1. typowe wartości prędkości fal podłużnych i poprzecznych dla ciał stałych, cieczy i gazów.

Fala podłużna	Szybkość [m/s]	Fale poprzeczne	Szybkość [ m/s]
Pleksiglas Węgliki spiekane Korund SiC Porcelana Szkło kwarcowe stal Woda powietrze	2730 6800 10597 11165 5340 5570 5940 1480 330	Pleksiglas Węgliki Korund SiC Porcelana Szkło Stal Woda powietrze	1430 4000 6270 7095 3120 3515 3250 - -

Fale poprzeczne nie rozchodzą się w cieczach i gazach, ponieważ te nie mają sprężystej struktury, postaci jakiej one potrzebują do rozchodzenia, W próżni nie rozchodzą się fale ultradźwiękowe, gdyż są propagacja tych fali zachodzi jako drgania ośrodka, a w próżni nie ma co drgać.

1. rodzaje fal ultradźwiękowych i ich zastosowanie w technice.

fale ultradźwiękowe to fale o częstotliwości większej niż górna granica słyszalności ucha ludzkiego ponad 16 kHz. Podział ze względu na oddziaływanie;

• czynne- fale o znacznym natężeniu w celu wywołania określonych zmian fizycznych i chemicznych

• bierne- używane w badaniach nieniszczących, o niskim natężeniu, nie zmieniają własności środowiska,

Zastosowanie fali:

bierne	czynne
Spektroskopia Tensometria Defektoskopia ultradźwiękowa Emisja akustyczna Mikroskopia Hydrolokacja Diagnostyka medyczna Sterowanie procesami technologicznymi	Terapia metyczna Kawitacja Rozkruszanie Dyspergowanie Koagulacja Formowanie ośrodków twardych Mycie ultradźwiękami Spajanie i lutowanie Sonochemia Suszenie substancji Ekstrakcja

Fale:

• podłużne L- cząstki drgają prostoliniowo zgodnie z kierunkiem rozchodzenia się fali, na przemian powstają zagęszczenia i rozrzedzenia ośrodka (oscylacyjne zmiany ośrodka). Fale te mogą się rozchodzić we wszystkich ośrodkach sprężystych. Prędkość Cl. pomiary tłumienia, grubości, wykrywania wad płaskich wewnętrznych i wad przestrzennych.

• poprzeczne T- inaczej fale ścinania, mogą się rozchodzić tylko w ośrodkach stałych. Cząstki drgają w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się fali Nie towarzyszą temu zmiany gęstości ośrodka. Zjawisko polaryzacji fali. Prędkość cT< Cl. wykrywanie wad powierzchniowych przestrzennych i płaskich wewnętrznych, wad tworzących naroża z powierzchnią płaską

• powierzchniowe R- Raylegh’a, rozchodzą się na powierzchni swobodnej w ośrodku stałym, lub cieczy. Wnikają na niewielką grubość około jednej długości fali. Są szczególnym przypadkiem fali poprzecznych. drgania mają dwie składowe wektory prostopadłego do powierzchni swobodnej i prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali. Ruch wypadkowy cząstek zachodzi po bardzo smukłej elipsie. Składowa podłużna fali zanika wraz z głębokością szybciej niż składowa poprzeczna. cR<cT<Cl. wykrywanie rys, pęknięć, wad blisko powierzchni leżących.

• Love’a- to fale poprzeczne rozchodzące się w cienkich warstwach znajdujących się na podłożu o innych wł akustycznych. Przesunięcia cząsteczek są równoległe do powierzchni warstwy i prostopadle do kierunku rozchodzenia fali.

• podpowierzchniowe- to szczególny przypadek fali podłużnych, powstających jako fala załamana. Wykazują brak czułości na nierówności powierzchni. Wykrywanie wad blisko powierzchni o małej gładkości).

• płytowe, Lamba- fale rozchodzące się w ośrodkach ograniczonych powierzchniami równoległymi o grubości porównywalnej z dł fali. Przesunięcie cząstek jest wynikiem nakładania się dwóch fali powierzchniowych biegnących po obu płaszczyznach w tym samym kierunku. Wyróżniamy tu :

- fale antysymetryczne- cząstki ośrodka drgają w osi neutralnej poprzecznie, a po powierzchni po elipsie

- fale symetryczne- dylatacyjne, cząstki drgają podłużnie w osi naturalnej, a na powierzchni po elipsie.

1. omów tłumienie fal ultradźwiękowych, współczynniki tłumienia i wpływ częstotliwości na tłumienie fali.

Tłumienie, osłabianie fali, czyli spadek ciśnienia na skutek procesów pochłaniania i rozpraszania, zachodzi w wyniku rozchodzenia się jej w ośrodkach rzeczywistych. Przyczyny tłumienia:

• niejednorodność ośrodka rzeczywistego- rozpraszanie fali na granicach ziaren efekt rozpraszania i dyfrakcji fali na niejednorodnościach;

• duże amplitudy fali – występują wtedy procesy nieliniowe polegające na zniekształceniu postaci fali oraz wytworzeniu ciśnienia promieniowania fali (powoduje wiatr akustyczny stały przepływ ośrodka w kierunku rozchodzenia fali);

• lepkość- absorpcja fali (dyspersja);

Wzrosty częstotliwości= wzrost absorpcji fali , wzrost dyspersji fali. Wartość współczynnika tłumienia rośnie ze wzrostem częstotliwości fal.

współczynniki tłumienia:

• amplitudowy współczynnik tłumienia- jest to współczynnik tłumienia odniesiony do amplitudy ciśnienia

$$\frac{\text{dA}}{A} = - \alpha t$$

• natężeniowy współczynnik tłumienia

$$\frac{\text{dI}}{I} = \gamma t$$

• współczynnik tłumienia w 2 różnych miejscach odniesiony od jednostki czasu

$$\alpha = \frac{1}{\Delta t}\ln\frac{A(t)}{A(t + 1)}\ \lbrack\frac{\text{dB}}{\text{us}}\rbrack$$

• od jednostki długości

$$\beta = \frac{1}{\Delta l}\ln\frac{A(l)}{A(l + 1)}\ \lbrack\frac{\text{dB}}{\text{cm}}\rbrack$$

• logarytmiczny dekrement tłumienia- określa zmiany dwóch kolejnych amplitud tłumienia

$$\delta = ln\frac{\text{Ax}}{Ax + 1}$$

• współczynnik tłumienia względnego

ε = βλ = βυ/f

• bezwymiarowy współczynnik tłumienia

$$\Theta^{- 1} = \frac{f1 - f2}{f0} = \frac{\alpha}{\text{fπ}} = \frac{\text{βυ}}{\text{fπ}}$$

1. omów zjawisko niesprężystości oraz podział metod pomiaru stałych materiałowych.

Zjawisko niesprężystości (sprężystości opóźnionej) - zjawisko zależności odkształcenia sprężystego od czasu nosi nazwę niesprężystości (sprężystości opóźnionej).

wykres:

Θ- czas relaksacji po którym odkształcenie wzrasta o 1/e odkształcenia maksymalnego lub zmniejsza się o 1/e przy odjęciu naprężenia: $\Theta = \frac{\varepsilon_{r} - \varepsilon_{n}}{e}$

εn- odkształcenie natychmiastowe niezrelaksowane;

εr- odkształcenie zrelaksowane, cząstki zajęły pozycje równowagowe;

t- czas działania naprężenia;

gdy t<<0 to e^-t/Θ -> 1, ε=εn

gdy t >>0 to e^-t/Θ -> 0, ε=εr

gdy to<t<t1 to ε= εr – (εr- εn)e^-t/Θ

Podział metod pomiaru modułów sprężystości:

- dynamiczne- mierzymy moduł niezrelaksowany, pomiar szybkości fali mechanicznej przechodzącej przez materiał, czas działania na materiał jest na tyle krótki że nie dojdzie do relaksacji; metoda ultradźwiękowa i metody rezonansowe. Moduł Younga natychmiastowy E=c_L²ρK

-statyczne- moduł zrelaksowany, statyczne próby odkształcenie próbek materiałów jak rozciąganie, zginanie, skręcanie ściskanie, moduł Younga statyczny: E=σ/ε

1. jak skaluje się i zeruje defektoskop.

W celu skalowania i zerowania defektoskopu najpierw należy po przeprowadzeniu pomiarów dla wzorca (czasów przejścia fali) określa się położenie zera aparatu.

zero= c= Θ_śred/2 – t _śred

gdzie Θ to średnia różnica między wartościami średnich czasów dla kolejnych impulsów, ech.

Następnie określamy współczynnik b zamiany odczytanych wartości położenia impulsów pomiarowych dla wzorca na czas przejścia fali. b= 4/Θ_śred w przypadku fal podłużnej i dla fali poprzecznej b= 7,28/ Θ_śred. Kolejno obliczamy rzeczywisty czas przejścia fali ultra przez wzorce i badane kierunki próbek zgodnie ze wzorem: t rzecz= (t_śred + c) * b

Następnie obliczamy prędkość rozchodzenia się fali ultra w wzorcach i w każdym kierunku próbek ze wzoru: Vl= d/t _rzecz

1. zasada działania defektoskopu.

Jednym ze sposobów wytworzenia fali ultra jest wykorzystanie drgającego źródła, które przekazuje energię do ośrodka z nim sprzężonego, przetwornika elektroakustycznego bazującym na odwrotnym zjawisko piezoelektrycznym. Przetwornik ultradźwiękowy przetwarza energie drgań elektrycznych na energię drgań mechanicznych i odwrotnie. Zasada działania defektoskopu polega na wytwarzaniu przez nadajnik krótkotrwałych impulsów elektrycznych, które przetwarza głowica nadawcza N na drgania ultradźwiękowe. Wprowadzona do badanego materiału fala ultradźwiękowa po odbiciu się od napotkanej wady (nieciągłości) w strukturze materiału wraca z powrotem do głowicy odbiorczej O, gdzie zostaje przetworzona na odpowiedni impuls elektryczny. Po wzmocnieniu i detekcji w odbiorniku impulsy elektryczne podawane są na płytki lampy oscyloskopowej. Na ekranie lampy oscyloskopowej otrzymujemy oscylogram w postaci szpilkowych impulsów, na podstawie którego można określić odległość między miejscem położenia głowicy, a powierzchnią odbijającą (wadą) oraz oszacować jej wielkość. Defektoskop może również pracować z jedną głowicą nadawczo – odbiorczą. W takim przypadku głowica ta jest jednocześnie źródłem i detektorem fal.

7 --------> 6 ----------> 5

I I

1-> 2-> próbka -> 3-> 4

gdzie:

1. generator impulsów

2. głowica nadawcza

3. głowica odbiorcza

4. wzmacniacz

5. ekran lampy oscyloskopowej

6. generator podstawy czasu

7. generator impulsów synchronizacyjnych

1. jakie badania materiałów ceramicznych można prowadzić metodami ultradźwiękowymi.

Możemy badać materiały ceramiczne o różnych kształtach, wymiarach (od kilku mm do kilku m), porowatości (do 70%), w dowolnym kierunku i miejscach.

a) w sposób bezpośredni:

• wielkość anizotropii próbek, niejednorodność

• wyznaczyć wszystkie stałe sprężystości lub stałe materiałowe próbek izotropowych i anizotropowych

• defekty mikrostruktury i ich lokalizacja (wykrywanie wad, rozwarstwień, pęknięć)

b) w sposób pośredni (o wcześniej wyznaczone korelacje):

• właściwości mechaniczne np. wytrzymałość na zginanie, ściskanie, rozciąganie, twardość

• właściwości cieplne np. współczynnik rozszerzalności cieplnej, odporność na wstrząs cieplny

• porowatość

• gęstość

c) na tym samym jednostkowym produkcie:

• śledzenie procesów formowania, suszenie, spiekania

• bieżąca kontrola operacji technologicznych

• śledzenie wpływu atmosfery i czasu procesów na tą samą próbkę

1. omów nieniszczący sposób pomiaru niejednorodności i anizotropii materiałów.

Niejednorodności:

badając rozkład prędkości na powierzchni próbki można w nieniszczący sposób określić obszary o mniejszej i większej gęstości i określić wielkość niejednorodności. W obszarach o różnych gęstościach fala ultradźwiękowa będzie rozchodzić się z inna prędkością. Bada się prędkość rozchodzenia fali ultradźwiękowej w różnych miejscach próbki i w ten sposób szacuje się rozkład niejednorodności materiału. Większe prędkości fali w próbkach prasowanych jednoosiowo występują na brzegach próbki, bo tam jest większa gęstość materiału, niż w środkowej części wypraski.

$$N = 100*\ \frac{c_{a} - c_{b}}{c_{a}}$$

ca- prędkość fali w obszarach przypowierzchniowych

cb- prędkość fali w obszarach środkowych

Anizotropia:

Anizotropia czyli kierunkowość, oznacza że w różnych kierunkach fala będzie rozchodzić się z inną prędkością. Spiekanie zmniejsza anizotropie podobnie jak doprasowanie izostatyczne oraz porowatość. Większe ciśnienie prasowania mniejsza anizotropia próbek. w celu badania ciała anizotropowego należy dokonać pomiaru w różnych kierunkach oraz stosować polaryzacje fali dla danego kierunku odpowiednią.

Wielkość anizotropii prędkości wyznacza się jako:

$$A = 100*\ \frac{c_{d} - c_{h}}{c_{d}}$$

gdzie

c_d- średnia prędkość fali po średnicy próbki;

c_h- średnia prędkość fali po grubości próbki;

1. jak można określić sposób formowania nieznanej próbki.

sposób formowania ma wpływ na wielkość anizotropii własności fizycznych próbek, największa anizotropia jest dla formowanych jednoosiowo, pory i ziarna ułożone są prostopadle do kierunku formowania. własności fizyczne maleją w kierunku równoległym do formowania. Prasowanie izostatyczne zmniejsza anizotropię lub eliminuje. spiekanie i stosowanie większych ciśnień prasowania zmniejszają anizotropię. Prędkość fali w próbkach prasowanych jednoosiowo zależy od temperatury spiekania. Ciśnienie prasowania ma mniejszy wpływ na cl dla izostatycznie prasowanych próbek.

Anizotropię można określić wykonując pomiar prędkości rozchodzenia fali podłużnych w kierunku równoległym i prostopadłym do kierunku formowania.

1. wpływ grubości próbek i długości fali na zmianę prędkości fal w ciałach stałych.

Prędkość fal akustycznych w ciałach stałych izotropowych zależy od sposobu drań i rozmiarów tych ośrodków w odniesieniu do długości fali. Dla ośrodka jednowymiarowego prędkość fali jest najmniejsza. zależność zmienia się wraz ze zmianą porowatości. im mniejsza porowatość tym większa różnica w prędkościach dla ośrodków.

Zależność między ośrodkami 3 i 2 określa liczbę Poissona:

$$\mu = \sqrt{t\left( t + 1 \right)} - t$$

$$t = \left( \ \frac{c_{l}^{3}}{c_{l}^{2}} \right)^{2} - 1$$

Wyróżniamy różne ośrodki:

ośrodek jednowymiarowy (pręt cienki)

k=1 b,c<< a b,c, d < 0,01 λ

d<< l

ośrodek dwuwymiarowy (cienka płyta)

k= 1- µ² c<<a

b c < 0,02 λ

ośrodek trójwymiarowy (blok nieograniczony)

k= (1+µ)(1-2µ)/ (1-µ) a~b~c d~l c<0,3 b c (5-10)λ

gdzie b,c,a, d, l to wymiary odpowiednie

1. na czym polega badanie metodą echa.

polega na wytworzeniu i wprowadzeniu do badanego materiału impulsów fal ultra oraz ich odbiór po odbiciu od wady materiałowej albo od powierzchni ograniczających. Na granicy materiał/ wada następuje odbicie fali. położenie fali można określić znając czas od wprowadzenia fali do chwili powrotu fali, gdy znamy prędkość rozchodzenia się fali. a l to droga fali

t=l/c= 2l_w/c gdzie l_w to odl wady

1. badanie metodą przepuszczania.

polega na wprowadzeniu fal ultra z jednej strony badanego materiału i na odbieraniu ich z drugiej strony po ich przejściu przez przedmiot i na równoczesnym obserwowaniu natężenia fali. każda wada utworzy cień wiec nastąpi osłabienie natężenia fali. stosuje się oddzielne głowice nadawczą i odbiorczą. nie można ustalić na jakiej głębokości jest wada.

Metoda przepuszczania wykorzystywana jest także do pomiarów czasu przejścia fali szczególnie przez materiały silnie tłumiące. W tym przypadku, ultradźwięki przebiegają przez próbkę tylko jednokrotnie i nie ulegają tak znacznemu lub nawet całkowitemu osłabieniu, które może mieć miejsce przy badaniu metodą echa, kiedy to fale przechodzą przez przedmiot dwukrotnie.

1. sposoby wykrywania wad w gruboziarnistym porowatym materiale ceramicznym.

W badaniach materiałów porowatych i gruboziarnistych oraz anizotropowych należy w mate odach ultradźwiękowych odpowiednio dopasować aparaturę pomiarową, wzmocnienie, częstotliwości oraz oprzyrządowanie jak przetworniki. Badanie wad jak pory, wtrącenia, przeprowadza się często w materiałach ceramicznych izolatorach impulsową metodą echa. Można stosować głowicę normalną, dla trudno dostępnych skośną głowicę w instrukcji jest coś tam…

1. sposób pomiaru grubości płyty z bezporowatego al2o3 jednostronnie dostępnej.

W przypadku gdy mamy tylko jednostronnie dostępna próbkę stosuje się metodą impulsową np. przy pomocy impulsowego defektoskopu ultradźwiękowego. Wykorzystuje się proporcjonalność drogi fal do czasu s=ct. Mierzymy czas pomiędzy kolejnymi impulsami echami musimy znać przy tym prędkość rozchodzenia fali w tym materiale. Dla głowic do fal uderzeniowych uzyskuje się najlepszą dokładność pomiaru.

Inna metodą jest metoda rezonansu. w przypadku odbicia fali zachodzi nałożenie tej fali na falę padającą i rezonansu.

1. pomiar wszystkich stałych materiałowych próbek izotropowych omów

bezpośrednio z pomiarów prędkości rozchodzenia się fali podłużnej i poprzecznej w próbce można wyznaczyć stałe materiałowe jak stałe sprężystości Cij, stałe E, G i vczas przejścia fali c= d/t

moduł Younga: E =  c_l²ρK , K= 1 lub K= 1- µ² lub K= (1+µ)(1-2µ)/ (1-µ)

moduł sztywności: G = c_t²ρ lub $G = c_{r}^{2}\rho\left( \frac{1 + \mu}{0,87 + 1,12\mu} \right)^{2}$ gdzie

liczba Poissona: $\mu = \ \frac{E}{2G} - 1$ lub $\mu = \ \frac{a - 2}{2(a - 1)}$ gdzie $a = \left( \frac{c_{l}}{c_{t}} \right)^{2}$

stałe sprężystości: C₁₁ =  c_l²ρ

1. ultradźwiękowa metoda pomiaru modułu Younga włókien.

Bardzo istotne jest naciągnięcie odpowiednie włókna bo od tego będzie zależeć prędkość fali. przyczynami błędów pomiaru są: docisk, naprężenie, ilość środka sprzęgającego.

$$c_{l} = \frac{l1 - l2}{t1 - t2}$$

Mamy trzy rodzaje badań włókien:

1. głowica jest prostopadła do włókna są sztywno przymocowane, nie jest wymagany środek sprzęgający, pomiar ciągły podczas produkcji stosowany

rys. z wykładu

1. głowice równoległe do włókna, wymaga środka sprzęgającego, pomiar w laboratorium

rys. z wykładu

1. głowice równoległe do włókna, wymaga środka sprzęgającego, z zastosowanie koncentratorów co poprawia badanie, pomiar w laboratorium

rys. z wykładu

1. mając możliwość pomiaru prędkości podłużnej fali tylko, podaj sposoby wyznaczania wszystkich stałych mat dla izotropowego.

Wyznaczamy liczbę Poissona mając dane prędkości rozchodzenia fali podłużnej w ośrodku dwuwymiarowym i trójwymiarowym z tego samego materiału.

$$\mu = \sqrt{t\left( t + 1 \right)} - t$$

$$t = \left( \ \frac{c_{l}^{3}}{c_{l}^{2}} \right)^{2} - 1$$

moduł Younga: E =  c_l²ρK , K= 1 lub K= 1- µ² lub K= (1+µ)(1-2µ)/ (1-µ)

moduł sztywności: G = E/2(u + 1)

1. badanie niewyważania tarcz ściernych.

ważne jest wyważenie ściernic tak by środek geometryczny pokrywał się ze środkiem ciężkości ściernicy. przy pomocy metod ultradźwiękowych badań niejednorodności, badań nieniszczących można mierzyć stan niewyważenia ściernicy w stanie surowym . Można określić rozkład niejednorodności zarówno w surowej jaki utwardzonej ściernicy oraz kierunek i wielkość niewyważenia. mierzy się prędkość rozchodzenia fal podłużnych ultra w różnych kierunkach Jeśli w danym kierunku wystąpi wzrost gęstości materiału to prędkość przejścia fali się zwiększy. Metodą przepuszczania po formowaniu bada się ściernice w n obszarach, większa prędkość jest tam gdzie jest większa gęstość materiału. Okazuje się że gęstość ta jest większa tam gdzie zasypywano materiał przy produkcji do formy.

1. badania utleniania, zwęglania, grafityzacji włókien PAN.

podczas pomiaru prędkości rozchodzenia fali podłużnej otrzymujemy bezpośrednio moduł względny.

utlenienie- następuje zrywanie jednych wiązań i tworzenie innych, pozbywamy się organicznych związków, wyprostowywanie łańcuchów, w atmosferze powietrza lub SiO2.

zwęglanie- następuje krystalizacja i układanie pakietów węglowych, wiązania C-H i inne zastępowane są poprzez C-C, turbo statyczna struktura, atmosfera ochronna.

grafityzacja- pełne uporządkowanie, atmosfera redukcyjna, największy wzrost modułu względnego.

wykres: z wykładu E/q od temp

1. badania spiekania ferrytu niklu.

Ni_0,41Zn₀,₆₃Fe₁.₉₆O₄

Podczas spiekania zmienia się prędkość rozchodzenia fali ultra w materiale. Na każdym etapie dokonujemy jej pomiarów.

Przebieg zmiany prędkości fali podczas różnych etapów spiekania:

rys z wykładu

1. spadek prędkości -0odparowanie wody

2. topnienie i odparowanie środków poślizgowych

3. przegrupowanie ziaren

4. spiekanie tworzenie kontaktów miedzy ziarnowych

5. duży wzrost prędkości, dużo kontaktów

przebieg zmiany wielkości amplitudy fali:

krzywa dylatometryczna zmian wymiarów liniowych:

1. zależność właściwości fizycznych twardości, gęstości, wytrzymałości na zginanie, rozszerzalności, od prędkości fal podłużnych.

Gęstość

wraz ze wzrostem gęstości danego materiału rośnie cL.

Twardość

różne metody pomiaru twardości np. penetracja piaskowa, wciskanie kulki Rockwella, Norton’a. Liniowy wzrost Cl wraz ze wzrostem twardości materiału. Można mierzyć twardość przy pomocy fal powierzchniowych lub twardościomierzem ultradźwiękowym (obserwacja zmian częstości drgań własnych pręta, dociśniętego jednym końcem ze stałym siłą do elementu badanego drugim w masie tłumiącej, powierzchnia kontaktu jest proporcjonalna do twardości a wraz z powierzchnią rośnie częstość drgań) .

Wytrzymałość na zginanie

dodatek al2o3 do porcelany powoduje najwyższy wzrost wytrzymałości na zginanie próbek. SiO2 obniża ją. Zależność liniowa między wytrzymałością a prędkością fali.

Rozszerzalność cieplna

Dla grafitu jest liniowa zależność, dla porcelany elektrotechnicznej kształt zależy od rodzaju dodatków. wpływ dodatków w materiale w porcelanie elektrotechnicznej al2o3 podnosi ją, ZrSiO4 obniża alfa, a sio2 obniża prędkość rozchodzenia fali ale podnosi alfa. Mając sporządzoną krzywą korelacyjną dla danego materiału możemy potem oszacowywać na podstawie prędkości jaki jest współczynnik rozszerzalności. Należy zatem dla każdego dodatku ustalić zależność między alfa a prędkością fali.