La propagazione del suono

Comprendere l'impedenza acustica delle onde sonore.

Facciamo un salto indietro di qualche secolo. Sir John William Strutt, terzo barone Rayleigh (1842-1919), fu un fisico inglese che, insieme ad altri, scoprì l'elemento argon e per questo fu insignito del Premio Nobel nel 1904.

Tuttavia, Rayleigh era anche noto per i suoi importanti lavori e contributi nei campi della fisica quantistica, dell'ottica e della teoria del suono. Nominato professore Cavendish di fisica sperimentale nel 1879, la sua prima pubblicazione risale a due anni prima, al 1877. Questa nuova teoria ha chiarito come il suono viene trasmesso ed emesso da diversi mezzi. Ha fatto riferimento e ha sperimentato con corde tese, campane, piastre metalliche e membrane non solo per mostrare, ma anche per dimostrare come le onde sonore si trasmettono attraverso diversi mezzi, utilizzando modelli matematici e discussioni sui risultati degli esperimenti.

Sir John William Strutt, terzo barone Rayleigh

Nella sua pubblicazione, Rayleigh afferma che "spesso basta un'osservazione molto superficiale per dimostrare che i corpi che emettono suoni sono in uno stato di vibrazione e che i fenomeni del suono e della vibrazione sono strettamente connessi". Inoltre, "Quando una campana o una corda vibrante vengono toccate dal dito, il suono cessa nello stesso istante in cui la vibrazione si smorza. Ma, per influenzare il senso dell'udito, non basta avere uno strumento vibrante; deve esserci anche una comunicazione ininterrotta tra lo strumento e l'orecchio."

Cosa produce gli ultrasuoni?

Molte cose producono ultrasuoni, ed è compito dell'analista CBM identificare quali emissioni ultrasoniche si verificano nell'area in cui opererà, prima di raccogliere dati e onde sonore .

Le 5 categorie comuni di emissioni ultrasoniche sono talvolta indicate con l'acronimo FITEM : Attrito, Impatto, Turbolenza, Ambientale e Artificiale. L'attrito, l'impatto e la turbolenza sono spesso direttamente correlati a un problema fluidodinamico/elettrico/meccanico e rappresentano quindi proprio gli elementi che si intende rilevare. D'altra parte, le emissioni ultrasoniche ambientali e artificiali sono "antagoniste", ovvero competono e contrastano le frequenze del problema in questione.

• Attrito: può essere generato in molti modi, ad esempio quando due superfici scorrono l'una contro l'altra, rotolano l'una sull'altra o quando un oggetto si muove attraverso un gas o un liquido.

• Impatto: Impulsi di energia più brevi e ad alta frequenza, causati dall'urto tra superfici.

• Turbolenza: si verifica solo nei gas o nei liquidi quando interagiscono con diverse superfici.

• Ambientale: Le emissioni di ultrasuoni di origine naturale non sono rare nemmeno in contesti industriali, come ad esempio nei nidi di vespe e nei rifugi dei pipistrelli.

• Oggetti di origine artificiale: sensori di movimento, repellenti per insetti, detergenti industriali, pannelli di visualizzazione, monitor e molti altri oggetti creati dall'uomo possono emettere frequenze ultrasoniche come sottoprodotto della loro funzione prevista.

In qualità di ispettore a ultrasuoni, è importante ricordare che l'onda sonora è una vibrazione del mezzo attraverso cui si propaga . Tale mezzo deve essere elastico affinché l'onda sonora possa trasferire la sua energia senza interferenze con lo strumento/modulo dell'ispettore.

Legge dell'inverso del quadrato

Per ogni raddoppio della distanza dalla sorgente sonora, l'intensità del suono diminuisce di 6 dB. Questa informazione è fondamentale per la rilevazione delle emissioni ultrasoniche, poiché la distanza dalla sorgente influisce direttamente sulle misurazioni. Ipotizzando di partire da 30 cm (1 piede) dalla sorgente senza perdita di dB, si avrebbe una perdita di 6 dB a 60 cm (2 piedi) di distanza e una perdita di 32 dB a 9 metri (30 piedi) di distanza.

Ora sappiamo in dettaglio come l'energia acustica si attenua con la distanza in un ambiente gassoso e come l'influenza atmosferica può influenzare il modo in cui un'onda sonora si propaga attraverso tale mezzo. Tuttavia, la legge dell'inverso del quadrato (e le rispettive misurazioni sopra riportate) presuppongono che il suono si propaghi in un "campo libero", non influenzato da altri fattori esterni. Nel mondo reale, questo non è sempre vero. Vedi sotto per 6 delle impedenze di energia sonora più comuni.

Impedenze acustiche - Aria

• Trasmissione: Trasmissioni di ultrasuoni attraverso l'atmosfera. Dobbiamo considerare che il suono si propaga a una velocità inferiore in un'atmosfera gassosa rispetto a un mezzo solido o liquido . Ad esempio, un treno può essere udito a chilometri di distanza avvicinando l'orecchio ai binari ( solido - particelle ad alta densità ). Le balene possono comunicare tra loro sott'acqua a chilometri di distanza con un ritardo minimo ( liquido - particelle a densità moderata ). Il suono del tuono a volte può impiegare diversi secondi per essere udito dopo che un fulmine ha colpito ( gas - particelle a densità inferiore). Tutti questi sono esempi di trasmissione del suono.

• Riflessione: Si verifica quando un'onda sonora rimbalza su una superficie piana. Il punto di riflessione (noto anche come angolo di incidenza) può spesso essere confuso con la sorgente originale degli ultrasuoni. Ad esempio, se si individua un'emissione ultrasonica utilizzando un rilevatore di ultrasuoni, ma la posizione identificata non presenta possibili sorgenti di ultrasuoni, si potrebbe aver individuato un punto di riflessione su cui l'onda sonora ultrasonica originale è rimbalzata.

• Rifrazione: Similmente alla riflessione, la rifrazione si verifica quando un'onda sonora passa da un mezzo a un altro. Mentre la riflessione avviene su una superficie solida, la rifrazione si verifica generalmente nei liquidi (uno stato della materia che permette all'energia sonora di propagarsi). L'onda sonora rifratta risentirà quindi dell'influenza dell'elasticità e della densità del nuovo mezzo (nota anche come indice di rifrazione). Questo può essere utilizzato per calcolare l'effetto del materiale sulla velocità dell'energia sonora che si propaga attraverso il nuovo mezzo rispetto a quella del mezzo originale, utilizzando la legge di Snell.

• Diffrazione: La deviazione di un'onda sonora mediante la sua flessione, la sua propagazione o il suo passaggio attraverso uno spazio. La diffrazione si verifica spesso quando un'onda sonora attraversa un'apertura molto piccola. Sentire qualcuno parlare da dietro un angolo è un esempio comune di diffrazione, perché l'onda sonora si piega e attraversa lo spazio fino all'orecchio dell'ascoltatore.

• Assorbimento: L'assorbimento acustico si riferisce alla capacità di un mezzo di catturare una parte dell'energia sonora ricevuta . Materiali solidi e porosi come la schiuma o la fibra di vetro sono esempi comuni di materiali fonoassorbenti. La porzione assorbita dell'onda sonora originale viene trasformata in una forma di energia completamente nuova (solitamente calore) e viene emessa dal materiale. La parte rimanente dell'onda sonora che non è stata assorbita viene invece riflessa .

• Diffusione: Il processo per cui un'onda sonora interagisce con una superficie particolarmente ruvida, generando molteplici nuove onde sonore con energia ridotta. Queste onde sonore risultanti hanno direzioni e ampiezze imprevedibili, il che rende la diffusione un'impedenza difficile da contrastare durante le operazioni di rilevamento a ultrasuoni.

Impedenza acustica - Effetto della densità:

Oltre ai fattori sopra menzionati, la velocità effettiva di un'onda meccanica (sonora) che si propaga attraverso un mezzo è direttamente proporzionale alla temperatura, all'elasticità e alla densità di tale mezzo. Diversi mezzi di trasmissione causeranno un diverso grado di ritardo a causa delle loro proprietà di assorbimento e riemissione.

Più un materiale è caldo e denso , più gli atomi sono vicini tra loro e più velocemente il suono si propaga attraverso quel mezzo. Questo è il motivo per cui le onde meccaniche, come il suono, non possono esistere nello spazio. Le onde meccaniche necessitano di un mezzo fisico per propagarsi. Lo spazio è un vuoto , dove gli atomi sono così distanti tra loro che la propagazione del suono non può avvenire. Vedi sotto per le velocità del suono di vari materiali comuni.

Dalla propagazione del suono al rilevamento di perdite tramite ultrasuoni

Ora che abbiamo approfondito i fattori esterni e ambientali e le impedenze, ecco alcuni suggerimenti generali e buone pratiche da seguire quando si effettuano rilevamenti a ultrasuoni. Gli ambienti industriali in cui si riscontrano comunemente problemi legati agli ultrasuoni sono spesso rumorosi, caotici e ricchi di onde sonore che coprono l'intero spettro acustico. È importante sapere come contrastare gli ultrasuoni antagonisti e i rumori di disturbo, nonché come raccogliere dati accurati.

1. Prima di iniziare il processo di rilevamento, è opportuno effettuare una misurazione acustica della stanza per ottenere una migliore comprensione iniziale dello spazio e per determinare la posizione approssimativa di eventuali anomalie ultrasoniche.

2. Se hai a che fare con una perdita di aria compressa, ecco alcuni suggerimenti comuni che possono aiutarti a identificarne la fonte:

   1. Verificare che i sistemi siano completamente pressurizzati.

   2. Segui il percorso delle tubazioni a partire dal compressore.

   3. Verificare che tutte le valvole pertinenti siano aperte.

3. Se si utilizza PROSARIS OL2 Puck per centralizzare i dati nella posizione di origine, è importante implementare le seguenti best practice:

   1. Riduci fisicamente la distanza dalla sorgente. Una volta che inizi a individuare con maggiore precisione la sorgente, il passo successivo è ovviamente quello di avvicinarti ulteriormente per ottenere una localizzazione più accurata. Tuttavia, ricorda di regolare il cursore della distanza nell'app PROSARIS sul tuo tablet quando ti trovi entro un raggio di 1,8 metri (6 piedi). Questo garantirà la correttezza dei vari calcoli relativi alla registrazione.

   2. Controlla in tutte le direzioni intorno alla fonte dell'emissione. Non è raro che nelle vicinanze ci siano altre perdite. Queste perdite potrebbero essere scambiate per la perdita principale, a meno che non ti avvicini abbastanza da confermare la presenza di più fonti.

4. Se hai difficoltà a individuare la perdita, sia essa dovuta ad altre perdite o a ultrasuoni indesiderati, prova ad adottare una tecnica di schermatura. Il modo più semplice per farlo è posizionarti tra la fonte della perdita e le altre emissioni ultrasoniche indesiderate.

   1. In caso di necessità, è possibile utilizzare anche un pezzo di cartone o un blocco per appunti per bloccare temporaneamente eventuali fonti di ultrasuoni antagoniste rimanenti.

   2. Avvolgere uno straccio da officina sopra una perdita aiuta anche ad attutirne il suono nella zona. Ciò facilita l'isolamento, soprattutto per le perdite di basso livello.

La conoscenza è uno degli strumenti più preziosi a disposizione per svolgere con successo un lavoro di rilevamento a ultrasuoni. Comprendere la scienza che sta alla base del suono vi permetterà di individuare le tecniche, le strategie e gli strumenti più adatti al lavoro da svolgere.