BADANIA ULTRAD WI KOWE

Celem wiczenia jest zapoznanie si z teoretycznymi podstawami defektoskopii

ultrad wi kowej, obsług defektoskopu i sposobem wyznaczania przy jego u yciu stałych

materiałowych.

16.1. WPROWADZENIE

16.1.1. Wła ciwo ci i rozchodzenie si fal ultrad wi kowych

Fale ultrad wi kowe s falami mechanicznymi o cz stotliwo ci wy szej od górnej granicy

słyszalno ci ucha ludzkiego (tj. ok. 16 kHz). Podobnie jak ka da fala mechaniczna, fala

ultrad wi kowa polega na przenoszeniu si w przestrzeni drga cz steczek o rodka, w którym fala si

rozchodzi. Je li te drgania cz steczek odbywaj si w kierunku prostopadłym do kierunku

rozchodzenia si (propagacji) fali, fala jest fal poprzeczn , gdy natomiast kierunki drga cz steczek i

propagacji fali s zgodne — jest to fala podłu na.

Fale mechaniczne rozchodz si wył cznie w o rodkach wykazuj cych wła ciwo ci spr yste,

przy czym dla rozchodzenia si fal podłu nych konieczna jest obj to ciowa, a dla fal poprzecznych —

postaciowa spr ysto o rodka. Zatem fale poprzeczne mog rozchodzi si jedynie w ciałach

stałych. Nat enie fali rozchodz cej si w o rodku maleje w miar wzrostu odległo ci od ródła na

skutek tłumienia, definiowanego jako przemiana cz ci energii fali na energi drga o innych

cz stotliwo ciach (głównie drga cieplnych).

Miar tłumienia jest współczynnik tłumienia y, który okre la wzgl dn zmian nat enia fali

na jednostk długo ci oraz zale y od rodzaju o rodka i cz stotliwo ci fali, zwi kszaj c si z jej

wzrostem. Typowe prawo tłumienia mo na uj wzorem

(16.1)

gdzie:

I

0

- nat enie fali w punkcie odniesienia,

I - nat enie w punkcie bie cym,

l - odległo mi dzy tymi punktami.

Fala padaj ca na granic dwóch o rodków mo e ulega odbiciu, załamaniu lub - przy

prostopadło ci kierunku propagacji do granicy o rodków - przenika do nowego o rodka bez zmiany

kierunku. O ile przynajmniej jeden z o rodków jest ciałem stałym, wyst puje wówczas równie

zjawisko przemiany rodzajów fal.

Zjawiska odbicia i załamania fal ultrad wi kowych s analogiczne do zjawisk zachodz cych

w falach elektromagnetycznych, np. wiatła. Załamanie zachodzi według znanego prawa sinusów

(16.2)

gdzie:

, — odpowiednio k t padania i k t załamania (k ty te mierzy

si od normalnej do

granicy o rodków),

c , c — odpowiednio pr dko ci fali padaj cej i fali załamanej.

Warto zauwa y , i je eli > , to c >c i istnieje taki k t padania *, któremu

odpowiada k t załamania równy 90°. Wówczas fala załamana lizga si po granicy dwóch

o rodków, a przy dalszym powi kszaniu k ta padania wyst puje tzw. zjawisko całkowitego odbicia

wewn trznego, polegaj ce na niewyst powaniu fali załamanej.

Zjawisko przemiany rodzajów fal polega na tym, i niezale nie od tego, czy na granic

o rodków pada fala podłu na, czy poprzeczna, powstaj zarówno podłu ne, jak i poprzeczne fale

odbite i załamane (o ile oczywi cie fale poprzeczne mog si rozchodzi w danym o rodku). Na

rys. 16.1 pokazane jest to zjawisko, przy czym L oznacza na nim fal podłu n , za T — fal

poprzeczn .

Rys. 16.1. Zjawisko przemiany rodzaju fal

Warto ci k tów odbicia i załamania s zawsze mniejsze dla fali poprzecznej ni dla fali

podłu nej, gdy pr dko fali poprzecznej jest w danym o rodku mniejsza ni pr dko fali

podłu nej (por. wzór (16.2)). Na granicy o rodków mo e wi c zachodzi zjawisko całkowitego

wewn trznego odbicia fali podłu nej i wówczas w o rodku załamania (je eli charakteryzuje si

on spr ysto ci postaci) rozchodzi si jedynie fala poprzeczna. Przypadek ten, wa ny z prakty-

cznego punktu widzenia, przedstawiono na rys. 16.2.

Pr dko fazowa c

f

fali w o rodku liniowo—spr ystym zale y od jego g sto ci p i

uogólnionego modułu spr ysto ci M, zgodnie ze wzorem

(16.3)

Dla o rodka stałego nieograniczonego uogólniony moduł spr ysto ci M jest w przypadku fal

podłu nych równy modułowi spr ysto ci obj to ciowej K, za w przypadku fal poprzecznych —

modułowi Kirchhoffa G. Stałe te, jak ka d z wielko ci charakteryzuj cych wła ciwo ci spr -

yste ciała, mo na wyrazi za pomoc modułu Younga E i liczby Poissona v w nast puj cy sposób

Rys. 16.2. Zjawisko całkowitego wewn trznego odbicia fali podłu nej

(16.4)

Zatem znaj c pr dko ci rozchodzenia si fali podłu nej (c

L

) i poprzecznej (c

T

) w danym o rodku oraz

jego g sto , mo na przez podstawienie wzorów (16.4) do (16.3) otrzyma zale no ci na moduł

Younga i liczb Poissona

(16.5)

Metoda ta b dzie dalej opisana dokładniej.

16.1.2. Wytwarzanie fal ultrad wi kowych

Urz dzenia techniczne wytwarzaj ce fale ultrad wi kowe nazywane s przetwornikami

ultrad wi kowymi. S to elementy zbudowane z materiałów piezoelektrycznych lub

piezomagnetycznych, które pobudza si do drga za pomoc zmiennego pola elektrycznego lub

magnetycznego. Do materiałów piezoelektrycznych stosowanych na przetworniki ultrad wi kowe

nale np.: tytanian baru, kwarc i siarczan litu. S one, ze wzgl du na mo liwo generowania drga o

wysokich cz stotliwo ciach (ponad 200 kHz) bez nadmiernych strat cieplnych, cz ciej stosowane ni

materiały piezomagnetyczne, takie jak nikiel, kobalt i elazo.

Zjawisko piezoelektryczne polega na odkształcaniu si elementów zbudowanych z materiałów

piezoelektrycznych pod wpływem przyło onej do ich cianek ró nicy potencjałów. Drgania te, zgodne z

cz stotliwo ci zmian napi cia, mog

przenosi si do o rodka s siaduj cego z przetwornikiem i rozchodzi si w nim jako fala

ultrad wi kowa. Tak działaj cy przetwornik nazywa si przetwornikiem nadawczym.

Zjawisko piezoelektryczne jest odwracalne, tzn. przy odkształcaniu elementu z materiału

piezoelektrycznego powstaje mi dzy jego ciankami ró nica potencjałów. Dzieje si tak m.in.

wówczas, gdy fala ultrad wi kowa powraca z o rodka do przetwornika i wywołuje jego

odkształcenia. Przetwornik pracuj cy w ten sposób nazywa si przetwornikiem odbiorczym.

Oczywi cie ten sam przetwornik mo e by wykorzystany zarówno jako nadawczy, jak i odbiorczy.

Rys. 16.3. Schemat działania głowicy

Głowica ultrad wi kowa z drgaj cym przetwornikiem w postaci kr ka lub płytki, któr przyło ono

do badanego o rodka, powoduje rozchodzenie si w nim podłu nej fali ultrad wi kowej. Je eli

konieczne jest wytworzenie w o rodku fali poprzecznej, wówczas nale y u y specjalnej głowicy, w

budowie której wykorzystuje si zjawisko całkowitego wewn trznego odbicia fali podłu nej. Materiał

tej głowicy musi by tak dobrany, aby k t padania wytworzonej przez przetwornik fali podłu nej na

granic z o rodkiem badanym spełniał warunek

*, gdzie k t a * odpowiada całkowitemu

wewn trznemu odbiciu fali podłu nej. Schemat takiej głowicy pokazano na rys. 16.3.

16.1.3. Cele i metody bada ultrad wi kowych

Badania ultrad wi kowe nale do grupy bada nieniszcz cych i wykorzystuje si w nich

zale no sposobu rozchodzenia si w o rodku fal ultrad wi kowych od wła ciwo ci spr ystych

materiału i jego struktury. Fale te szczególnie odbijaj si od wtr ce i nieci gło ci struktury o rodka.

Wykrywaniem wad tego typu zajmuje si defektoskopia ultrad wi kowa.

Metody defektoskopii ultrad wi kowej dziel si na: metody echa, cienia i rezonansu.

W metodzie echa wykorzystuje si zjawisko odbijania si fali ultrad wi kowej od wady materiałowej.

Powracaj ca do przetwornika odbiorczego fala odbita powoduje powstanie tzw. echa, które mo e by

wy wietlone na ekranie defekto-

skopu. Mo liwo okre lenia odległo ci od punktu odbicia fali uzyskuje si przez takie

zorganizowanie wy wietlania obrazu na ekranie defektoskopu, aby impuls nadany znajdował si w

stałym miejscu podczas kolejnych odnowie obrazu przez poruszaj c si z lewa na prawo plamk

wietln . Zadanie to spełnia specjalny układ, zwany czasosterem, który zapewnia synchroniczne

uruchomienie nadajnika (tj. wysłanie impulsu) oraz rozpocz cie kre lenia przez plamk linii

podstawy czasu. Impulsy odbite zostaj po powrocie do przetwornika odbiorczego zamienione na

drgania elektryczne, wzmocnione i skierowane na płytki odchylania pionowego lampy

oscyloskopowej, co powoduje ruchy plamki w gór i wy wietlenie ich na ekranie. Plamka wietlna

porusza si wzdłu linii podstawy czasu ruchem jednostajnym, zatem odległo na ekranie mi dzy

impulsem nadanym i odbitym jest proporcjonalna do czasu, jaki upłyn ł mi dzy wysłaniem i

powrotem fali, a wi c te do odległo ci do punktu, w którym fala uległa odbiciu. Oczywi cie oprócz

impulsów b d cych echami wad struktury materiału zostaje tak e zarejestrowany impuls odbity od

przeciwległej powierzchni ograniczaj cej badany o rodek. Impuls ten nosi nazw echa dna i musi by

poło ony na prawo od ech wad materiału. Zidentyfikowanie echa dna pozwala na okre lenie

poło enia wady, gdy musi zachodzi proporcja

(16.6)

gdzie: e

w

- odległo na ekranie mi dzy impulsem nadanym i echem

wady,

e

d

- odległo mi dzy impulsem nadanym i echem dna, Z

w

, l

d

- odległo ci wady i

przeciwnej granicy o rodka od przetwornika.

Zalet metody echa jest du a czuło , a tak e wymaganie tylko jednostronnego dost pu do materiału.

Mo e ona jednak by stosowana skutecznie tylko dla materiałów o ziarnach znacznie mniejszych od

wielko ci wad, gdy inaczej echa powstaj ce na granicach ziarn mog przesłoni echo wady. Metoda ta

nie pozwala ponadto na wykrycie wady, która jest poło ona w mniejszej odległo ci od poprzedniej

wady ni szeroko nadawanego impulsu.

Metoda cienia polega na wprowadzaniu fal ultrad wi kowych z jednej strony badanego przedmiotu i

odbieraniu ich z drugiej strony z jednoczesnym pomiarem nat enia odbieranej fali. Dla fal

przechodz cych przez obszar z wad rejestruje si przy odbiorze mniejsze nat enie ni dla fal

przenikaj cych przez obszar bez wad, gdy wszelkie nieci gło ci struktury powoduj cz ciowe od-

bicie fali ultrad wi kowej. Metoda cienia jest stosowana do badania materiałów o grubo ciach zbyt

małych dla metody echa (ze wzgl du na niemo no rozró nienia ewentualnego echa wady od echa

dna). Metoda ta umo liwia tak e badanie materiałów gruboziarnistych lub o nierównej powierzchni, w

przypadku których zawodzi metoda echa. Wymaga ona jednak dwustronnego dost pu do badanego

materiału i umieszczania głowic nadawczej i odbiorczej dokładnie na-

przeciw siebie, co poci ga za sob konieczno stosowania specjalnych uchwytów. Niemo liwy jest

tak e pomiar odległo ci wady od powierzchni materiału, co jednak nie ma wi kszego znaczenia dla

materiałów o małych grubo ciach.

Metoda rezonansu słu y głównie do pomiaru grubo ci warstw jednostronnie dost pnych i wykorzystuje

si w niej w tym celu zjawisko rezonansu amplitudy mi dzy fal nadan i odbit , które zachodzi

wówczas, gdy przesuni cie fazowe interferuj cych ze sob fal nadanej i odbitej powoduje osi gni cie

przez fal wypadkow amplitudy o maksymalnej mo liwej warto ci. Znaj c cz stotliwo drga , dla

której zachodzi zjawisko rezonansu oraz pr dko rozchodzenia si fal w badanym materiale mo na z

odpowiednich wzorów obliczy odległo od punktu, w którym fala uległa odbiciu.

16.1.4. Rozchodzenie si fal ultrad wi kowych w próbce walcowej i wyznaczanie modułu

Younga oraz liczby Poissona

Stosowana w wiczeniu metoda wyznaczania stałych materiałowych E i polega na okre laniu

pr dko ci podłu nej i poprzecznej fali ultrad wi kowej w próbce o kształcie walca, a nast pnie

wykorzystaniu wzorów (16.5). W zwi zku z tym konieczne jest krótkie przedstawienie zjawisk, które

zachodz przy przej ciu wytworzonej przez przetwornik wi zki ultrad wi kowej przez próbk

walcow .

Głowica ultrad wi kowa, przyło ona do jednej z podstaw próbki, wywołuje rozchodzenie si w niej

impulsów podłu nej fali ultrad wi kowej. Wysłany impuls dociera do przeciwległej podstawy próbki

i odbijaj c si od niej powraca do przetwornika, gdzie zostaje zarejestrowany jako tzw. pierwszy

irnpuls główny. Równocze nie jednak odbija si on tak e od tej podstawy próbki i ponownie porusza

si wzdłu jej osi do przeciwległej podstawy, gdzie ulega odbiciu, powraca do przetwornika i zostaje

zarejestrowany jako drugi irnpuls główny. Nast puje znów odbicie i opisany wy ej cykl powtarza si ,

powoduj c zarejestrowanie na ekranie defektoskopu ci gu impulsów głównych, o amplitudach

malej cych w wyniku tłumienia w materiale o rodka. Impulsy te powstaj wskutek rozchodzenia si

fali podłu nej wzdłu osi próbki i s odsuni te od siebie na ekranie o odległo odpowiadaj c

czasowi, jaki fala podłu na zu ywa na przebycie podwojonej długo ci próbki.

Oprócz odbi fali ultrad wi kowej od podstaw próbki zachodz tak e (wskutek rozbie no ci wi zki i

niewielkiej ró nicy rednic próbki i przetwornika) odbicia fali podłu nej od powierzchni walcowej

próbki, przy których wyst puje zjawisko przemiany rodzajów fal. Powoduje to powstanie i

zarejestrowanie przez przetwornik, oprócz ci gu impulsów głównych, tzw. impulsów towarzysz cych.

Impulsy te wyst puj na ekranie oscyloskopu mi dzy impulsami głównymi. Nie mog one jednak

wyst pi w obszarze pomi dzy impulsem nadanym i pierwszym impulsem głównym, gdy przebywaj

one w próbce dłu sz drog wzdłu

linii łamanej (w tym cz ciowo jako fala poprzeczna). Typowy dla przej cia fał przez próbk

walcow wygl d obrazu na ekranie oscyloskopu został przedsta-wiony na rys. 16.4. Na rysunku tym

cyframi oznaczono impulsy główne (0 od-

powiada impulsowi nadanemu), za literami — impulsy towarzysz ce. Odległo /1 stanowi odst p

mi dzy impulsami głównymi, a l

2

okre la opó nienie pierwszego impulsu towarzysz cego w stosunku

do pierwszego impulsu głównego.

Konieczn do okre lenia modułu Younga i liczby Poissona pr dko fali poprzecznej mo na, przy

zało eniu, e pr dko fali podłu nej jest znana, obliczy na podstawie opó nienia pierwszego

impulsu

towarzysz cego w stosunku do pierwszego impulsu głównego. Drog

przez próbk fali wywołuj cej

pierwszy impuls towarzysz cy przedstawiono r rys. 16.5, gdzie przez T oznaczono odcinki, na

których rozchodzi si fala poprzeczna, a przez L — drog przebyt przez fal podłu n . Długo ci

poszczególnych odcinków tej drogi mo na wyznaczy z elementarnych zale no ci trygonometrycznych,

które wynikaj z rys. 16.5. Uwzgl dniaj c, i na odcinku

Rys. 16.4. Przykładowe impulsy na ekranie oscyloskopu

Rys. 16.5. Droga przez próbk fali wywołuj cej pierwszy impuls towarzysz cy

CD wyst puje fala poprzeczna, mo na czas upływaj cy od nadania impulsu ci

powrotu pierwszego impulsu towarzysz cego wyrazi zale no ci

(16.7)

Z kolei czas, który upływa mi dzy nadaniem impulsu i powrotem pierwszego impulsu

głównego, okre lony jest wzorem

(16.1)

Opó nienie pierwszego impulsu towarzysz cego w stosunku do pierwszego impulsu

głównego wynosi wi c

(16.9)

i dla małego k ta rozbie no ci wi zki, dla którego sin 1, mo e by przedstawione wzorem

(16.10)

z którego wynika zale no na pr dko fali poprzecznej

(16.11)

Wyst puj c w powy szym wzorze pr dko fali podłu nej c

L

wyznacza si z zale no ci

wynikaj cej ze wzoru (16.8)

(16.12)

Ze wzorów (16.11) i (16.12) wynika, i wyznaczenie pr dko ci c

L

oraz c

T

wymaga znajomo ci czasów t1

i t

2

. Czasy te oblicza si na podstawie długo ci odcinków l1 oraz /

2

, które odpowiadaj im na ekranie

defektoskopu. Nale y w tym celu okre li czas, jaki plamka wietlna zu ywa na przebycie drogi rów-

nej jednej działce podziałki naniesionej na ekran. Zabieg ten nazywa si skalowaniem podstawy czasu i

w celu jego przeprowadzenia u ywa si w wiczeniu próbki wzorcowej, dla której znana jest pr dko

rozchodzenia si fali podłu nej. Dla takiej próbki mo na zatem obliczy ze wzoru (16.8) czas

odpowiadaj cy odległo ci mi dzy dwoma kolejnymi impulsami głównymi na ekranie, co pozwala - po

zmierzeniu tej odległo ci — na okre lenie warto ci czasu na jednostk podziałki ekranu. Nale y przy

tym podkre li , i skalowanie takie obowi zuje dla danego poło enia pokr tła regulacji pr dko ci

pisania podstawy czasu, w jakie wyposa ony jest ka dy defektoskop.

16.2. OPIS STANOWISKA

Stanowisko badawcze składa si z defektoskopu ultrad wi kowego oraz poł czonej z nim

uniwersalnej głowicy do pomiarów metod echa. W wiczeniu

mog by u yte defektoskopy ró nych typów, wymagana jest jedynie mo liwo regulacji

wzmocnienia i pr dko ci pisania podstawy czasu oraz przesuwania obrazu na ekranie defektoskopu w

poziomie bez zmiany podziałki czasu. Szczegółowych informacji dotycz cych obsługi defektoskopów

udziela prowadz cy wiczenie.

16.3. PRZEBIEG WICZENIA

1.

Poł czy defektoskop z nadawczo-odbiorcz głowic ultrad wi kow i ustawi na prac metod

echa.
2.

Posmarowa niewielk ilo ci oleju powierzchnie styku badanych próbek z głowic (dla

polepszenia kontaktu).
3.

Zakres pomiarowy defektoskopu ustawi na 100 mm, a wzmocnienie - tak, aby mo na było

obserwowa na ekranie impulsy główne i towarzysz ce.
4.

Po przyło eniu głowicy do badanej próbki ustawi za pomoc pokr teł przesuwu poziomego i

pionowego obraz na ekranie w ten sposób, aby impuls nadany znalazł si w pocz tku podziałki, a

linia podstawy czasu pokryła si z podziałk . Je eli na linii podstawy czasu znajduj si drobne

zakłócenia, mo na je wyeliminowa przez obracanie pokr tła podci cia, co powoduje „zanurzanie"

wykresu w linii podstawy czasu.
5.

Po zidentyfikowaniu impulsów głównych rozci gn przez obracanie pokr teł pr dko ci pisania

podstawy czasu oraz przesuwu poziomego odległo mi dzy pierwszym i drugim impulsem

głównym na cał długo podziałki ekranu. Odległo ta, wyra ona w działkach, jest poszukiwan

warto ci l1. Liczba działek mi dzy pierwszym impulsem głównym i pierwszym impul

sem towarzysz cym okre la warto l

2

(odległo ci mierzy si mi dzy pocz tkami impulsów, tj.

miejscami, w których linia podstawy czasu załamuje si ku górze).
6.

NIE ZMIENIAJ C POŁO ENIA POKR TŁA PR DKO CI dokona skalowania podstawy

czasu przez pomiar odległo ci b mi dzy kolejnymi impulsami głównymi dla próbki wzorcowej

(najkrótsza próbka), w której fala podłu na rozchodzi si z pr dko ci 5900 m/s. Znaj c długo

próbki wzorcowej mo na ze wzoru (16.8) okre li czas powrotu przebiegaj cego przez

ni impulsu fali podłu nej. Czas ten odpowiada b działkom na ekranie, co pozwala na wyznaczenie

czasu odpowiadaj cego jednej działce przy danym ustawieniu pokr tła pr dko ci. Okre lenie

podziałki czasu umo liwia otrzymanie warto ci czasu t1, potrzebnej do obliczenia ze wzoru (16.12)

pr dko ci fali podłu nej w badanej próbce.

7.

Zwa y próbki badane, zmierzy ich długo ci i rednice oraz obliczy g sto ci ich materiałów.

8.

Zmierzy długo próbki wzorcowej.

9.

Obliczy liczb Poissona oraz moduł Younga.

Zale no pozwalaj c na wyznaczenie liczby Poissona otrzymuje si ze wzorów (16.5), (16.11) i

(16.12). Po uwzgl dnieniu proporcji

(16.13)

uzyskuje si ostateczny wzór

(16.14)

Wzór okre laj cy moduł Younga otrzymuje si z zale no ci (16.5), przy uwzgl dnieniu wyra enia

(16.14)

(16.15)

16.4. ZAWARTO

SPRAWOZDANIA

W sprawozdaniu nale y zamie ci :

1.

Dane badanych próbek według tablicy wzorcowej 16.1.

2.

Długo l

w

próbki wzorcowej i pr dko c

LW

fali podłu nej w tej próbce.

3.

Wyniki pomiarów i oblicze zgodnie z tablic wzorcow 16.2.

4.

Opis sposobu skalowania podstawy czasu.

5.

Porównanie wyznaczonych warto ci E i v z odczytanymi z tablic oraz

wnioski.

T a b l i c a 16.1

Dane dla próbek wzorcowych

T a b l i c a 16.2

Wyniki pomiarów i oblicze