Analisi in frequenza di componenti metallici tramite tecniche di termografia attiva = Frequency domain analysis of metals through active thermography

L'oggetto di questa tesi è la termografia attiva, una tecnica di controllo non distruttiva. Essa permette di valutare l'integrità e la continuità di un materiale analizzando la sua risposta termica, quando viene eccitato da una sorgente di calore esterna. La presenza di un difetto interno modifica la risposta del materiale, poiché ne altera localmente la diffusività termica. Lo scopo di questo lavoro è valutare la risposta termica del sistema nel dominio della frequenza. Il componente viene stimolato con carichi termici impulsivi, al fine di esaminare la risposta per un ampio spettro di frequenze. I modi termici propri del materiale sono rappresentati da onde termiche diffusive che propagano nel mezzo: le frequenze del segnale di eccitazione coincidono con quelle della risposta; la fase dipende dal modo di raffreddamento. La caratteristica chiave è che la lunghezza di diffusione μ delle onde termiche è correlata con la frequenza propria f: μ=√(α/πf). Un difetto viene dunque raggiunto dalle onde che hanno una lunghezza di diffusione prossima alla sua profondità. Si valuta se è possibile risalire alla profondità dei difetti a partire da un insieme noto di frequenze, scelte tramite i parametri di ingresso del sistema di eccitazione. In parallelo viene descritto uno studio numerico sull'equazione di Maxwell - Cattaneo, che completa la ben nota equazione del calore introdotta da Fourier e permette di descrivere la trasmissione del calore in termini conduzione (diffusione di energia termica) e propagazione di onde termiche. La soluzione analitica dell'equazione prevede, per certe condizioni di eccitazione, il fenomeno della risonanza termica, ovvero di una risposta termica amplificata del sistema. Si valuta se è possibile osservare il fenomeno della risonanza termica con la particolare strumentazione in possesso. Il lavoro è articolato in più fasi. Nel capitolo 1 si contestualizza la termografia all'interno del più ampio campo delle tecniche di controllo non distruttive. Si analizza la fisica delle prove, basata sulla trasmissione del calore e l'emissione di radiazioni termiche nell'intervallo dell'infrarosso. Sono descritte le principali tecniche di termografia attiva sia in termini sperimentali che analitici. Si presentano gli strumenti di analisi dei dati impiegati per passare dal dominio del tempo a quello della frequenza. Nel capitolo 2 sono presentati i modelli numerici per la risoluzione dell'equazione di Maxwell-Cattaneo. Si analizzano i risultati di simulazioni numeriche svolte per condizioni di prova replicabili, e si consigliano dei parametri di eccitazione per osservare il fenomeno di risonanza termica. Nel capitolo 3 sono descritte le prove numeriche e sperimentali realizzate. Le prove di laboratorio sono svolte su provini metallici. I modelli numerici vengono correlati ai dati sperimentali; sono poi svolte simulazioni mirate alla comprensione delle grandezze fisiche di interesse e dei parametri che evidenziano la presenza di difetti nel materiale, quali in particolare il tempo dell'impulso del laser. Numerose sono le prove relative a provini non difettati, necessarie per valutare e caratterizzare la risposta del materiale. Al termine è analizzata una attività condotta su un componente con discontinuità note, al fine di valutare la capacità del sistema di misurare la profondità dei difetti.