Misure della velocità e dell'attenuazione ultrasonora in campioni geologici

Applicazione

Misure dell'attenuazione e della velocità ultrasonora in campioni geologici come rocce e minerali.

Contesto

Le tecniche di trasmissione degli ultrasuoni sono stati utilizzati per definire le proprietà meccaniche dei materiali geologici. Nello specifico queste tecniche sono state usate per quantificare i parametri fisici come la durezza, i moduli elastici e la struttura dei grani dei materiali. Queste tecniche sono state inoltre usate per determinare la compattezza del suolo o della sabbia in condizioni di laboratorio. In genere questi controlli vengono eseguite su campioni preparati con due superfici piane e parallele mediante tecniche di trasmissione diretta con trasduttori a bassa frequenza. Di seguito ne viene riportata la descrizione. I controlli sul campo sono normalmente eseguiti a frequenze sismiche molto al di sotto dell'intervallo ultrasonoro.

Apparecchiatura

I campioni geologici preparati possono in genere essere controllati attraverso strumenti a ultrasuoni come il rilevatore di difetti Olympus EPOCH 650™. Vengono utilizzate delle coppie di trasduttori a bassa frequenza in modalità onda longitudinale e onda trasversale. Il tipo di trasduttore da usare in un caso specifico dipende dalle proprietà acustiche dei materiali da controllare e dalle dimensioni dei campioni, tuttavia sono più comunemente usate frequenze pari o inferiori a 1 MHz. La frequenza dovrebbe essere scelta al fine di assicurare forme d'onda non distorte e una penetrazione ottimale.

Procedura

I campioni possono essere preparati con diverse forme e dimensioni, a condizione che abbiano due superfici piane e parallele per l'accoppiamento dei trasduttori. In genere vengono preparati dei cilindri o dei parallelepipedi di spessore approssimativo compreso tra 50 mm (2 in.) e 250 mm (10 in.) nella direzione di misura. Il diametro o la larghezza del campione dovrebbe essere maggiore della dimensione dell'elemento del trasduttore utilizzato. In genere sono utilizzati i controlli a trasmissione diretta con trasduttori trasmittenti e riceventi separati a causa dell'elevata diffusione prodotta dalla maggior parte dei materiali geologici alle frequenze ultrasonore. Definire il pulsatore dello strumento in modalità trasmissione diretta, inoltre regolare il guadagno e il filtro per assicurare una risposta ottimale. Nei controlli a trasmissione diretta, il ritardo dello zero della sonda può essere determinato unendo insieme due trasduttori e usando il segnale come punto zero. L'accoppiante a gel è utile per i controlli a onda longitudinale per minimizzare l'assorbimento nei campioni porosi. Per l'accoppiamento dei trasduttori a onda trasversale deve essere usato uno speciale accoppiante a alta viscosità, come l'accoppiante a onda trasversale SWC-2 Olympus.

Il tempo di transito dell'impulso può essere misurato con un rilevatore di difetti, un oscilloscopio o un display digitale per forme d'onda collegato a un pulsatore-ricevitore. Il software per il rilevatore di difetti può inoltre calcolare la velocità e effettuare la misura.

Onda longitudinale

Onda trasversale

La misura unidirezionale del tempo di transito in un campione di arenaria di 95 mm (3.75”) controllato con un rilevatore di difetti Epoch 600, due trasduttori a onda longitudinale V102-SB e due trasduttori a onda trasversale V152-RB (entrambi da 1 MHz, e 2,54 cm [1”] di diametro).

La velocità misurata e la densità del materiale possono essere usati per calcolare le proprietà elastiche come descritto nella Nota applicativa di misura dei moduli elastici. L'attenuazione è correlata alle proprietà fisiche come la struttura dei grani o le micro-cricche determinate sperimentalmente mediante campioni di riferimento, rappresentanti condizioni note per definire una curva di taratura.