Defektoskopia ultradźwiękowa -wstęp

Defektoskopia ultradźwiękowa - wstęp

1. Definicja fal ultradźwiękowych

Ultradźwiękowe badanie materiałów pozwala na określenie szeregu ich własności. Metody
ultradźwiękowe pozwalają nie tylko na badania makrostrukturalne, wykorzystywane w defektoskopii
wyrobów przemysłowych czy diagnostyce medycznej, ale również na badanie mikrostruktury dające
możliwość wyznaczenia takich wielkości jak: moduły sprężystości, współczynnik tłumienia, zawartość
domieszek, gęstość dyslokacji, średnią długość pętli dyslokacyjnej, średnią wielkość ziarna materiałów
polikrystalicznych. Dla poznania struktury krystalicznej metali szczególnie cenne są badania
rozchodzenia się fal ultradźwiękowych w stanie przewodnictwa. Badanie wpływu minimalnych
zanieczyszczeń na własności akustyczne monokryształów pozwala, między innymi ustalić strukturę
dyslokacji oraz mechanizm ich powstawania i poruszania się. W płynach do najczęściej wyznaczanych
za pomocą badań ultradźwiękowych wielkości należą: stosunek ciepła właściwego przy stałym
ciśnieniu i przy stałej objętości, lepkość, ściśliwość adiabatyczna, średnice cząsteczek, wartości sił
międzycząsteczkowych a dla płynów niejednorodnych koncentracja zawiesin.

Częstości drgań sprężystych, jakim może być poddane jakieś ciało rozciągają się od bardzo niskich,
związanych z rozmiarami ciała stałego, do bardzo wysokich ograniczonych od góry wielkością stałej
sieciowej (odległością sąsiednich atomów). Zakres ten można umownie podzielić na częstości
infradźwiękowe (poniżej 16Hz), częstości akustyczne (16 Hz – 16 kHz), ultradźwiękowe (16 kHz –
100 MHz), hiperdźwiękowe (100 MHz – 10

10

Hz).

2. Prędkość fal ultradźwiękowych.

Prędkość fal akustycznych w ciałach stałych izotropowych zależy od sposobu drgań oraz rozmiarów
tych ośrodków w odniesieniu do długości fali. Wyróżnia się prędkości fal podłużnych V

L

oraz

poprzecznych V

T

dla tak zwanych ośrodków „nieograniczonych” oraz analogiczne prędkości dla

ośrodków „ograniczonych”. Ośrodek „ograniczony” to ośrodek, którego wymiary są porównywalne z
długością fali λ.
Dla ośrodka izotropowego, to znaczy takiego, w którym prędkość nie zależy od kierunku propagacji,
prędkości fal są wyznaczane poprzez stałe materiałowe: λ, µ - stałe Lamego i gęstość ośrodka ρ lub
przez moduły ( E - moduł sprężystości podłużnej, G – moduł sprężystości poprzecznej, K – moduł
sprężystości objętościowej) , ν – współczynnik Poissona oraz gęstość ośrodka ρ.
Oto wyrażenia opisujące te zależności dla fal podłużnych (c

L

) i poprzecznych (c

T

)

( )

(

)(

)

c

E

L

=

+

=

−

+

−

λ

µ

ρ

ν

ρ

ν

ν

2

1

1

1 2

(1)

prędkość fal podłużnych:

(

)

c

E

T

=

=

+

µ

ρ

ρ

2 1

ν

(2)

prędkość fal poprzecznych

1

Defektoskopia ultradźwiękowa -wstęp

UWAGA: Dla ośrodków ograniczonych przestrzennie prędkości te są MNIEJSZE
Ośrodek, którego jeden lub dwa wymiary a, b prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali są
ograniczone:

(3)

fale podłużne,

(

)

c

E

L

=

−

ρ

ν

1

2

płyta a>

λ

, b <

λ

(4)

c

E

L

=

ρ

pręt a <

λ

, b <

λ

Prędkości fal ultradźwiękowych są niezależne od częstotliwości w zakresie od 20 kHz do 20 MHz.

UWAGA: dla ośrodków izotropowych i nieograniczonych iloraz prędkości fali poprzecznej i podłużnej
jest zależny tylko od współczynnika Poissona υ

( )

c
c

T

L

=

−

−

1

2

2 1

ν

ν

(5)

W tabeli 1.1 podane są informacje o właściwościach akustycznych wielu ciał stałych. W ostatniej
kolumnie podano wartość iloczynu prędkości fal podłużnych i gęstości ośrodka. Ten iloczyn jest miarą
tzw. akustycznej oporności falowej ośrodka: m =

ρ

⋅ c

L

.

Warto znać prędkości fal podłużnych i poprzecznych w stali i PMM (stosowany w głowicach
ultradźwiękowych) oraz w wodzie i w powietrzu a także akustyczne oporności falowe tych
ośrodków. Wielkości te są zawarte w poniżej tabelce.

Tabela 1. Wartości prędkości fal podłużnych i poprzecznych oraz akustycznej oporności falowej dla
czterech ośrodków

Lp Ośrodek

C

L

[m/s ]

C

T

[m/s ]

ρ

⋅ C

L

[10

6

]

[Pa

⋅m/s]

1 stal

6000 3200 46

2 PMM

2700 1100 3,2

3 woda

1480 - 1,48

4 powietrze

330 - 0,003

2

Defektoskopia ultradźwiękowa -wstęp

3

Defektoskopia ultradźwiękowa -wstęp

3. Tłumienie fal ultradźwiękowych

Każda substancja posiada charakterystyczne widmo drgań własnych odpowiadające stanowi
równowagi termodynamicznej. Pobudzenie ciała do drgań z jakąś szczególną częstością, różniącą się
od częstości drgań własnych, stanowi więc odchylenie od stanu równowagi. Na skutek tłumienia
nierównowagowe widmo energii przechodzi po pewnym czasie w widmo równowagowe. Tłumienie
określa się jako przemianę części energii rozchodzących się fal o danej częstotliwości na energię drgań
o innych częstotliwościach, z reguły na energię drgań cieplnych.. Przemianę taką powodują różne
mechanizmy fizyczne. Jednym z nich jest tłumienie termosprężyste. W materiale przez który
przechodzi fala ultradźwiękowa, w miejscach w których następuje zagęszczenie materiału zachodzi
podwyższenie temperatury. Na skutek przewodności cieplnej ciepło rozchodzi się z obszarów
zagęszczenia (ogrzanych) do obszarów chwilowo rozrzedzonych (oziębionych).

Powyższy proces przepływu ciepła odbywa się kosztem energii fali ultradźwiękowej. Wielkość strat
termosprężystych zależy od częstotliwości fali ultradźwiękowej. Straty te są większe dla niezbyt
wysokich częstotliwości, czyli gdy przywrócenie równowagi cieplnej nadąża za drganiami
ultradźwiękowymi, niż dla bardzo dużych częstotliwości rzędu 10

9

Hz, gdy przepływ ciepła jest zbyt

wolny co powoduje, że ten rodzaj tłumienia zanika. Tłumienie termosprężyste charakterystyczne jest
dla rodzajów fal którym towarzyszą lokalne zmiany gęstości a więc przede wszystkim dla fal
podłużnych. Dla fal poprzecznych, którym nie towarzyszą zmiany gęstości ten rodzaj tłumienia nie
występuje. Inny mechanizm tłumienia, nazywamy tłumieniem od zjawisk relaksacji strukturalnej,
spowodowany jest tym, że energia fali ultradźwiękowej może być zużyta na przejście do wyższych
stanów energetycznych, jak np. na zmianę położenia atomu międzywęzłowego względem sieci
krystalicznej czy tez na przejście z jednej konfiguracji makrocząsteczki do drugiej. Maksimum
tłumienia w funkcji częstotliwości występuje wówczas, gdy częstotliwość drgań ultradźwiękowych
staje się równa częstotliwości własnej zmiany stanu energetycznego przez dany układ, czyli tzw.
częstotliwości relaksacji. Tłumienie fali ultradźwiękowej może być również spowodowane takimi
defektami struktury jak dyslokacje, domieszki i granice ziaren. Dla częstotliwości wysokich, dla
których długość rozchodzących się w ośrodku fal jest porównywalna z wielkością ziarna materiału,
zaczyna występować zjawisko rozproszenia fali ultradźwiękowej. Rozproszenie jest tym większe im
bardziej zbliżone są wymiary ziarna do długości fali. Na granicy każdego ziarna następuje wówczas
częściowe odbicie fali, przy czym ze względu na nieregularne kształty ziaren fale odbijają się we
wszystkich kierunkach. Wskutek tego natężenie fali biegnącej w rozpatrywanym kierunku stale się
zmniejsza, straty spowodowane rozproszeniem szybko rosną wraz ze wzrostem częstotliwości fali
ultradźwiękowej.

Współczynnik tłumienia określa szybkość ubytku energii drgań mechanicznych fali wraz z odległością
przebytą przez falę w tym ośrodku. Naturalnym założeniem jest, że natężenie fali zmniejszy się o
wartość proporcjonalną do natężenia początkowego i długości przebytej drogi.

dx

I

dI

⋅

⋅

=

−

α

(6)

Po scałkowaniu otrzymujemy wykładniczą zależność natężenia fali od odległości.

x

o

e

I

I

α

−

⋅

=

(7)

Podobnie amplituda fali maleje wykładniczo

4

Defektoskopia ultradźwiękowa -wstęp

x

o

e

A

A

2

α

−

⋅

=

(8)

ze współczynnikiem tłumienia dwukrotnie mniejszym.
Współczynnik tłumienia podaje się w dB/cm. Zgodnie z w/w zależnościami liczy się go następująco:

x

A

A

x

I

I

n

n

cm

dB

1

1

log

20

log

10

=

=

α

(9)

gdzie A

1

i A

n

są amplitudami fali, a x odległością (w cm) między punktami ośrodka, w których

mierzono te amplitudy .
Współczynnik tłumienia zależy od częstotliwości fali , struktury materiału oraz amplitudy impulsu.
Dla niskich częstotliwości w ośrodkach stałych współczynnik tłumienia wzrasta liniowo wraz z
częstotliwością. W tym zakresie częstotliwości dominują straty energii na skutek przewodnictwa
cieplnego. Dla wysokich częstotliwości zależność ta przechodzi w parabolę. W tym obszarze
częstotliwości główną rolę odgrywa rozproszenie na granicach ziaren. Jak już wspomniano
elementami struktury, które odgrywają istotną rolę w tłumieniu fal ultradźwiękowych są: wielkość
ziarna krystalicznego, domieszki i dyslokacje.

Rys.1. Typowa zależność współczynnika
tłumienia od częstotliwości dla ośrodków
stałych.

Tabela 2 . Współczynniki tłumienia fal ultradźwiękowych dla kilku ośrodków

5

Defektoskopia ultradźwiękowa -wstęp

W tabeli 2 podano wartości współczynników tłumienia dla x = 1 mm i dla drgań o częstotliwości f

1

=

1 MHz. UWAGA: Współczynnik ten dla innej częstotliwości fx [MHz] oraz dla bazy pomiaru
wyrażonej w cm można oszacować mnożąc wartość z tabeli przez współczynnik k = 10· fx


4. Wytwarzanie fal ultradźwiękowych
Fale ultradźwiękowe wytwarzamy zazwyczaj za pomocą tzw. przetworników ultradźwiękowych.
Przetwornikami nazywamy takie urządzenia, za pomocą których przetwarza się jeden rodzaj energii w
drugi. Zwykle chodzi o zamianę energii drgań elektrycznych lub magnetycznych na energię drgań
mechanicznych i odwrotnie. W celu przetworzenia energii drgań może być wykorzystane zjawisko
piezoelektryczne lub zjawisko magnetostrykcji. Zjawisko piezoelektryczne, występujące w
krystalicznym kwarcu, ceramice niobanowej lub tytanianowo-barowej, polega na powstawaniu
ładunków elektrycznych na powierzchni ciała poddanego działaniu naprężenia. Zjawisko to jest
odwracalne tzn. pod wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego w krysztale powstają
odkształcenia. Zjawisko piezoelektryczne występuje tylko w kryształach o niskiej symetrii, a więc
krystalizujących w układzie heksagonalnym, trygonalnym lub tetragonalnym. Wspólną cechą
kryształów należących do tych układów krystalograficznych jest, że w zbiorach elementów symetrii
tych układów brak jest środka symetrii. Brak środka symetrii w kryształach warunkuje występowanie
w nich zjawiska piezoelektrycznego. W zależności od tego, w jaki sposób wytniemy płytkę z kryształu
kwarcu, w odniesieniu do osi krystalograficznych kryształu, zmieniają się własności
przetwornika. W przetwornikach ultradźwiękowych zazwyczaj stosuje się dwa podstawowe typy cięć
kwarcu: cięcie X (płytka jest prostopadła do osi X) oraz cięcie Y ( płytka jest prostopadła do osi Y).
Do budowy przetworników generujących fale podłużne wykorzystuje się najczęściej cięcie X..
Zjawisko piezoelektryczne występuje również w ferroelektrycznych polikryształach. Ferroelektryki
jak wykazały badania składają się z oddzielnych obszarów tak zwanych domen, w których
elementarne momenty dipolowe ustawione są zgodnie i które dzięki temu wykazują polaryzację
spontaniczną. zjawisku magnetostrykcyjnym. Zjawisko to jest odwracalne podobnie jak zjawisko
piezoelektryczne i występuje niklu, kobalcie i żelazie. Zjawisko magnetostrykcyjne polega na
powstawaniu odkształceń pod wpływem zmian pola magnetycznego. Drgania powstające w
przetworniku, na skutek przyłożonego pola, są drganiami wymuszonymi. Amplituda tych drgań jest
największa jeśli częstotliwość przyłożonego napięcia wymuszającego jest równa częstotliwości drgań
własnych przetwornika czyli częstotliwości rezonansowej. Amplituda drgań przetwornika, drgającego
z częstotliwością rezonansową, zależy od amplitudy przyłożonego napięcia elektrycznego oraz od
czułości przetwornika. Gdy drgający przetwornik piezoelektryczny znajduje się w kontakcie
akustycznym z jakimś ośrodkiem sprężystym, to w ośrodku tym powstają fale o częstości równej
częstości drgań przetwornika. Kształt wytworzonej w ten sposób wiązki fal ultradźwiękowych zależy
od średnicy przetwornika i długości fali w ośrodku. Jeśli przetwornik wysyła fale do półprzestrzeni, to
w polu ultradźwiękowym można wyróżnić tzw. strefę bliską o długości L, w obrębie której wiązka
ultradźwiękowa jest nie rozbieżna i strefę daleką w kształcie stożka.

Rys.2. Kształt wiązki
ultradźwiękowej. D –średnica
przetwornika, L1 –

pole

bliskie, L2 – pole dalekie

6

Defektoskopia ultradźwiękowa -wstęp

5. Odbicie i załamanie fal ultradźwiękowych.

Gdy fala pada na granicę dwóch ośrodków wówczas zachodzi zjawisko odbicia i przenikania.

Część fali odbija się od granicy ośrodków, część natomiast przechodzi poprzez granicę do ośrodka
przyległego. Niech indeks 1 dotyczy ośrodka w którym rozchodzi się wiązka fal padających, a indeks
2 ośrodka do którego fale przenikają. W przypadku padania prostopadłego współczynnik odbicia R i
współczynnik przenikania T wynoszą:

2

1

1

2

2

1

1

2

2

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

+

−

=

=

V

V

V

V

I

I

R

p

o

ρ

ρ

ρ

ρ

(10)

1

1

2

2

2

2

1

1

4

V

V

V

V

I

I

T

p

t

ρ

ρ

ρ

ρ

+

=

=

(11)

gdzie Ip, Io i It są to odpowiednio natężenia fali padającej, odbitej i przenikającej.

ρ

- gęstość ośrodka

a V prędkość fali .
Iloczyn

ρ

V nazywa się falową opornością akustyczną ośrodka. Oporność akustyczna ciał stałych jest

dużo większa od oporności cieczy i gazów. Współczynnik odbicia jest więc szczególnie duży (bliski
1), gdy fala ultradźwiękowa przechodzi z ośrodka stałego do cieczy lub gazu. Tym właśnie tłumaczy
się fakt, że fale ultradźwiękowe rozchodząc się w ciałach stałych praktycznie nie wnikają do
otaczających ciało stałe cieczy czy też gazu. Z definicji współczynnika odbicia wynika, że powodem
odbicia fali ultradźwiękowej na granicy dwóch ośrodków jest różnica ich oporności akustycznych.
Jeśli więc fala ultradźwiękowa rozchodząca się w danym materiale rozchodząca się w danym
materiale na drodze swojej napotyka obszar o nieco innej oporności akustycznej (wada typu
nieciągłości, tkanka chora) ulegnie odbiciu. Gdy fala ultradźwiękowa pada pod kątem skośnym na
granicę dwóch ośrodków stałych o różnych własnościach akustycznych, odbiciu i załamaniu
towarzyszy też transformacja fali. Zjawisko transformacji polega na tym, że gdy na granicę ośrodków
pada fala tylko podłużna (L) czy też tylko poprzeczna (T) zarówno w wiązce odbitej jak i załamanej
wystąpią oprócz fal podłużnych fale poprzeczne, rozchodzące się z inną prędkością, a więc pod
innym kątem niż fale ‘pierwotne’. Rysunek 3 pokazuje takie transformacje dla przypadku, gdy
prędkość fal w ośrodku ‘2’ jest większa od prędkości fal w ośrodku ‘1’

.

Rys.3. Załamanie,
odbicie i transformacja
fali podłużnej padającej
na granicę ośrodków
stałych

7

Defektoskopia ultradźwiękowa -wstęp

Na rys.3 pokazano transformację podłużnych fal ultradźwiękowych padających na granicę dwóch
ciał stałych. Dla fal płaskich zależności pomiędzy kątami padania i załamania opisuje znane z
optyki równanie Sneliusa.

2

1

2

1

sin

sin

sin

sin

T

T

L

L

V

V

V

V

γ

δ

β

α

=

=

=

(12)

gdzie:

prędkości fal podłużnych i poprzecznych w ośrodku ‘1’ a V

L2

i V

T2

- prędkości fal

podłużnych i poprzecznych w ośrodku ‘2’ .

Podział energii pomiędzy fale podłużne i poprzeczne fali załamanej zależy od kąta padania α i
dla dużych kątów padania w wiązce poprzecznej znajduje się większość energii, która wniknęła
do ośrodka 2. Zjawisko to jest wykorzystywane w skośnych głowicach ultradźwiękowych
służących do wytwarzania fal poprzecznych. Zwiększając kąt padania fali L1 możemy
doprowadzić do takiej sytuacji, że kąt

β

osiągnie wartość 90

0

. Jeśli kąt α jeszcze powiększymy

wówczas fala L w ogóle nie wniknie do ośrodka 2. Zjawisko to przebiega analogicznie do
zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia w optyce. Dobierając odpowiednio kąt α możemy
więc przekształcić podłużną falę ultradźwiękową L1 w ośrodku ‘1’ w falę poprzeczną T2 w
środku ‘2’.


UWAGA: W przypadku padania fali podłużnej L1 na granicę ośrodków stal-powietrze pod
dużym kątem (

α ≈ 90

o

), powstająca fala poprzeczna T1 rozchodzi się w głąb stali pod kątem

około

δ ≈ 30

o

. Ze wzorów Sneliusa (12) wynika też wniosek, iż fala poprzeczna T1 rozchodząca

się w stali, padając na granicę stal-powietrze pod kątem około

δ ≈ 30

o

generuje także falę

podłużną rozchodzącą się prawie stycznie do granicy ośrodków. Uwaga ta wskazuje na
występowanie złożonych ‘transformacji’ wiązki fali podłużnej biegnącej wzdłuż granicy
ośrodków stal-powietrze.

8

Defektoskopia ultradźwiękowa -wstęp

6. Opis defektoskopu analogowego.

W skład aparatu ultradźwiękowego (defektoskopu) wchodzą następujące główne podzespoły:
nadajnik impulsów, odbiornik impulsów oraz generator podstawy czasu. Uproszczony schemat
blokowy defektoskopu przedstawiony jest na rys.4.
















Rys. 4. Schemat blokowy defektoskopu: 1 – generator impulsów synchronizujących, 2 – układ
opóźniający start nadajnika impulsów, 3 – nadajnik impulsów, 4 – układ opóźniający start
generatora podstawy czasu, 5 – generator podstawy czasu, 6 – lampa oscyloskopowa
(zaznaczono płytki odchylania pionowego i poziomego), 7 – przełącznik elektroniczny rodzaju
pracy, 8 – wzmacniacz impulsów, badany przedmiot, 10 – głowica ultradźwiękowa, R i T –
gniazda do podłączenia głowic

Generator (1) – generuje impulsy wysokiego napięcia rzędu 500V, o czasie trwania kilku
mikrosekund i częstotliwości powtarzania około 400Hz (rys.5). Wielkość impulsów można
regulować za pomocą odpowiedniego potencjometru. Powyższe impulsy podawane są na
przetwornik piezoelektryczny, który „uderzony” impulsem zaczyna drgać z częstotliwością
drgań własnych. Drganiom przetwornika towarzyszą drgania elektryczne w obwodzie
rezonansowym LC, w którym pojemność stanowi sam przetwornik piezoelektryczny (P), zaś
przewodząca próbka ciała badanego przez kontakt z zewnętrzną obudową przetwornika zamyka
obwód elektryczny (rys.6). Sygnał napięciowy z przetwornika jest podawany na wzmacniacz
szerokopasmowy (8). Napięcie z tego wzmacniacza podawane jest na okładki ‘pionowego’
odchylania oscyloskopu. Wzmocnienie toru odbiorczego (w dB) reguluje się zazwyczaj płynnie
i skokowo odpowiednim potencjometrem. Generator podstawy czasu wytwarza napięcie,
którego wielkość zmienia się w sposób przedstawiony na rysunku 7.

9

Defektoskopia ultradźwiękowa -wstęp

Rys. 5. Impulsy wysokiego napięcia
podawanego na przetwornik

Rys. 6. Schemat zastępczy przetwornika

Rys. 7. Napięcie piłokształtne

generatora ‘podstawy czasu’

Rys.8. Schemat powstawania ciągu
impulsów od dna próbki. P – próbka,
K – przetwornik piezokwarcowy,
S – kabel doprowadzający napięcie,
A – impuls elektryczny nadajnika,1 – 4
kolejne echa dna na ekranie
defektoskopu.

Czas przejścia plamki od jednego krańca ekranu do drugiego można zmieniać w sposób ciągły i
skokowy pokrętłem zasięgu podstawy czasu. Start podstawy czasu jest jednoczesny z wysłaniem
przez nadajnik impulsu pobudzającego przetwornik do drgań. Przetwornik, na który podawane są
z nadajnika krótkie impulsy elektryczne wysyła impulsy fal ultradźwiękowych. Pomiędzy
kolejnymi aktami generacji przetwornik pozostaje w spoczynku. Jeśli w czasie, gdy przetwornik
znajduje się w spoczynku dotrze do niego impuls fal odbitych, to pod wpływem ciśnienia fali
przetwornik wytworzy impuls elektryczny, którego napięcie będzie proporcjonalne do ciśnienia
fali (zjawisko piezoelektryczne). Przetwornik pracuje teraz jako odbiornik fal ultradźwiękowych.
Powstałe na przetworniku napięcie, po wzmocnieniu i detekcji powoduje wychylenie pionowe
strumienia elektronów lampy oscyloskopowej. Na ekranie zostanie nakreślony impuls (tzw.
echo). Odległość wzdłuż linii podstawy czasu od jej początku do „echa” jest miarą czasu
przejścia fal ultradźwiękowych od przetwornika do przeszkody, od której fale się odbijają i z
powrotem do przetwornika. W przypadku materiałów słabo tłumiących łatwo uzyskać szereg
kolejnych ech od przeszkody.

10

Defektoskopia ultradźwiękowa -wstęp

Rys. 9. Schemat
powstawania na ekranie
defektoskopu echa od
wady znajdującej się w
odległości Lx od
powierzchni obiektu. L1 –
strefa bliska, L2 -
odległość wady o dużej
powierzchni (może to być
przeciwległa płaszczyzna
obiektu

W przypadku, gdy nieciągłość występuje na drodze wiązki ultradźwiękowej, obserwuje się ‘echo
wady’ przed echem ‘dna’ . Na rysunku 9 zilustrowano taki przypadek przy założeniu, że zakres
badania oscyloskopu odpowiada czasowi przejścia fali od nadajnika do dużej wady, odległej o L2
od powierzchni obiektu. Wysokość echa od wady jest złożoną funkcją wielkości tej wady w
odniesieniu do szerokości wiązki ultradźwiękowej oraz odległości tej wady od przetwornika.
Rozkład ciśnienia fali przed i po odbiciu od ‘wady’ pokazano schematycznie na rysunku 10.













Rys. 10. Rozkład ciśnienia wzdłuż osi wiązki ultradźwiękowej przed odbiciem i po odbiciu od
wady. Odległość unormowana - wartości wyrażone w jednostkach ‘strefy bliskiej’.

11

Defektoskopia ultradźwiękowa -wstęp

7. Defektoskop cyfrowy
Na rysunku 11 przedstawiono schemat blokowy cyfrowego impulsowego o defektoskopu
ultradźwiękowego z podłączonymi głowicami ultradźwiękowymi, które są akustycznie sprzężone
z badanym obiektem. Głowice, ośrodek sprzęgający i badany obiekt zaliczamy do toru
akustycznego.

Rys. 11. Schemat blokowy defektoskopu z ilustracją idei przetwarzania analogowo-cyfrowego

Tor elektryczny stanowią urządzenia elektroniczne do pobudzania głowicy, odbierania sygnałów
z głowicy oraz układ zobrazowania sygnałów na ekranie defektoskopu. Praca defektoskopu
polega na cyklicznym powtarzaniu następującej sekwencji zdarzeń:- pobudzenie głowicy przez
nadajnik - emisja impulsowej fali ultradźwiękowej do obiektu - zjawiska związane z propagacją
fali w obiekcie – konwersja fali ( odbitej/ przechodzącej) na sygnał elektryczny w głowicy

12

Defektoskopia ultradźwiękowa -wstęp

odbiorczej – „obróbka” odebranego sygnału (wzmacnianie, filtracja) – zobrazowanie sygnału w
formie wykresu „ napięcie-czas”. Przy dostatecznie dużej częstości powtarzania cyklu (tzw. PRF)
na ekranie mamy „żywy” obraz ech ultradźwiękowych. Odpowiednia interpretacja tych ech przez
operatora (bądź wyspecjalizowane układy elektroniczne i algorytmy programowe) pozwala na
identyfikację i ocenę nieciągłości badanego ośrodka (wady, krawędzie) lub pomiary wybranych
własności akustycznych materiału ( prędkość fali, tłumienie). W prezentowanym schemacie
mamy do czynienia z tzw. „defektoskopem cyfrowym” , w którym zobrazowanie sygnału jest
oparte na zamianie sygnału analogowego na ciąg „próbek” (liczb ) w przetworniku A/C a
następnie wyświetlenie na ekranie wykresu przez mikrokomputer. Przetwornik A/C (analogowo-
cyfrowy) przetwarza sygnał napięciowy na szereg liczb z regulowaną częstotliwością
próbkowania (rząd wartości od 10 MHz do 100 MHz). Częstotliowość próbkowania powinna
być na tyle wysoka, aby umożliwić wierne ‘odwzorowanie’ przebiegu czasowego napięcia
badanego. O dokładności i rozdzielczości odwzorowania decyduje również ilość bitów (długość
słowa N) tego przetwornika. Dla N = 8, napięcie mierzone jest ze skokiem 1/256 Uo, gdzie Uo
jest maksymalnym napięciem, jaki może być przetwarzane przez dany przetwornik. Sygnały
cyfrowe (próbki) są przetwarzane i analizowane przez mikrokomputer. Użyteczne dla operatora
informacje są wyświetlane na ekranie monitora. Na rysunku 12 pokazano dla przykładu wygląd
ekranu defektoskopu typ UMT-17.








[1 ] Filipczyński L., Pawłowski Z., Ultradźwiękowe badania materiałów, Materiały na kurs

SITMP, wyd. INCO, Warszawa 1962,

[ 2] Obraz J.: Ultradźwięki w technice pomiarowej. WNT, Warszawa 1983.
[ 3 ] Śliwiński A.: Ultradźwięki i ich zastosowanie. WNT, Warszawa 2001

[4 ] Rojek B, Korneta A, Tor akustyczny i elektryczny defektoskopu ultradźwiękowego; XIV

Seminarium Nieniszczące Badania Materiałów; Zakopane, 4-7 marca 2008

Rys. 12. Ekran defektoskopu cyfrowego UMT-17.

13

Defektoskopia ultradźwiękowa -wstęp

Literatura

[1 ] Filipczyński L., Pawłowski Z., Ultradźwiękowe badania materiałów, Materiały na kurs

SITMP, wyd. INCO, Warszawa 1962,

[ 2] Obraz J.: Ultradźwięki w technice pomiarowej. WNT, Warszawa 1983.
[ 3 ] Śliwiński A.: Ultradźwięki i ich zastosowanie. WNT, Warszawa 2001

[4 ] Rojek B, Korneta A, Tor akustyczny i elektryczny defektoskopu ultradźwiękowego; XIV

Seminarium Nieniszczące Badania Materiałów; Zakopane, 4-7 marca 2008

[5] Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki; Laboratorium Fizyki II p. Ultradźwiękowe

Badanie Materiałów.

14