dispersione delle onde superficiali. Da questa curva di

dispersione viene poi estratto il "profilo elastico" della struttura in esame. [6], [15].

2.5. ACOUSTIC EMISSION (AE)

Una Emissione Acustica viene considerata un'onda di sollecitazione che proviene

dalle fessure, o altre sorgenti dinamiche, all'interno della struttura stessa. Queste onde

di sollecitazione possono essere rilevate, dalla superficie della struttura, e possono

essere analizzate per valutare le proprietà delle fessure che generano l'evento di AE.

La tecnologia dell'AE può essere considerata una tecnica di NDE "passiva" inquanto la

33

Page 38: Nuova Versione+Foto

misura ultrasonica si riferisce ad emissioni generate dalla struttura stessa, in

opposizione a quando la "risposta" della struttura viene sollecitata dall'esterno (tecniche

NDE attive).

Le tecniche di valutazione mediante AE applicate alle strutture in cls sono

comunque limitate a causa dell'alto potere di attenuazione del calcestruzzo. Sebbene il

calcestruzzo sia considerato un materiale estremamente "attivo" dal punto di vista delle

emissioni acustiche le applicazioni pratiche sono limitate dal fatto che l'evento emissivo

non genera energia sufficiente a propagare il fenomeno in superficie. [6], [15].

2.6. LIMITAZIONI NELLE APPLICAZIONI DELLA TECNICA

Come discusso nel presente capitolo molti sono i punti ancora da chiarire per un

impiego sistematico e certo delle tecniche ultrasoniche applicate ai calcestruzzi.

Infatti oltre la certezza sul collegamento tra “qualità” del calcestruzzo, in senso

ampio del termine, e velocità del fascio ultrasonico tutti gli altri parametri risultano

fortemente incerti ed influenzati dalla soggettività dell’operatore.

Con la descrizione e citazione di alcuni studi internazionali si è voluto mettere in

rilievo quali siano ad oggi i più grandi problemi che incontrano l’applicazione delle

tecniche ultrasoniche ai materiali dell’Ingegneria Civile e soprattutto ai calcestruzzi.

Rimane la grossa limitazione derivante dagli aggregati, non inerti a causa del loro

ruolo attivo nella matrice, che creano il “rumore dei grani” il quale disturba non poco la

misura che, come si è visto, risulta difficilmente eliminabile in quanto caratteristico ed

intrinseco del materiale.

Rimane altresì il grosso problema della risoluzione derivante appunto dalla

presenza degli aggregati che rende impossibile individuare “imperfezioni” dell’ordine di

grandezza della pezzatura massima degli aggregati

34

Page 39: Nuova Versione+Foto

Rimangono ben evidenti i contrasti di opinioni, e di interesse, che contrappongono

ricercatori universitari e ricercatori di ditte specializzate. Gli uni che non disdegnano di

ammettere la difficoltà nella diagnosi ultrasonica, gli altri che invece commercializzano

prodotti che, del tutto simili alle applicazioni da noi realizzate, non sono però in grado di

fornire quel risultato obbiettivo e sistematico che invece viene richiesto dagli utilizzatori.

Tutto questo si condensa in un solo problema che è quello delle “limitazioni della

Tecnologia” che attualmente viene impiegata nell’ambito delle indagini ultrasoniche dei

manufatti dell’Ingegneria Civile. Se si paragona uno strumento ultrasonico in utilizzo

Ingegneristico Civile con un analogo utilizzato in campo Aerospaziale, Meccanico o

Medico ci si rende subito conto di quanto siano ancora lontane le tecnologie impiegate

ed i risultati conseguiti.

Il tutto è spiegabile, oltre che con le problematiche di natura tecnico/fisica, anche

con il ritardo nell’introduzione di queste tecniche nel campo civile cosa che invece è

sistematica e ormai di routine in altri campi, che si trova anche in notevole ritardo quale

disciplina di insegnamento universitario creando quindi un gap “culturale” negli

Ingegneri che invece dovrebbero utilizzarla.

35

Page 40: Nuova Versione+Foto

3 APPLICAZIONE DELLA TECNICA ECHOPULSE

Page 41: Nuova Versione+Foto

3.1. INTRODUZIONE

Nei capitoli precedenti si sono descritte le proprietà delle onde ultrasoniche e si

sono analizzate le varie metodologie di diagnostica ed indagine. Si è inoltre fatto il

punto sullo “stato dell’arte” delle tecnologie applicate.

Si è visto come sia possibile determinare le peculiarità geometriche ed i difetti dei

manufatti e si è accennato alle difficoltà che sorgono nell’applicazione delle tecniche.

Nel corso di questo capitolo verranno approfondite le tematiche inerenti

all’applicazione della tecnica “Echopulse” unitamente alle problematiche principali

incontrate nel corso della presente analisi.

Verranno altresì trattate e si cercherà di fornire una soluzione ai problemi che

sono stati rilevati nel corso della presente ricerca al fine di fornire, anche al lettore

“digiuno” di nozioni in tema, i chiarimenti necessari a comprendere il lavoro da noi fin

qui svolto.

3.2. TECNICA ECHOPULSE

Tale metodologia rappresenta un’applicazione della tecnica d’esame ultrasonica

per riflessione. Sfrutta il principio secondo il quale un fascio di onde ultrasonore

nell’incontrare una soluzione di continuità nel mezzo si riflette, il fascio di onde riflesse

che ritorna in superficie è detto eco.

Generalmente si differenzia in due sistemi di utilizzo a seconda del numero di

sonde trasduttrici impiegate. Possiamo avere i casi:

due sonde trasduttrici, una trasmittente e l’altra ricevente;

una sola sonda che funge da trasmittente e ricevente

In quest’ultimo caso risulta necessario utilizzare una connessione mediante un

37

Page 42: Nuova Versione+Foto

connettore a T per collegare i canali di trasmissione e ricezione allo stesso trasduttore,

uno per trasmettere il segnale per l’eccitazione del trasduttore, l’altro per inviare il

segnale ricevuto ad un oscilloscopio per la sua visualizzazione.

A causa di questa particolare configurazione si possono verificare dei problemi di

interpretazione conseguenti alla sovrapposizione delle due differenti sollecitazioni sullo

stesso trasduttore con la generazione di un segnale costituito dalla risultante

dell’interferenza delle onde acustiche all’interno del piezoelettrico.

Nell’esperienza di tesi, così come in altre che hanno preceduto, si è lavorato

utilizzando due sonde indipendenti.

3.3. METODOLOGIA APPLICATIVA

La metodologia operativa da noi scelta consiste nell’inviare nel provino, attraverso

il trasduttore emettitore una successione di treni d’onda costituita da una serie di

impulsi, burst, che si propagano all’interno del materiale venendo così riflessi dalla

superficie limite opposta o da eventuali difetti in esso presenti.

L’energia riflessa viene poi ricevuta sulla medesima superficie da un secondo

trasduttore che funge da ricevitore.

Il segnale ricevuto può essere visualizzato su un oscilloscopio ed analizzato al

fine della determinazione del “tempo di transito” occorrente al segnale per attraversare il

manufatto e tornare indietro.

Al fine di applicare la tecnica è necessario fare una premessa circa il percorso del

segnale all’interno del provino. Tra i vari tragitti possibili è necessario considerare quello

più probabile. Per far ciò si considera quel segnale che compie il percorso più breve

senza essere oggetto di riflessioni multiple.

Il segnale considerato è pertanto quello “diretto”, che una volta trasmesso percorre

38

Page 43: Nuova Versione+Foto

una traiettoria rettilinea, si riflette e ritorna indietro con percorso rettilineo.

Figura 1: Percorso del segnale diretto

In figura è rappresentata la schematizzazione del percorso del segnale diretto

all’interno del mezzo. La sollecitazione compie il tragitto 1 2 3 di lunghezza 2L in

un tempo t (tempo di transito). Se si riferisce il tutto alla distanza tra le sonde, che è

nota, lo spessore del provino può essere ottenuto attraverso una ricostruzione

trigonometrica ovvero con la più semplice applicazione del noto “teorema di Pitagora”.

3.4. PROBLEMATICHE

Esistono tuttavia alcune problematiche sperimentali di non semplice risoluzione

che accompagnano una trattazione teorica semplicissima che sono proprio l’oggetto del

presente lavoro e di tanti altri studi che nel mondo si affannano per cercare di rendere

applicabile ai materiali da costruzione di natura “composta” le tecniche di indagine

ultrasonica mediante riflessione.

I problemi principali sono connessi con la natura intrinsecamente disomogenea dei

materiali da costruzione di natura composta, quali i calcestruzzi, le malte ecc. (non

inglobando in questa definizione i materiali metallici e le plastiche ed i legnami che non

39

Page 44: Nuova Versione+Foto

sono oggetto di trattazione), che presentano all’esame ultrasonico tutta una serie di

inconvenienti che, già trattati nei precedenti capitoli, possono essere qui sintetizzati:

1. Attraversamento del manufatto e fenomeni di attenuazione;

2. Rilevamento delle imperfezioni e frequenze utilizzate;

3. Fenomeni dispersivi o scattering e riflessioni multiple.

Il primo ostacolo da superare è quello di avere a disposizione un segnale che sia

sufficientemente “potente” che permetta di poter superare i fenomeni dispersivi, molto

marcati in questi materiali, al fine di ottenere in ricezione un segnale sufficientemente

“alto” da poter essere rilevato. A questo problema si cerca di ovviare in vari modi, sia

aumentando la potenza del segnale inviato mediante amplificazione, sia amplificando

anche in segnale ricevuto dal trasduttore. Per dare una idea dell’entità della dispersione

si tenga presente che in un provino di 10/15 cm di spessore realizzato in malta

cementizia senza aggregati (molto omogeneo) un segnale di 20 Vpp giunge con

un’ampiezza ridotta a 100/200 mVpp con un fattore riduttivo di circa 200 volte !

La metodologia da noi seguita è stata proprio questa. Si è “lavorato” il segnale in

trasmissione amplificandolo e nuovamente si è provveduto ad amplificare il segnale in

ricezione che a sua volta è stato filtrato ed elaborato mediante un opportuno circuito

elettrico di amplificazione. La descrizione degli amplificatori di segnale è riportata nel

capitolo 5 mentre i programmi di elaborazione e controllo verranno trattati al capitolo 6.

Altro problema è quello della frequenza di lavoro. Essa è direttamente collegata

agli altri parametri del treno d’onda quali la velocità ne mezzo e la lunghezza d’onda.

Inoltre per quanto visto nel primo capitolo essa gioca un ruolo fondamentale nella

riflessione degli ostacoli presenti sul percorso. Se si tiene presente che un calcestruzzo

è un mezzo ad alto grado di disomogeneità costituita dagli aggregati, che in questo

caso proprio non possono essere chiamati inerti inquanto inerti non sono dal punto di

40

Page 45: Nuova Versione+Foto

vista ultrasonico (se mai la fossero anche da quello resistivo!), la frequenza da

impiegare deve essere tale da non essere oggetto di riflessione da parte degli

aggregato ma li deve superare come se fossero “trasparenti”. Condizione affinché un

oggetto non sia causa di riflessione è che la sua dimensione trasversale “a” sia “molto

più piccola” della lunghezza d’onda utilizzata. Ovvero è necessario che le lunghezza

d’onda siano molto più grandi delle naturali e fisiologiche imperfezioni del cls e di

conseguenza a causa della relazione inversa tra frequenza e lunghezza d’onda (tramite

la velocità) è necessario che le frequenze impiegate siano “piccole”. I concetti di “molto

più grande” o “molto più piccolo” sono evidentemente di difficile comprensione ma

numerosi studi hanno messo in evidenza che nei materiali come i calcestruzzi e le

malte (che non hanno inerte ma che non possono essere certo considerate omogenee

come un acciaio) le frequenze non debbano superare i 100kHz.

Nella nostra esperienza si è lavorato con frequenza di circa 52 kHz.

Per quanto riguarda i fenomeni di scattering e riflessioni multiple essi sono

fenomeni che hanno origine dalla morfologia interna del manufatto, come pezzatura e

disposizione della matrice degli aggregati, o dalla conformazione geometrica del pezzo

da esaminare e sono fenomeni con i quali è necessario imparare a convivere inquanto

quasi impossibili da governare proprio a causa della loro natura casuale ed

indipendente dalla strumentazione impiegata.

Il problema della forma del segnale verrà trattato nei capitoli seguenti quando

verranno descritti gli amplificatori.

Purtroppo anche l’ipotesi della misura dello spessore con la sua semplicissima

trattazione teorica non risulta altrettanto semplice in fase pratica. Per determinare

l’entità del percorso del fascio ultrasonico, 2L, è necessario conoscere il valore della

velocità all’interno del mezzo. Infatti il percorso viene calcolato in base al tempo di

41

Page 46: Nuova Versione+Foto

percorrenza 2L=Vt. La velocità del materiale è una incognita importante nella

risoluzione del problema ma, per il suo utilizzo nelle misure, è necessario determinarla

per altra via ed immetterla nell’equazione dello spessore come una costante la quale

esprima le caratteristiche fisico/acustiche del mezzo in esame. Dalla formula della

velocità V=s/t infatti è possibile estrarre una sola grandezza nota l’altra ed in funzione

del tempo: lo spazio nota la velocità, oppure la velocità noto lo spazio percorso.

Pertanto prima di applicare la metodologia da noi nel seguito descritta sarà

necessario determinare sperimentalmente il valore della velocità caratteristica del

manufatto in esame ovvero ipotizzarla conoscendo quella determinata per materiali

simili. Per un calcestruzzo le velocità hanno un range di variabilità che va da oltre 4500

m/s per un calcestruzzo di ottima qualità a quelle inferiori di 3000 m/s per uno di qualità

scadente, mentre per le malte un ordine di grandezza può essere dai 1600 m/s ai 2200

m/s (misure confermate dalle precedenti esperienze condotte in laboratorio e nel corso

della presente tesi).

Un altro problema che deve essere affrontato è quello della precisione nella

misura del “delta di tempo” infatti da essa dipende la precisione nella determinazione

dello spessore. Per una velocità di 2000 m/s l’errore di un microsecondo (1x10-6 s)

influisce per circa 2 mm sullo spessore, per una velocità doppia l’errore si raddoppia

ecc.

Al fine di ottenere sempre una determinata precisione, che fosse costante da un

rilevamento all’altro, il semplice oscilloscopio, per quanto elettronico e potente come

quello da noi in dotazione, non è più sufficiente. Non per sua scarsa precisione ma

perché l’operazione di misura è demandata al posizionamento manuale dei cursori da

parte dell’operatore.

Per poter eseguire correttamente questa fase per via manuale è necessaria una

42

Page 47: Nuova Versione+Foto

notevole applicazione del tecnico che deve raggiungere una esperienza ed una

sensibilità tale da garantire una accuratezza nell’esecuzione della misura. In maniera

del tutto analoga a quello che succede nella topografia mediante l’utilizzo degli

strumenti di rilevamento. Certamente durante il corso della presente tesi si è lavorato

molto sulla misura “manuale” al fine di raggiungere una certa conoscenza del fenomeno

che poi ci ha permesso di individuare quali fossero le strade da percorrere per una sua

automazione.

Per ovviare a ciò si è ricorso all’utilizzo dell’elaboratore elettronico al fine di

automatizzare la sequenza di misura attraverso dei programmi appositamente realizzati

che permettono l’acquisizione del segnale e la conseguente misura dei tempi in modo

automatico e con precisione costante. Questa parte verrà approfondita durante la

descrizione dei programmi di calcolo.

3.5. IL PROBLEMA DELL’ACCOPPIAMENTO

Rappresenta una fase essenziale nella buona riuscita dell’esperienza. Infatti

dall’accoppiamento sonda/manufatto dipende la qualità delle misure che verranno

effettuate.

Nei metodi diretti, o per contatto, è di fondamentale importanza la scelta del

mezzo di accoppiamento al fine di assicurare la trasmissione del segnale. Invece nei

metodi “per immersione” l’accoppiamento viene realizzato per mezzo del fluido di

accoppiamento rendendo quindi marginale il problema.

Il “mezzo di accoppiamento” è quello strato di materiale che si interpone tra sonda

manufatto al fine di realizzare il passaggio del fascio ultrasonico dal trasduttore al

manufatto. Esso ha pure la funzione di rendere omogenea la superficie di contatto tra

sonda e provino al fine di evitare le riflessioni superficiali.

43

Page 48: Nuova Versione+Foto

Inoltre deve possedere delle caratteristiche acustiche tali da non essere egli

stesso di ostacolo al passaggio del fascio ultrasonico.

Ottimo mezzo di accoppiamento si è dimostrato essere il grasso di vaselina in

grado di conferire alla superficie in esame un alto grado di uniformità e nel contempo

assicurare ottime capacità di trasmissione del segnale.

Purtroppo l’utilizzo del grasso di vaselina presenta anche degli inconvenienti che

sono quello di imbrattare le superfici creando uno strato che anche dopo l’esperienza

diviene di difficile pulizia, il che non si presta certamente ad un suo utilizzo del campo

della diagnosi finalizzata al restauro di edifici storici o di particolare pregio. Inoltre

presenta una caratteristica di forte adesione tra sonda e manufatto che se da un lato

assicura un ottimo passaggio del segnale diviene un grosso ostacolo in fase di distacco

della sonda con il procedimento automatico richiedendo grosse forze di distacco che

pongono in difficoltà l’equilibrio del sistema carrello portasonde.

Si sono fatte numerose prove per testare altri mezzi di accoppiamento mediante

l’interposizione di un materiale “terzo” tra sonda e vaselina.

Alcuni tentativi si sono portati avanti accoppiando uno strato di carta paraffinata di

natura plastica al manufatto e stendendo, dal lato sonda, uno strato di vaselina.

L’accoppiamento ottenuto presentava una attenuazione superiore alla sola vaselina ma

risultavano incompatibili i due materiali al punto che la carta paraffinata (di probabile

composizione in lattice) veniva sciolta o fortemente deteriorata da contatto con la

vaselina.

Identico risultato si è ottenuto utilizzando della pellicola trasparente polivinilica che

fungeva da contenitore per la realizzazione di un “cuscino” di vaselina interno. Anche in

questo caso unitamente al fenomeno attenuativo si è notata una incompatibilità tra i

materiali.

44

Page 49: Nuova Versione+Foto

Un risultato invece inaspettatamente positivo ha fornito l’utilizzo di un

accoppiamento tra un sottile foglio di carta in alluminio (quella da cucina) steso sul

materiale il quale sull’altro lato presentava la interposizione di uno strato di olio

lubrificante. L’accoppiamento veniva ottenuto facendo in modo che la sonda nel

momento del suo avvicinamento al materiale fosse sempre dotata di una patina di olio

lubrificante che veniva posizionata mediante apposita “pipetta” lubrificante da

meccanico. L’olio lubrificante però, a causa della non sufficiente viscosità, colava via

rendendo necessario un sistema di raccolta.

Il problema che si pone in questo modo è la realizzazione di un eventuale sistema

automatico di lubrificazione, già in studio, al fine di testare al sua utilizzazione per le

applicazioni future.

Sempre mediante l’utilizzo dell’olio lubrificante quale materiale d’accoppiamento si

è cercato di provare l’utilizzo di uno strato di carta assorbente per alimenti che

trattenesse l’olio ma questo si è rivelato completamente inadatto e tale da non

permettere accoppiamento alcuno.

Al momento le esperienze condotte ci hanno portato a considerare praticamente

equivalenti gli accoppiamenti ottenuti mediante sola vaselina e quello ottenuto

utilizzando l’alluminio e l’olio lubrificante. La natura meno adesiva del secondo lo ha

fatto preferire in fase di sperimentazione del sistema automatico.

45

Page 50: Nuova Versione+Foto

4 PROGETTAZIONE DI UN SISTEMA AUTOMATIZZATO PER

LA DETERMINAZIONE DELLO SPESSORE

Page 51: Nuova Versione+Foto

4.1. INTRODUZIONE

Come si è più volte precisato l'obbiettivo di questo lavoro sperimentale è quello di

sviluppare una apparecchiatura che consenta una indagine di tipo ecografico nel

calcestruzzo con un processo che fosse del tutto automatizzato limitando al minimo gli

interventi dell’operatore che rimangono essenziali in fase di predisposizione del test.

Il primo passo verso una tale tipologia di indagine è quello di riuscire a

determinare lo spessore di un provino di calcestruzzo (o di altro materiale da

costruzione) sottoposto ad esame mediante la tecnica ultrasonica denominata

"Echopulse" (o "puse echo" secondo la dicitura in inglese) che permette una indagine

accedendo al provino da un solo lato (la superficie accessibile nel caso più generale)

contrariamente alle altre tecniche ultrasoniche dette "per trasmissione" le quali invece

prevedono che l'elemento sottoposto ad indagine sia accessibile da due lati opposti.

Questa tecnologia di indagine è oggetto di studi (come descritto nel capitolo 3 e

nelle citazioni in bibliografia) che vedono coinvolti numerosi enti ed università in tutto il

mondo (Stati uniti e Germania soprattutto) e può contare anche su una “rete” di contatti

che attraverso Internet (www.ndt.net in particolare) collega gli studiosi del settore

permettendo una diffusione degli ultimi studi e ricerche e lo scambio di opinioni su

procedure, metodi e sistemi di indagine attraverso un Forum di discussione

permanentemente aperto alle discussioni spesso accese tra i vari ricercatori del settore.

Nel presente capitolo verrà descritto il sistema di misura che si ha in studio con

particolare riferimento a quanto da noi praticamente progettato e realizzato quale

strumentazione interamente realizzata presso il laboratorio di “Misure Meccaniche e

Termiche” del Dipartimento di Ingegneria Meccanica.

47

Page 52: Nuova Versione+Foto

4.2. DESCRIZIONE DEL SISTEMA SVILUPPATO.

Il sistema da noi progettato è stato realizzato avendo come obbiettivo finale la

completa automatizzazione del processo di diagnosi ultrasonica degli elementi

costruttivi dell’ingegneria civile. Si voleva realizzare un’apparecchiatura che fosse in

grado di replicare automaticamente le varie fasi che normalmente vengono effettuate a

mano dall’operatore. Queste fasi sono appresso schematicamente evidenziate come:

posizionamento delle sonde sul manufatto;

accoppiamento delle sonde sul manufatto;

invio e ricezione del segnale ultrasonico diagnostico;

elaborazione del segnale ricevuto e sua analisi in termini di tempo di transito.

Per realizzare il posizionamento delle sonde sul manufatto è stato realizzato un

sistema di carrelli e bracci mobili che, per mezzo di motori controllati via software,

permettono il movimento verso destra e verso sinistra del carrello portasonde e del

movimento in avanti (verso il manufatto) ed indietro del braccio mobile portasonda che

permette l’accoppiamento dei trasduttori al manufatto per mezzo della pressione

esercitata sul portasonda.

L’intero sistema è costituito da due coppie di carrelli che permettono il rilevamento

indipendente dai due lati del provino ovvero da due posizioni distinte sul medesimo lato

nel caso il secondo non fosse accessibile. In figura 2 viene evidenziato il sistema di

movimentazione delle sonde.

L’invio e la ricezione del segnale ultrasonico sono anch’essi regolati via software,

attraverso un opportuno programma di controllo del generatore di funzioni d’onda, che

permette di ottenere il segnale desiderato che successivamente viene inviato alla

scatola di amplificazione e deviazione che ha il compito di aumentare la potenza del

48

Page 53: Nuova Versione+Foto

segnale generato ed inviarlo, dietro apposito comando inviato via software,

alternativamente a ciascuno dei due canali ai quali è collegato un trasduttore

trasmettitore.

Figura 2: Schema sistema carrelli

Il sistema permette la gestione contemporanea di due coppie di trasduttori, uno

emettitore e l’altro ricevente, che possono essere posizionati su entrambi i lati del

manufatto da esaminare (nel caso siano entrambi accessibili) al fine di ottenere una

conferma della misura effettuata ovvero di ottenere la ricostruzione della situazione di

eventuali vuoti interni mediante la sovrapposizione delle due proiezioni rilevate con lo

schema descritto in figura 3. Il sistema è comunque in grado di funzionare solamente

con un solo gruppo sonde nel caso il manufatto non risulti accessibile da ambo i lati.

Il segnale viene poi ricevuto da un secondo trasduttore che lo invia ad un secondo

amplificatore di segnale, anch’esso a due canali indipendenti, che ha il compito di

amplificarlo ed elaborarlo per mezzo di un circuito elettrico al fine di renderlo idoneo alla

successiva sua acquisizione attraverso l’oscilloscopio per mezzo del protocollo di

comunicazione GPIB.

49

Page 54: Nuova Versione+Foto

Figura 3: Principio rilevamento anomalie interne

A questo punto il programma all’elaboratore elettronico, appositamente realizzato,

è in grado di acquisire i tre segnali, quello generato che serve quale base di misura ed i

due ricevuti dai trasduttori riceventi, e attraverso una loro comparazione stabilire gli

intervalli di tempo che hanno determinato il transito del fascio ultrasonico all’interno del

manufatto. In base a questo tempo ed in relazione alle caratteristiche fisiche del mezzo

in esame, fornite per mezzo della velocità caratteristica del fascio ultrasonico, permette

di ottenere la misura dello spessore del manufatto in esame.

Nello schema in figura 4 è descritto il sistema di misura realizzato ponendo in

evidenza i vari componenti nonché il percorso seguito dai segnali ultrasonici e di

controllo della strumentazione via software.

L’interfaccia che permette il controllo e l’acquisizione dei dati è costituita da una

scheda DAQ ed una scheda GPIG integrate sul computer gestibili a livello utente

attraverso un software dedicato realizzato nella piattaforma di programmazione

LabWIEW che permette l’integrazione dei singoli componenti.

50

Page 55: Nuova Versione+Foto

Figura 4: Schema del sistema di misura.

Per consentire il corretto posizionamento delle sonde sul manufatto il sistema di

carrelli mobili è montato sopra una impalcatura apposita costituita da angolari in acciaio

imbullonati del tipo di quelli utilizzati nella realizzazione di scaffalature metalliche. Il

supporto è costituito da quattro montanti sui quali sono fissati trasversalmente due

angolari che fungono da supporto per il binario del carrello longitudinale.

Il provino viene sistemato all’interno di questa impalcatura in modo da avere una

posizione nota rispetto ai sistemi dei carrelli. In figura 5 viene presentata una immagine

del sistema di supporto dei carrelli portasonda.

51

Page 56: Nuova Versione+Foto

Figura 5: Vista schematica struttura portasonde.

4.3. PROGETTO DEL SISTEMA DI GENERAZIONE E TRATTAMENTO DEL SEGNALE.

L'indagine attraverso la tecnica di diagnostica ultrasonica “Ecopulse” può essere

scomposta in alcune fasi attraverso le quali è possibile analizzare la strumentazione e

porre in evidenza problematiche e metodologie di indagine.

Tali fasi sono:

1. Generazione del segnale ultrasonico;

2. Amplificazione del segnale in Trasmissione;

3. Trasmissione del segnale attraverso il mezzo in esame;

4. Ricezione, amplificazione ed analisi del segnale di ritorno.

52

Page 57: Nuova Versione+Foto

4.3.1.GENERAZIONE DEL SEGNALE

Per la generazione del segnale ultrasonico si è utilizzato un generatore di forme

d'onda, modello HP 33120A, in grado di produrre varie tipologie di segnale che risulta

facilmente interfacciabile al personal computer per un suo controllo totale via software

attraverso il protocollo GPIB. Con tale apparecchiatura è possibile scegliere tra alcuni

segnali standard (come l'onda sinusoidale la quadra e la triangolare) ai quali è possibile

attribuire frequenze diverse e amplificazioni che raggiungono al massimo i 10 Vpp (volt

picco-picco). Il sistema è in grado di lavorare sia con una emissione continua che con

un impulso "burst" regolabile nel numero di impulsi inviati. Proprio con la funzione di

Burst si è scelto di operare al fine di poter disporre non di una emissione, e quindi

ricezione, continua ma di un segnale impulsivo che potesse rendere facilmente

individuabile l’eco di ritorno.

Oltre queste forme standard è possibile generare delle forme d'onda arbitrarie, ma

questa funzione non è stata impiegata.

Il controllo totale della generazione del segnale viene effettuato mediante un

interfaccia software realizzata per mezzo del linguaggio di programmazione LAB Wiew

5.0.1 che permette una gestione dell’apparecchiatura mediante il protocollo di

comunicazione GPIB.

4.3.2.AMPLIFICAZIONE DEL SEGNALE IN TRASMISSIONE

Il segnale così generato non può essere trasmesso direttamente al provino da

esaminare in quanto la sua potenza non è sufficiente a permettere l’attraversamento del

manufatto, o anche se lo fosse, a farlo tornare indietro con intensità sufficiente ad

essere rilevato, a causa dei forti fenomeni dispersivi e di attenuazione che si

53

Page 58: Nuova Versione+Foto

manifestano fortemente nel calcestruzzo si rende pertanto necessaria una sua

amplificazione.

E' stato necessario rivedere la strumentazione utilizzata nelle precedenti ricerche

le quali avevano ben evidenziato quale fosse il limite principale del metodo, il quale non

permise misure di spessori troppo elevati (dell'ordine dei 15 cm), individuato

principalmente nella bassa intensità del segnale trasmesso.

Si è provveduto pertanto a rivedere il sistema di amplificazione variando

essenzialmente la potenza di alimentazione fornita al circuito elettrico di amplificazione.

L'amplificatore di segnale è costituito da:

Alimentatore atto a fornire la potenza necessaria all'elevazione del segnale. E'

stato realizzato collegando in serie tre alimentatori stabilizzati in grado di

fornire ciascuno una tensione continua da 0 a 25V, con intensità di corrente di

5A, si è riusciti quindi a fornire al sistema una tensione continua di circa 76V.

Switch di potenza nel quale confluiscono la tensione degli alimentatori ed il

segnale generato. Lo switch, costituito da un Diodo BY359 e da un Mospower

P471, viene pilotato dal generatore di impulsi ed ha la funzione di incrementare

in ampiezza il segnale inviato.

Trasformatore di tensione innalzatore che, collegato in serie, permette un

ulteriore innalzamento del segnale con un moltiplicatore pari a circa 2 volte che

permette di raddoppiare l'intensità di picco del segnale. In questo modo si

riesce a raggiungere una tensione di picco del segnale trasmesso di circa

150V.

Il segnale di pilotaggio sonda, mediante un sistema di commutazione a relè

controllato tramite software, può essere inviato alternativamente al trasduttore di

interesse.

54

Page 59: Nuova Versione+Foto

Nel circuito si possono evidenziare le sezioni di:

1. Trasmissione e stabilizzazione della tensione di controllo relè;

2. Optoisolamento del segnale proveniente dalla scheda DAQ e di pilotaggio del

relè al fine di proteggere la scheda DAQ da eventuali corto circuiti.

Quando il relè non è eccitato, in condizione di riposo, il segnale ultrasonico passa

attraverso il canale 1, quando il relè viene eccitato dal segnale elettrico proveniente dal

computer si realizza il cambiamento di canale ed il segnale passa attraverso il canale 2

diretto verso la seconda sonda di trasmissione. In questo momento sul pannello frontale

della scatola di amplificazione si accende un led rosso che indica che il canale 2 è

attualmente in uso.

L’alimentazione per il circuito di deviazione (+5 V DC) è fornita per mezzo di un

trasformatore collegato alla rete elettrica (220 V AC) che per mezzo di un opportuno

circuito di alimentazione, anch’esso integrato sulla scheda, provvede ad alimentare, in

corrente continua, il circuito integrato, i transistor ed il relè che comandano la

deviazione del segnale.

Figura 6: Schema realizzativo circuito pilotaggio del relè.

55

Page 60: Nuova Versione+Foto

Nella figura 6 è rappresentato lo schema realizzativo del circuito elettrico di

controllo relè mentre la componentistica è indicata in tabella 1.

Componentistica circuito di pilotaggio a relèI1 Circuito integrato UA 741 CNR1 Resistenza 1 kC1 Condensatore elettr. 2200 mFC2 Condensatore 100 pFC3 Condensatore 105 mFC4 Condensatore elettr. 100mFD1 DiodoD2 Diodo ultrafast BY 359-1000D3 Diodo LEDT1 TransistorM1 Mospower IRF P 741-150IC1 Regolatore 7805 ctRS1 Raddrizzatore ponte di diodi WI 06 fRelè Relè

Trasf 1 Trasformatore p. 220 V s. 18+18 VTrasf 2 Trasformatore innalzatore

Tabella 1: Componentistica circuito pilotaggio Relè

Tutto il sistema di amplificazione e controllo realizzato su circuito stampato, è stato

cablato all’interno di un contenitore in ABS di dimensioni contenute dotato di connettori

rapidi per l’interfaccia mediante cavi schermati ai dispositivi hardware.

Il sistema risulta interfacciabile ai dispositivi hardware mediante i connettori:

Due di ingresso dell’alimentazione (positivo e negativo);

Due di ingresso del segnale proveniente dal generatore (positivo e negativo);

Due uscite per ciascun canale (positivo e negativo);

Un connettore tipo BNC per il segnale di pilotaggio.

Sul pannello frontale è altresì presente un led rosso che indica lo stato di

eccitazione del relè. Sul retro invece trova posto l’interruttore di tensione della rete

elettrica.

Nella figura 7 è invece visualizzata la conformazione della scheda con le piste e le

piazzole di innesto della componentistica in tabella 1.

56

Page 61: Nuova Versione+Foto

Figura 7: Scheda circuito stampato Amplificatore/Deviatore

Come si rileva il problema dell'amplificazione è di fondamentale importanza nel

campo della sperimentazione in esame, esso costituisce un compromesso tra

l'esigenza di poter contare su un segnale sufficientemente elevato e l'esigenza,

altrettanto importante, di trasmettere un segnale "pulito" e quanto più regolare possibile.

Infatti l'inserimento nel sistema del trasformatore innalzatore genera tutta una

serie di interferenze e distorsioni del segnale che fanno sì che la forma sinusoidale in

uscita dal generatore di segnale venga alterata e distorta.

La conformazione finale di questo circuito è il frutto di numerose prove e tentativi

per ottenere il massimo risultato possibile. Inizialmente si era pensato di lavorare

"tagliando" completamente la parte negativa del segnale sinusoidale mediante l'utilizzo

di un diodo ed un condensatore che, collegati in parallelo, trasformavano il segnale in

un impulso molto elevato costituito dalla sola parte positiva.

Successivamente, ed in seguito ad altre prove, si è deciso di trasmettere al

provino il segnale nel modo così come usciva dall’amplificatore, evitando l’utilizzo di un

diodo ed un condensatore in parallelo in uscita, e “lavorare” poi, filtrandolo e

57

Page 62: Nuova Versione+Foto

manipolandolo, il segnale ricevuto per mezzo di un secondo circuito attivo.

4.3.3.TRASMISSIONE DEL SEGNALE

Il segnale generato ed amplificato viene inviato, sotto forma di onda di pressione,

all'interno del provino mediante l'utilizzo di un trasduttore piezoelettrico "per contatto",

ottimizzato per frequenze di circa 50 kHz, posizionato sulla superficie mediante l'utilizzo

di un idoneo mezzo di accoppiamento che nella fattispecie è costituito dal grasso di

vaselina FCG in grado di fornire una buona uniformità del contatto assicurando, nel

contempo, una buona capacità di trasmissione del segnale.

Come è stato già accennato il sistema da noi realizzato è in grado di lavorare con

due trasduttori indipendenti che trasmettono il segnale alternativamente all’interno del

provino.

Il problema dell’accoppiamento Sonda-Provino, spesso trascurato e sottovalutato,

si rivela invece essenziale per la buona riuscita delle indagini sperimentali.

4.3.4.RICEZIONE, AMPLIFICAZIONE ED ANALISI DEL SEGNALE DI RITORNO

Anche per la ricezione si è utilizzato un trasduttore piezoelettrico dello stesso tipo

di quello utilizzato per la trasmissione e posizionato sulla medesima superficie con le

stesse modalità di accoppiamento.

Per gli scopi descritti si sono utilizzate due linee differenti che prevedono due

distinti trasduttori riceventi per la ricezione del segnale da entrambi i lati del provino.

Il segnale ricevuto presenta una bassa intensità che lo rende difficilmente

analizzabile, specie per spessori elevati, si è quindi reso necessario predisporre un

secondo sistema di amplificazione dedicato che permettesse di innalzare il valore di

58

Page 63: Nuova Versione+Foto

picco a circa 5V per una eventuale digitalizzazione by-passando l’oscilloscopio.

L’amplificazione ovviamente viene applicata indiscriminatamente a tutto il segnale

comprendendo gli inevitabili echi generati dalle riflessioni multiple e sulle superfici

all’interno del manufatto.

Per la visualizzazione dei segnali, quello inviato e quello ricevuto dalla seconda

sonda, si è utilizzato un oscilloscopio di media frequenza con controllo digitale, modello

HP 54602A, a quattro canali dotato di modulo di misura

L’oscilloscopio è interfacciabile al personal computer attraverso il protocollo GPIB

per consentire l’acquisizione e la digitalizzazione del segnale per la sua successiva

elaborazione con un software appositamente realizzato.

Il segnale ricevuto dalla sonda deve essere pertanto amplificato per mezzo di un

secondo sistema elettrico di amplificazione da noi realizzato il quale permette di

innalzare il valore massimo dell’ampiezza ad un paio di volt sufficienti per rendere

distinguibile e chiaro il segnale.

Oltre la semplice amplificazione nel sistema progettato avviene anche una

elaborazione che permette una sorta di “integrazione elettrica” del segnale di ritorno che

viene a perdere la sua natura oscillatoria a favore di una nuova, e più comoda per i

nostri scopi, forma di segnale a “gradino”.

Il circuito di amplificazione per il segnale ricevuto da noi progettato e realizzato e

anch’esso dotato di due canali separati ed è quindi in grado di amplificare ed elaborare

separatamente i segnali provenienti da due trasduttori contemporaneamente.

Il sistema è costituito da una parte di amplificazione, una di elaborazione in uscita

ed una di alimentazione (+15V DC) necessaria per il funzionamento del circuito

integrato.

Nella figura 8 è visualizzato lo schema elettrico del circuito completo. Mentre in

59

Page 64: Nuova Versione+Foto

tabella 2 sono riportati i vari componenti.

Figura 8: Schema circuito elettrico Amplificatore in ricezione

Componentistica circuito di amplificazioneI1 Circuito integrato LM 324 NR1 Resistenza 10 kR2 Resistenza 10 kR3 Resistenza 1 kR4 Resistenza 1 kR5 Resistenza 10 kR6 Resistenza 3.3 kR7 Resistenza 100 kC1 Condensatore elettr. 2200 mFC2 Condensatore 100 pFC3 Condensatore 105 mFC4 Condensatore elettr. 100mFC5 Condensatore 100 nFD1 Diodo BYV 27-150T1 Resistenza Variabile 10 kIC1 Regolatore GL 7815IC2 Regolatore GL 7915 RS1 Raddrizzatore ponte di diodi W 04 M

Trasf 1 Trasformatore p. 220 V s. 24+24V

Tabella 2 :Componentistica circuito Amplificazione in ricezione.

60

Page 65: Nuova Versione+Foto

I segnali in arrivo dalle due sonde vengono amplificati mediante due successivi

stadi di amplificazione che risultano integrati nel circuito integrato modello LM 324 N

che costituisce il cuore del sistema di amplificazione.

Tale circuito integrato è costituito da quattro stadi indipendenti che possono

essere utilizzati, a due a due, per la realizzazione dell’amplificazione.

Mediante tutta una serie di resistenze, valutate opportunamente, tra i piedini e il

riferimento elettrico (massa) e tra i due stadi è possibile far variare il guadagno in

termini di amplificazione. Mediante l’inserimento di resistenze variabili, Trimmer, è

possibile far variare il guadagno in termini di amplificazione semplicemente agendo

dall’esterno sulle viti di regolazione del cursore mobile dei Trimmer.

In fase di uscita del segnale amplificato viene effettuata l’elaborazione che per

mezzo di un diodo “ultrafast” collegato ad un condensatore ed una resistenza verso il

riferimento permette di ottenere quella conformazione “a gradino” della quale si è

parlato all’inizio.

Il diodo permette il “taglio” della parte negativa del segnale, lasciando passare

solo quella positiva mentre, il condensatore e la resistenza permettono la

visualizzazione di un segnale continuo che rappresenta una sorta di integrazione del

segnale oscillante dovuta alla capacità del condensatore di caricarsi mantenendo il

livello del segnale in uscita.

L’alimentazione duale +/- 15V che il circuito integrato richiede viene fornita da una

rete stabilizzata che elabora la tensione proveniente dal trasformatore, inserito in rete,

raddrizzata mediante un ponte di diodi e livellata mediante opportuni condensatori ad

un valore finale di circa 25V.

Anche questo circuito è stato realizzato su scheda mediante le procedure che

verranno descritte in Appendice B.

61

Page 66: Nuova Versione+Foto

La scheda del circuito è stata poi inserita in una scatola in ABS, dove trova posto

anche il trasformatore di tensione, che si interfaccia con l’esterno mediante connettori:

Due connettori tipo BNC, uno per canale, per i segnali in arrivo;

Due connettori tipo BNC, uno per canale, per i segnali amplificati in uscita;

Due connettori tipo BNC, uno per canale, per la visualizzazione eventuale del segnale

così come ricevuto dalla sonda senza alcuna amplificazione;

Due viti di regolazione, una per canale, del livello di amplificazione.

Il pannello frontale è provvisto di un interruttore luminoso che indica la presenza

dell’alimentazione di rete e funge da interruttore di tensione al trasformatore.

Nella figura 9 viene riportato il tracciato delle piste nel quale sono evidenziati i

singoli componenti, come da tabella 2, e le piazzole di innesto degli stessi.

Figura 9: Scheda circuito stampato Amplificatore

4.4. ELABORAZIONE DELL’ECHO.

E’ stato più volte sottolineato che il problema della misura della distanza fra la

superficie di generazione dell’onda ultrasonora e quella riflettente il segnale è legata

all’interpretazione dell’echo.

Il segnale ricevuto, infatti, contiene l’informazione sul tempo ma mescolata ad altre

62

Page 67: Nuova Versione+Foto

informazioni (segnali di tempo) derivanti da echi non desiderati.

La definizione della misura risiede nella capacità del sistema di discriminare

l’informazione desiderata dal contesto. Quanto più raffinati sono i metodi al fine di

estrarre l’informazione tanto più complessa può essere la situazione da risolvere.

Il grado di difficoltà, anche a livelli più bassi di “rumore” è comunque elevato

soprattutto se si vuole una interpretazione computerizzata.

Mentre il segnale di pilotaggio del trasduttore appare ben delineato, nella figura 10

è possibile osservare un impulso di pilotaggio costituito da un’unica onda sinusoidale di

ampiezza 5V, quello restituito dal processo, oltre a presentare un basso livello, può

essere caratterizzato da un rapporto “segnale” “rumore” (S/N) molto variabile.

Figura 10: Segnale Ultrasonico generato dal Generatore di forme d’onda

Nella figura 11 è mostrato un tipico segnale ricevuto il quale si può ritenere “quasi

ideale” a causa del basso livello di rumore e che si presta a semplici manipolazioni.

Figura 11: Segnale ricevuto nella sua forma naturale

63

Page 68: Nuova Versione+Foto

L’approccio seguito in questa fase è stato quello di procedere ad una sua

integrazione al fine di ottenere una variazione a “gradino”.

In questa forma diviene significativo, ai fini della nostra misura, non l’entità dello

stacco del gradino (inteso come ampiezza in volt del segnale) dallo zero ma il

momento, inteso come intervallo in microsecondi dal momento in cui viene inviato

l’impulso dal generatore assunto come “zero”, in cui avviene lo stacco che individua

l’istante nel quale il segnale riflesso arriva alla sonda ricevente.

Figura 12: Segnale Ricevuto, dopo l'amplificazione e l'elaborazione

Figura 13: Ulteriore esempio di segnale.

Il segnale amplificato ed elaborato è rappresentato nella figura 12. Si può notare i

64

Page 69: Nuova Versione+Foto

livello di amplificazione e la nuova forma d’onda “a gradino”. Mentre nella figura 13 è

mostrata una seconda serie di segnali nella quale si nota il livello più marcato di

disturbo del segnale “naturale” che si traduce in una più marcata soglia iniziale.

I problemi principali nella progettazione di questo sistema e della sua applicazione

nell’analisi ultrasonica del cls risiedono in:

Valutazione sull’attendibilità della soglia a gradino che si manifesta;

Valutazione delle condizioni che permettono il manifestarsi della soglia;

Valutazione delle condizioni che ostacolano il presentarsi della soglia.

Tra le prime c’è da inserire l’entità del segnale ricevuto, naturale e non modificato,

in termini di ampiezza in corrispondenza dell’eco di ritorno, più quest’eco è “alto” più

chiara e netta sarà l’entità dello stacco, minore è la sua intensità e minore sarà lo

stacco che potrà andare a confondersi con i “rumori” e disturbi di fondo presenti.

Infatti si può rilevare, a seconda della potenza del segnale inviato, tutta una serie

di “finte soglie” o “finti gradini” che sono generati da tutti quei segnali che, non di nostro

interesse ma inevitabili, giungono alla sonda ricevente per effetto delle riflessioni

multiple alle pareti del provino e dell’onda superficiale che giunge direttamente che

possono trarre in inganno l’operatore o falsare completamente la misura se effettuata in

modo automatico mediante il computer.

La comparsa e l’entità di queste “false soglie” si è sperimentato essere in funzione

sia della potenza di pilotaggio del segnale ma soprattutto in funzione

dell’accoppiamento sonda/provino. Per la quota relativa alla potenza del segnale

mediante l’azione sulla intensità del segnale inviato, attraverso la tensione di

alimentazione, al provino è possibile una loro attenuazione mantenendo evidente quella

più alta che corrisponde all’eco significativo che non scompare agendo sull’intensità.

Per quanto riguarda la quotaparte dovuta all’accoppiamento si è rilevato essere quella

65

Page 70: Nuova Versione+Foto

che di gran lunga può causare gli errori nella misurazione al punto tale da poter

considerare l’accoppiamento sonda/manufatto il vero “tallone d’Achille dell’intero

sistema”. Il problema dell’accoppiamento è stato già descritto in un paragrafo a parte.

Questo è fenomeno può essere spiegato ricordando che i segnali di disturbo sono

anch’essi funzione dell’intensità del segnale inviato, se questa è inferiore ad un certo

valore la loro entità è tale da non arrecare disturbo alla misura, se questa è invece

superiore essi divengono paragonabili al segnale di ritorno falsandolo in termini di

intensità e fase il che genera un errore nella misura dei tempi che di conseguenza si

traduce in un errore di misura nello spessore.

Tra le seconde e le terze cause, che risultano condizionate l’una dall’altra, si è

rilevato essere fortemente condizionante la dimensione del provino e la natura della sua

composizione che viene ad influenzare non poco la rilevazione del segnale portando, in

certi casi, a perdere la possibilità di effettuare la misura.

Le prove preliminari sono state condotte su provini cubici di calcestruzzo e malta,

gli stessi utilizzati nelle precedenti esperienze, del tipo in uso per le prove di resistenza

a compressione, ma che a causa delle loro dimensioni limitate rendevano impossibile, o

quantomeno altamente problematica, una misura “per riflessione” con l’apparecchiatura

da noi progettata la quale forniva al segnale una potenza superiore a quella che in

passato era stata fornita per misurare gli stessi provini.

Questo è spiegabile con il fatto che, già descritto in relazione alle prime cause di

errore, aumentando la potenza del segnale trasmesso sono state amplificate anche

tutte quelle onde indesiderate dovute alle riflessioni successive alle pareti del provino e

che, a causa della potenza superiore del segnale, giungono al trasduttore ricevente con

una intensità tale da disturbare e mascherare fortemente l’eco della parete opposta di

nostro interesse.

66

Page 71: Nuova Versione+Foto

Inoltre le dimensioni ridotte dei provini facevano sì che tali segnali causati dalla

riflessione sulle pareti laterali giungessero in anticipo o contemporaneamente al

segnale significativo andando ad interferire con esso (costruttivamente e

distruttivamente) in modo del tutto casuale e non controllabile mascherandolo e

falsandolo in termini di ampiezza. Tale disturbo rende il segnale talmente confuso da

influire sulla certezza delle misure.

Certamente con una osservazione sistematica e continua su provini simili si può

riuscire a riconoscere la forma d’onda e, rilevando i picchi relativi all’eco di ritorno, ad

effettuare comunque la misura, ma questo non è il risultato al quale miriamo.

L’obbiettivo è quello di riuscire ad effettuare una misura dello spessore su un

manufatto esistente, e quindi ignoto a priori, che fosse attendibile, a seguito di un

intervento preliminare del tecnico, in maniera automatica.

Per questo motivo si è orientata la ricerca verso la sperimentazione del sistema e

della strumentazione su provini che permettessero di ridurre gli effetti indesiderati quali

gli effetti di bordo dovuti alle successive riflessioni del segnale sulle pareti del provino.

Unico sistema per ridurre questi inconvenienti è quello di aumentare le dimensioni

del provino rendendo così ininfluenti i segnali di disturbo che giungono alla sonda

ricevente con un ritardo superiore a quello significativo e con una intensità minore

causata dal maggiore percorso che provoca una dissipazione della loro energia.

Impossibile invece si rileva l’eliminazione del segnale dovuto all’arrivo dell’onda

superficiale diretta che si trasmette da una sonda all’altra attraverso la superficie del

provino. Tale segnale diviene però una costante se si mantengono le sonde sempre alla

stessa distanza reciproca, e, comunque è di tipo sistematico, quindi noto ed eliminabile.

Per cercare di eliminare tali disturbi si è proceduto lavorando su provini più grandi,

da prima su un provino di dimensioni 48x48x12, più ampio dei normali dei normali

67

Page 72: Nuova Versione+Foto

“cubetti” di 15 centimetri di lato, e successivamente su un altro di spessore più elevato

48x48x22 realizzato appositamente per verificare la capacità della strumentazione di

esaminare spessori più elevati.

Entrambi i provini sono stati realizzati con malta da intonaco (calce e sabbia fine)

costituita da un misto premiscelato da intonaco commerciale denominato CENUPREM-

F. Questo per poter testare la strumentazione su un materiale pressoché omogeneo e

che non presentasse, da subito, i problemi di scattering relativo agli aggregati.

Anche questa strada si è dimostrata non semplice per tutta una serie di

problematiche di natura logistico/organizzativa che conseguono all’aumento delle

dimensioni dei provini, a partire dalla loro realizzazione (non potendo contare su un

laboratorio universitario funzionante in grado di realizzare quanto a noi necessario) fino

alle problematiche di trasporto e movimentazione degli stessi che raggiungono

facilmente i cento chilogrammi di peso racchiusi in una conformazione ingombrante.

Le nostre tesi circa la necessità di disporre di provini con una conformazione

“ampia” sono avvalorate dall’aver riscontrato che tutte le esperienze da noi rilevate in

letteratura risultavano eseguite su manufatti di dimensioni tali da poter appunto rendere

minimi gli effetti di bordo

4.5. PROGETTO DEL SISTEMA DI CARRELLI PORTASONDA

Il sistema è costituito dai seguenti elementi :

a) Sistema porta-carrello;

b) Carrello porta-sonda e carrello-sonda;

c) Box pilotaggio motori;

d) Supporto Portasonde.

Tutto il sistema meccanico dei carrelli portasonda ed i circuiti stampati nel seguito

68

Page 73: Nuova Versione+Foto

descritti sono stati interamente realizzati nel laboratorio di “Misure Meccaniche e

Termiche” del Dipartimento di Ingegneria Meccanica.

4.5.1.IL SISTEMA PORTA CARRELLO

Il sistema porta-carrello è costituito da una barra di alluminio di sezione 60 x 10

mm per una lunghezza pari ad un metro. Su di un lato è fissato un montante, in

alluminio di dimensioni 60x10x120, che sorregge il motore passo-passo, le due

pulegge, il cuscinetto a sfera e la barra filettata; sull’altro lato è fissato un altro

montante, sempre in alluminio di dimensioni 60x10x80, che sorregge il cuscinetto a

sfera e la barra filettata.

L’asse del motore passo-passo agisce sulle pulegge che, tramite una cinghia

dentata in gomma, trasferisce il movimento alla barra filettata e quindi genera la

traslazione longitudinale del carrello porta-sonda.

Sulla base del sistema è fissato il binario di scorrimento del carrello porta-sonda;

tale binario è in alluminio ed ha una sezione rettangolare di 15x5 mm per una

lunghezza pari ad 980 mm.

La barra filettata è in acciaio ed ha una lunghezza pari a 1050 mm per un diametro

esterno di 12 mm. Tutti i componenti sono fissati tramite bulloni in acciaio M5 e M3 con

testa svasata e chiusura con chiave a brugola.

4.5.2.CARRELLO PORTASONDA

Il carrello porta-sonda è costituto da una struttura in barre di alluminio di sezione

pari ad 60x10x160 mm. La traslazione longitudinale lungo l’asse del sistema porta-

carrello avviene per mezzo di otto cuscinetti a sfera in acciaio fissati alla base del

69

Page 74: Nuova Versione+Foto

carrello portasonda; la barra filettata del sistema porta-carrello si innesta nella

chiocciola del sistema porta-sonda consentendo la traslazione longitudinale dello

stesso.

Il movimento di avvicinamento della sonda alla parete avviene per mezzo di un

carrello-sonda che scorre, tramite otto cuscinetti a sfera in acciaio, lungo un binario in

alluminio fissato al carrello porta-sonda; la barra filettata del sistema porta-sonda si

innesta nella chiocciola del sistema del carrello-sonda consentendo la traslazione

trasversale dello stesso.

La barra filettata del sistema, che permette la trasmissione del moto, è collegata

ad un motore passo-passo tramite due pulegge dentate e una cinghia di trasmissione

ed ha una lunghezza pari a 180 mm per un diametro esterno di 12 mm.

Le due sonde montate su un apposito supporto, descritto nel seguito, collegato al

carrello-sonda tramite due bracci in alluminio di dimensioni pari a 10x10x150 mm e

fissata all’estremità mediante due viti M5.

Tutti i componenti sono fissati tramite bulloni in acciaio M5 e M3 con testa svasata

e chiusura con chiave a brugola.

4.5.3.BOX PILOTAGGIO MOTORI

Il movimento dei carrelli portasonda viene controllato per mezzo di un software

appositamente elaborato.

Il controllo dei motori passo-passo è gestito attraverso due schede di pilotaggio e

da una scheda di alimentazione contenute in un box, uno per ciascun sistema di carrelli,

in ABS antiurto facilmente trasportabile. Tale box, di dimensioni 12x20x8 cm, ha un

coperchio in alluminio fissato alla scatola tramite quattro viti. Sul fronte della scatola

sono alloggiate due prese da pannello a cinque poli (con chiusura a vite) utilizzate per il

70

Page 75: Nuova Versione+Foto

collegamento, tramite due prolunghe da tre metri, con i motori passo-passo e quattro

LED luminosi indicanti lo stato di funzionamento (2 LED verdi) e quello di inversione di

marcia (2 LED rossi) per ciascun motore. Sul retro del box è alloggiata una presa da

pannello a cinque poli (con chiusura a vite) utilizzata per il collegamento con il computer

ed il cavo di alimentazione alla rete elettrica con un interruttore da pannello.

4.5.4.SCHEDA PILOTAGGIO MOTORI

La scheda di pilotaggio dei motori, una per ogni motore, è stata realizzata nel

Laboratorio di “Misure Meccaniche e Termiche”; lo schema elettrico utilizzato prevede

l'utilizzo di due integrati del tipo L297 e L298N necessari per le sequenze di comando

del motore e di due integrati del tipo L200 per l’alimentazione. L'integrato L297 serve

per inviare all'integrato L298N gli impulsi di clock per far ruotare il motore a diverse

velocità.

La scheda di controllo dei motori passo - passo è alimentata da un alimentatore

che fornisce una tensione di 5 Volt con una corrente massima di 2.5 A.

L’alimentazione è fornita direttamente dalla rete elettrica a 220V che giunge al

trasformatore di tensione, con un proprio circuito stampato, che restituisce una tensione

alternata di circa 36V che poi viene inviata al circuito stampato dell'alimentatore dove

viene trasformata in tensione continua e raggiunge il valore definitivo di circa 5V

necessari all’alimentazione della scheda di controllo dei motori.

4.5.5.SUPPORTO PORTASONDE

Abbiamo descritto precedentemente i carrelli che permettono il movimento

longitudinale e trasversale delle sonda rimane ora da esaminare il modo con il quale

71

Page 76: Nuova Versione+Foto

queste sonde devono essere fissate ai bracci mobili.

Per consentire questo fissaggio si è studiato e messo a punto quello che abbiamo

chiamato un supporto porta sonde. La sua influenza nel sistema, al pari

dell’accoppiamento sonda/provino, risulta determinante ai fini della riuscita della misura.

Sono state individuate due caratteristiche che essenzialmente deve possedere:

Permettere l’ancoraggio delle sonde ai bracci mobili, e nel contempo

Non impedire la naturale oscillazione dei trasduttori.

l sistema deve infatti poter sostituire la perizia, la sensibilità e la forza di un

operatore umano nell’accoppiare le sonde alla superficie me nel contempo deve evitare

possibili by-pass di trasmissione dei segnali ne deve alterare le caratteristiche

dinamiche delle sonde.

Si è quindi progettato un primo sistema di supporto che realizzasse una sorta di

sospensione delle sonde che pur vincolate restassero libere di oscillare l’una

indipendentemente dall’altra.

La soluzione adottata è stata quella di realizzare un supporto costituito da due

maschera in Plexiglas, dotate di due fori con diametro di poco superiore a quello dei

trasduttori (circa 40 mm), accoppiate a vite con interposto uno strato di caucciù sopra il

quale trovano posto sonde adagiate ed incollate per la parte superiore. Il fissaggio delle

sonde al tappeto gommoso avviene per mezzo di semplice nastro biadesivo o mediante

un adesivo del tipo di quello utilizzato per sospendere gli specchietti retrovisori al

parabrezza delle automobili. Il fissaggio delle sonde al caucciù deve essere esteso per

una zona limitata da renderne “quasi puntuale” la zona di adesione. Questo

evidentemente è di difficile realizzazione ma si è cercato di ridurre al minimo la zona di

adesione. Le dimensioni della maschera in plexiglas e lo schema del portasonde sono

riportati nelle figure 14 e 15.

72

Page 77: Nuova Versione+Foto

Figura 14: Dimensioni maschera in plexiglas

Figura 15: Vista assonometrica e schema del portasonde.

Con questa tipologia di collegamento non si alterano prestazioni dinamiche delle

sonde. L’esperienza ha confermato la bontà del progetto non presentando differenze

sostanziali fra i segnali prodotti nella situazione artificiale e tradizionale.

Il supporto portasonde unitamente alla flessibilità del collegamento deve garantire

solidità in fase di accoppiamento sonde/provino tale da essere in grado di resistere alle

sollecitazioni conseguenti all’accoppiamento. Infatti in fase di accoppiamento il supporto

portasonda viene spinto dai bracci mobili verso il manufatto con tale movimento le

73

Page 78: Nuova Versione+Foto

sonde vengono spinte sulla gomma che si deforma. In fase di disaccoppiamento invece

le sonde vengono allontanate dal manufatto con una forza tale da far vincere la forza di

adesione che si è creata a causa del mezzo di accoppiamento (molto forte nel caso

della vaselina pura, quasi nulla in caso di olio lubrificante). In questo caso le sonde

vengono “tirate” e la forza si scarica sull’adesivo sonda/gomma che deve essere tale da

resistere allo strappo. Quanto da noi realizzato pertanto consiste in un giusto

compromesso tra le esigenze di flessibilità delle sonde e solidità dell’intero supporto.

Attualmente è in studio, per gli sviluppi del sistema, un secondo sistema di

portasonda che prevede una struttura analoga ma accoppiata ad un sistema che preme

le sonde sul manufatto mediante una camera d’aria in pressione.

74

Page 79: Nuova Versione+Foto

5 PROGRAMMI PER L’ELABORATORE ELETTRONICO

Page 80: Nuova Versione+Foto

5.1. INTRODUZIONE

Si è sempre precisato che l’obbiettivo finale della presente sperimentazione ricada

nella realizzazione di un’apparecchiatura di misura automatizzata che permettesse il

controllo ultrasonico delle costruzioni. In tal modo non è certamente pensabile di

lasciare all’operatore il compito di eseguire “manualmente” la misura. Tutte le fasi della

misura, dal posizionamento delle sonde, all’accoppiamento delle stesse sul manufatto,

dall’invio del segnale ultrasonico alla sua ricezione e rappresentazione finale quale

misura, sono state concepite in modo da poter essere totalmente controllabili e gestibili

via software sotto il diretto controllo del tecnico che non scompare ma assume un ruolo

di coordinamento e controllo della misura.

Si è deciso di interfacciare la strumentazione utilizzata (generatore di forme

d’onda, oscilloscopio, motori passo-passo di controllo del posizionamento) con un

elaboratore elettronico realizzando appositi programmi di gestione e controllo.

Programmi che devono avere la caratteristica peculiare di essere facilmente

comprensibili ed utilizzabili dall’utente finale che, completamente a digiuno della

procedura che ha portato alla loro realizzazione, ha il solo interesse nella realizzazione

della misura.

Si è adoperato un linguaggio di programmazione che permettesse la realizzazione

di qualcosa che richiamasse un normale strumento di misura che fosse facilmente

controllabile per mezzo dei suoi pulsanti, manopole e display permettendo la messa a

punto e l’utilizzo dell’intera strumentazione ad esso collegata come se si trattasse di

tradizionali strumenti “reali” e non “virtuali”.

Si è ricorso a quelli che vengono comunemente chiamati “Strumenti Virtuali”

(anche detti VI dall’abbreviativo di Virtual Instruments) che consentono una operazione

76

Page 81: Nuova Versione+Foto

di misura non più gestita da astrusi messaggi codificati ma tramite delle semplici

visualizzazioni in forma grafica sul monitor del personal computer.

5.2. STRUMENTI VIRTUALI

Questo particolare tipo di elaborazione tende a facilitare notevolmente l’operatore,

per il fatto che si ritrova ad utilizzare elementi analoghi a quelli che si trovano sui

comuni strumenti di misura “tradizionali”, con la differenza sostanziale che non agirà

direttamente su questi ultimi ma su di essi attraverso il mouse ed i tasti cursore.

Lo strumento virtuale offre, inoltre, la possibilità di poter operare con più strumenti

contemporaneamente sullo stesso pannello frontale.

Esistono diverse tipologie di indicatori, tra i quali i più pratici e quindi utilizzati sono

quello di tipo numerico ed a indice. Quest’ultimo ha il vantaggio di visualizzare sullo

schermo tutta la scala di valori della grandezza presa in considerazione consentendo

all’operatore con un solo colpo d’occhio di avere un’idea della misura effettuata inserita

in una graduazione che egli stesso ha impostato. Viceversa, pur non offrendo questa

possibilità, un indicatore numerico risulta essere molto più accurato e versatile

soprattutto per quanto riguarda le opzioni che fornisce all’utente nella visualizzazione

della precisione del risultato.

Un altro aspetto rilevante e molto importante di questi strumenti di misura risulta

essere l’ampia libreria di blocchi funzionali a disposizione per rappresentare ingressi ed

uscite: se si desidera impiegarne uno è sufficiente richiamarlo dal menù principale ed

inserirlo.

Tutto ciò permette all’operatore esperto di misure, abituato ad operare con simboli

e con strumenti “reali, senza necessariamente basi di informatica di imparare ad

interagire in poco tempo con lo strumento di misura come se questo fosse reale e non

77

Page 82: Nuova Versione+Foto

“virtualmente” presente sullo schermo del computer.

Le potenzialità di elaborazione consentono di agevolare l’utente nell’utilizzo dello

strumento e le capacità grafiche del personal computer, unite alle moderne tecniche di

programmazione, hanno permesso di realizzare un linguaggio di programmazione nel

quale tutte le istruzioni vengono assegnate per via grafica posizionando, anziché

digitando, le istruzioni sul monitor.

5.3. CARATTERISTICHE GENERALI DEI PROGRAMMI

Per il raggiungimento dei nostri scopi si è scelto di utilizzare un linguaggio di

programmazione di tipo grafico denominato LabWIEW (Laboratory Virtual Instrument

Engineering Workbench) della National Istruments nella sua versione 5.0.1.

Questa piattaforma di programmazione, semplice nella sua impostazione e

provvista di numerose utility ed interfacce con i principali strumenti di misura, è da

diversi anni utilizzato all’interno del laboratorio di “Misure Meccaniche e Termiche” del

dipartimento di Ingegneria Meccanica per le più svariate applicazioni (dalla misura della

conducibilità termica dei mattoni in terra cruda all’applicazione sugli eco-cardiografi alle

misure ultrasoniche sui manufatti cementizi) con ottimi risultati sia in termini di

precisione che in termini di chiarezza espositiva della misura che abbandona il normale

tabulato, al quale spesso si è abituati, per assumere la presentazione che l’utente

desidera a seconda delle sue esigenze.

Tale linguaggio è organizzato in maniera tale da consentire la suddivisione del

lavoro in più operazioni semplici permettendo di fare riferimento a numerosi esempi

presenti nelle sue librerie. Tuttavia per il suo utilizzo, così come per tutti i linguaggi di

programmazione, sono necessari una completa conoscenza delle sue caratteristiche ed

una notevole applicazione.

78

Page 83: Nuova Versione+Foto

Ciascun programma si struttura in quattro componenti fondamentali:

1. Il Pannello Frontale. Costituisce per l’utente finale un’interfaccia interattiva, in

cui sono contenuti controllori ed indicatori. I controllori permettono di regolare

i dati di input mentre gli indicatori costituiscono i tradizionali canali per i dati in

output. Sia i controllori che gli indicatori possono assumere delle

conformazioni “visive” differenti che facilitano la lettura e l’immissione dei

dati. Tra i primi i più comuni ed utilizzati sono i pulsanti di comando, gli

interruttori, le manopole e le caselle combinate di scelta; tra i secondi invece i

led luminosi, le caselle messaggio, i grafici (con vari tipi di rappresentazione),

le barre di indicazione altre ai già citati e semplici indicatori numerici.

2. Il Diagramma a blocchi. Costituisce l’equivalente del listato delle istruzioni del

programma tradizionale ma contrariamente a questi le istruzioni sono

presenti in forma grafica. Riceve i dati in ingresso dal pannello frontale, ne

gestisce il flusso e consente l’elaborazione. In esso sono contenuti i terminali

i nodi ed i collegamenti. I terminali sono rappresentativi degli elementi che

compaiono sul pannello frontale (controllori ed indicatori) e permettono lo

scambio dei dati tra questo ed il diagramma a blocchi. I nodi sono analoghi

agli operatori, alle funzioni, alle procedure e sottoprogrammi (indicati come

subVI dal LabWIEW) di altri linguaggi di programmazione. I collegamenti

permettono di unire i terminali ai nodi consentendo il flusso dei dati dagli

elementi del pannello frontale ai nodi programma del diagramma a blocchi e

viceversa. I dati “viaggiano” lungo i collegamenti. I collegamenti assumono

conformazione e colorazione differenti a seconda dei dati che portano (interi,

reali o stringhe e vettori) ed a seconda che siano corretti o meno.

3. Le Icone. Caratterizza ogni programma (sottoprogramma, funzione o

79

Page 84: Nuova Versione+Foto

procedura) a cui corrisponde e consente una rapida visualizzazione della

chiamata ad un sottoprogramma o ad una funzione che compare nel

diagramma a blocchi ai quale si accede attraverso l’icona sulla quale sono

incorporati i vari ingressi ed uscite (connettori) attraverso i quali i dati entrano

ed escono dal programma.

4. I Connettori. Rappresentano gli I/O tra i vari programmi e sottoprogrammi e

sono caratterizzati da linee di differente colore e spessore che facilitano il

programmatore nella gestione ed organizzazione del flusso dei dati.

I simboli utilizzati, oltre a possedere una propria etichetta che ne specifica la

funzione (ingresso od uscita) oppure l’operazione che svolgono (addizione, confronto

etc.), possono essere dotati di una ulteriore etichetta (label) di identificazione che facilita

il programmatore.

Il principale vantaggio di una programmazione realizzata utilizzando il LabWIEW

consiste proprio nella possibilità di poter costruire l’algoritmo di misura in forma grafica

nel diagramma a blocchi, seguendo la stessa logica con la quale, solitamente, si

schematizza la procedura di misura. Così facendo non è più necessario tradurre lo

schema a blocchi di principio nel linguaggio di programmazione ma è il programma

stesso che successivamente lo compilerà automaticamente in fase di esecuzione.

5.4. DESCRIZIONE DEL PROGRAMMA DI GESTIONE SVILUPPATO

Per la gestione del sistema di misura è stato necessario realizzare appositamente

un software che permettesse di gestire e controllare le varie fasi del procedimento di

misura (inteso come sequenza di operazioni che conducono al risultato della misura)

permettendo un totale controllo della strumentazione utilizzata.

Il software sviluppato è stato organizzato in una schermata principale denominata

80

Page 85: Nuova Versione+Foto

“menù opzioni primarie” dalla quale si può accedere a vari sottoprogrammi che

permettono lo svolgimento di singole operazioni.

Dal menù principale è possibile selezionare le seguenti voci attraverso la “casella

Combinata:

1. Posizionamento Sonde, che gestisce il movimento dei carrelli portasonda;

2. Selezione Burst, che permette il comando del generatore d’onda;

3. Acquisizione dati, che permette l’esecuzione della completa procedura di

misurazione sul manufatto.

SELEZIONE BURST

Menù opzioni primarie Conferma sceltaSì

Termina applicazioni

Fine operazioni

Figura 16: Pannello Principale

Attraverso il pulsante “conferma scelta” si avvia il sottoprogramma relativo. Il

pulsante “Termina applicazioni” consente l’uscita dal programma.

La logica di base del “Pannello Principale” è quella che l’operatore che esegue la

misura debba prima svolgere delle operazioni preliminari quali posizionamento delle

sonde e avvio del generatore di impulsi e solamente dopo possa avviare il programma

di gestione della procedura di misura.

5.4.1.PROGRAMMA POSIZIONAMENTO SONDE

Attraverso questo programma si è in grado di controllare il movimento dei carrelli

indipendentemente dalle operazioni di misura. E’ stato sviluppato pensando alla

81

Page 86: Nuova Versione+Foto

necessità di poter disporre di una utility di movimentazione per effettuare delle manovre

di messa a punto della strumentazione, come la sostituzione delle sonde o di parti

meccaniche dei carrelli, ovvero per il preventivo posizionamento delle sonde in una

determinata zona della struttura da esaminare.

Figura 17: Pannello Frontale Programma Posizionamento Sonde

Attraverso il Pannello Frontale del programma è possibile controllare

indipendentemente i due sistemi di carrelli portasonde, anteriore e posteriore, ciascuno

dei quali è costituito da due carrelli separati: il primo regola il movimento parallelamente

alla superficie del provino per mezzo del quale è possibile controllare il posizionamento

delle sonde in una posizione definita del manufatto; il secondo consente l’avvicinamento

82

Page 87: Nuova Versione+Foto

e l’allontanamento delle sonde dal manufatto con un movimento ortogonale ala prima

linea di moto.

Il movimento viene regolato attraverso interruttori che permettono la selezione del

senso di marcia: destra e sinistra per il primo carrello, avanti ed indietro per il secondo

carrello.

L’entità dello spostamento imposto viene regolata per mezzo di un indicatore sul

quale è possibile regolare la corsa dei carrelli espressa in millimetri.

Fase delicata è stata la taratura della corsa. Infatti si è dovuta stabilire una

relazione tra il movimento impresso da una “unità di corsa” inviata dal programma e la

corsa effettivamente eseguita sul binario. Attraverso questa relazione, funzione del

diametro delle pulegge e della cinghia che trasmette il movimento, si è risaliti alla

costante di conversione che permette il controllo della corsa in unità decimali.

La sequenza del programma è impostata per gestire tutti e quattro i motori (due

per ogni coppia carrello portasonde) secondo le corse impostate. Se si vuole gestire un

solo motore è sufficiente impostare il valore di corsa desiderato per esso ed il verso di

percorrenza scelto lasciando uguali a zero (impostazione di default) le corse per gli altri

motori che non si intende controllare.

E’ presente il pulsante “Torna al menù principale” attraverso il quale si può

concludere la fase di posizionamento ritornando al pannello principale per successive

operazioni.

5.4.2.PROGRAMMA DI SELEZIONE BURST

Attraverso questa utility è possibile la gestione del generatore di funzioni d’onda. Il

programma si articola in un pannello principale sul quale sono presenti i principali

controlli per la generazione del segnale.

83

Page 88: Nuova Versione+Foto

Il controllo del generatore di forme d’onda viene effettuato attraverso il protocollo

di comunicazione GPIB che è gestibile dal linguaggio di programmazione in LabWIEW

mediante una “stringa di comando” del generatore che contiene tutti i parametri

necessari al pilotaggio del generatore per l’invio della funzione d’onda desiderata.

Figura 18: Pannello Frontale Programma Selezione Burst

Sul pannello frontale sono presenti numerosi controllori ed indicatori che ci

permettono di “comandare” il generatore d’onda selezionando la forma d’onda

desiderata. Vediamo una breve descrizione con le relative funzioni svolte:

1. Selezione Onda. Attraverso questo controllo è possibile selezionare il tipo di

onda da generare. E’ possibile la scelta di un onda sinusoidale (sine), quadra o

triangolare, ma anche altre forme più complesse come la cardiaca che però

84

Page 89: Nuova Versione+Foto

non risulta di nostro interesse. L’impostazione di default è l’onda sinusoidale

che è stata la forma d’onda da noi utilizzata.

2. Burst Phase. Definisce la fase iniziale dell’impulso e può assumere valori

compresi tra –360° e +360°. La nostra impostazione predefinita è stata di 0°.

3. Numero Impulsi. Definisce il numero di impulsi che devono essere inviato

contemporaneamente. Un impulso è costituita da una oscillazione completa di

un’onda sinusoidale. Generalmente si è operato con un solo impulso anche se

numerosi tentativi, soprattutto in fase di messa a punto della strumentazione,

sono stati eseguiti con numero di impulsi più elevato (fino a 5) ottenere

differenti conformazioni di segnale.

4. Trigger. Permette la selezione della modalità di trigger del generatore. Si è

utilizzata l’impostazione di default “0” che corrisponde al trigger interno.

5. Modo. Permette il controllo della modulazione del burst. La modalità

“Triggered” (quella utilizzata) permette la generazione di un singolo burst

avente una specifica frequenza.

6. Ripetizioni. Specifica il numero di ripetizioni del burst in un secondo. Si è

operare normalmente con 100 ripetizioni/sec. Ripetizioni più elevate, fino a

300, si sono utilizzate in fase di messa a punto e studio del segnale ricevuto

nella metodologia automatica;

7. Ampiezze Picco-Picco (AMP P-P). Determina l’ampiezza dell’impulso generato

espressa in volt picco-picco (Vpp) ovvero l’ampiezza massima dell’onda

raggiunta sul picco. Generalmente si è lavorato con 5 Vpp operando

successivamente con una amplificazione del segnale “esterna”.

8. Offset (Offs Vpp). Specifica se l’onda debba essere spostata dallo zero di una

certa quantità espressa in Volt. Si è operato con un offset nullo.

85

Page 90: Nuova Versione+Foto

9. Frequenza. Permette il controllo della frequenza del burst. Il controllore è

costituito da due indicatori che permettono l’impostazione della frequenza e poi

un suo controllo “fine” per settarla alle esigenze richieste. E’ possibile agire sul

controllo della frequenza anche attraverso i controllori ad indice che

visualizzano la frequenza impostata all’interno del range specificato. Si è scelto

di lavorate con frequenze dell’ordine dei 50 52 kHz.

10.Periodo. Nota la frequenza con il calcolo di inversione si ottiene i periodo.

L’indicatore mostra il valore espresso in microsecondi (10-6 sec).

11.Torna al menù principale. Attraverso questo controllo è possibile tornare al

pannello principale per ulteriori operazioni o per avviare la procedura di misura.

5.4.3.PROGRAMMA DI ACQUISIZIONE DATI

Una volta terminate le fasi preliminari di posizionamento sonde e generazione

dell’impulso ultrasonico mediante questo programma è possibile controllare il

procedimento di misura vero e proprio.

Il procedimento di misura è realizzato in modo che il manufatto venga esaminato

dalla parte anteriore e da quella posteriore attraverso il movimento dei carrelli

portasonda posti anteriormente e posteriormente. Esso è costituito da due “operazioni

di misura” che eseguono la misura ciascuna da un lato del provino.

L’operazione di misura è costituita da “cicli di misura” che vengono ripetuti uno

dopo l’altro e successivamente per ciascun carrello. All’interno di questi cicli avviene la

misura vera e propria dello spessore del manufatto.

Ogni ciclo di misura è costituito da una serie di operazioni svolte in sequenza.

Esaminiamo in dettaglio le fasi che costituiscono il “ciclo di misura” riferito alla coppia di

sonde numero 1:

86

Page 91: Nuova Versione+Foto

1. Avvicinamento della coppia sonde 1 (Trasmittente 1=TX1 e Ricevente

1=RX1) al manufatto fino al completo accoppiamento con esso;

2. Permanenza in posizione per un tempo sufficiente alla misura, quantificato in

4 secondi, comprensivo del tempo di assestamento dell’accoppiamento

sonde/provino;

3. Acquisizione della forma d’onda ricevuta dalla sonda RX1, inviata al canale 1

dell’amplificatore di segnale in ricezione e, attraverso questo, al canale 2

dell’oscilloscopio, unitamente al burst generato (che fungerà da “zero” nella

misura) che viene inviato al canale 1 dell’oscilloscopio;

4. Confronto delle due forme d’onda (burst generato e forma ricevuta) e

determinazione del “delta di tempo” che compete all’arrivo dell’eco della

parete opposta del manufatto e conseguente calcolo della profondità

corrispondente;

5. Allontanamento delle sonde dal manufatto;

6. Posizionamento della coppia di sonde 1 in una nuova posizione per

effettuare una nuova misura.

Se questo ciclo dovesse essere riferito alla coppia di sonde numero 2, nella nostra

esperienza sempre la coppia posteriore, dovremo scambiare tutti gli indici delle sonde

“1” con il “2” mentre il canale di visualizzazione del segnale generato rimane sempre il

numero 1 dell’oscilloscopio mentre il canale di visualizzazione del segnale ricevuto dalla

sonda RX2 diviene il canale 4 dell’oscilloscopio.

Attraverso la successione dei cicli di misura è possibile ottenere una rilevazione

dello spessore per una linea di scansione prefissata con “battute” di misura ad intervalli

prefissati.

Il numero dei cicli di misura da effettuare per ciascun carrello, sono impostati

87

Page 92: Nuova Versione+Foto

uguali per ciascun carrello, è controllabile attraverso un controllore (“Cicli”) posto sul

pannello principale così come la corsa che è intesa come la distanza tra due posizioni

di misura. Anche la corsa può essere regolata, in millimetri, attraverso un controllore

(“Corsa”) posto sul pannello principale ed è impostata uguale per entrambi i carrelli. Il

movimento dei carrelli può essere regolato anche per quanto riguarda il verso di

percorrenza che può essere Avanti o Indietro.

Figura 19: Pannello Frontale Programma di acquisizione

Quando si passa all’operazione di misura della parte posteriore vengono

controllati i movimenti della seconda coppia di motori e di sonde. L’unica differenza

sostanziale nella fase di programmazione del secondo ciclo di misura risiede

nell’esecuzione del punto 3) del ciclo di misura predetto.

Infatti per default il canale di trasmissione del segnale è il numero 1 pertanto se si

effettuasse la misura in queste condizioni ci si troverebbe nella situazione di ricevere ed

88

Page 93: Nuova Versione+Foto

acquisire i dati dalla sonda RX2 relativi alla trasmissione per mezzo della sonda TX1

posta dall’altro lato del provino!.

Affinché possa effettuarsi la misura con tecnica per riflessione “echopulse”, e

secondo la metodologia già discussa, è necessario che il segnale sia trasmesso dalla

sonda trasmittente TX2 e ricevuto dalla sonda ricevente RX2 poste dal medesimo lato

del manufatto.

A tal fine è stato realizzato il circuito di deviazione per mezzo di relè, che è stato

precedentemente descritto unitamente alla strumentazione impiegata, il quale permette

la deviazione del segnale in trasmissione dal gruppo sonde 1 al gruppo sonde 2. Il relè

viene “pilotato” attraverso un impulso elettrico da 5V che viene inviato

all’amplificatore/deviatore in trasmissione per mezzo di due canali analogici della

scheda DAQ installata sul Personal Computer e perfettamente gestibili attraverso il

LabWIEW. Sul pannello frontale trovano posto i controllori che regolano il

funzionamento del relè. L’indicatore “chan” indica il canale di trasmissione, mentre il

controllore “tempo” indica il tempo di attivazione del relè ovvero il tempo durante il quale

il segnale del burst fluisce attraverso il canale 2.

Tra gli altri controllori che sono presenti sul pannello frontale nella parte relativa

agli “aggiustamenti iniziali” vi sono i controllori importantissimi delle “soglie” e della

“Velocità del materiale”. Questi controllori sono fondamentali inquanto dal loro adeguato

settaggio si possono ottenere risultati buoni o totalmente errati.

I controllori “soglia” indicano, in volt, l’entità dei segnali che devono essere

trascurati inquanto NON significativi ai fini della misura e derivanti da “altri segnali”,

quali onda superficiale e riflessioni ai bordi, che non sono significativi ai fini della

misura. La “soglia 1” è relativa al segnale di burst generato ed è quella che deve avere

il valore più basso possibile infatti da essa dipende la precisione nella presa in conto

89

Page 94: Nuova Versione+Foto

dello “zero di riferimento” dal quale poi verranno misurati i tempi.

Figura 20: Valutazione Soglia canale1

La valutazione dello “zero” è una fase delicatissima anche nella misura manuale.

In questa fase automatizzata è possibile però una sua presa in conto sempre con la

stessa precisione eliminando quindi gli errori di valutazione dell’operatore.

Le soglie 2 e 4 (relative ai rispettivi canali dell’oscilloscopio) sono applicate ai

segnali ricevuti dalle sonde. Attraverso questi controllori è possibile trascurare i picchi

relativi agli eco non significativi che, come ampiamente descritto, possono essere dovuti

all’onda superficiale, alle riflessioni multiple ai bordi nonché alle riflessioni sugli inerti.

Figura 21: Influenza delle soglie di valutazione sui segnali ricevuti

Come si evince dalla figura anche in questo caso si commette un errore che

comunque viene limitato dal fatto che il segnale cresce rapidamente rendendo quasi

verticale lo stacco dallo zero. Attraverso questa regolazione viene a trascurarsi la prima

90

Page 95: Nuova Versione+Foto

anomalia dovuta ad altre cause. Al fine della messa a punto delle soglie è pertanto

necessario che l’operatore si applichi nell’osservazione preventiva del segnale al fine di

esaminare quello che deve essere trascurato.

L’altro controllore importantissimo è quello della velocità dell’onda ultrasonora nel

materiale. Da esso dipende la buona riuscita della misura. Infatti il calcolo dello

spessore del manufatto avviene mediante una applicazione inversa della nota formula

della velocità s = v t.

Lo spazio percorso dall’impulso nel manufatto, che poi fornirà lo spessore, viene

determinato a partire dalla velocità e mediante il tempo rilevato. E’ evidente quindi che

una errata valutazione della velocità del materiale porta ad una errata valutazione dello

spessore. Questo è uno dei più grandi ostacoli all’applicazione dei metodi Ultrasonici

nel senso che mediante una stessa misura ultrasonica non è possibile rilevare

contemporaneamente spessore e velocità (inquanto variabili della stessa funzione) a

partire dal tempo. Risulta pertanto necessario procedere nella preventiva

determinazione della velocità caratteristica del fascio Ultrasonico nel materiale e poi

immettere questo dato quale costante.

Il pannello frontale si compone poi indicatori che forniscono un quadro d’insieme

della procedura di misurazione. Esaminiamoli nel dettaglio:

1. Indicatori di posizione carrelli. Indicano la posizione raggiunta da ciascuno dei

due carrelli sia in termini di indicazione dello spazio percorso che attraverso il

cursore mobile che si muove sull’indicatore

2. LED luminosi. Che assumono la colorazione gialla quando l’operazione è in

corso e ritornano rossi a riposo. Sono in numero di quattro e si accendono in

sequenza indicando l’esecuzione della sequenza: movimento sonde,

accoppiamento sonde sul provino, effettuazione della misura, allontanamento

91

Page 96: Nuova Versione+Foto

dal provino.

3. Finestre segnali acquisiti. Visualizzano il segnale che viene acquisito dal

programma. Dall’alto verso il basso competono al canale 1 al canale 2 ed al 4.

4. Finestra grafico finale. In questa finestra al completamento del procedimento di

misura comparirà il grafico delle misure eseguite

5. Pulsante Torna al principale. Permette il ritorno al pannello principale.

Alla fine del procedimento di misura vengono visualizzate sul grafico principale

tutte le misure effettuate. Su grafico saranno presenti due linee le quali

rappresenteranno rispettivamente le misure effettuate sul lato anteriore e quelle

effettuate sul lato posteriore. Sul grafico in figura 19 è possibile notare le due linee di

profilo rilevato (scandite attraverso i punti significativi delle misure) unitamente alle due

linee più spesse che rappresentano i profili esterni delle pareti.

Sul pannello frontale sono presenti alcuni indicatori che forniscono misure di

carattere statistico delle misure effettuate per ciascuna coppia di carrelli. Vengono

visualizzate:

1. La media dei valori rilevati;

2. I valori massimo e minimo della serie di misure;

3. La deviazione standard per ciascuna serie.

In questo modo l’operatore può, osservando il grafico e i dati, rendersi conto della

bontà della misura effettuata.

Il ruolo del tecnico non diviene superfluo ma assume un carattere di supervisione

e controllo dell’operato del sistema di misura indirizzandolo, mediante il controllo delle

soglie e degli altri parametri, ad una misura più corretta.

92

Page 97: Nuova Versione+Foto

6 SPERIMENTAZIONI

Page 98: Nuova Versione+Foto

6.1. MISURE PRELIMINARI

Durante la fase di progettazione si è proceduto operando una serie di misure che

permettessero di prendere “confidenza” con le forme d’onda rilevate che nel contempo

fornivano le indicazioni utili al proseguimento della progettazione e realizzazione delle

apparecchiature prima descritte.

Tra le misure effettuate rivestono un ruolo essenziale quelle operate su un

provino, assunto come riferimento, al fine di valutare l'affidabilità del metodo e di

stimare la precisione di misura.

Come elemento di riferimento si è utilizzato il provino di dimensioni nominali

48x48x12. A causa delle imperfezioni nel getto lo spessore varia nel campo da 11.5 a

12.6 cm.

Quale riferimento è stata tracciata sul provino una griglia, figura 22, costituita da

quadrati di 4 cm di lato.

Figura 22: Reticolo di riferimento.

94

Page 99: Nuova Versione+Foto

La zona ispezionata è stata quella centrale, la stessa che è stata poi oggetto della

misura con la strumentazione automatica.

La procedura seguita per l'esecuzione delle misure effettuate da operatore, può

essere così schematizzata:

1. Posizionamento delle sonde sul manufatto, previa interposizione di uno strato

di vaselina di accoppiamento;

2. Pressione delle sonde fino al "completo accoppiamento"1 sonda/provino,

3. Esecuzione della misura all'oscilloscopio;

4. Distacco ed avanzamento in altra posizione di misura ripercorrendo l'intera

sequenza.

Il metodo per riflessione, richiede la conoscenza della velocità caratteristica del

materiale, necessaria per derivare gli spessori in funzione del tempo di transito.

Per il calcolo della velocità si è operato mediante la tecnica di indagine "per

trasmissione", che richiede il posizionamento delle sonde, in asse, ai due lati del

provino e valutando il tempo impiegato dall’onda di pressione per l'attraversare il

manufatto.

Noti gli spessori, rilevati, nella circostanza, mediante un calibro con nonio

ventesimale, si risale al valore della velocità.

I risultati e le elaborazioni della sperimentazione sono riportati nella tabella 3.

Nella quale le singole colonne assumono il significato:

1. pos: indica la posizione di rilevamento delle sonde. La notazione 1-6 indica che

ci si trova nella casella numero 6 della riga 1 in riferimento al reticolo di fig. 22.

2. t: rappresenta il tempo di transito, in microsecondi. L’incertezza di misura è

1 Si ottiene un “buon accoppiamento" quando le sonde permangano nella loro posizione anche su un provino posto in verticale.

95

Page 100: Nuova Versione+Foto

stata quantificata al microsecondo.

3. d: indica il valore dello spessore del manufatto, in millimetri, nella posizione di

misura. L’incertezza è al millimetro.

4. V: rappresenta il valore della velocità locale espresso in m/s

Tabella 3: Misure per trasmissione.

La velocità media del provino è stata stimata2 pari a 1955 m/s con una deviazione

standard pari a 16 m/s.

2 Questo valore verrà utilizzato per tutti i provini realizzati con lo stesso materiale.

96

Page 101: Nuova Versione+Foto

6.2. CALCOLO DELLO SPESSORE

Fissata la velocità del mezzo si può procedere all’applicazione della tecnica echo-

pulse al fine della determinazione dello spessore. A tal fine si procede con il

posizionamento delle sonde, quella trasmittente e quella ricevente, sul medesimo,

interessando due suddivisioni adiacenti.

Il riepilogo delle misure effettuate è proposto nella tabella 4 con riferimento alle

colonne:

1. pos: posizione di misura. La posizione viene individuata mediante due numeri ,

il primo, si riferisce alla riga di rilevamento, il secondo indica l’ubicazione della

sonda trasmittente, conseguentemente la ricevente si trova nella casella

adiacente, in senso longitudinale. Il passo fra le sonde è pari a 4 cm.

2. t: tempo [microsecondi]. Valgono le stesse considerazioni già viste per la

misura dei tempi per trasmissione.

3. dVM: indica il valore dello spessore calcolato, in millimetri, con riferimento al

valore medio della velocità precedentemente rilevato.

4. dmis: indica il valore dello spessore misurato per quella posizione. Espresso

anch'esso in millimetri.

5. || : esprime la differenza, in valore assoluto, tra il valore calcolato e quello

realmente misurato. Espresso in millimetri.

97

Page 102: Nuova Versione+Foto

Tabella 4: Misure con il metodo per riflessione.

L'incertezza, qui quantificata come scostamento massimo rispetto ai valori

espressi mediante il metodo di misura diretto, è al disotto di 5 mm .

6.3. MISURA AUTOMATICA DELLO SPESSORE

Il passo successivo è stato quello di mettere a punto un sistema per la

determinazione automatica della stessa grandezza.

Per fare questo sono stati disposti all’interno dell’impalcatura porta sonde i due

provini di cui si disponeva. Tali provini sono stati posizionati in modo che tra essi ci

98

Page 103: Nuova Versione+Foto

fosse una intercapedine costante di circa 2 cm per uno spessore totale di circa 36 cm.

Nella parte anteriore del sistema è stato posizionato in verticale il provino di

spessore 12 cm (lo stesso utilizzato per le misurazioni manuali), nella parte posteriore

un ulteriore provino della profondità di 22 cm.

Lo schema della sistemazione dei provini è riportata in figura 31.

Figura 23: Schema posizionamento provino. Vista posteriore.

In questa fase della sperimentazione si sta rifinendo la messa a punto

dell’automatismo. I punti ancora critici da risolvere consistono in:

A. Dosaggio della forza di accoppiamento.

B. Distribuzione della crema/liquido di interfaccia.

C. Ottimizzazione delle singole parti del carrello portasonda.

A. Al momento la spinta delle sonde verso il provino viene esercitata sfruttando la

99

Page 104: Nuova Versione+Foto

coppia dei motorini di traslazione i quali per mezzo di un alberino filettato permettono

l’avvicinamento e l’allontanamento delle sonde dal provino. E’ in studio un sistema

pneumatico, aggiuntivo, di movimentazione finale delle sonde, che avrà il compito di

perfezionare il contatto, il quale agisce per mezzo di una camera d’aria in pressione,

controllata via software, mediante un relè.

B. In merito alla distribuzione della crema/liquido di accoppiamento, tra i numerosi

tentativi effettuati, anche in precedenti esperienze e già descritti nei precedenti capitoli,

due sono i metodi che si sono rivelati efficienti e quindi utilizzati:

1. Accoppiamento diretto mediante vaselina;

2. Accoppiamento mediante carta di alluminio con interposizione di uno strato di

vaselina tra carta e provino ed di olio lubrificante tra sonde e alluminio.

Il metodo mediante sola vaselina si è mostrato efficiente per un accoppiamento

eseguito “a mano” ma risulta fortemente problematico in fase automatica a causa della

forte adesione tra sonde e provino che crea grossi problemi in fase di distacco delle

sonde dal provino.

Un ottimo risultato ha invece fornito il sistema messo a punto mediante

l’accoppiamento di carta di alluminio, vaselina ed olio lubrificante. In questo modo le

sonde vengono accoppiate mediante olio su una superficie fissata, in via preliminare, al

provino mediante vaselina, che risulta essere più liscia e con minori problemi di

aderenza.

La procedura per l’applicazione del foglio di alluminio, attualmente adottata è la

seguente:

1. Preparazione del film di vaselina sulla parete in prova;

2. Applicazione del foglio di alluminio e lisciatura mediante rullo;

3. Applicazione del velo d’olio lubrificante, mediante spennellatura, sulla

100

Page 105: Nuova Versione+Foto

superficie d’alluminio;

4. Avvio procedimento di misura.

Come si è rilevato questo sistema presenta una buona riuscita nella costanza

dell’accoppiamento e, di conseguenza, nella misura dello spessore.

6.4. SPERIMENTAZIONI IN AUTOMATICO

Al termine delle misurazioni preliminari che hanno consentito l’ottenimento del

parametro di interesse velocità media e di verificare l’applicabilità del metodo si sono

eseguite alcune sperimentazioni in automatico per la messa a punto del sistema.

Si è fatta eseguire dalla strumentazione una sequenza completa di misura.

I parametri della sperimentazione sono riportati nella tabella 5.

Grandezze di influenzaTemperatura 25 °C

Umidità Relativa 60%

Parametri dell’ondaFrequenza 52 kHz

N° impulsi 4

Ripetizioni 300/sec

Funzione d'onda Sinusoidale

Ampiezza 10 Vpp

Offset 0 V

N° Cicli 40

Corsa per ciclo 10 mm

Tabella 5 :Caratteristiche esperienza.

La sequenza di misura è costituita da 40 cicli durante i quali le sonde vengono

spostate per una corsa di 10 mm, e attivate per la determinazione dell’eco

101

Page 106: Nuova Versione+Foto

sull’oscilloscopio. Nelle figure 24, 25, 26 sono riportati i diagrammi che mostrano gli

spessori rilevati. In figura 24 viene mostrato il risultato della misura del primo provino.

Figura 24: Misura spessore provino 1.

La figura 25 è relativa alle misure effettuate sul provino avente spessore 22 cm.

Figura 25: Misura spessore provino2.

La figura 26 mostra invece la ricostruzione della geometria dei provini ponendo in

evidenza l'intercapedine tra i due provini.

102

Page 107: Nuova Versione+Foto

Figura 26: Ricostruzione modello complessivo.

Si è dovuto intervenire “manualmente” in alcuni punti là dove l’accoppiamento non

poteva definirsi ottimale.

Il grafico risultante, fig.26, lascia intravedere quali siano le potenzialità del sistema

in fase di ricostruzione bidimensionale delle sezioni dei manufatti esaminati mostrando

chiaramente le due linee di profilo rilevate che pongono in evidenza l’intercapedine

esistente. Si può riscontrare come ai bordi dei provini si presentino forti problemi in fase

di rilevamento dovuti ai disturbi causati dalle riflessioni mentre nella parte centrale, dove

questi effetti sono ridotti al minimo, si nota una buona costanza della misura ad

eccezione fatta di alcuni punti “singolari” per i quali è stato necessario intervenire

“aiutando” manualmente l’accoppiamento tra sonde e manufatto.

Nella tabella 6 sono riportate le informazioni di riepilogo, mentre in tabella 7 sono

riportati tutti i valori di spessore rilevati unitamente alle differenze che delineano

l'intercapedine tra i provini.

103

Page 108: Nuova Versione+Foto

Tabella 6: Dati rilevati.

104

Page 109: Nuova Versione+Foto

7 CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI

Page 110: Nuova Versione+Foto

Il lavoro di tesi conferma la possibilità, seppur in questa fase limitata a manufatti di

natura omogenea come le malte, di automatizzare il sistema di rilievo degli spessori nei

manufatti civili con incertezze di misura comparabili a quelle ottenibili manualmente.

I problemi ancora irrisolti riguardano principalmente la transizione dall’operatore

“umano” a quello “elettromeccanico”.

La strumentazione diagnostica di base nella configurazione maturata durante la

sperimentazione: generatore di segnale, sonde, amplificatore, sistema di acquisizione

ed elaborazione del segnale appare idonea e sufficientemente collaudata.

Le conoscenze acquisite e gli studi effettuati sulle tipologie di onde restituite dal

sistema rendono la misura affidabile e ripetitiva con un elevato grado di confidenza.

Attraverso le diverse fasi del lavoro si sono dovuti affrontare e risolvere alcuni

problemi dei quali era prevedibile la comparsa ma anche altri che si sono rivelati tali nel

corso della esperienza. Soprattutto appare importante rendere affidabile il sistema di

avvicinamento delle sonde.

Si ipotizza potrà essere risolutivo un nuovo sistema di spinta, forse pneumatico di

cui si prevede la prossima realizzazione, mediante una intercapedine d’aria compressa

fra la membrana delle sonde ed il supporto.

Intanto si sottolinea il grado di incertezza nella misura degli spessori che, con

riferimento alla velocità media ed alla procedura automatica può essere definito

nell'ordine del centimetro.

Evidentemente la misura viene condizionata dall’incertezza con la quale si

conosce il valore del parametro cinematico che è fortemente influenzante l'operazione

di misura complessiva.

106

Page 111: Nuova Versione+Foto

8 APPENDICE A:

ELEMENTI DI FISICA DEGLI ULTRASUONI

Page 112: Nuova Versione+Foto

8.1. INTRODUZIONE

Sotto il termine ultrasuoni si definiscono vari tipi di onde elastiche che si

propagano in un mezzo per il quale sia possibile definire caratteristiche elastiche e

densità che si propagano nello stesso con velocità che è funzione delle caratteristiche

elastiche del mezzo. Tali onde sono costituite da oscillazioni elastiche delle particelle

costituenti il mezzo. Possono quindi avvenire solamente in presenza di materia

contrariamente alle onde luminose che, per la loro natura elettromagnetica, possono

esistere e propagarsi nel vuoto. Un aspetto caratterizzante degli ultrasuoni è l'elevata

direzionalità che si manifesta a frequenze elevate per effetto del quale, con alcune

condizioni limitative, essi si propagano come fasci rettilinei, come i raggi luminosi

nell'ottica geometrica.

8.2. TIPI DI ONDA

Nella materia è possibile produrre, a seconda delle modalità di eccitazione, vari

tipi di onde elastiche. In assenza della sollecitazione il mezzo di considera a riposo nel

suo stato di equilibrio nel quale le distanze medie tra le particelle sono costanti. Il

risultato della sollecitazione è l'allontanamento delle particelle dalla loro posizione di

equilibrio alla quale esse tendono nuovamente per effetto delle della reazione elastica

alla loro posizione iniziale di equilibrio. Questo è valido purché non venga superato il

limite elastico del materiale. I tipi d'onda che si producono in un materiale sono

classificabili a seconda del modo con cui le particelle oscillano, avremo:

a) Onde longitudinali o di compressione, spesso dette anche P-waves (pressure-

waves, onde di pressione) sono caratterizzate dalla successione di zone di

compressione e rarefazione all'interno del mezzo. In queste onde la direzione di

108

Page 113: Nuova Versione+Foto

propagazione coincide con la direzione di oscillazione.

Figura 27: Onda longitudinale (o di compressione)

b) Onde trasversali o di taglio, spesso indicate come S-waves (Shear-waves, onde di

taglio) sono caratterizzate dall'avere la direzione di oscillazione ortogonale alla

direzione di propagazione del moto ondulatorio. Poiché i liquidi non sopportano

sforzi di taglio questo tipo di onde si propagano esclusivamente nei solidi o

eccezionalmente in alcuni tipi di grasso ad altissima viscosità nei quali si propagano

con forte attenuazione per pochi millimetri.

Figura 28: Onde trasversali (o di taglio)

c) Onde superficiali o di Rayleigh. Esse si propagano solamente entro un sottile strato

109

Page 114: Nuova Versione+Foto

superficiale del solido dell'ordine di una lunghezza d'onda. Una caratteristica di

queste onde e che non si propagano in linea retta ma seguono le asperità

superficiali del materiale caratteristica che talvolta viene utilizzata per alcune prove

non distruttive. Le particelle sono soggette ad oscillare secondo due direzioni

ortogonali giacenti nel piano verticale di propagazione e pertanto descrivono delle

orbite ellittiche trasmettendo con un certo ritardo l'oscillazione alle particelle

successive.

d) Onde fessurali o di Lamb. Avvengono essenzialmente nelle lamiere quando lo

spessore e dell'ordine di una lunghezza d'onda per cui interessano l'intero spessore.

Le particelle sono soggette ad oscillazioni lungo due direzioni tra loro perpendicolari

con diversi modi che vengono indicati come simmetrico e antisimmetrico e, per uno

stesso modo, secondo diversi ordini (0, 1, 2, ecc.). In questo tipo particolare di onde

la velocità di propagazione dipende non soltanto dal mezzo ma anche dal modo e

ordine della vibrazione.

8.3. GRANDEZZE FISICHE CARATTERISTICHE

Un'onda ultrasonora viene completamente caratterizzata da alcune grandezze

fisiche che descrivono i fenomeni che accompagnano il moto, che sono:

a) Pressione;

b) Frequenza;

c) Velocità dell'onda;

d) Lunghezza d'onda;

e) Impedenza acustica;

f) Intensità;

110

Page 115: Nuova Versione+Foto

Figura 29: Onda sinusoidale

8.3.1.PRESSIONE

Il passaggio di un'onda ultrasonica in un mezzo genera delle zone di

compressione e delle zone di rarefazione una di seguito all'altra. Il valore della

pressione è un parametro essenziale inquanto è questo che viene direttamente rilevato

dagli strumenti. Indicheremo con p il valore istantaneo della pressione e con P il suo

valore massimo.

8.3.2.FREQUENZA

Il tempo che impiega l'onda ultrasonica per passare da un massimo di pressione

ad un altro, per compiere un ciclo completo, è detto periodo e si indica con la lettera T.

L'inverso di T in secondi si chiama frequenza (l'inverso del periodo) ed esprime il

numero di cicli vengono compiuti in un secondo.

111

Page 116: Nuova Versione+Foto

8.3.3.VELOCITÀ E LUNGHEZZA D'ONDA

La distanza tra due massimi di ampiezza si chiama lunghezza d'onda (). Divisa

per il periodo T fornisce la velocità con cui si muove l'onda ultrasonora nel mezzo:

tra la lunghezza d'onda e la frequenza esiste un rapporto di proporzionalità inversa

a meno del valore della velocità delle onde nel mezzo che nel campo di frequenze che

ci interessa può essere considerato costante e dipendente esclusivamente dal tipo di

onda .

Le onde longitudinali sono le più veloci e per questo sono le prime (infatti spesso

sono indicate come onde “prime”) ad essere rilevate quando in un fenomeno di

vibrazione sono presenti più tipi d'onda. La loro velocità viene indicata con vP.

Le onde trasversali sono più lente di quelle longitudinali la loro velocità di

propagazione vS, in funzione del modulo di Poisson , varia tra lo 0.53 e lo 0.63 di

quella delle onde di pressione vP.

Le onde superficiali sono leggermente più lente delle onde di taglio e la loro

velocità VSF può essere considerata il 98 % di quella trasversale.

La velocità può essere espressa, a seconda del tipo di onda, come:

dove E è il modulo di elasticità longitudinale, la densità e il coefficiente di

contrazione trasversale, o di Poisson, del materiale.

112

Page 117: Nuova Versione+Foto

8.3.4.IMPEDENZA ACUSTICA

Si definisce impedenza acustica caratteristica il prodotto tra la velocità dell'onda

ultrasonica e la densità del mezzo che attraversa:

L'Impedenza è una caratteristica acustica del mezzo che viene attraversato dagli

ultrasuoni che condiziona la loro propagazione.

8.3.5.INTENSITÀ

L'intensità ultrasonica rappresenta la quantità di energia che attraversa in un

secondo un area unitaria, viene espressa dalla relazione:

la quale pone in relazione la pressione ultrasonora P all'impedenza acustica

caratteristica Z del mezzo attraversato.

8.4. EMISSIONE E PROPAGAZIONE DEGLI ULTRASUONI

Lo studio della generazione e propagazione degli ultrasuoni risulta essere molto

complesso dal punto di vista analitico e talvolta le conclusioni si discostano

notevolmente dai dati sperimentali. Infatti si ricorre a modelli per evitare le complicanze

di calcolo ma questo fa si che la teoria non sia perfettamente aderente alla realtà

sperimentale.

Un modello che ben si presta allo studio analitico è quello del pistone oscillante.

Infatti secondo la teoria di Huygens (delle onde sferiche elementari) la superficie del

pistone è scomposta in areole che possono essere assimilate, a causa delle loro ridotte

113

Page 118: Nuova Versione+Foto

dimensioni, a sorgenti puntiformi che irradiano onde sferiche dalla cui interferenza

risulta un unico fronte d'onda.

Se si considera un pistone circolare di raggio a esso genera delle onde di

compressione con fronti piani che si propagano con la velocità caratteristica del mezzo.

In prima approssimazione la sezione del fascio d'onda risulta essere cilindrica con

diametro pari a quello del pistone per un tratto pari a:

la regione compresa nel volume cilindrico è detta campo prossimo (o zona di

Fresnel o campo di turbolenza) ed è caratterizzato, oltre che dall'aver fronti piani dal

fatto che da un punto all'altro del fronte la pressione sonora presenta dei massimi e

minimi causati proprio dall'interferenza delle singole onde elementari.

Oltre il campo prossimo i fronti d'onda tendono a modificarsi assumendo la

configurazione di calotte sferiche che irraggiano entro un cono di apertura pari a 2.

Per si intende il semi angolo per il quale la pressione sonora è ridotta di una certa

percentuale rispetto a quella sull'asse. Per una caduta di pressione del 50% si ha:

se si vuole comprendere un cono con in fascio con caduta di pressione fino al

10%:

114

Page 119: Nuova Versione+Foto

Figura 30: Campo di radiazione del trasduttore

Per un pistone oscillante circolare piano di raggio a, nei nostri casi per un

trasduttore, che oscilli sinusoidalmente l'andamento della pressione sonora lungo l'asse

può essere espresso mediante la relazione:

dove x è la distanza dal trasduttore, la lunghezza d'onda e Po la pressione

iniziale per x=0. Per valori di x maggiori di 2/3 volte N la relazione può essere

semplificata come:

Lo spazio oltre il campo prossimo è detto campo lontano (o zona di Fraunhöfer)

nel quale la diminuzione della pressione l'asse diviene regolare ed anche i fronti d'onda

tendono a presentare valori più uniformi di pressione.

115

Page 120: Nuova Versione+Foto

Figura 31: Andamento della Pressione sonora lungo l'asse del trasduttore

La teoria del pistone oscillante si riferisce ad una emissione continua (un pistone

che oscilla in modo sinusoidale per un tempo illimitato) mentre nel campo delle prove

non distruttive si lavora mediante impulsi questo porta ad avere delle discordanze

marcate circa la distribuzione dei massimi e minimi di pressione questo perché un

impulso, dal punto di vista analitico, deve essere considerato come composto

dall'interferenza di più onde continue distribuite secondo un certo spettro di frequenza.

8.5. FENOMENI DI RIFLESSIONE E RIFRAZIONE

Un fascio ultrasonico che incidere sulla superficie di separazioni tra due mezzi

aventi impedenza acustica caratteristica differente subirà alcune modifiche che

comprendono fenomeni di riflessione e, per angoli di incidenza non nulli, fenomeni di

rifrazione e di conversione del tipo d'onda e variazioni di intensità dovute al fatto che il

fascio proseguirà nel secondo mezzo solamente con una frazione della sua intensità

iniziale di incidenza.

Se il fascio ultrasonico incide perpendicolarmente sulla superficie di separazione

in generale verrà in parte riflesso nel mezzo 1 ed in parte trasmesso nel mezzo 2

116

Page 121: Nuova Versione+Foto

rispettivamente con impedenze Z1 e Z2.

Figura 32: Incidenza ortogonale all'interfaccia

Se Pi è la pressione sonora incidente indicato con Pr e Pt rispettivamente le

pressioni sonore riflesse e trasmesse possiamo definire un coefficiente di riflessione R,

come rapporto tra pressione riflessa e incidente, ed un coefficiente di trasmissione T,

come rapporto tra la pressione trasmessa e quella incidente, che in formule:

Il passaggio da un mezzo più denso ad uno meno denso (es. dall'acciaio

all'acqua) il fascio ultrasonico presenta un coefficiente di riflessione negativo ovvero vi è

uno sfasamento di 180° tra pressione incidente e pressione riflessa. Se il passaggio

avviene tra un mezzo meno denso ad uno più denso invece il coefficiente di

trasmissione è superiore all'unità, ovvero più è alto il rapporto tra Z2 e Z1 più è alta la

percentuale di pressione trasferita.

In prima approssimazione questa affermazione potrebbe essere interpretata come

117

Page 122: Nuova Versione+Foto

una violazione della legge di conservazione dell'energia ma si deve ricordare che

l'intensità non è semplicemente la pressione al quadrato ma quest'ultima divisa per 2Z.

Infatti se esprimiamo i coefficienti di trasmissione e riflessione in termini di

intensità, quadrando R e T e dividendo per le rispettive impedenze, otteniamo:

la cui somma fornisce l'unità, in rispetto della condizione che la quantità di energia

totale è rimasta invariata.

Quando l'incidenza non è ortogonale, con analogia per quanto accade nell'ottica

geometrica, i fenomeno della riflessione verrà accompagnato dalla rifrazione e,

solamente nel caso degli ultrasuoni, da un ulteriore fenomeno detto della "conversione

del modo" ossia all'incidenza sull'interfaccia di separazione di un fascio di onde

longitudinali oltre ad un fascio riflesso e rifratto di onde pure longitudinali possono

nascere due fasci, uno riflesso ed uno rifratto, di onde trasversali.

I fasci incidente, riflesso e rifratto giacciono sempre sullo stesso piano,

perpendicolare all'interfaccia di separazione. La relazione tra i vari angoli è fornita dalla

ben nota legge di Snell:

Gli angoli sono misurati rispetto alla normale alla superficie di separazione.

Il fenomeno della rifrazione si manifesta con un cambiamento di direzione del

fascio ultrasonoro al passaggio da un mezzo all'altro.

Poiché la velocità delle onde trasversali è circa la metà di quella delle onde

longitudinali i fasci trasversali sono sempre più prossimi alla normale di quelli

118

Page 123: Nuova Versione+Foto

longitudinali.

Se uno dei due mezzi è un liquido non si ha alcun fascio di onde trasversali.

Figura 33: Legge di Snell, Riflessione e Rifrazione

8.6. CARATTERIZZAZIONE DEL FASCIO ULTRASONICO

Come già spiegato il campo di radiazione del fascio ultrasonico è caratterizzato

dall'avere una zona di alta turbolenza in prossimità del trasduttore (campo prossimo) ed

una zona più stabile nella quale la pressione sonora tende a diminuire regolarmente

con la distanza (campo prossimo). In alcuni casi è opportuno caratterizzare il campo di

radiazione del fascio nel solo campo lontano dal punto di vista della sua distribuzione

angolare. Si utilizza, in questo caso, un diagramma polare con origine nel centro di

simmetria del trasduttore. Il modulo del vettore rappresenta il valore della pressione

sonora relativamente alla direzione individuata dall'angolo .

La rappresentazione polare può presentarsi come una figura solida o in piano

riprodotta per due direzioni ortogonali. In questo caso è utile ricordare che l'ampiezza

dell'angolo è maggiore relativamente al piano parallelo al lato minore.

119

Page 124: Nuova Versione+Foto

Figura 34: Rappresentazione polare della pressione sonora nel campo lontano

Per un trasduttore che irradia in un solido è da notare che il mezzo reagisce in

funzione del proprio modulo elastico longitudinale e trasversale causando la comparsa

della conversione del modo e con la conseguente generazione di onde longitudinali,

trasversali e superficiali.

Se indichiamo con d il diametro del trasduttore, se inteso circolare, a seconda del

rapporto d/ avremo diverse caratteristiche di emissione:

se d/ << 1 un trasduttore che vibri in modo longitudinale produce tutti e tre i tipi d'onda

con notevole prevalenza di lobi obliqui di onde trasversali.

se d/ 1 la componente longitudinale è la predominante.

se d/ >> 1, come nei casi pratici, la componente longitudinale, che già era

predominante, diviene fortemente direzionale.

E' importante rilevare che la presenza di onde superficiali e trasversali, anche se

di entità minima, possono dare luogo a segnali spuri e disturbati che possono divenire

fastidiosi se si lavora con tecniche ad alta sensibilità.

120

Page 125: Nuova Versione+Foto

Figura 35: Schematizzazione di diagrammi polari di emissività

E' altresì vero che essendo i materiali solidi costituiti da particelle vincolate da

forze di natura elastica anche la messa in vibrazione delle particelle nel solo senso

longitudinale non può prescindere dalla generazione di onde superficiali e trasversali

che si generano in conseguenza del movimento longitudinale a causa proprio delle

razioni elastiche tra le particelle del solido.

8.7. IMPULSI ULTRASONICI

Fino ad ora si è trattato il segnale ultrasonico in termini di onde continue, ovvero di

vibrazioni alternate in cui l’andamento della pressione può essere rappresentato

matematicamente come:

121

Page 126: Nuova Versione+Foto

Nei controlli che utilizzano la tecnologia ultrasonica però non si opera con onde

continue ma bensì con singoli impulsi o serie di essi, ovvero composti da un numero

finito di vibrazioni e per più giunta smorzate.

Infatti se un trasduttore viene eccitato con una differenza di potenziale alternata a

questo si applica un picco di tensione di brevissima durata, dopo la deformazione subita

per effetto della tensione il trasduttore continuerà ad oscillare alla frequenza di

risonanza con moto smorzato fino all’esaurimento dell’energia immagazzinata ed al

ritorno alla posizione di riposo.

Comunque considerato che un impulso può essere considerato come la somma di

un certo numero di funzioni d’onda sinusoidali (sviluppo in serie di Fourier) è comunque

compatibile continuare a riferirci all’impulso con il termina di onda ultrasonora. Deve

restare inteso quindi che i nostri impulsi sono il risultato della sovrapposizione di un

certo numero di tali onde, dette componenti, tra le quali quella di risonanza fo e quelle

più vicine ad essa hanno ampiezze maggiori.

Tali impulsi vengono inviati nel mezzo in esame in continuazione , con un certo

intervallo di tempo l’uno dall’altro, in modo che quando parte un impulso il precedente si

sia completamente esaurito entro il mezzo in modo da non avere effetti di interferenza

indesiderati.

Il numero di impulsi inviati in un secondo nel mezzo è detta frequenza di

ripetizione, essa è variabile con lo spessore del mezzo da attraversare. Si va da circa

50 impulsi al secondo per i percorsi più lunghi fino ai circa 3000 impulsi per secondo (gli

ultrasuoni percorrono nell’acciaio circa 6cm 10 s ).

122

Page 127: Nuova Versione+Foto

8.8. FENOMENO DELL'ATTENUAZIONE

Un fascio ultrasonoro nel passaggio attraverso un mezzo dopo aver percorso un

certo tratto si esaurisce. La lunghezza del percorso che il fascio può compiere dipende

dall'ampiezza iniziale dell'onda, dalla sua frequenza, dalla natura del mezzo e dalla

sensibilità degli strumenti misuratori, in ogni caso da un certo punto in poi si rileva la

totale assenza di vibrazioni meccaniche.

Questo fenomeno è attribuibile alla più o meno marcata divergenza del fascio ma

soprattutto ad un fenomeno detto di attenuazione subito a causa del mezzo

attraversato. Il fenomeno dell'attenuazione è dovuto essenzialmente a due fattori:

1. L'assorbimento dell'energia del fascio che si trasforma in calore

nell'attraversamento del mezzo;

2. A causa di fenomeni di diffusione (scattering) che sottrae energia al fascio

diffondendola in tutte le direzioni. Il fenomeno avviene sui bordi dei grani dove

esistono brusche variazioni di impedenza acustica, causate da precipitati

interstiziali, da microporosità ed eventuali inclusioni. L'orientazione casuale dei

grani e l'anisotropia interna locale (infatti la definizione di isotropia è valida solo

in media) che provoca risposte elastiche differenti nelle varie direzioni

contribuisce ad amplificare il fenomeno.

Il decremento di pressione dovuto alla sola attenuazione, per un onda piana, è di

tipo esponenziale;

dove è il coefficiente di attenuazione che determina il decremento più o meno

rapido di pressione sonora. Il coefficiente può essere espresso mediante la somma di

due parti relative una alla sola attenuazione ed una seconda relativa alla diffusione:

123

Page 128: Nuova Versione+Foto

con S relativo alla diffusione ed A all'assorbimento.

Figura 36: Andamento caratteristico dei fenomeni di attenuazione

La quota di attenuazione in dovuta alla dispersione dipende dal grado di

anisotropia A del materiale e del rapporto tra diametro medio delle particelle D e della

lunghezza d'onda incidente , per cui:

se << D ;

se D ;

se >> D (caso più comune);

i coefficienti k1, k2, k3 sono costanti dipendenti dal materiale. A parità di rapporto D/ il

valore delle costanti k è fortemente influenzato dalle condizioni di contorno ai grani.

8.9. FENOMENI DI RIFLESSIONE SU OSTACOLI

I fenomeni di riflessione, trasmissione e rifrazione, enunciati e descritti come nella

legge di Snell sono descrivibili con le regole dell'acustica geometrica descrivendo la

propagazione delle onde come raggi geometrici.

124

Page 129: Nuova Versione+Foto

Questo è vero fintanto che la larghezza della superficie di separazione possa

essere considerata "grande" rispetto alla lunghezza d'onda, mentre quando questo non

è più vero e le dimensioni dell'interfaccia sono simili o inferiori alla lunghezza d'onda le

regole dell'acustica geometrica non sono più valide e necessita descrivere il fenomeno

mediante la teoria delle onde sferiche.

Considerando un fascio ultrasonico che viaggia entro un mezzo nell'incontrare un

ostacolo subisce dei fenomeni che sono variabili ed in funzione delle condizioni locali e

dell'estensione dell'interfaccia. A seconda del rapporto A/ (dove A è la dimensione

dell'ostacolo in senso trasversale) possono verificarsi varie situazioni.

Se A/ >>1 le onde sono riflesse dall'ostacolo dando luogo nella regione dietro di esso

ad un'ombra ben definita. Dietro l'ostacolo la proiezione dell'ombra tende a

restringersi con un angolo trascurabile per A/ grande ma che tende a divenire

rilevante man mano che tale rapporto tende ad 1. In questa condizione l'ostacolo è

in condizioni ottimali per essere rilevato.

Se A/ 1 l'ostacolo diffrange l'oda con una distribuzione angolare di ampiezza limitata.

L'onda incidente viene di poco alterata. L'ombra dell'ostacolo non è ben definita,

sfumata e difficilmente rilevabile.

Se A/ <<1 l'ostacolo diffrange l'onda incidente divenendo a sua volta una sorgente di

onda sferica secondaria di ampiezza molto limitata che si propaga in tutte le

direzioni. L'onda incidente non è disturbata e non vi è alcuna ombra. L'ostacolo è

invisibile da rilevare. Non trascurabile è la conversione del modo per la quale viene

generata un'onda di tipo trasversale in direzione laterale.

125

Page 130: Nuova Versione+Foto

Figura 37: Distribuzione angolare della radiazione riflessa

8.10. GENERAZIONE DI VIBRAZIONI ULTRASONICHE

Gli ultrasuoni sono generati, e rilevati con principio opposto, da dispositivi detti

trasduttori (o sonde) che hanno la capacità di trasformare l'energia acustica in energia

elettrica e viceversa.

Risulta quindi che il metodo più semplice per generare un impulso ultrasonico sia

quello di inviare energia elettrica ad un trasduttore che provvede a trasformarla in

energia meccanica. Questa può essere poi inviata nel mezzo in esame e poi captata,

dopo averlo attraversato, per mezzo di un analogo dispositivo (trasduttore) che

ritrasforma l’energia meccanica in energia elettrica permettendoci di amplificarla e

riprodurla in modo da poter essere osservata e misurata.

Esistono oramai in commercio vari tipi di trasduttori che differiscono

sostanzialmente per il principio di funzionamento e che sono denominati in modo

differente a seconda dell’effetto che sfruttano: avremo pertanto trasduttori piezoelettrici,

elettrostrittivi, magetostrittivi ed elettromagnetici.

126

Page 131: Nuova Versione+Foto

8.10.1. TRASDUTTORI PIEZOELETTRICI

L’effetto piezoelettrico fu scoperto nel 1880 dai fratelli Curie ed avviene nei cristalli

che presentano uno o più assi polari oppure che mancano di un centro di simmetria. Tra

i più noti si possono ricordare il quarzo (SiO2) ed il solfato di litio (LiSO4).

Se si taglia una lamina con le facce parallele ortogonali all’asse polare,

esercitando una forza sulle facce, in direzione dell’asse polare, su queste compaiono

cariche elettriche uguali e di segno opposto che generano una differenza di potenziale:

Dove h è la costante di deformazione piezoelettrica e dx la variazione di spessore

della lamina. Allo stesso modo se dopo averle magnetizzate si applica una differenza di

potenziale la lamina subisce una deformazione proporzionale all’intensità del campo

applicato e di verso dipendente da quello del campo.

Applicando delle oscillazioni elettriche la lamina risponde con delle oscillazioni

nello spessore; se invece la si sottopone a vibrazioni meccaniche, la lamina genererà

tra le due facce oscillazioni elettriche.

I cristalli che hanno due assi polari, come il quarzo, in dipendenza dell’asse di

taglio producono onde longitudinali oppure onde trasversali.

8.10.2. TRASDUTTORI ELETTROSTRITTIVI

L’effetto elettrostrittivo avviene in tutti i dielettrici ma in maniera trascurabile,

mentre nei materiali ferroelettrici tale effetto è molto forte. Applicando sulle facce di

questi ultimi una differenza di potenziale la lamina subisce una deformazione in

direzione dello spessore proporzionale al quadrato del campo elettrico applicato. La

polarizzazione elettrica prodotta dal campo del materiale fa in modo che gli atomi

127

Page 132: Nuova Versione+Foto

interagiscano tra loro formando dei domini entro i quali le forze polari, molto intense,

deformano il reticolo cristallino nella direzione del campo. L’aumento di spessore si ha

indipendentemente dal segno del campo applicato, pertanto una alternanza di segno

produce una vibrazione meccanica che ha l’andamento di una corrente raddrizzata. Per

ottenere un comportamento lineare, invece che quadratico, i ferroelettrici vengono

polarizzati. Dal momento che sono materiali ceramici, la polarizzazione è ottenuta

durante il raffreddamento mediante un forte campo elettrico quando la temperatura è al

di sopra del punto di Curie caratteristico per ogni tipo di ceramica. Il campo elettrico

viene mantenuto fino al raffreddamento totale e permette l’allineamento dei domini

bloccandoli nella direzione del campo applicato (una ceramica siffatta prende il nome di

elettrete).

Tra le ceramiche più usate abbiamo: il titanato di bario, il metaniobato di piombo

ed il titanato-zirconato di piombo. Quest’ultima può essere polarizzata anche

parallelamente alle facce e quindi risulta in grado di produrre vibrazioni meccaniche di

taglio, onde trasversali, come il quarzo, ma più ampie a parità di eccitazione elettrica.

La resa elevata è la caratteristica che rende l’utilizzo delle ceramiche più vantaggioso di

quello dei cristalli. Tale rendimento viene quantificato attraverso un coefficiente k detto

di accoppiamento elettromeccanico.

8.10.3. TRASDUTTORI MAGNETOSTRITTIVI

La magnetostrizione è un fenomeno presente in tutti i materiali ferromagnetici. E’

dovuta alla presenza di un campo elettromagnetico che polarizza gli atomi della lamina,

come avviene nella elettrostrizione, producendo una deformazione nel senso del

campo. Questo fenomeno è reversibile e segue una legge quadratica. Per rendere il

comportamento lineare si sottopone il materiale ad una premagnetizzazione.

128

Page 133: Nuova Versione+Foto

8.10.4. TRASDUTTORI ELETTROMAGNETICI

La generazione di onde ultrasonore attraverso il sistema elettromagnetico è

dovuta all’interazione tra un campo magnetico costane e le correnti ad alte frequenze

indotte, sulla superficie di un materiale conduttore, da una bobina posta a breve

distanza da esso. In questo modo si producono delle forze alternate che generano

vibrazioni meccaniche alla frequenza delle correnti indotte propagantesi verso l’interno.

Viceversa, delle vibrazioni ultrasonore nel materiale, in presenza di un campo

magnetico, generano forze elettromagnetiche che si possono rivelare con una bobina. Il

grande vantaggio di questo sistema consiste nella possibilità di operare a qualche

millimetro di distanza dalla superficie e non a contatto di essa permettendo l’esame di

superfici grezze.

8.10.5. ECCITAZIONE DEI TRASDUTTORI

Se il trasduttore viene sottoposto ad una tensione alternata le vibrazioni prodotte

sono continue e del tipo alternato con la medesima frequenza. Se invece di una

tensione alternata continua il trasduttore viene sottoposto ad una sola tensione

impulsiva di brevissima durata (pochi microsecondi) il trasduttore si ferma bruscamente

e ritorna allo stato di riposo con oscillazioni libere e smorzate che dipendono dal

coefficiente di smorzamento proprio del trasduttore che permette la dissipazione

dell’energia in ogni ciclo. Lo smorzamento deve essere accentuato e tale da permettere

il ritorno alla posizione di riposo nel più breve tempo possibile in modo da non influire

sul segnale che si vuole inviare. Per accentuare lo smorzamento si applica al

trasduttore un blocco poroso per le oscillazioni meccaniche ed una resistenza ohmica

per quanto riguarda quelle elettriche.

129

Page 134: Nuova Versione+Foto

8.10.6. TIPI DI TRASDUTTORI IN RELAZIONE ALLE MODALITÀ DI IMPIEGO

I trasduttori, indipendentemente dall’effetto che genera la trasduzione del segnale,

possono essere di due tipi in relazione alle modalità con le quali vengono utilizzati.

Avremo dei trasduttori “per contatto” ed altri detti ad “immersione”.

I primi sono utilizzati posizionandoli direttamente a contatto con la superficie da

esaminare previa una interposizione di un materiale, detto mezzo di accoppiamento,

che ha il compito di trasferire la vibrazione generata all’interno del pezzo in esame.

I trasduttori sono montati entro apposite custodie per consentire la presa non la

mano. La placchetta trasduttrice, generalmente in materiale ceramico, è sostenuta da

un blocco poroso costituito da un impasto di plastica tungsteno e piombo. La sua

funzione e quella di smorzare le oscillazioni emesse dalla placchetta in fase di ritorno

nella posizione di riposo, allo stesso tempo però viene a ridursi l’ampiezza della

vibrazione generata e di conseguenza la potenza dell’impulso. Lo smorzamento deve

essere quindi tale da garantire un buon compromesso tra le due esigenze.

Figura 38: Schematizzazione di un trasduttore Piezoelettrico per contatto

I materiali elettrostrittivi offrono maggiori prestazione anche da questo punto di

130

Page 135: Nuova Versione+Foto

vista inquanto possono essere smorzati maggiormente, ma soprattutto perché possono

essere sinterizzati in modo da formare una lente convessa che focalizza il fascio

ultrasonoro.

Le placchette di quarzo, invece, essendo ricavate da un monocristallo, devono

avere la facce perfettamente piane in modo da risultare normali all’asse di

cristallizzazione. La focalizzazione del fascio può essere ottenuta non lenti di materiale

rifrangente.

I trasduttori focalizzati concentrano molta energia, e di conseguenza sono molto

sensibili, in prossimità della zona focale, ma al di fuori di essa si riduce a valori molto

bassi. Pertanto sono molto usati per pezzi sottili, risentono meno di disallineamenti

angolari del fascio e rivelano meglio i difetti non ortogonali al raggio.

La forma del campo di emissione è influenzata dal blocco poroso che ha l’effetto di

dare un campo più regolare e idoneo a valutare l’entità dei difetti.

Per l’accoppiamento su superfici scabre è conveniente utilizzare una protezione in

plastica con interposte alcune gocce di olio anche se la protezione riduce la sensibilità.

I trasduttori ad “immersione” contrariamente non vengono applicati direttamente al

pezzo ma il loro accoppiamento con il materiale da esaminare avviene attraverso

l’interposizione di un mezzo permeabile agli ultrasuoni generalmente acqua. La faccia

del trasduttore viene protetta per l’azione dell’acqua e viene focalizzata per compensare

l’allargamento del fascio a causa della rifrazione. Infatti, in base alla legge di Snell,

nell’accoppiamento acqua/alluminio, per esempio, l’angolo rifratto si allontana

rapidamente dalla normale nel punto di incidenza. Se invece si utilizza un trasduttore

focalizzato, è possibile avere dei raggi normali che consentono una maggiore sensibilità

nel rilevare piccoli difetti. In seguito alla forte concentrazione di energia è possibile

rilevare la presenza di difetti che sfuggono ai trasduttori piani, a discapito però la

131

Page 136: Nuova Versione+Foto

sensibilità è limitata in profondità e nella sezione trasversale rendendo necessario

ripetere la misura con esplorazioni a differenti profondità nel materiale. Per questo

esistono trasduttori a differenti profondità di focalizzazione.

132

Page 137: Nuova Versione+Foto

9 APPENDICE B:

REALIZZAZIONE DEI CIRCUITI STAMPATI

Page 138: Nuova Versione+Foto

Si è più volte accennato alla necessità di ricorrere alla realizzazione dei circuiti

elettrici su apposita scheda. In questa sezione viene presentata la procedura che si è

seguita per la realizzazione di ciascun circuito stampato.

Tutte le lavorazioni necessarie sono state realizzate interamente presso il

Laboratorio di “Misure Meccaniche e Termiche” del Dipartimento di Ingegneria

Meccanica secondo lo schema seguente:

realizzazione del disegno delle tracce, tramite un programma di CAD, e relativa stampa

su lucido in modo che le future tracce in rame siano totalmente nere;

il circuito stampato su lucido viene poi fissato sulla parte impressionabile della scheda

previa asportazione della pellicola protettiva;

esposizione della scheda così predisposta alla luce del Bromografo del Laboratorio per

cinque minuti, con questa procedura le tracce scure vengono impressionate sulla

scheda;

immersione della scheda impressionata in una soluzione acqua-idrossido di sodio

anidro (NaOH) per un tempo sufficiente ad asportare lo strato protettivo;

immersione della scheda in una soluzione di cloruro ferrico per un tempo sufficiente ad

asportare lo strato di rame che risulta al di fuori delle piste impressionate al fine di

tracciare le piste in rame sulla scheda. Tale fase è tata accelerata mediante l’utilizzo

di un apparecchio apposito che provvede alla vibrazione e riscaldamento del liquido

che favorisce una più rapida esecuzione;

successivamente una ulteriore esposizione della scheda nel Bromografo per altri cinque

minuti seguita da una nuova immersione nell’idrossido di sodio permette di ripulire le

tracce in rame dallo strato protettivo residuo;

la scheda così ottenuta viene poi rifilata nelle dimensioni di progetto vengono effettuate

le forature necessarie al fine di creare gli alloggiamenti per i componenti;

134

Page 139: Nuova Versione+Foto

montaggio dei vari componenti ( resistenze, condensatori, diodi, cavi di collegamento …

ecc.) e degli zoccoli dei circuiti integrati mediante saldature a stagno;

collaudo e prova del circuito;

montaggio della scheda nel box di alloggiamento, cablaggio dei fili di collegamento e

connessione alla rete elettrica (se necessario) e verso l’esterno.

135

Page 140: Nuova Versione+Foto

10 APPENDICE C:

DOCUMENTAZIONE FOTOGRAFICA

Page 141: Nuova Versione+Foto

DOCUMENTAZIONE FOTOGRAFICA

Nelle pagine che seguono vengono raccolte alcune fotografie che cercano di

“mostrare” quelle che sono state le realizzazioni portate avanti nel corso della presente

Tesi. Sono tutte immagini prese all’interno del laboratorio di “Misure Termiche e

Meccaniche” dove sono state realizzate tutte le apparecchiature.

Foto 1: Amplificatore/Deviatore di Segnale in trasmissione.

137

Page 142: Nuova Versione+Foto

Foto 2: Amplificatore/Deviatore di Segnale in trasmissione. Particolare interno.

Foto 3: Amplificatore/Deviatore di Segnale in trasmissione. Scatola chiusa.

138

Page 143: Nuova Versione+Foto

Foto 4: Amplificatore Segnale in ricezione.

Foto 5: Amplificatore Segnale in ricezione. Particolare.

139

Page 144: Nuova Versione+Foto

Foto 6: Vista d’insieme apparecchiatura amplificazione segnale. Si notano i tre alimentatori.

Foto 7: Vista d’insieme strumentazione utilizzata.

140

Page 145: Nuova Versione+Foto

Foto 8: Particolare Carrello portasonda in fase di accoppiamento.

Foto 9: Vista d’insieme Modello ed impalcatura.

141

Page 146: Nuova Versione+Foto

Foto 10: Particolare Modello ed impalcatura.

Foto 11: Particolare portasonde in accoppiamento nella sua seconda versione.

142

Page 147: Nuova Versione+Foto

BIBLIOGRAFIA

[1] J. KRAUTKRAMER, H. KRAUTKRAMER: “Ultrasonic testing of materials”. Springer-

Verlag 1990;

[2] B. KOELER, G. HENTEGES. W. MUELLER: “A novel technique for advanced

ultrasonic testing of concrete by using signal conditioning method and a scanning

laser vibrometer”. Presentato alla conferenza NDT-CE 1997:

[3] M. KRAUSE, H. WIGGENHAUSER: “Ultrasonic pulse echo tecnique for concrete

elements using systetic aperture”. UT Online workshop 1997;

[4] R. JANSOHN, M. SCHICKERT: “Objective interpretation of ultrasonic concrete

image”. Presentato alla conferenza ENCDT 1998.

[5] S. POPOVIC, K. KOMLOS, J. POPOVIC: “Comparsion of DIN/ISO 8047 (entwurf) to

several standards on determination of ultrasonic pulse velocity in concrete”.

[6] M. KRAUSE, O. BÄRMANN, C. MAIERHOFER, H. WIGGENHAUSER, K.

LANGENBERG, R. FRIELINGHAUS, J. NEISECKE, F. WOLLBOLD, M

SCHICKERT: “Comparsion pulse echo methods for testing concrete”. International

Symposium NDT-CE Berlin 1995.

143

Page 148: Nuova Versione+Foto

[7] R. JANSOHN, O. KROGGEL, M. RATMANN: ”Detection of thickness, void,

honeycombs and tendon ducts utilising ultrasonic impulse echo technique”.

International Symposium NDT-CE Berlin 1995.

[8] F. WOLLBOLD, J. NEISECKE:”Ultrasonic impulse echo technique. Advantages of

an online imaging technique for the inspection of concrete”. International

Symposium NDT-CE Berlin 1995.

[9] F. WOLLBOLD, J. NEISECKE: “Ultrasonic testing of concrete with fast imaging

pulse echo technique”. Presentato alla conferenza ENCDT 1998.

[10] L. BINDA: “il recupero del patrimonio edilizio storico. Orientamenti metodologici e

problemi operativi”. Ancona 7/8 Maggio 1995.

[11] L BINDA, S. ABBANEO, G. MIRABELLI ROBERTI: “Il progetto delle indagini per la

diagnosi strutturale”. L’edilizia n° 5, 6, 7, 8 1995.

[12] M. SCHULLER, M. BERRA, A. FATTICIONI, R. ATKINSON, L. BINDA: “Use

tomography for diagnosis and control of masonry repair”. Presentato alla 10th

International Brick and Block Masonry Conference, Calgary 5/7 Luglio 1994.

[13] S. ABBANEO, L. BINDA, A. FATTICCIONI: “Non desctructive evaluation of brick

masonry structures: Calibration of sonic wave propagation procedure”.

International Symposium NDT-CE Berlin 1995.

144

Page 149: Nuova Versione+Foto

[14] S. ABBANEO, M. SCHULLER, L. BINDA, M. BERRA: “Acoustic tomography

application to the study of a full scale model of a mansonry building”. Presentato

alla 7th North American Masonry Conference 2/5 Giugno 1996.

[15] E. LANDIS, M. PETERSON, S. SELLECK, S. SHUN, ZONJING LI, A. ZDUNEK,

D. PRINE: ”Developments in NDT of concrete”. Northwestern University Center for

advanced Cement Based Methods & BIRL Industrial Research Laboratory. Giugno

1994.

[16] C.U. GROSSE, H.W. REINHARDT: ”The resonance method applications of new

nondestructive technique witch enables thickness measurements at remote

concrete parts”. www.ultrasonic.de.

[17] C.U. GROSSE, H.W. REINHARDT: ”Setting and hardening of concrete

continuosly monitored by elastic waves”. www.ultrasonic.de.

[18] P.A. Gaydecki, F.M. Burdekin, W. Damaj, D.G. John, P.A. Payne: “The

propagation and attenuation of medium-frequency ultrasonic waves in concrete: a

signal analytical approach”. Meas. Sci. Technol., Manchester 1992.

[19] C. PUDDU: “Tecniche di diagnostica acustica per il rilevamento di discontinuità

meccaniche nei calcestruzzi e nelle murature”. XII ciclo del Dottorato di Ricerca in

“Misure Meccaniche e Termiche”. Università di Cagliari, Facoltà di Ingegneria.

Cagliari, Novembre 1997

145

Page 150: Nuova Versione+Foto

[20] C. VALLASCAS: “Rilievi Tomografici su manufatti civili in laboratorio ed in situ”.

Università di Cagliari, Facoltà di Ingegneria. Tesi di laurea A.A. 1997/98

[21] P. DE-FELICE: “Indagine sperimentale finalizzata all’automazione della tecnica

echopulse applicata ai materiali da costruzione”. Università di Cagliari, Facoltà di

Ingegneria. Tesi di laurea A.A. 1998/99.

[22] LabWiew for Windows: “User manual”. National Instruments.

[23] LabWiew for Windows: “Analisys VI Reference Manual”. National Instruments.

[24] R. DIEDERICHS: “Ultrasonic Testing Encyclopedia”. www.ndt.net.

146