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Legge di rifrazione di Snell per le onde ultrasoniche

1940
  • Willebrord Snellius
Ultrasonic testing setup for weld inspection in manufacturing using Snell's Law.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Quando un ultrasonico Quando un'onda colpisce il confine tra due materiali diversi con un angolo, si rifrange o cambia direzione. Ciò è regolato dalla legge di Snell, che mette in relazione gli angoli di incidenza e di rifrazione con le velocità delle onde nei due mezzi: [latex]\frac{\sin\theta_1}{c_1} = \frac{\sin\theta_2}{c_2}[/latex]. Questo principio è fondamentale per le prove con travi angolari, utilizzate per ispezionare componenti come le saldature non accessibili direttamente dall'alto.

Snell’s Law is a cornerstone of wave physics, originally formulated for light but equally applicable to sound waves. In ultrasonico testing, it is indispensable for designing inspections where a straight-on approach is impossible. This is most common in weld inspection, where the weld cap prevents placing a transducer directly on top. Instead, an angle beam transducer is used, which consists of a piezoelectric element mounted on a plastic wedge.

La formula [latex]\frac{\sin\theta_1}{c_1} = \frac{\sin\theta_2}{c_2}[/latex] detta il comportamento, dove [latex]\theta_1[/latex] è l'angolo di incidenza nel primo mezzo (il cuneo), [latex]c_1[/latex] è la velocità del suono nel cuneo, [latex]\theta_2[/latex] è l'angolo di rifrazione nel secondo mezzo (il provino, per es.g., acciaio) e [latex]c_2[/latex] è la velocità del suono nel pezzo in esame. Scegliendo con cura l'angolo del cuneo e il materiale, gli ispettori possono generare un'onda di taglio o un'onda longitudinale con un angolo preciso e desiderato all'interno del pezzo in prova per interrogare efficacemente il volume della saldatura.

Un aspetto critico è la conversione di modo. Quando un'onda longitudinale colpisce un'interfaccia con un angolo, può generare sia un'onda longitudinale rifratta sia un'onda di taglio rifratta, ciascuna con un angolo diverso, come previsto dalla legge di Snell (poiché le onde di taglio e longitudinali hanno velocità diverse). I tecnici utilizzano spesso l'onda di taglio generata perché la sua lunghezza d'onda più corta offre una migliore sensibilità ai piccoli difetti.

UNESCO Nomenclature: 3301
- Acustica

Tipo

Principio fisico

Interruzione

Fondamento

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • L'opera originale di Willebrord Snellius sulla rifrazione ottica nel XVII secolo
  • Il principio di Huygens che spiega la propagazione delle onde e i fronti d'onda
  • la comprensione che il suono si comporta come un'onda e si propaga attraverso i solidi
  • lo sviluppo di trasduttori a fascio angolare e cunei per l'ispezione industriale

Applicazioni

  • ispezione della saldatura a fascio angolare nella produzione e nell'edilizia
  • test di immersione di componenti industriali di forma complessa
  • progettazione di cunei angolati per trasduttori ultrasonici
  • sterzatura del fascio negli ultrasuoni phased array medici
  • l'analisi delle onde sismiche in geofisica per comprendere gli strati della terra

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

  • acustico metamaterials that exhibit negative refraction for sound focusing and superlensing
  • software per la simulazione in tempo reale di percorsi complessi di onde ultrasoniche in materiali anisotropi
  • sonde autocalibranti che determinano automaticamente la velocità del materiale e correggono l'angolo del fascio
  • goniometri ultrasonici per la misurazione precisa delle costanti di elasticità dei materiali
  • stimolazione cerebrale non invasiva mediante fasci di ultrasuoni focalizzati rifratti attraverso il cranio
  • pinzette acustiche che manipolano le particelle utilizzando campi sonori rifratti con precisione
  • modelli avanzati di previsione meteorologica che utilizzano la rifrazione acustica negli strati atmosferici
  • sistemi di imaging del sottosuolo che correggono la rifrazione attraverso strati geologici complessi
  • finestre intelligenti con proprietà di rifrazione acustica regolabili per la cancellazione del rumore
  • misuratori di portata a ultrasuoni che utilizzano fasci rifratti per misurare la velocità del fluido nei tubi
Correlato a: Legge di Snell, rifrazione, test a ultrasuoni, fascio angolare, conversione di modo, onda di taglio, NDT, ispezione delle saldature, propagazione delle onde, acustica.

Contesto storico

Legge di rifrazione di Snell per le onde ultrasoniche

1930
1940
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1940
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1930
1934
1940
1940
1940
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1940
1945-01-01

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

decimo anno anniversario

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