Prove Soniche

        La tecnica, già utilizzata con successo, viene sfruttata in archeologia e in ingegneria al fine di localizzare porzioni fisicamente anomale in un contesto strutturale noto. La tecnica d’indagine sonica si basa sulla generazione di onde elastiche, nell'ambito di frequenze soniche, in uno o più punti della struttura sottoposta ad analisi, attraverso sorgenti a percussione o con trasduttori elettrodinamici. Gli impulsi vengono registrati da una serie di sensori, disposti secondo una configurazione geometrica, che misurano il tempo impiegato dalle onde soniche — di frequenza compresa tra 16 Hz e 20 kHz — nell’attraversare un determinato percorso all’interno di un materiale.

        Il principio generale dell'indagine sonica si basa su alcune relazioni che legano la velocità di propagazione delle onde elastiche, attraverso un materiale, alle proprietà elastiche del materiale stesso. La velocità di propagazione delle onde elastiche in un materiale è direttamente correlabile alla densità “r” ed al modulo elastico dinamico “E”. Questa relazione è valida solo per materiali elastici, omogenei ed isotropi. Le onde elastiche sonore per indagini non distruttive, sono caratterizzate da frequenze di 20-20.000 Hz generate da appositi generatori (ad esempio martelli strumentali) che producono vibrazioni nell'impatto con la superficie del materiale in prova. Nella figura è schematicamente mostrato il principio del metodo nel caso si voglia evidenziare la presenza di una fessura in un palo di fondazione attraverso l’ascolto delle onde soniche riflesse; le onde soniche, infatti, incontrando una discontinuità (fessura) del materiale vengono in parte riflesse ed in parte modificano la propria forma. Il “trigger” fa scattare un contatore di tempo quando la sorgente (un martello, un generatore di rumore, ecc.) emette le onde soniche; il sensore raccoglie l’onda riflessa e la trasforma in un segnale elettrico che interrompe il contatore. La misura del tempo “t” di percorrenza dell’onda sonica all’interno del materiale integro “Lo” e la conoscenza della velocità “V”, con cui le onde soniche viaggiano attraverso il materiale, permettono di risalire alla lunghezza “Lo” in corrispondenza della quale si trova una fessura.

        Lo stesso principio può essere utilizzato nell’ascolto sonico per trasmissione; in questo caso, la sorgente “S” ed il sensore “s” sono posti sulle due facce opposte di una muratura; muovendo la sorgente ed il sensore lungo l’altezza della muratura è possibile registrare eventuali discontinuità del materiale che compone la struttura stessa (cavità, fessure, eterogeneità, ecc.).

        Le vibrazioni meccaniche con frequenze superiori a 20 kHz, e fino a 1000 MHz, non sono percepite dall’orecchio umano e sono definite ultrasoniche. Le onde ultrasoniche, a differenza di quelle soniche, non si trasmettono altrettanto facilmente nell’aria; entrambe, però, possono essere molto facilmente trasmesse, anche per lunghe distanze, attraverso materiali liquidi e soprattutto solidi.

        La specificità delle onde ultrasoniche consiste nel fatto che se esse incontrano uno strato d’aria (fessura, cavità, intercapedine) vengono quasi completamente riflesse. Si calcola che è sufficiente una fessura di circa 1 μm per bloccare la trasmissione degli ultrasuoni aventi una lunghezza d’onda di circa 1 mm. Ciò determina, ovviamente, un limite nell’applicazione degli ultrasuoni in murature porose e discontinue, come sono spesso quelle degli edifici storici; tuttavia, le onde ultrasoniche possono essere vantaggiosamente applicate nella rilevazione di discontinuità provocate da degradi non ancora visibili, presenti fin dall’origine per la tecnica costruttiva impiegata (per esempio: murature a sacco).

        La velocità “V” con cui si trasmettono le onde soniche o ultrasoniche è regolata dall’equazione: dove “Ed” è il modulo elastico dinamico (N/mm2) del materiale attraversato dalle onde ultrasoniche, “ρ” è la sua massa volumica (kg/m3) e “ν” è il modulo di Poisson. Se sono noti (o si misurano) i valori di “ρ” e di “ν”, si può calcolare “Ed” dalla misura di “V”. Se si evidenziano variazioni di “V” lungo una certa direzione di una muratura di spessore nominale costante ciò può essere imputato a variazioni nella porosità del materiale oppure a presenza di fessure o di cavità. Non è facile emettere una diagnosi di deterioramento sulla semplice rilevazione di una prova non-distruttiva; come si è già detto, le prove non-distruttive, incluse quelle basate sulla misura di velocità di propagazione degli ultrasuoni, possono segnalare le zone sospettate di essere degradate, e non visibili direttamente, permettendo pertanto di “mirare” meglio le aree da sottoporre a prelievi per le prove distruttive.

        Il rilevamento della trasmissione degli ultrasuoni può essere fatto mediante una sorgente di onde, con frequenza solitamente compresa tra 50 e 100 kHz, ed una sonda ricevente. Con un cronometro elettronico si misura il tempo impiegato dalle onde a seguire un determinato percorso calcolandone, quindi, la velocità “V”.

        Si possono effettuare tre tipi di rilevazioni a seconda delle circostanze: trasmissione diretta, semi-diretta ed indiretta.

        Ovviamente, quando è possibile, la trasmissione diretta è da preferirsi perché consente la misura dello spessore “L”, attraversato dalle onde, mediante il rilevamento del tempo “t”, della velocità “V” e del modulo elastico dinamico “Ed”. Quando non è possibile posizionare le due sonde in opposizione, si può ricorrere agli altri due tipi di trasmissione che – pur meno precisi perché non si conosce il percorso seguito dalle onde – consentono, comunque, attraverso rilevazioni comparative, eseguite su strutture analoghe, di evidenziare discontinuità o difetti non visibili direttamente. Per esempio, nella trasmissione indiretta effettuata lungo un muro di spessore “L” si può evidenziare la presenza di anomalie posizionando la sonda di ricezione in punti diversi ed equidistanti tra loro.