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Impedenza acustica nella riflessione ultrasonica

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

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Acustico L'impedenza (Z) è la resistenza intrinseca di un materiale al flusso acustico, definita come la sua densità (ρ) moltiplicata per la sua velocità acustica (c), quindi Z = ρc. La percentuale di ultrasuoni L'energia riflessa al confine tra due materiali è determinata dalla differenza, o disadattamento, delle rispettive impedenze acustiche. Questo principio è ciò che rende possibile il rilevamento dei difetti.

Il concetto di impedenza acustica è analogo all'impedenza elettrica nei circuiti ed è fondamentale per comprendere come le onde ultrasoniche interagiscono con i materiali. Quando un'onda che si propaga attraverso un materiale (Materiale 1) incontra un'interfaccia con un secondo materiale (Materiale 2), parte dell'onda viene riflessa e parte viene trasmessa. La quantità di riflessione è quantificata dal coefficiente di riflessione (R), che dipende dalle impedenze acustiche dei due materiali, Z1 e Z2.

Per un'onda ad incidenza normale, il coefficiente di riflessione della pressione è dato da [latex]R = (Z_2 – Z_1) / (Z_2 + Z_1)[/latex]. L'intensità dell'onda riflessa, che è ciò che viene tipicamente misurato, è proporzionale al quadrato di questo valore. Una grande differenza di impedenza, come quella tra l'acciaio ([latex]Z circa 45 volte 10^6[/latex] Pa·s/m) e l'aria ([latex]Z circa 415[/latex] Pa·s/m), si traduce in un coefficiente di riflessione molto elevato (quasi il 100%). Questo è il motivo per cui crepe e vuoti interni, riempiti d'aria o gas, sono così facilmente rilevabili con gli ultrasuoni: agiscono come riflettori quasi perfetti.

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

  • L'opera fondamentale di Lord Rayleigh sulla teoria delle onde e sull'acustica ("La teoria del suono")
  • studi sulla propagazione del suono nei solidi e nei fluidi da parte dei fisici del XIX secolo
  • sviluppo della meccanica del continuo 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

Idee e potenziali innovazioni

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Argomenti correlati: impedenza acustica, coefficiente di riflessione, test a ultrasuoni, controlli non distruttivi, proprietà dei materiali, densità, velocità del suono, interfaccia, disadattamento, fisica delle onde.

Contesto storico

Impedenza acustica nella riflessione ultrasonica

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1925-01-01

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

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