Misure e Controlli termotecnici - Riassunto dettagliato

PIV TRIDIMENSIONALI(3 componenti u, v, w)

Si applica il principio della stereovisione per misurare le tre componenti di velocità nello spazio. Lo spostamento reale 3D viene determinato a partire dagli spostamenti 2D rilevati da due telecamere poste a pari distanza angolare dalla normale al piano focale. Nel caso di uno stereovisione se gli angoli sono stretti si ha bassa sensibilità della componente verticale, se gli angoli sono larghi si ha scarsa sensibilità della componente orizzontale. 45° è un buon compromesso.

Come metto a fuoco una telecamera che osserva la scena a 45°?

CONDIZIONE DI SHEIMPELUNG: l'obiettivo è inclinato di un certo angolo rispetto alla camera. La messa a fuoco diventa ancora più complicata perché ho 1 gdl in più. Si applicano algoritmi di ricostruzione geometrica e si risale così alla terza componente di velocità (la problematica principale è dovuta a motivi di prospettiva).

PIV

PARTICLE TRACKING

Metodo utilizzato quando ho poche particelle inseminanti che cerca di riconoscere ogni particella e tracciarne il suo modo nello spazio e nel tempo. In questo caso non divido più l'immagine in Kernel.

CONTROLLI NON DISTRUTTIVI

Il suono è una perturbazione (prodotta da un sorgente sonora) che, propagandosi in un mezzo elastico, vi provoca una variazione di pressione ed uno spostamento di particelle, tali da poter essere rilevate da una persona o da uno strumento acustico.

Le vibrazioni sonore percepibili all'uomo si collocano a frequenza compresa tra i 15 e i 20.000 hertz; i suoni di frequenza superiore ai 20 kHz sono detti ultrasuoni e quelli con frequenza minore di 16 Hz sono detti infrasuoni.

La presenza di imperfezioni o disomogeneità nel corpo provoca l'insorgere di fenomeni di scattering che si manifestano con la presenza di eco, riverberi ed in generale di attenuazione dell'onda sonora.

Di conseguenza studiando l'onda, si

Informazioni sul pezzo analizzato

Il pezzo analizzato contiene informazioni su ciò che è presente al suo interno. Si tratta di un controllo di tipo non distruttivo.

Tipologie di onde

Onde longitudinali

• Le particelle oscillano nella stessa direzione di propagazione dell'onda.
• Nel materiale si generano delle zone di compressione ed espansione.
• Si propagano sia nei solidi che nei liquidi e nei gas.

Onde trasversali

• Le particelle oscillano in direzione perpendicolare rispetto alla propagazione dell'onda.
• Il moto viene trasmesso alle particelle adiacenti attraverso forze di taglio ("shearwaves").
• Si propagano solo nei solidi (forze di taglio trascurabili nei fluidi).

Onde superficiali (o di Rayleigh)

• Le particelle oscillano con una traiettoria ellittica.
• Il moto delle particelle rimane confinato in una regione prossima alla superficie.
• Si propagano solo su solidi.

Onde di Lamb

• Queste onde si sviluppano su piastre sottili ("plate wave").
• Sono onde dispersive in cui la velocità dipende dalla frequenza.

Equazioni

DELLE ONDE

La velocità di propagazione di un'onda è funzione del mezzo all'interno del quale si propaga:

E <=> funzione delle caratteristiche meccaniche

ρ <=> funzione delle caratteristiche fisiche

La velocità di propagazione dell'onda trasversale dipende da quella dell'onda longitudinale ad essa collegata.

V = f(V )T L ν

Per materiali omogenei ed isotropi E e sono univocamente definiti per ogni direzione, mentre per i materiali ortotropi, come i compositi (CFRP), sono funzione della direzione variando puntualmente, rendendo necessaria la definizione di un valore medio.

Per calcolare la velocità di propagazione di un'onda in un mezzo anisotropo è necessario conoscere il tensore di rigidezza del materiale stesso.

PARAMETRI FONDAMENTALI DELLA PROPAGAZIONE DELLE ONDE ULTRASONORE

• f Frequenza
• T periodo
• λ lunghezza d'onda
• V velocità di propagazione
• Z impedenza

acustica

FREQUENZA E PERIODO

La frequenza f [Hz] è il numero delle oscillazioni (una compressione seguita da una depressione) che le particelle, investite dagli ultrasuoni, compiono nell'unità di tempo.

Il periodo T [s] è il tempo che una particella, investita dagli ultrasuoni, impiega per compiere una oscillazione completa.

LUNGHEZZA D'ONDA λ[m] è lo spazio percorso dall'onda ultrasonora in un periodo. Tra la velocità di propagazione λ, degli ultrasuoni V, la lunghezza d'onda la frequenza f e il periodo T intercorrono le seguenti relazioni: λ = V * T

Dove T = 1/f

VELOCITÀ DI PROPAGAZIONE V[m/s] è lo spazio percorso dagli ultrasuoni nell'unità di tempo. Esso varia a seconda dei tipi di onde visti e della qualità del materiale in cui si propagano.

Tra le velocità di propagazione di onde longitudinali e trasversali all'interno dello stesso materiale c'è un rapporto costante

permettono un facile passaggio delle onde, come ad esempio l'aria. Tuttavia, quando si passa da un mezzo come l'aria a un materiale solido come il metallo, si verifica una differenza significativa di impedenza acustica. Questa differenza può causare una deviazione dell'onda e una difficoltà nella propagazione del suono attraverso il materiale solido. L'impedenza acustica (Z) è definita come il rapporto tra la pressione esercitata dalla vibrazione acustica (p) e la velocità di spostamento intorno alla posizione di equilibrio (Q). È espressa in unità di kg/(s·m^2) e rappresenta la resistenza del mezzo al passaggio degli ultrasuoni. L'intensità dell'onda acustica (J) è misurata in unità di W/m^2 e può essere espressa come: J = (p^2) / Z Nella caratterizzazione di un materiale, diventa interessante valutare la differenza di impedenza tra due diversi materiali. Ad esempio, quando si passa dall'aria al metallo, si verifica una differenza molto elevata di impedenza. Se nel metallo sono presenti bolle d'aria o inclusioni, il passaggio delle onde all'interno di questi difetti rappresenta una difficoltà nella propagazione e quindi l'onda verrà deviata. In conclusione, il suono si propaga bene tra mezzi che permettono un facile passaggio delle onde, mentre la presenza di difetti o differenze di impedenza può influenzare la propagazione del suono attraverso un dato materiale.

hanno la stessa impedenza acustica.

Se il secondo mezzo ha invece un'impedenza molto diversa del primo, allora parte dell'onda incidente verrà riflessa dall'interfaccia.

L'aria ha un'impedenza molto bassa, quindi:

• se i difetti contengono aria si rilevano facilmente
• se si lavora con US non a contatto, bisogna tenere conto delle maggiori attenuazioni subite dalle onde nei tratti in aria.

RIFLESSIONE E TRASMISSIONE

All'interfaccia tra 2 mezzi diversi l'onda viene:

• RIFLESSA: con angolo uguale a quello di incidenza
• TRASMESSA: con angolo definito dalla LEGGE DI SNELL

Durante la RIFLESSIONE/TRASMISSIONE può avvenire la conversione del modo un'onda longitudinale diventa trasversale e viceversa.

I valori degli angoli sono sempre ricavati dalla legge di Snell.

θ1 Per la legge di Snell abbiamo che all'aumentare di aumenta θ2 fino a quando quest'ultimo raggiunge il valore π/2.

In questa condizione

l'angolo di incidenza viene chiamato ANGOLO CRITICO. Alternativamente a questa analisi geometrica si può effettuare un'analisi quantitativa imponendo che gli spostamenti e gli sforzi all'interfaccia siano continui. Così facendo si ottengono le espressioni per i coefficienti di riflessione e di trasmissione. Come già detto in precedenza il suono si propaga bene tra mezzi che hanno la stessa impedenza acustica. Se il secondo mezzo ha invece un'impedenza molto diversa del primo parte dell'onda incidente verrà riflessa dall'interfaccia. Il fenomeno della trasmissione non dipende soltanto dall'ampiezza dell'onda ma anche dall'impedenza del mezzo in cui si propaga. In mezzi come l'acciaio, che ha un'elevata impedenza, quest'ultima ha un peso maggiore sul fenomeno della trasmissione rispetto all'ampiezza. GEOMETRIA DEL FASCIO US La morfologia del fascio ultrasonoro cambia con la distanza dalla sonda. Si possonodelle onde elettromagnetiche può essere effettuato in due diverse zone: 1. NEAR FIELD (“campo prossimo” o “zona di Fresnel”): in questa zona, la pressione delle onde oscilla tra valori massimi e minimi a causa dei fenomeni di diffrazione. 2. FAR FIELD (“campo lontano” o “zona di Fraunhofer”): in questa zona, c'è un solo picco centrale che si attenua all'aumentare della distanza dalla sorgente. MATERIALE PIEZOELETTRICO Se alle due superfici opposte di un blocco di materiale piezoelettrico viene applicata una tensione elettrica, il materiale si espande (o si contrae). Viceversa, se si sottopone l'elemento trasduttore ad uno sforzo capace di deformarlo, tra le superfici opposte si realizza una tensione elettrica. SONDA PIEZOELETTRICA La sonda è dunque in quiete, tranne quando riceve o impulsi elettrici dal controllore (in tal caso emette) o impulsi meccanici dal pezzo (in tal caso invece riceve). Il segnale da essa prodotto sarà quindi nullo, se non nei momenti di attività. Il controllo mediantecapacità di un sistema ultrasonico di distinguere riflettori situati a profondità molto vicine alla superficie del materiale. La risoluzione laterale rappresenta la capacità di un sistema ultrasonico di distinguere riflettori situati in posizioni laterali molto vicine tra loro. La velocità del suono è un parametro fondamentale per l'analisi ultrasonica. La velocità del suono dipende dal materiale attraversato e può variare in base alle sue proprietà fisiche. L'attenuazione è la diminuzione dell'intensità del segnale ultrasonico durante la propagazione attraverso il materiale. L'attenuazione dipende dalla frequenza delle onde ultrasoniche e dalle proprietà del materiale. La riflessione è il fenomeno per cui le onde ultrasoniche vengono riflesse quando incontrano una superficie di separazione tra due materiali con diverse caratteristiche acustiche. La diffrazione è il fenomeno per cui le onde ultrasoniche si curvano attorno a ostacoli o aperture presenti nel percorso di propagazione. La dispersione è il fenomeno per cui le onde ultrasoniche si separano in diverse frequenze durante la propagazione attraverso il materiale. La polarizzazione è il fenomeno per cui le onde ultrasoniche possono essere orientate in una direzione preferenziale durante la propagazione. La rifrazione è il fenomeno per cui le onde ultrasoniche cambiano direzione quando passano da un materiale a un altro con diverse velocità del suono. La modulazione è il processo di variazione dell'ampiezza, della frequenza o della fase delle onde ultrasoniche per scopi di analisi o trasmissione dei segnali. La cavitazione è la formazione e l'implosione di piccole bolle di gas durante la propagazione delle onde ultrasoniche. La cavitazione può causare danni ai materiali o essere utilizzata per scopi terapeutici. La termografia è una tecnica di analisi che utilizza l'energia termica emessa dai materiali per rilevare difetti o variazioni nella struttura del materiale. La tomografia è una tecnica di analisi che utilizza l'elaborazione di immagini ultrasoniche per ottenere una rappresentazione tridimensionale del materiale analizzato. La scansione è il processo di movimento del trasduttore ultrasonico lungo la superficie del materiale per ottenere una mappatura completa delle caratteristiche del materiale. La calibrazione è il processo di regolazione dei parametri del sistema ultrasonico per garantire la precisione e l'affidabilità delle misurazioni effettuate. La registrazione è il processo di acquisizione e memorizzazione dei dati ultrasonici per analisi e confronto successivi. La visualizzazione è il processo di rappresentazione grafica dei dati ultrasonici per facilitare l'interpretazione e l'analisi dei risultati.

capacità di un sistema ultrasonico di rilevare difetti posizionati vicino alla superficie del pezzo.

POSIZIONE DELLE SONDE

CARATTERISTICHE DEI DIFETTI

Il modo in cui viene rilevato un difetto è influenzato dal difetto stesso, nello specifico sono importanti:

• la dimensione
• l'orientamento
• lo spessore
• l'impedenza acustica

La discontinuità rappresenta un ostacolo alla propagazione delle onde ultrasoniche all'interno del materiale. Il disturbo si concretizza, dal punto di vista fisico, in una variazione delle proprietà acustiche dei mezzi attraversati dal fascio ultrasonico. A seconda del rapporto tra dimensione del fascio prodotto dal trasduttore e dimensioni della discontinuità si distinguono due casi inter