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Impedenza acustica nella riflessione ultrasonica

1920
Scienziato che esegue test a ultrasuoni per misurare l'impedenza acustica in laboratorio.

Acustico impedance ([latex]Z[/latex]) is a material’s intrinsic resistance to acoustic flow, defined as its density ([latex]\rho[/latex]) multiplied by its acoustic velocity ([latex]c[/latex]), so [latex]Z = \rho c[/latex]. The percentage of ultrasuoni energy reflected at the boundary between two materials is governed by the difference, or mismatch, in their respective acoustic impedances. This principle is what makes flaw detection possible.

The concept of acoustic impedance is analogous to electrical impedance in circuits and is fundamental to understanding how ultrasonic waves interact with materials. When a wave traveling through a material (Material 1) encounters an interface with a second material (Material 2), part of the wave is reflected and part is transmitted. The amount of reflection is quantified by the reflection coefficient ([latex]R[/latex]), which depends on the acoustic impedances of the two materials, [latex]Z_1[/latex] and [latex]Z_2[/latex].

For a wave at normal incidence, the pressure reflection coefficient is given by [latex]R = (Z_2 – Z_1) / (Z_2 + Z_1)[/latex]. The intensity of the reflected wave, which is what is typically measured, is proportional to the square of this value. A large mismatch in impedance, such as between steel ([latex]Z approx 45 times 10^6[/latex] Pa·s/m) and air ([latex]Z approx 415[/latex] Pa·s/m), results in a very high reflection coefficient (nearly 100%). This is why internal cracks and voids, which are filled with air or gas, are so easily detectable with ultrasound; they act as near-perfect reflectors.

Al contrario, se due materiali hanno impedenze acustiche molto simili, la maggior parte dell'energia sonora attraverserà l'interfaccia con una riflessione minima. Questo principio viene sfruttato nella progettazione di accoppianti ultrasonici (gel o liquidi utilizzati tra il trasduttore e il pezzo in prova) e di strati di adattamento del trasduttore, progettati per avere un'impedenza intermedia tra l'elemento trasduttore e il materiale in prova per massimizzare la trasmissione di energia e migliorare la qualità del segnale.

UNESCO Nomenclature: 3301
- Acustica

Tipo

Principio fisico

Interruzione

Fondamento

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • Lord Rayleigh’s foundational work on wave theory and acoustics (‘The Theory of Sound’)
  • studi sulla propagazione del suono nei solidi e nei fluidi da parte dei fisici del XIX secolo
  • sviluppo del continuum mechanics per descrivere le proprietà dei materiali
  • prime ricerche sul sonar che richiedevano la comprensione della riflessione acustica degli oggetti

Applicazioni

  • prove non distruttive per la rilevazione di crepe (interfaccia metallo-aria)
  • imaging medico per distinguere tra diversi tessuti e organi
  • progettazione di strati di adattamento acustico per trasduttori per migliorare la trasmissione di energia
  • prospezione geofisica mediante riflessione sismica per mappare la geologia del sottosuolo
  • progettazione di sistemi di pulizia ad ultrasuoni

Brevetti:

NA

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