ULTRADŹWIĘKI

LABORATORIUM

ULTRAMET 2006

SPIS TREŚCI

1.

WSTĘP..........................................................................................

3

2.

ULTRADŹWIĘKI - WPROWADZENIE…………………………….

3

3.

WYTWARZANIE I ODBIÓR FAL ULTRADŹWIĘKOWYCH……..

9

4.

POLE ULTRADŹWIĘKOWE………………………………………...

11

5.

TŁUMIENIE FAL ULTRADŹWIĘKOWYCH………………………..

14

6.

SPRZĘT DO BADAŃ ULTRADŹWIĘKOWYCH…………………..

15

7.

METODY BADAŃ ULTRADŹWIĘKOWYCH………………………

22

8.

ZASTOSOWANIE FAL ULTRADŹWIĘKOWYCH………………...

27

9.

PRZEBIEG ĆWICZENIA……………………………………………..

32

10.

ZARYS OBSŁUGI PROGRAMU…………………………………….

46

” Ultradźwięki ” Laboratorium

2

1. WSTĘP

Niniejsze opracowanie stanowi instrukcję na zajęcia laboratoryjne prowadzone w ramach przedmiotu

" Fizyka " dla studentów szkół wyższych. Może również być wykorzystane w laboratoriach inżynierii materia-

łowej, badań nieniszczących, diagnostyki technicznej i eksploatacji, akustyki itp.

Opracowanie składa się z trzech części. Część pierwsza zawiera podstawowe informacje o ultradźwię-

kach. Omówione są podstawowe zjawiska fizyczne towarzyszące propagacji fal ultradźwiękowych w ośrod-

kach oraz przy padaniu fali ultradźwiękowej na granicę dwóch ośrodków. Przedstawiono sposoby wytwarza-

nia i detekcji ultradźwięków, sprzęt do badań ultradźwiękowych, metody badawcze oraz sposób ich wyko-

rzystania w praktyce. W części drugiej zawarte są propozycje ćwiczeń do wykonania przez studentów w

czasie zajęć laboratoryjnych, w których wykorzystano komputerowy ultradźwiękowy defektoskop cyfrowy

UMT-17. Część trzecia zawiera skrótową instrukcję obsługi defektoskopu UMT-17.

2. ULTRADŹWIĘKI – WPROWADZENIE

Fale akustyczne polegają na wzajemnym przekazywaniu sobie ruchu drgającego przez atomy albo czą-

steczki ośrodka. W zależności od częstotliwości drgań fale akustyczne dzielimy na : infradźwięki ( 0.1..16 Hz

) , dźwięki słyszalne ( 16Hz..20 kHz ) i ultradźwięki ( powyżej 20 kHz ) . W ośrodku sprężystym cząstki drga-

jące wokół położenia równowagi przekazują część energii sąsiednim cząstkom - drgania cząstek prze-

mieszczają się w ośrodku tworząc falę ultradźwiękową.

Fale ultradźwiękowe ( zwane też falami mechanicznymi ) , w odróżnieniu od fal elektromagnetycznych

mogą rozchodzić się tylko w ośrodkach materialnych przenoszących drgania sprężyste. Dla małych wychy-

leń cząstki wokół położenia równowagi przyjmujemy, że ruch cząstek jest harmoniczny:

ω

ϕ

ϕ

ω

ω

c

x

t

A

c

x

t

A

a

=

−

=

−

=

;

)

(

)

(

sin

sin

gdzie : a - wychylenie chwilowe , A - amplituda wychylenia ,

ω = 2π f - częstotliwość kątowa , t - czas , x -

współrzędna położenia ( drogi ) , c - prędkość fali.

Prędkość drgania cząstki materialnej wokół położenia równowagi nazywamy prędkością akustyczną

υ

( nie mylić z prędkością fali c ) :

)

cos(

ϕ

ω

ω

υ

−

=

=

t

A

dt

da

Czas T , po którym wartości chwilowe powtarzają się, nazywamy okresem. Faza

ϕ jest to wychylenie

kątowe, przy którym drgająca cząstka osiąga chwilową wartość wychylenia.

Długość fali

λ to najmniejsza odległość między dwiema sąsiednimi drgającymi cząstkami znajdującymi

się w tej samej fazie. Jeżeli fala rozchodzi się w ośrodku z prędkością c to obowiązuje związek :

” Ultradźwięki ” Laboratorium

3

;

f

c

cT

=

=

λ

gdzie :

λ - długość fali, T - okres drgań f = 1 / T .

W ośrodku nieograniczonym fale ultradźwiękowe rozchodzą się ze swego źródła w sposób przestrzen-

ny. Sąsiednie cząstki drgające w tej samej fazie tworzą powierzchnię falową. Jeżeli powierzchnia falowa

tworzy płaszczyznę prostopadłą do kierunku rozchodzenia się fali - to jest to fala płaska. W przypadku, gdy

powierzchnie falowe są współśrodkowymi walcami to mamy do czynienia z falami walcowymi.

Źródła o małych wymiarach ( źródła punktowe ) wytwarzają fale kuliste. Ich powierzchnie falowe mają

kształt współśrodkowych powierzchni kulistych ze środkiem w punktowym źródle fal. Dla fal kulistych wychy-

lenie cząstek maleje ze wzrostem odległości r od źródła :

);

(

sin

c

r

t

r

A

a

−

=

ω

Dla bardzo dużych wartości r fala kulista przechodzi w falę płaską.

Fala ultradźwiękowa przechodząc przez ośrodek wytwarza naprężenia w ośrodku. Siła naprężeń w od-

niesieniu do powierzchni wytwarza ciśnienie akustyczne p, związane z prędkością akustyczną

υ :

υ

⋅

= z

p

gdzie : z jest akustyczną impedancją falową ośrodka w którym rozchodzi się fala.

Ciśnienie akustyczne jest wielkością mierzalną, bowiem w przetwornikach elektroakustycznych stoso-

wanych w technice ultradźwiękowej, sygnał elektryczny z przetwornika jest proporcjonalny do ciśnienia aku-

stycznego.

W ośrodkach nieograniczonych, dla fal płaskich i kulistych, impedancja akustyczna ma charakter rze-

czywisty, i wtedy jest to akustyczna oporność falowa ( impedancja charakterystyczna ) określona jako :

c

z

⋅

=

ρ

gdzie :

ρ - gęstość ośrodka, c - prędkość fali.

Jeżeli fala ultradźwiękowa rozchodzi się w ośrodku o akustycznej oporności falowej

ρc , to w ośrodku

tym powstaje ciśnienie akustyczne :

p

A c

t

x

c

P

t

=

−

=

−

ω ρ

ω

ω ϕ

cos( (

))

cos(

);

gdzie : P =

ωAρc - amplituda ciśnienia akustycznego

Jeśli zmiany ciśnienia mają charakter harmoniczny to możemy wprowadzić wartości skuteczne :

” Ultradźwięki ” Laboratorium

4

P

P

V

V

sk

sk

=

=

2

2

Dla fal płaskich lub kulistych natężenie fali :

I

P V

PV

P

c

sk

sk

=

=

=

1
2

1
2

2

ρ

W / m

2

W typowych zastosowaniach pomiarowych fale ultradźwiękowe osiągają natężenia poniżej 0.1 W/cm

2

.

Zakładając takie natężenie fali ( 0.1 W/cm

2

) , w tabeli poniżej podano zestawienie wybranych parametrów

dla fali podłużnej o częstotliwości 1 MHz rozchodzącej się w powietrzu, wodzie aluminium i stali.

Ośrodek

I

natężenie

fali

f

często-

tliwość

ρ

gęstość

ośrodka

c

prędkość

fali

z

impedancja

ośrodka

λ

długość

fali

P

amplituda

ciśnienia

A

amplituda

wychylenia

[W/cm

2

] [Hz] [g/cm

3

] [m/s] [kg/m

2

s] ·10

6

[mm] [Mpa] [µm]

powietrze 0.1 1·10

6

0.001293 333 0.000430569 0.333 0.00092 0.3402

woda 0.1 1·10

6

1 1480 1.48 1.48

0.05440

0.0058

aluminium 0.1 1·10

6

2.7 6320

17.06 6.32

0.18471

0.001724

stal 0.1

1·10

6

7.85 5940

46.629 5.94

0.30538

0.001042

Zauważmy, jak znikome są amplitudy wychyleń cząstek ośrodka spowodowane przemieszczaniem się

fali ultradźwiękowej o takim natężeniu ( od dziesiątych części mikrometra dla powietrza do tysięcznych czę-

ści mikrometra dla stali ) . Fala po przejściu przez ośrodek nie zmienia go ( nie niszczy ) - stąd zastosowanie

ultradźwięków do badań materiałów technicznych czy organizmów żywych jest dla nich bezpieczne.

2.1 RODZAJE FAL ULTRADŹWIĘKOWYCH

Fale ultradźwiękowe dzielimy na kilka rodzajów w zależności od toru drgającej cząstki względem kie-

runku rozchodzenia się fali, jak pokazano na rysunku poniżej :

” Ultradźwięki ” Laboratorium

5

Wychylenia

cząstek

Kierunek

fali

Rodzaj

fali

Podłużna

Poprzeczna

Lamba

Powierzchniowa

Rodzaje fal ultradźwiękowych

Fale podłużne - cząstki ośrodka drgają prostoliniowo zgodnie z kierunkiem rozchodzenia się fali, po-

wstają naprzemian zagęszczenia i rozrzedzenia cząstek ośrodka, przy czym dochodzi również do oscylacyj-

nych zmian jego objętości. Fale te rozchodzą się w każdym ośrodku materialnym. Aby w ośrodku rozchodzi-

ła się czysta fala podłużna to wymiary ośrodka muszą być wystarczająco duże w stosunku do długości fali

λ

. Fale te oznaczamy symbolem L a ich prędkość symbolem c

L

.

Fale poprzeczne - tzw. fale ścinania, powodują naprężenia styczne. Rozchodzeniu się tych fal nie to-

warzyszą zmiany gęstości ośrodka. Cząstki ośrodka drgają w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku roz-

chodzenia się fali. Fale te rozchodzą się tylko w ośrodkach stałych. Fale poprzeczne oznaczamy symbolem

T a ich prędkość symbolem cT . Prędkość cT jest zawsze mniejsza od cL dla danego ośrodka.

Fale powierzchniowe ( Rayleigha ) - rozchodzą się na powierzchni swobodnej ciała stałego, wnikając

na głębokość około jednej długości fali. Mamy tu do czynienia ze szczególnym przypadkiem fal poprzecz-

nych, gdyż drgania cząstek składają się z dwóch wektorów. Wektor prostopadły do powierzchni swobodnej (

a więc do kierunku rozchodzenia się fali ) ma o wiele większą wartość niż wektor równoległy. Stąd ruch czą-

stek odbywa się po smukłej elipsie. Fale powierzchniowe oznaczamy symbolem R a ich prędkość symbolem

cR . Dla danego ośrodka obowiązuje relacja : cR < cT <cL .

Fale płytowe ( Lamba ) - rozchodzą się w ośrodku ograniczonym dwoma równoległymi płaszczyznami,

których odległość jest porównywalna z długością fali i nie przekracza kilku długości fali. Przesunięcia czą-

stek są wynikiem nakładania się na siebie dwóch fal powierzchniowych, biegnących po obydwu powierzch-

niach w tym samym kierunku.

2.2 PRĘDKOŚĆ ROZCHODZENIA SIĘ FAL ULTRADŹWIĘKOWYCH

W ciałach stałych w ośrodku nieograniczonym prędkość fal podłużnych c

L

oraz prędkość fal po-

przecznych c

T

przedstawiają wzory :

” Ultradźwięki ” Laboratorium

6

)

2

1

)(

1

(

)

1

(

ν

ν

ρ

ν

−

+

−

=

E

c

L

)

1

(

2

ν

ρ

ρ

+

=

=

E

G

c

T

gdzie : E - moduł sprężystości wzdłużnej, G - moduł sprężystości poprzecznej,

ρ - gęstość materiału, ν - licz

ba Poissona .

Stosunek prędkości cT/cL zależy tylko od liczby Poissona :

)

1

(

2

2

1

ν

ν

−

−

=

L

T

c

c

Prędkość rozchodzenia się fal powierzchniowych jest zawsze mniejsza od cT :

T

R

c

c

⋅

+

+

≈

ν

ν

1

112

.

1

87

.

0

W cieczach i gazach rozchodzą się tylko fale podłużne. Prędkość tych fal wynosi :

c

K

L

=

ρ

gdzie : K - adiabatyczny moduł sprężystości objętościowej.

2.3 ZJAWISKA NA GRANICY OŚRODKÓW

Mówimy, że dwa ośrodki są różne jeśli prędkości fal w obu ośrodkach są różne ( c

1

≠ c

2

) lub akustycz-

ne impedancje falowe są różne ( z1 ≠ z2 ). Granica ośrodków to powierzchnia rozdzielająca dwa różne
ośrodki.

2.3.1 Prostopadłe padanie na granicę ośrodków

Jeżeli fala ultradźwiękowa o ciśnieniu akustycznym P pada prostopadle na granicę dwóch ośrodków 1 i

2 , to część fali odbija się z ciśnieniem akustycznym P1 do ośrodka 1 , a część z ciśnieniem P2 przenika do

ośrodka 2 . Przy prostopadłym padaniu fala odbita i przenika-

jąca są tego samego rodzaju, co fala padająca.

1

2

P

P

1

P

2

z

1

= ρ

1

c

1

z = ρ c

2

2

2

Prostopadłe padanie fali na granicę

dwóch ośrodków

Relacje między ciśnieniami fal określają ciśnieniowe współ-

czynniki odbicia R i przenikania D , natomiast relacje miedzy

natężeniami fal energetyczne współczynniki R

I

i D

I

:

R

D

z

z

z

P

P

D

z

z

z

z

P

P

R

+

=

+

=

=

+

=

=

−

1

;

2

;

1

2

2

1

2

1

2

2

1

(

)

(

)

1

;

4

;

2

2

2

1

2

1

2

1

1

2

1

2

=

+

+

=

=

+

−

=

=

I

I

I

I

D

R

z

z

z

z

I

I

D

z

z

z

z

I

I

R

” Ultradźwięki ” Laboratorium

7

Rozważmy przypadek prostopadłego padania fali podłużnej w stali na granicę (1) stal – (2) powietrze. Obli-

czone współczynniki wynoszą :

R = - 0.999982017 D = 0.000017983 RI = 0.999964034

DI = 0.000035965; P1 = - 0.999982017P; P2 = 0.000017983P

I1 = 0.999964034I I2 = 0.000035965I

Widzimy, że ciśnienie fali przenikającej jest znikome natomiast ciśnienie fali odbitej jest praktycznie równe

ciśnieniu fali padającej, lecz z przeciwnym znakiem - co znaczy że fala odbita ma fazę przeciwną do padają-

cej. Przypadek ten, często spotykany w praktyce, dowodzi, że fale biegnące wewnątrz elementów stalowych

niemal całkowicie odbijają się od ich powierzchni.

2.3.2 Ukośne padanie fali ultradźwiękowej na granicę ośrodków

Fala ultradźwiękowa padając ukośnie na granicę dwóch różnych ośrodków ulega odbiciu, załamaniu

oraz ewentualnie również transformacji - gdy jeden z ośrodków jest zdolny przenosić naprężenia styczne.

Jeżeli fala podłużna pada na granicę dwóch ciął stałych 1 i 2 , to

ogólnie w każdym z nich mogą powstać dwie składowe , z któ-

rych jedna jest podłużna a druga poprzeczna.

Wzajemny związek między kątami wszystkich składowych,

mierzonymi od normalnej do kierunku rozchodzenia się fali, a ich

prędkościami jest określony prawem Snelliusa :

Podobnie jak w przypadku prostopadłego padania fali na

granicę ośrodków można zdefiniować ciśnieniowe i energetycz-

ne współczynniki odbicia i przenikania. Współczynniki te opisują ilościowo podział energii fali padającej na

fale odbite, załamane i transformowane. Jednak zależności te są na tyle złożone, że ich szersza dyskusja

przekracza zakres tego opracowania. Przedstawimy tylko jeden poglądowy przykład , dla granicy ośrodków

„PMM- stal”, jak wpływa kąt padania fali podłużnej na względne ciśnienie akustyczne oraz na rodzaje fal w

stali. ( „PMM” to skrót od nazwy polimetakrylan metylu –czyli szkło organiczne albo pleksi).

L

T

1

1

L

T

L

2

2

β

β

α

α

α

L1

T1

L1

L2

T2

1

2

Ukośne padanie na granicę dwóch ośrodków

sin

sin

sin

sin

α

α

β

β

L2

L

L

T

T

T

T

L

c

c

c

c

1

1

1

1

2

2

2

=

=

=

L

T

R

Kąt padania

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65 70

75

80

T

” Ultradźwięki ” Laboratorium

8

3. WYTWARZANIE I ODBIÓR FAL ULTRADŹWIĘKOWYCH

Jednym ze sposobów wytworzenia fali ultradźwiękowej jest wykorzystanie drgającego źródła, które

przekazuje energię do ośrodka z nim sprzężonego. Najczęściej jako źródeł używa się przetworników elek-

troakustycznych, bazujących na odwracalnym zjawisku piezoelektrycznym. Popularne materiały piezoelek-

tryczne używane w technice ultradźwiękowej to : kryształy naturalne ( kwarc (SiO2 ), turmalin, sól Seignett'a
) ; kryształy sztuczne ( siarczan litu ( LiSO4 ), metaniobian ołowiu ) oraz polikrystaliczne materiały ceramicz-
ne ( piezoceramiki ) takie jak tytanian baru( BaTiO3 ) , tytanian ołowiu, cyrkonian ołowiu ( PbZrO3 ).

Jeżeli do cienkiej płytki piezoelektryka, posre-

brzonej na obu płaszczyznach, dołączymy

zmienne w czasie napięcie to grubość płytki

będzie się zmieniać w takt zmian napięcia. Je-

śli drgająca powierzchnia płytki piezoelek-

trycznej " sprzęgnięta ” jest z innym ośrodkiem

( np. zanurzona w cieczy albo przyklejona do

ciała stałego ) to drgania płytki przeniosą się

do ośrodka tworząc podłużną falę ultradźwię-

kową w tym ośrodku. Sprzężenie z ciałem sta-

łym można zapewnić również przez dociśnię-

cie płytki przez cienką warstwę cieczy ( np.

wody czy oleju ) . Najlepszą skuteczność prze-

twarzania energii elektrycznej na mechaniczną uzyskuje się dla częstotliwości rezonansowej, gdy grubość

g

0

jest wielokrotnością połowy długości fali w przetworniku :

g

0

+

-

Δ g

∼

L

L

Wykorzystanie zjawiska piezoelektrycznego

U(t)

g(t)

g

0

t

t

Δ g

max

U

m

∼

L

L

U(t)

do wytwarzania fal podłużnych

2

2

0

λ

⋅

=

=

n

f

c

g

r

U(t)

g(t)

P(t)

U(t)

P

g

0

t

t

Δ g

t

gdzie : fr - częstotliwość rezonansowa przetwornika, c - prędkość fali w

przetworniku ,

λ – długość fali w przetworniku, n – liczba natu-

ralna ( typowo stosuje się n = 1 ) .

Związek między przyrostem grubości

Δg a napięciem Um określa

współczynnik piezoelektryczny d

ik

:

[ ]

V

m

U

g

d

m

ik

Δ

=

Jak już wspomniano zjawisko piezoelektryczne jest odwracalne.

Jeśli na płytkę działa zmienne w czasie ciśnienie akustyczne p , to na

skutek sprężystości płytki zmienia się jej grubość ( ściskanie, rozciąga-

nie ), a dzięki zjawisku piezoelektrycznemu indukujące się ładunki elek-

tryczne w płytce powodują różnicę potencjałów na jej okładkach.

Największe zmiany grubości g , a w konsekwencji napięcia U, uzyskuje się, gdy częstotliwość zmian ci-

śnienia jest równa częstotliwości rezonansowej płytki. Powstające napięcie U powiązane jest z ciśnieniem P

” Ultradźwięki ” Laboratorium

9

przez ciśnieniową stałą piezoelektryczną gik

[ ]

Pa

m

V

P

g

U

g

ik

⋅

⋅

=

Dobrym przykładem tego efektu jest popularna zapalniczka

piezoelektryczna, gdzie silne uderzenie „młoteczka” w po-

wierzchnię płytki piezoelektryka powoduje wytworzenie chwi-

lowej wysokiej różnicy potencjałów między okładkami i prze-

skok iskry. Oczywiście w przypadku ultradźwięków o małym

natężeniu siła oddziaływania fali na piezoelektryk jest kilka

rzędów wielkości mniejsza i powstające napięcie jest również

bardzo małe.

iskra

piezoelektryk

uderzenie

Z płytek piezoelektrycznych odpowiednio obudowanych wykonuje się głowice ultradźwiękowe. Zazwy-

czaj ta sama głowica jest jednocześnie źródłem i odbiornikiem fal. Jeżeli głowicę pobudzimy krótkim impul-

sem elektrycznym o dużej amplitudzie, to płytka piezoelektryka wykona kilka … kilkanaście drgań o często-

tliwości rezonansowej. Drgania płytki przez oddziaływania sprężyste przeniosą się do badanego ośrodka,

tworząc przemieszczającą się " impulsową " falę ultradźwiękową. Jeśli na drodze fali znajdzie się przeszko-

da ( np. wada materiałowa typu pęknięcie, czyli inaczej mówiąc fala trafi na granicę ośrodków o znacznie

różnych impedancjach akustycznych ) , to pewna część energii fali wróci do głowicy w postaci fali odbitej.

Fala odbita pobudzi do drgań płytkę piezoelektryczną głowicy - powstanie zatem impuls elektryczny, tzw.

impuls echa wady. Przez prosty pomiar czasu

Δt, między impulsem nadawczym a impulsem echa wady,

można wyznaczyć odległość wady od głowicy, gdyż :

c

t

L

⋅

Δ

=

2

gdzie : L - odległość wady, c - prędkość fali .

200V

5 mV

R

T = 0.2 us

impuls

E=300V

impuls nadawczy

L= 500mm

stal

wada materiału

piezoelektryk

15 mV

impuls

echa dna

echa wady

zobrazowanie typu A

tzw. "A-Scan"

Ilustracja zasady wykrywania wad metodą echa przy użyciu jednej głowicy nadawczo- odbiorczej

” Ultradźwięki ” Laboratorium

10

Amplituda impulsu echa wady niesie informację o rozmiarze wady, choć nie jest to zależność prosta i

zależy od wielu czynników - będzie to omawiane później. Należy podkreślić, że amplituda impulsu echa wa-

dy może być kilkaset … kilkadziesiąt tysięcy razy mniejsza od amplitudy impulsu nadawczego. Jeśli na

ekranie lampy oscyloskopowej zobrazujemy sygnał elektryczny przetwornika to mamy pewną umowną gra-

ficzną interpretację zjawisk w ośrodku – tzw. A – Scan . Przyrząd elektroniczny służący do pobudzania prze-

twornika oraz obrazowania impulsów na ekranie nazywamy impulsowym defektoskopem ultradźwiękowym.

Omówiony sposób wykrywania wad ilustruje rysunek powyżej.

4. POLE ULTRADŹWIĘKOWE

Fale ultradźwiękowe, jak każde fale, są zjawiskiem czasoprzestrzennym. Obszar w którym rozchodzą

się fale ultradźwiękowe nazywamy polem ultradźwiękowym . Kształt i wymiary pola ultradźwiękowego za-

leżą od wymiarów źródła ( przetwornika ) i częstotliwości fali.

N

Pole bliskie

(fala płaska)

Pole dalekie

(fala kulista)

2

szerokość

wiązki

ϕ

Szkic pola ultradźwiękowego dla przetwornika kołowego

Rozważmy kołowy przetwornik o drganiach grubościowych. Każdy punkt drgającej powierzchni prze-

twornika możemy traktować jako źródło nowej fali kulistej ( zasada Huygens'a ) . Czoło powstałej fali stanowi

obwiednię wszystkich fal kulistych - będzie zatem równoległe do powierzchni przetwornika ( fala płaska ).

Ciśnienia poszczególnych fal kulistych mogą się w różnych punktach pola dodawać lub odejmować. W kon-

sekwencji powstają lokalne minima i maksima ciśnienia. Pole ultradźwiękowe można opisać rozkładem ci-

śnienia akustycznego fali ultradźwiękowej w przestrzeni. Przyjmuje się, że dla odległości l < N w tzw. polu

bliskim przetwornika ( gdzie N jest długością pola bliskiego ) występuje fala płaska, zaś dla odległości l >

3N , w tzw. polu dalekim - fala kulista. W polu bliskim wiązka ma lekką zbieżność, natomiast w polu dalekim

tworzy stożek z wierzchołkiem w środku źródła. W rzeczywistości podział na pole bliskie i dalekie nie jest

ostry i występuje pewna strefa przejściowa, w której nie można przyjąć czystego modelu fali płaskiej lub kuli-

stej. Zależność na długość pola bliskiego jest następująca:

λ

λ

λ

λ

⋅

=

⎯

⎯ →

⎯

=

⋅

−

=

=

〉〉

4

4

2

2

2

0

D

D

N

l

D

W polu dalekim, ciśnienie akustyczne we współrzędnych biegunowych można wyrazić następująco :

ϕ

λ

π

α

π

sin

)

(

1

2

0

0

D

x

x

x

J

P

P

r

e

r

l

=

=

−

” Ultradźwięki ” Laboratorium

11

gdzie : r - odległość od przetwornika,

ϕ - kąt odchylenia od osi wiązki, α - współczynnik tłumienia fal, J1(x) -

funkcja Bessela pierwszego rzędu.

2 ϕ

0

2

4

6

2

4

6

l

0

Φ

= D

°

°

°

°

°

°

°

Obliczona charakterystyka kierunkowa przetwornika kołowego w polu dalekim

Często na różnych ilustracjach rysujemy falę ultradźwiękową

symbolicznie jako wektor ( fala padająca, fala odbita ... ) . Należy

mieć jednak świadomość, że fala nie rozchodzi się jako pojedynczy

promień tylko jako tzw. wiązka fal.

symboliczne zobrazowanie

wiązki fal ultradźwiękowych

4.1 OGNISKOWANIE WIĄZKI FAL ULTRADŹWIĘKOWYCH

Wykorzystując zjawisko załamania fali, przy padaniu pod kątem na granicę ośrodków, można zogni-

skować wiązkę fal ultradźwiękowych osiągając znaczne natężenia w okolicy ogniska. Używa się do tego

specjalnie wyprofilowanych ” soczewek ultradźwiękowych ” . Ognisko jest w stałej odległości od soczewki i

leży w osi wiązki fali padającej - przypadek

A

na rysunku.

t = 0

czas

czoło fali

płaskiej

t = 0

czoło fali

płaskiej

czas

ognisko

czas

t = 0

czoło fali

kulistej

B

C

D

woda

woda

ognisko

A

Nowoczesne metody profilowania i ogniskowania wiązki fali ultradźwiękowej polegają na wykorzystaniu

kilkudziesięciu ... kilkuset miniaturowych przetworników ultradźwiękowych ułożonych w strukturę liniową (

tzw. głowice mozaikowe liniowe ) albo strukturę płaską ( głowice mozaikowe 2D ). Głowica mozaikowa wy-

maga bardzo złożonej aparatury elektronicznej do jej obsługi. Jeśli wszystkie elementy mozaiki pobudzone

są impulsami nadawczymi jednocześnie ( przypadek

B

na rysunku wyżej ) , to wypadkowe czoło fali ultra-

dźwiękowej jest płaskie i emitowana wiązka fali jest prostopadła do płaszczyzny mozaiki. Gdy elementy mo-

zaiki pobudzimy tak jak w przypadku

C

, najpierw górne zewnętrzne i stopniowo opóźniane w kierunku dol-

nym, to wypadkowe czoło pozostanie płaskie ale zmieni się kierunek fali. Kształt czoła fali można modelo-

” Ultradźwięki ” Laboratorium

12

wać manipulując opóźnieniami pobudzenia poszczególnych elementów mozaiki. Można zatem, jak np. w

przypadku

D

, spowodować zogniskowanie wiązki w pewnym punkcie przestrzeni. Rysunek poniżej ilustruje

sposoby manipulacji wiązką fali z głowicy mozaikowej. Dla mozaiki liniowej odchylanie wiązki możliwe jest

tylko w jednej płaszczyźnie a dla mozaiki 2D w dowolnym kierunku. Daje to wspaniałą możliwość przemiata-

nia wiązką fal ultradźwiękowych w przestrzeni ( tzw. Skanowania ) przy nieruchomej głowicy mozaikowej.

Jest to szeroko wykorzystywane zwłaszcza w diagnostyce medycznej ( ultrasonografia ) przy badaniu na-

rządów wewnętrznych człowieka.

pobudzenie

opóźnienie

opóźnienie

przesuwanie

wiązki

odchylanie

wiązki

zmiana

wiązki

równoległe

kątowe

ogniska

Każdy element mozaiki zarówno wytwarza jak i odbiera fale ultradźwiękowe. Jeśli sygnały odebrane

przez poszczególne elementy mozaiki odpowiednio opóźnimy, o czas taki sam jak opóźnienie przy pobu-

dzeniu, a następnie zsumujemy to otrzymamy wypadkowy sygnał elektryczny będzie największy od fal odbi-

tych w okolicy ogniska i znacząco mniejszy od fal odbitych poza ogniskiem.

Mozaika liniowa

Mozaika 2D

” Ultradźwięki ” Laboratorium

13

5. TŁUMIENIE FAL ULTRADŹWIĘKOWYCH

Ciśnienie fali ultradźwiękowej rozchodzącej się w ośrodku maleje ze wzrostem przebytej drogi. Przy-

czyny tego spadku są następujące:

− rozbieżność wiązki fal ;
− procesy

pochłaniania energii ( tarcie wewnętrzne- energia drgań zamienia się na ciepło ) ;

− procesy rozpraszania tzn. odbicia, załamania i dyfrakcja fal na granicach ziaren krystalicznych, wtrące-

niach i porach ośrodka.

Tłumienie fali to spadek ciśnienia fali na skutek procesów pochłaniania i rozpraszania.

Osłabienie fali to spadek ciśnienia fali uwzględniający tłumienie i rozbieżność wiązki.

Rozpatrzmy problem tłumienia. W cienkiej warstwie ośrodka o grubości dl w odległości l od początku,

przy stałym tłumieniu

α na jednostkę długości występuje względny spadek ciśnienia akustycznego :

dl

P

dP

α

−

=

po scałkowaniu otrzymujemy

P

P e

x

l

=

⋅

−

0

α

gdzie : P0 - ciśnienie początkowe, l - odległość od początku, α - współczynnik tłumienia.

Tłumienie fal ultradźwiękowych rośnie z częstotliwością fali i wielkością ziaren ośrodka. W tabeli poda-

no współczynniki tłumienia

α dla kilku ośrodków ( dla fal podłużnych, przy f =1MHz ) .

Ośrodek

α [dB/mm]

Ośrodek

α [dB/mm]

Stal

5

⋅10-3...5⋅10-2

Szkło okienne

3.2

⋅10-3

Aluminium

5

⋅10-4...2⋅10-2

PMM („pleksiglas”)

2.5

⋅10-1

Magnez

3

⋅10-4...3⋅10-3

Polistyren

1.7

⋅10-1

Miedź

1

⋅10-2...5⋅10-2

Woda

2.5

⋅10-4

Kwarc topiony

0.6

⋅10-3

Gliceryna

6

⋅10-2

Szkło kryszt.

1

⋅10-3

Powietrze

1.6

⋅10-1

” Ultradźwięki ” Laboratorium

14

6. SPRZĘT DO BADAŃ ULTRADŹWIĘKOWYCH

6.1 GŁOWICE ULTRADŹWIĘKOWE

Głowicę ultradźwiękową stanowi odpowiednio zabudowany i dostrojony elektrycznie przetwornik piezo-

elektryczny. Głowica normalna składa się z następujących elementów : obudowy spełniającej rolę uchwytu i

konstrukcji nośnej, przetwornika piezoelektrycznego, osłony chroniącej przetwornik przed uszkodzeniem

mechanicznym, masy tłumiącej która tłumi drgania własne przetwornika, układu dopasowania elektrycznego

(cewki), gniazda do podłączenia kabla . W głowicach skośnych przetwornik przyklejony jest do klina z plek-

siglasu. Na granicy ośrodków ( klin - obszar badany, np. : stal ) następuje zjawisko transformacji fali podłuż-

nej na poprzeczną. Głównymi parametrami głowic są : częstotliwość drgań, rodzaj wzbudzanych fal, kąt za-

łamania wiązki fal, wymiary przetwornika. Nazwa „normalna” – informuje że fale wprowadzane są w kierunku

prostej normalnej (czyli prostopadłej) do płaszczyzny przyłożenia głowicy.

klin z pleksi

przetwornika

masa tłumiąca

____

___

sin α

β

sin

=

V1

V2

osłona

płytka

piezo-

masa

tłumiąca

gniazdo

obudowa

dopasowanie
elektryczne

elektryka

Głowica normalna

Głowica skośna

V

2

α

V

1

β

Przykład oznaczenia głowicy normalnej ( polski producent INCO

) głowica 4L0

°10C : 4 – częst. w [ MHz] , L - fale podłużne , 0° - kąt

wprowadzania fali, 10 - średnica przetwornika w [ mm ] , C - rodzaj

przetwornika ( ceramiczny ) .

Przykład oznaczenia głowicy skośnej ( prod. INCO ) głowica 2T

70

°10x10 : 2 – częstotliwość w [ MHz ], T - fala poprzeczna, 70° - kąt

załamania fali w stali, 10x10 - wymiary przetwornika w [ mm ].

Na zdjęciu pokazano przykłady głowic normalnych i skośnych,

do badań kontaktowych, firmy Krautkramer.

6.2 DEFEKTOSKOPY ULTRADŹWIĘKOWE

Defektoskopy współpracują z głowicami ultradźwiękowymi. Charakterystyczną cechą defektoskopu im-

pulsowego jest krótkie pobudzanie głowicy , która emituje do badanego ośrodka " impulsową " falę ultradź-

więkową - oraz odbiór i zobrazowanie impulsów z głowicy, powstałych w wyniku fal odbitych powracających

do głowicy. Każdy defektoskop impulsowy posiada zatem: nadajnik impulsów, odbiornik impulsów i układ

zobrazowania.

W zależności od konstrukcji układu zobrazowania defektoskopy impulsowe dzielimy na :

” Ultradźwięki ” Laboratorium

15

−

defektoskopy analogowe - sygnał z odbiornika zobrazowany jest w postaci wykresu " napięcie-czas " na

ekranie lampy oscyloskopowej ;

−

defektoskopy analogowo-cyfrowe ( lub z przetwarzaniem cyfrowym ) - sygnał z odbiornika jest przetwa-

rzany na ciąg liczb ( '’ próbek " ) wpisywanych do pamięci komputera, a następnie przy wykorzystaniu

odpowiedniego oprogramowania, wyświetlany w formie wykresu " napięcie-czas " na ekranie monitora.

6.2.1 Defektoskop analogowy

Aby obraz na ekranie lampy oscyloskopowej był wyraźny ( nie migający ) i dostatecznie jaskrawy to

plamka musi odwzorowywać sygnał cyklicznie, kilkadziesiąt razy - kilka tysięcy razy na sekundę. Praca de-

fektoskopu polega na powtarzaniu pewnego cyklu. Okres tego cyklu wyznacza generator impulsów syn-

chronizujących. Każdy impuls tego generatora uruchamia generator podstawy czasu i wyzwala nadajnik.

Nadajnik pobudza silnym i krótkim impulsem elektrycznym głowicę nadawczą do drgań. Jeżeli używamy

jednej głowicy nadawczo - odbiorczej to wejście odbiornika jest połączone z wyjściem nadajnika, natomiast

przy pracy z dwoma głowicami - odbiornik wzmacnia sygnały tylko z głowicy odbiorczej.

Ruch plamki na ekranie lampy jest efektem złożenia dwóch ruchów składowych :

−

jednostajnego ruchu w kierunku X - wynikającego z liniowo narastającego w czasie napięcia Ux ;

− ruchu w kierunku Y - przesunięcie jest plamki proporcjonalne do chwilowej wartości wzmocnionego w

odbiorniku sygnału U

Y

z głowicy .

Gen.

synchr

Nadajnik

Odbiornik

GO

GN

Generator

podstawy

czasu

P1

U

x

"WZMOCNIENIE"

"ZASIĘG"

+

detektor)

U

Y

Y

Y

X

X

Głowica

nadawcza

Głowica odbiorcza

"N/O"

"N+O"

μ

0-200

0-200 V

V..2V

Wzm. Y

0-2 V

(x 100)

wejście

wyjście

(wzmacniacz

0-200 V

T

x

Schemat blokowy defektoskopu analogowego

W ten sposób powstaje na ekranie lampy wykres we współrzędnych : " napięcie - czas ". W lampach

oscyloskopowych do pełnego odchylenia plamki w kierunku X lub kierunku Y potrzebne są napięcia rzędu

100 V ... 200 V. Impulsy elektryczne powstające w głowicy od odebranych fal ultradźwiękowych zawierają

się w przedziale kilkudziesięciu

μV … kilku V ( w zależności od rozmiaru wady, odległości od głowicy, usytu-

owania względem wiązki itd ) . Tak duża rozpiętość amplitud sygnału powoduje konieczność regulacji

wzmocnienia odbiornika w szerokim zakresie ( 1 ... kilkanaście tysięcy razy ) .

Wzmacniacz odbiornika jest zawsze wyposażony w skokowy przełącznik " WZMOCNIENIE " wyskalo-

wany w dB, który umożliwia ustalenie odpowiedniej wysokości echa na ekranie lampy - zarówno dla bardzo

słabych jak i silnych sygnałów z głowicy. Na zdjęciu pokazano przykładowy wygląd defektoskopu analogo-

wego z lampą oscyloskopową.

” Ultradźwięki ” Laboratorium

16

W tym miejscu warto przypomnieć skalę decybelową.

Otóż dla wielkości liczbowych zmieniających się w

szerokim zakresie wygodnie jest przyjąć miarę loga-

rytmiczną.

Np.: wzmocnienie odbiornika :

W

= U

wyj

/ U

wej

natomiast wzmocnienie wyrażone w dB :

W

[dB]

= 20 log ( U

wyj

/ U

wej

)

Zakładając U

wej

= 200

μV a U

wyj

= 2V otrzymujemy :

W = 10 000 , oraz W

[dB]

= 20

∗4 = 80 dB .

Czas trwania liniowo narastającego i napięcia Ux wynika z tzw. zakresu obserwacji. W defektoskopach

analogowych zakres ten wybiera się skokowym przełącznikiem " ZASIĘG " wyskalowanym w jednostkach

odległości [mm] .Przełączając " ZASIĘG " układ generatora podstawy czasu odpowiednio zmienia czas Tx

6.2.2 Defektoskop z przetwarzaniem cyfrowym

Jak już wspomniano defektoskop z przetwarzaniem cyfrowym różni się od defektoskopu analogowego

układem zobrazowania. Na zdjęciach pokazano przykłady defektoskopów cyfrowych : poniżej defektoskop

USN 58 firmy Krautkramer jako aparat przenośny z własnym ekranem, a dalej defektoskop UMT-17 w formie

zewnętrznej ” przystawki ” do komputera PC.

” Ultradźwięki ” Laboratorium

17

W defektoskopie cyfrowym cykl pracy zaczyna się od wyzwolenia nadajnika i pobudzenia silnym impul-

sem elektrycznym głowicy. Jednocześnie startuje przetwornik analogowo cyfrowy ( A/C ) , taktowany gene-

ratorem zegarowym. Na wejście przetwornika A/C podawany jest sygnał analogowy z odbiornika. Przetwor-

nik A/C, dla każdego dodatniego zbocza sygnału zegarowego, zamienia chwilową wartość napięcia wej-

ściowego na liczbę - ( tzw. " próbkę " ), którą wprowadza się do bufora próbek. Jeżeli impulsy zegarowe

przychodzą w krótkich odstępach czasu ( wysoka częstotliwość próbkowania ) to sygnał analogowy jest do-

statecznie wiernie określony przez ciąg próbek. Po zapełnieniu bufora próbek jego zawartość jest przesyła-

na do pamięci operacyjnej mikrokomputera, a następnie przy pomocy oprogramowania wyświetlona na

ekranie graficznym w postaci wykresu " napięcie- czas ".

Nadajnik.

O

N

Próbki

Gen.

zeg.

A/C

Przetw.

Bufor
próbek

Odbiornik

"N/O"

"N+O"

Peryferia

Klawiatura

Ekran

Obraz

MIKROKOMPUTER

1 2 3 .........12..15........................

62

149

221

85

Sygnał

zegarowy

Czas ( numer kolejny próbki)

Napięcie

(wartość

Numer

Wartość

Fragment

---

---

---

---

---

---

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

---

---

(czas)

0

0

0

4

12

62

85

149

221

208

185

150

152

probki próbki

(napięcie)

bufora próbek

próbki)

Stero-

wanie

Schemat blokowy defektoskopu z przetwarzaniem cyfrowym

Istotną zaletą defektoskopu z przetwarzaniem cyfrowym jest to, że wiele czynności można zrealizować

dzięki pracy w środowisku komputerowym, np.: zamrożenie/odmrożenie wykresu, automatyczne pomiary

amplitudy i odległości ech, zapis/odczyt obrazu na dysku, drukowanie itd. Zgromadzone w pamięci kompute-

ra dane pozwalają na zawansowane metody przetwarzania i prezentacji wyników, np : analizę widmową sy-

gnału, filtrację cyfrową, uśrednianie, korelacyjne metody pomiaru czasu przejścia itp.

” Ultradźwięki ” Laboratorium

18

Ekran programu dla defektoskopu z przetwarzaniem cyfrowym typ UMT-17

6.3. POMIARY AMPLITUDY I CZASU W DEFEKTOSKOPACH CYFROWYCH

W pomiarach defektoskopami impulsowymi podstawowe informacje zawarte są w: amplitudzie impulsu,

czasie przejścia fali, kształcie obwiedni ( rzadziej : faza sygnału, widmo ) - wydobywane z typowego A - Sca-

nu. Stąd sposoby ( algorytmy ) określania amplitudy impulsu oraz jego położenia na osi czasu są tak istotne.

Zazwyczaj interesuje nas pewien wyróżniony obszar czasu ( odległości ) określony tzw. bramką czasową i

odwzorowany graficznie na ekranie ( czasem spotyka się określenia bramki terminem ” monitor ” ) .

6.3.1. Pomiary amplitudy

Amplitudę impulsu ( wysokość echa ) przyjęto w defektoskopach wyrażać w formatach :

− procentowo,

jako % wysokości ekranu ( %H ) albo różnicę % względem progu monitora ;

− względnie w dB jako różnicę między : wysokością ekranu, progiem monitora, albo innego echa ;
− bezwzględnie w V jako amplitudę na wyjściu wzmacniacza defektoskopu.

Wyznaczenie amplitudy impulsu w obszarze bramki można sprowadzić do programowego bądź sprzę-

towego przeszukania bufora próbek i znalezienia największej próbki - a następnie wyrażenia wartości tej

próbki w jednym z w/w formatów.

W tym miejscu warto poruszyć zagadnienie błędu jaki można popełnić przy określaniu amplitudy mak-

symalnej.

” Ultradźwięki ” Laboratorium

19

Pamiętamy, że ciąg próbek nie reprezentuje absolutnie wszystkich możliwych wartości chwilowych sy-

gnału rzeczywistego - zatem błąd oszacowania będzie malał gdy rośnie częstotliwość próbkowania. Na ry-

sunku pokazano zależność wielkości błędu

δ [%] od f

p

/f

r

( gdzie : f

p

częstotliwości próbkowania, f

r

częstotli-

wość sygnału z głowicy ) – zakładając sinusoidalny kształt szczytu impulsu. Przykładowo, jeśli używamy gło-

wicy o częstotliwości f

r

= 2 MHz , to przy f

p

= 40 MHz błąd określenia amplitudy impulsu będzie rzędu 1% .

29%

7.6%

δ

Tp=1/fp

A

Amax

δ

[%]

fp

fr

3

4 5

8

10

20

30

19%

4.8%

1.2%

0.5%

δ

[%] =

Amax

Amax -A

100%

6.3.2. Pomiary odległości ( czasu przejścia )

Płożenie impulsu w defektoskopach wyraża się jako :

− odległość ” reflektora ” od głowicy w mm - czyli bezpośrednią drogę fali ( termin ” reflektor ” oznacza

obiekt odbijający fale, np. wada materiałowa, ściana obiektu itp. ) ;

−

rzuty drogi fali mm*cos

β , mm*sin β dla głowic skośnych ;

− czas

przejścia fali w

μs ;

− różnicowo ( zarówno czas jak i odległość ) względem ustalonej wstępnie wielkości.

Odczyt wzrokowy położenia impulsu z ekranu aparatu jest orientacyjny - zatem stosuje się procedury

pomiarowe wykonywane przez mikrokomputer. Odległości są przeliczane z informacji pierwotnej, jaką jest

czas, z uwzględnieniem prędkości fali. W defektoskopach cyfrowych wykorzystuje spróbkowany sygnał ul-

tradźwiękowy do pomiaru czasu. Impulsy mają skończony czas trwania i zmienną w czasie obwiednię. Aby

określić odległość (położenie) impulsu względem wybranej chwili odniesienia to należy wybrać jedno ” cha-

rakterystyczne miejsce ” w impulsie reprezentujące umownie to położenie.

W defektoskopach, dla potrzeb określania położenia wykrytych wad, najbardziej rozpowszechniony jest

tzw. progowy pomiar czasu. Algorytm jest trywialny - mikrokomputer szuka w obszarze monitora pierwszej

próbki N

x

przekraczającej próg monitora .

δ

próbka Nx

bramka

próbka Nx'

Progowy pomiar czasu

” Ultradźwięki ” Laboratorium

20

Rozdzielczość pomiaru jest równa okresowi próbkowania ( czas między kolejnymi próbkami ). Przy sta-

łej wysokości progu, wynik pomiaru nieznacznie zależy od zmiennej wysokości impulsu ze zmianą wzmoc-

nienia. Ponadto, jeśli próg jest w okolicy lokalnego maksimum to fluktuacje szumowe sygnału wprowadzają

dodatkowe błędy niejednoznaczności ( przyjęcie N

x

albo N

x

’ do obliczeń ) . Ten błąd jest rzędu połowy albo

jednego okresu drgań rezonansowych głowicy, zatem w typowych warunkach może osiągać kilkaset ns – co

dyskwalifikuje tę metodę w dokładnych pomiarach.

Dobrą metodą jest metoda tzw. ” przejścia przez zero ” ( ang. ” zero-crossing ” ) - w wydaniu cyfro-

wym można ją rozszerzyć o interpolację i uśrednianie, osiągając powtarzalność wyników rzędu ułamka na-

nosekundy. Idea metody sprowadza się do przyjęcia wspomnianego ” charakterystycznego miejsca ” w im-

pulsie jako momentu przejścia przez zero sygnału z głowicy i określenie tego momentu poprzez interpolację

sąsiednich próbek. Metoda ta eliminuje zależność od amplitudy impulsu i jest nieczuła na kształt obwiedni.

Wadą metody jest konieczność wstępnego wskazania obszaru, które przejście przez zero ma być brane pod

uwagę - gdyż w impulsie jest kilka przejść przez zero.

próbka Nx

próbka Nx +1

położenie interpolowane

rozrzut szumowy

Idea metody ” przejścia przez zero ”

Kolejną metodą pomiaru czasu jest metoda korelacyjna, bazująca na silnej zmienności obwiedni im-

pulsu z głowicy ultradźwiękowej. Metodę tę można stosować tylko do pomiarów różnicowych czasu między

dwoma impulsami, daje również bardzo dobrą powtarzalność wyników rzędu 1ns . Bardzo cenną zaletą tej

metody jest fakt, że wystarczy tylko zgrubnie wskazać obszary występowania impulsów między którymi mie-

rzymy czas. Na rysunku poniżej pokazano ideę tej metody dla dwóch impulsów " trójkątnych " odległych w

czasie o

τ0 . Tworzymy dwie funkcje f1(t) oraz f2(t) i obliczamy funkcję korelacji R12. Maksimum funkcji ko-

relacji wypada dla czasu

τ0.

τ

0

f

1 (t)

f

2 (t)

τ

τ

0

R

12

t

t

t

dt

t

f

t

f

R

)

(

)

(

2

0

1

12

τ

−

⋅

=

∫

∞

Wyjaśnienie metody korelacyjnego pomiaru czasu

Jeśli impulsy mają charakter bipolarny, tak jak dla sygnałów bez detekcji w defektoskopie, to funkcja ko-

relacji ma również przebieg bipolarny z jednym wyraźnym ekstremum. Rysunek poniżej ilustruje praktyczny

” Ultradźwięki ” Laboratorium

21

przykład pomiaru metodą korelacji, z wykorzystaniem defektoskopu UMT-17 i standardowego oprogramo-

wania .

Pomiar prędkości fal podłużnych w płasko-równoległej próbce miedzianej o grubości g = 30mm, z

użyciem głowicy 4 MHz.

W ramkach 1 i 2 są dwa kolejne echa dna próbki, w górnym oknie funkcja korelacji sygnałów w

ramkach. Maksimum funkcji korelacji wypada dla czasu dt = 12.75 μs i jest to podane w polu

wyniku. Program automatycznie oblicza prędkość fali przy zadeklarowanej drodze fali, w tym

przypadku V = 2g/dt = 60mm / 12.75 μs = 4705,75 m/s.

7. METODY BADAŃ ULTRADŹWIĘKOWYCH

7.1 KONFIGURACJA GŁOWIC PRZY WYKRYWANIU WAD MATERIAŁOWYCH KONTAKTOWĄ ME-

TODĄ ECHA

Podczas wykrywania wad materiałowych w obiekcie przestrzen-

nym należy spenetrować wiązką fal ultradźwiękowych możliwie całą

objętość i pod różnymi kątami. Głowicę prowadzimy ręcznie po do-

stępnej powierzchni obiektu ruchem meandrowym, jednocześnie ob-

serwując ekran defektoskopu. Zawsze używamy środka sprzęgające-

go ( oleju, smaru, wody ) , którym zwilżamy powierzchnie kontaktu

głowicy. Przy kontakcie ” suchym ” tylko znikoma ilość energii fali ul-

tradźwiękowej wniknie do badanego obiektu. Wadę materiałową roz-

poznajemy jako nieciągłość ośrodka po występowaniu ” echa wady ”

lub po zaniku ” echa dna ” na ekranie defektoskopu. Zadaniem operatora defektoskopu jest określenie poło-

” Ultradźwięki ” Laboratorium

22

żenia wady w przestrzeni ( głębokość, rzut na powierzchnię ) , oszacowanie rozmiaru wady, rozróżnieniu

kształtu wady ( objętościowa czy płaska ) .

Na rysunku pokazano przykłady

tzw. ” penetracji falą bezpośrednią ”

różnych wad głowicami normalnymi i

skośnymi. Wady objętościowe są w

miarę łatwo wykrywane z każdego

kierunku. Dla wad płaskich wiązka fal

powinna mieć kierunek prostopadły

do powierzchni wady aby odbita fala

powrotna miała szanse dotrzeć do

głowicy. Wady płaskie niekorzystnie

zorientowane mogą być w ogóle nie

wykryte jedną głowicą

Często dostępna jest tylko jedna powierzchnia dla przyłożenia głowicy. Jeśli badany element ma rów-

noległą drugą ścianę ( blacha, rura itp. ) to można wykorzystać odbicie pośrednie dla penetracji obszaru wa-

dy. Dla wad płaskich prostopadłych do powierzchni stosuje się kombinację dwóch głowic skośnych w tzw.

układzie ” tandem ”.

Pęknięcia prostopadłe do powierzchni i jednocześnie wychodzące na powierzchnię tworzą tzw. ” naroże ”

. Fala padająca na naroże, na skutek podwójnego odbicia, wraca zawsze w kierunku równoległym do fali

padającej. Tę cenną właściwość bardzo często wykorzystuje się do wykrywania takich wad. Na rysunku po-

kazano współczynniki ” efektywności ” odbicia fali od naroża :

α

LL

- dla fal podłużnych oraz

α

TT

- dla fal po-

przecznych.

β

10°

20°

30°

40°

50°

60°

70°

80°

90°

0°

- kąt zał amania fali

20%

40%

60%

80%

100%

α

TT

α

LL

Współczynnik taki wyraża stosunek ciśnienia fali odbitej od naroża ( powracającej w kierunku głowicy )

do ciśnienia fali padającej na naroże. Jak widać fala poprzeczna zdecydowanie lepiej odbija się od naroża

niż fala podłużna – a dla kątów z przedziału 34

° .. 56° efektywność odbicia fali poprzecznej jest 100% .

” Ultradźwięki ” Laboratorium

23

7.2 OSZACOWANIE ROZMIARU WADY

7.2.1 Wady większe od przekroju wiązki fali

Jeśli wada płaska jest na tyle duża, że odbija całą skierowaną na nią wiązkę fali to rozległość takiej wa-

dy można określić przez wytyczenie jej konturu. Przyjęte rozumowanie jest następujące :

naprowadzając głowicę nad kra-

niec wady tylko część fali odbije

się od niej. Gdy wada przesłania

połowę przekroju wiązki fali to

echo wady spada do 50 % wy-

sokości – a środek głowicy wy-

znacza jeden z punktów brze-

gowych konturu. Łącząc wiele

punktów brzegowych otrzymu-

jemy figurę, jako rzut wady na

płaszczyznę. Takie rozumowanie

jest poprawne gdy kierunek fali jest prostopadły do płaszczyzny wady. W sytuacjach szczególnych, gdy

obiekt ma równoległą ścianę do płaszczyzny przyłożenia głowicy, kontur dużej wady można określić na pod-

stawie 50 % spadku echa dna – w tym przypadku kształt wady może być dowolny a kontur jest swoistym ”

cieniem ” wady na płaszczyźnie .

β

L

s

7.2.2 Wady mniejsze od przekroju wiązki fali

Na rysunkach przedstawiono poglądowo wyniki dwóch eksperymentów. W pierwszym obserwowano

zależność wysokości echa od rozmiaru małych płaskich wad, położonych w polu dalekim głowicy i stałej od-

ległości od powierzchni. W drugim eksperymencie obserwowano wysokość echa wady, o ustalonym rozmia-

rze, w zależności od odległości wady.

Wnioski są następujące :

W polu dalekim wysokość echa wady jest proporcjonalna do pola powierzchni wady i odwrotnie propor-

cjonalna do kwadratu odległości wady :

H ~ s

” Ultradźwięki ” Laboratorium

24

H ~ 1/L

2

gdzie : s - pole wady; L - odległość wady.

W polu bliskim zależność na wysokość echa wady jest empiryczna .

Biorąc pod uwagę te zależności ustalenie rozmiaru wady na podstawie wysokości echa jest kłopotliwe.

W praktyce korzysta się z kilku sposobów :

− wykorzystanie

wykresów

DAC ( ang. Distance Amplitude Curve ) sporządzonych na wadach wzorco-

wych, np. jak na rysunku :

0

20

40

60

80

100

B4S-E

stal

wysokość echa [%]

2mm ERS

odległość [mm]

− wykorzystanie

wykresów

DGS ( ang. Distance Gain Size ) ;

− zastosowanie

sprzętowej dynamicznej ( zmiennej w czasie ) korekcji wzmocnienia defektoskopu TCG

( ang. Time Corrected Gain ) ;

Odpowiednikami angielskich terminów w języku polskim są :

DAC

→ OKA ( krzywa Odległościowej Korekcji Amplitudy ) ;

DGS

→ OWR ( wykres Odległość Wzmocnienie Rozmiar ) ;

TCG

→ ZRW ( Zasięgowa Regulacja Wzmocnienia ) .

7.3 OKREŚLENIE POŁOŻENIA WADY

Położenie wad określamy względem miejsca przyłożenia głowicy, w którym wykryto te wadę. Droga

bezpośrednia fali s jest łatwa do wyzna-

czenia na podstawie położenia impulsu

echa wady na ekranie. Dla głowic nor-

malnych droga bezpośrednia jest głę-

bokością zalegania wady. Dla głowic

skośnych elementarne przeliczenia try-

gonometryczne dają głębokość i rzut na

płaszczyznę odległości wady od ” środ-

ka głowicy ”. W defektoskopach cyfro-

wych przeliczenia wykonywane są

przez wbudowany mikrokomputer.

7.4 BADANIA ZANURZENIOWE

s = ½ c

T

•

t

s

•

sin

β

s

•

cos

β

L

s = ½ c

t

•

L

” Ultradźwięki ” Laboratorium

25

Bardzo popularna jest metoda badań zanurzeniowych,

zwłaszcza w urządzeniach zautomatyzowanych, gdzie

fale z głowicy docierają do badanej próbki przez war-

stwę wody. Po jednym pobudzeniu głowicy ( 1N ) ma-

my kilka ciągów impulsów wynikających z wielokrot-

nych odbić fal w wodzie i próbce co daje złożony obraz

ech na ekranie. Do wykrywania wad należy obserwo-

wać fragment między 1w - 1d1w.

l

g

głowica

próbka

woda

1N-pierwszy

1w- pierwsze

2w - drugie echo wnikania

1d1w- pierwsze echo dna

2N

2d1w- drugie echo dna

3w - trzecie echo wnikania

2t=2l/cw

2t =2 g/c

T- czas wytłumienia fal w wodzie

2t=2l/cw

2t=2l/cw

3d1w

1d2w

2d2w

3d2w

1d3w

2d3w

3d3w

- drugi imp.

nad.

imp. nad.

echo wnikania

W badaniach metodą zanurzeniową należy spełnić warunek na odległość minimalną głowicy od po-

wierzchni stalowej próbki :

lmin > g ∗ ( cw / cs ) ≈ 0.25 g

gdzie : c

w

=1480 m/s, c

s

=5900 m/s – prędkości fal wody i stali.

Obok pokazano przypadek gdy ta zależność nie jest spełniona – kolejne ciągi ech dna są przemieszane

z innymi ciągami ech od wielokrotnych wniknięć fali – całość daje zupełnie nieczytelną sytuację. W bada-

niach ultradźwiękowych podstawową umiejętnością musi być właściwa interpretacja ech.

” Ultradźwięki ” Laboratorium

26

7.5 BADANIA ULTRADŹWIĘKOWE ZE SPRZĘŻENIEM PRZEZ POWIETRZE

Ostatnio zaczęto rozwijać techniki wprowadzania fali ultradźwiękowej do elementów stalowych, kompo-

zytów czy tworzyw sztucznych wprost przez powietrze pod ciśnieniem atmosferycznym. Są to więc badania

” zanurzeniowe w powietrzu ” . Wykorzystuje się fale ultradźwiękowe o częstotliwościach 50 kHz ... 1 MHz .

Sygnały elektryczne otrzymywane z głowic są niezwykle małe, nawet poniżej poziomu szumów własnych

aparatury – stąd konieczność specjalnych zaawansowanych metod przetwarzania sygnałów. Dla zwiększe-

nia energii fali w wybranym obszarze stosuje się silne ogniskowanie wiązki. Zaleta takiego typu sprzężenia

jest oczywista - brak kontaktu mechanicznego głowicy z badanym obiektem.

8. ZASTOSOWANIE FAL ULTRADŹWIĘKOWYCH

Fale ultradźwiękowe znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach techniki. W tym rozdziale zasygnali-

zowane zostaną typowe przykłady zastosowań :

Obrazowa diagnostyka medyczna ( badania USG )

Za pomocą aparatów zwanych ultrasonogra-

fami i głowic mozaikowych można przeprowadzić

szereg bezpiecznych dla organizmu badań na-

rządów wewnętrznych człowieka. Typowymi przy-

kładami są :

− badania

narządów jamy brzusznej ( żołądek,

wątroba, nerki, pęcherz ... ) ;

− badania

płodu, jam serca,

−

przepływów krwi w dużych żyłach i tętnicach

( efekt Dopplera ) ;

− badania struktury gałki ocznej, zatok noso-

wych,

− badanie stopnia zaawansowania osteoporo-

zy - przez pomiar prędkości fali w wybranych

kościach

Badania ultradźwiękowe są szybką, względnie tanią, bezpieczną i rutynową już metodą postępowania

w diagnostyce medycznej. Często są pierwszą alternatywą albo uzupełnieniem badań szkodliwych lub bar-

dzo kosztownych typu : prześwietlenia rentgenowskie, TK - tomografia komputerowa , czy NMR ( magne-

tyczny rezonans jądrowy ) .

Na rysunku pokazano na pierwszym planie szkic przekroju anatomicznego serca - w głębi odpowia-

dający temu przekrojowi echokardiogram.

” Ultradźwięki ” Laboratorium

27

Terapia medyczna

− ultradźwięki stosuje się w zabiegach litotrypsji – rozkruszania tzw. " kamieni " nerkowych silnie zogni-

skowaną wiązką fal ultradźwiękowych o dużym natężeniu, a także przy dezintegracji tkanki tłuszczowej

i innych.

Automatyka przemysłowa

− czujniki ruchu, bardzo popularne w różnych urządzeniach alarmowych, wykorzystanie ciągłej fali ultra-

dźwiękowej w powietrzu, fali odbitej od poruszającej się przeszkody i efektu Dopplera ;

− czujniki ( mierniki ) poziomu cieczy w zbiornikach ( np. z benzyną ) - bazujące na prostym pomiarze

czasu przejścia fali między dnem zbiornika i powierzchnią cieczy ;

− mierniki

prędkości przepływu cieczy w rurociągach ;

W miernikach prędkości przepływu czas przejścia fali ultradźwiękowej między głowicami jest zależny od

wielu czynników : rodzaju cieczy, średnicy rury czy kąta załamania fali ale także od prędkości przepływu cie-

czy- co jest tu wykorzystywane. Głowice mogą być zainstalowane na zewnętrznej

stronie rurociągu. Zwykle dokonuje się dwóch pomiarów czasu przejścia : zgod-

nie z kierunkiem przepływu ( 1

→2 ) i przeciwnie ( 2→1 ) – a odpowiedni mikro-

procesor przelicza różnice czasów z tych pomiarów na prędkość przepływu albo

na objętość przepływu. Ponadto w algorytmie można łatwo uwzględnić wszelkie

korekcje geometryczne, temperaturowe itd. Oprócz przepływomierzy ultradźwiękowych opartych na czasie

przejścia fali stosowane są przepływomierze ultradźwiękowe bazujące na efekcie Dopplera.

Hydrolokacja

−

echosondy - pomiar głębokości akwenów wodnych przez pomiar czasu przejścia fali odbitej od dna ;

−

sonary - wykrywanie i lokalizacja podwodnych obiektów pływających, ławic ryb itp. Współczesne sona-

ry, zwłaszcza te używane w okrętach podwodnych, wykorzystują zespoły przetworników ( anten ) aku-

stycznych ze skanowaniem elektronicznym obszaru – idea analogiczna jak w głowicach mozaikowych.

W hydrolokacji używa się fal ultradźwiękowych od kilkudziesięciu do kilkuset kHz.

Procesy technologiczne z wykorzystaniem ultradźwięków o dużej energii

−

czyszczenie powierzchni, zgrzewanie wyrobów z tworzyw sztucznych,

− spajanie

wyprowadzeń w strukturach półprzewodnikowych ( układy scalone ) ,

−

katalizatory reakcji ( chemia ) ,

Kontrola jakości wyrobów hutniczych podczas produkcji

−

badanie wad wewnętrznych typu pęknięcia, rozwarstwienia, wtrącenia niemetaliczne w : blachach, prę-

tach, rurach, szynach kolejowych, odkuwkach, odlewach itp.

Znaczna część wyrobów hutniczych, które służą jako materiał do odpowiedzialnych konstrukcji, musi

być badana na okoliczność występowania wewnętrznych i powierzchniowych wad materiałowych. Wyroby z

wadami nie są dopuszczane do eksploatacji. Nawet niewielka wada wewnętrzna materiału może być zarod-

kiem tzw. wady zmęczeniowej, która powiększa się w czasie pod wpływem zmiennych obciążeń mechanicz-

” Ultradźwięki ” Laboratorium

28

nych – w końcu może dojść do nagłej awarii konstrukcji (

np. zbiornika ciśnieniowego, rurociągu, kotła, turbiny. itp.

) pociągając zagrożenie życia i straty materialne. Na

zdjęciu pokazano fragment zautomatyzowanego stano-

wiska do ultradźwiękowego badania rur o dużej średnicy.

Cztery zespoły głowic wprowadzają fale ultradźwiękowe

do ścian rury – całość współpracuje z wielokanałowym

defektoskopem. Głowice są nieruchome natomiast rura

jest wolno przesuwana w kierunku osiowym. Między

głowicami a powierzchnią rury jest niewielka szczelina

rzędu ułamka mm , w którą wtłacza się wodę. Woda za-

pewnia transmisję fal, a szczelina eliminuje bezpośred-

nie tarcie głowic zwiększając ich żywotność.

Kontrola jakości połączeń technologicznych, ubytków korozyjnych, pomiary grubości

−

wykrywanie wad w połączeniach spawanych w : rurociągach, zbiornikach ciśnieniowych, kotłach,

− badanie

jakości połączeń zgrzewanych, klejonych ;

− badanie

grubości ścianek zbiorników, rur ... - zwłaszcza przy dostępie tylko z jednej strony ;

Spawanie to jeden z najczęściej używanych sposobów łą-

czenia metali. Badanie spoin to klasyczny przykład zastoso-

wania przenośnych defektoskopów ultradźwiękowych ( pra-

wie 70% zastosowań ) . Różne wady spoin ( typu : pęknięcia,

przyklejenia brzegowe, pęcherze gazowe, wtrącenia żużlowe

) mogą osłabiać wytrzymałość konstrukcji albo być zarodkiem

wad zmęczeniowych i prowadzić do nagłych uszkodzeń.

Ręczne ultradźwiękowe badanie spoin jest pracochłonne,

wymaga doświadczenia operatora i jest dosyć trudne inter-

pretacyjnie. Stąd cyfrowe aparaty ultradźwiękowe mają sze-

reg wbudowanych opcji wspomagających badanie spoin.

Często defektoskop jest ” przystawką ” do komputera przeno-

śnego jak na zdjęciu obok. W masowych badaniach spoin z powodzeniem wdraża się automatyzację ,np. na

budowach rurociągów dalekosiężnych – gdzie aparatura badawcza instalowana jest na samochodach tere-

nowych. W wielu przypadkach badania spoin nie da się zautomatyzować albo jest to nieopłacalne. Wiele

spoin jest badanych w instalacjach technologicznych przemysłu chemicznego i petrochemicznego oraz na

morskich platformach wydobywczych ropy i gazu. Alternatywna metoda badania spoin to radiografia prze-

mysłowa – czyli prześwietlanie spoin promieniowaniem X lub gamma, z rejestracją obrazu spoiny na kliszy.

Szkodliwość promieniowania X i gamma dla człowieka, wysoki koszt - to główne mankamenty radiografii.

Diagnostyka techniczna w czasie eksploatacji : konstrukcji, urządzeń, pojazdów

− wykrywanie ” zmęczeniowych ” wad materiałowych w newralgicznych punktach samolotów, okrętów,

pojazdów szynowych, szynach kolejowych , turbinach energetycznych, łożyskach ślizgowych ;

− ocena

naprężeń w materiale ( monoblokowe koła kolejowe, szyny, wały silników okrętowych ) ;

” Ultradźwięki ” Laboratorium

29

− wykrywanie

pęknięć ” termicznych ” w prętach paliwowych elektrowni jądrowych ;

− prognozowanie

nagłych katastrof szczególne odpowiedzialnych urządzeń - przez ciągły monitoring

emisji akustycznej materiałów poddanych ekstremalnym obciążeniom ;

Badanie szyn kolejowych w torze to następny przykład zastosowania ultradźwięków w tzw. obszarze

NDT ( ang. Nondestructive Testing ) – czyli ba-

dań nieniszczących. Na zdjęciu obok przekrój z

rozwijającą się wadą zmęczeniową w główce

szyny. Takie wady prowadzą do pęknięć całej

szyny. Okresowa kontrola defektoskopem szy-

nowym ma za zadanie wykrywać takie wady.

Badania masowe szyn prowadzone są w spo-

sób zautomatyzowany aparaturą w specjalnym

kolejowym wagonie diagnostycznym. Dwie szy-

ny w torze badane są kilkunastoma głowicami

ultradźwiękowymi – prędkość badania

do100km/h. Często taki wagon dodatkowo pro-

wadzi badania szyn innymi metodami, np. magnetycznymi albo pomiary geometrii toru metodami laserowy-

mi.

Inżynieria materiałowa i inne

− ocena

własności materiałów przez pomiar prędkości i tłumienia fal ultradźwiękowych o różnych często-

tliwościach : w metalach, stopach, materiałach kompozytowych, skałach, ceramikach ;

− mikroskopia

ultradźwiękowa – zobrazowanie struktur wewnętrznych ciał stałych z rozdzielczością kilku-

nastu mikrometrów - użycie zogniskowanych wiązek fal o częstotliwości kilkuset MHz ;

−

budownictwo : ocena wytrzymałości betonu na ściskanie, wykrywania pęknięć w konstrukcjach betono-

wych, ocena stanu nawierzchni drogowej ;

−

akustoelektronika : ultradźwiękowe linie opóźniające, filtry z falą powierzchniową.

Na zdjęciu po lewej stronie - głowica i manipulatory przesuwu laboratoryjnego mikroskopu ultradźwiękowe-

go. Sprzężenie akustyczne z badanym obiektem przez wodę. Zdjęcie po stronie prawej - przykład zobrazo-

wania na tym mikroskopie ultradźwiękowym struktury wewnętrznej układu scalonego. Miejsca delaminacji

względem podłoża wyróżnione są w kolorze żółtym i czerwonym.

” Ultradźwięki ” Laboratorium

30

Badania ultradźwiękowe wkraczają również

do budownictwa. Znane i używane są metody

określania wytrzymałości betonu na ściskanie na

podstawie prędkości rozchodzenia fal podłużnych

w betonie. Ze względu na silne tłumienie fal w be-

tonie używa się głowic ultradźwiękowych o niskich

częstotliwościach – rzędu 50 ... 200 kHz .

Na zdjęciu pomiar jakości betonu pasa startowego

inną metodą akustyczną, polegającą na analizie

odpowiedzi impulsowej drgań powierzchni po sil-

nym uderzeniu bijakiem młotka.

” Ultradźwięki ” Laboratorium

31

9. PRZEBIEG ĆWICZENIA

9.1 ZAPOZNANIE Z OBSŁUGĄ DEFEKTOSKOPU ULTRADŹWIĘKOWEGO UMT-17

− Sprawdzić czy kabel USB jest podłączony do komputera PC , uruchomić komputer, włączyć wtyk zasila-

nia defektoskopu UMT-17 . Podłączyć kabel głowicy do gniazda ” N/O ” . ( Uwaga !! - wtyki kabelka typu

” Lemo ” mają zatrzask i wyjęcie jest możliwe ciągnąc za wtyk a nie za kabel ) .

− Na wzorcu schodkowym zwilżyć powierzchnię pierwszego schodka ( wys. 40 mm ) kilkoma kroplami

oliwki lub żelu i postawić głowicę ultradźwiękową 4LN13 . Docisk głowicy ręką albo ciężarkiem.

− Uruchomić program UMT17.exe z katalogu gdzie jest zainstalowany albo z ikony UMT-17 na pulpicie ;
− Wybrać z menu opcję ” Plik - Wczytaj Definicję ” . Z listy wybrać definicję ” Ultradźwięki Laboratorium

” i przepisać ją do programu klawiszem

” OK ” . Każda wczytana definicja zawiera 8 zestawów nastaw,

wybrać pierwszy zestaw – przez kliknięcie lewym klawiszem myszki na ” 1 ” w przełączniku 1 ... 8 .

− Kliknięcie prawym klawiszem myszki na wybranej pozycji przełącznika 1 ... 8 daje dostęp do objaśnień

tekstowych i graficznych ( np. jak zdjęcie powyżej ) dla wybranego zestawu.

− Na ekranie komputera pojawi się obraz jak poniżej. Dolne okno sygnałowe zwane oknem głównym po-

kazuje ciąg impulsów odpowiadający wielokrotnym odbiciom fali ultradźwiękowej między płaszczyznami

próbki ( w tym przypadku odległymi o 40mm ) . Okno lupy obrazuje ” rozciągnięty w czasie ” ograniczony

ramką fragment z okna głównego.

− Sprawdzić jak niezwykle istotne jest sprzężenie akustyczne między głowicą emitującą falę a próbką, do

której fala wnika. Pamiętamy, że fala ultradźwiękowa jest fala mechaniczną i może rozchodzić się tylko

w ośrodkach materialnych. Suchy kontakt miedzy głowicą a próbką skutkuje znikomą transmisją fali z

uwagi na chropowatość obu powierzchni. Dopiero warstwa ośrodka sprzęgającego ( np. oleju, smaru,

” Ultradźwięki ” Laboratorium

32

żelu, wody ) wypełnia te chropowatości i zapewnia możliwość przekazywania drgań mechanicznych,

czyli propagację fali. Sprawdzić jak wyglądają echa przy suchym kontakcie oraz przez żel dotykając

głowicę ręką z różną siłą nacisku i w różnych miejscach próbki. Powrócić do sytuacji początkowej

sprzęgając głowicę przez żel.

1-sze echo

”dna” próbki

2-gie echo

”dna” próbki

3-cie echo

”dna” próbki

Impuls
nadajnika

Po wcześniejszym zapoznaniu się ze skróconym opisem ( na końcu opracowania ) elementów graficz-

nych ekranu zapoznać się z ich działaniem :

− Zaobserwować wpływ położenia suwaka ” Zasięg ” na rysunek ech oraz skojarzone z oknem skale

odległości [mm] ( albo czasu [μs] ) ;

− Przesuwać ramkę ” Lupy ” ciągnąc myszką jeden z boków ramki. Jeśli ramka jest niewidoczna można

ją sprowadzić do okna wybierając z lokalnego menu ( prawy klawisz myszki ) ” Przywołaj ramki ” ;

− Zaobserwować wpływ parametrów odpowiedzialnych za energię fali ultradźwiękowej emitowanej przez

głowicę, poprzez manipulację suwakami ” Napięcie nadajnika ” i ” Szerokość ” , na kształt i wyso-

kość ech. Ustawić napięcie = 200V. oraz optymalną szerokość. Rozpoczynamy regulację szerokości od

wartości minimalnej – za optimum przyjmujemy wartość szerokości dla pierwszego maksimum wysoko-

ści ech ( zazwyczaj są kolejne maksima ) ;

− Zaobserwować wpływ manipulacji suwakiem ” Podcięcie ” na echa . Ustawić podcięcie tak aby linia

zerowa sygnału pokrywała się z linią zerową okna z tolerancją 1piksela. Teoretycznie powinno to wy-

padać dla położenia suwaka = 0 % , w praktyce występuje pewna systematyczna odchyłka tego poło-

” Ultradźwięki ” Laboratorium

33

żenia od wartości 0 % . Prawidłowe ustawienie podcięcia ma istotny wpływ na wskazania wysokości

ech podczas automatycznych pomiarów monitorowych i pomiarach kursorowych.

− Zaobserwować zmiany ech ultradźwiękowych przy manipulacji suwakiem ” Wzmocnienie ” . Zastano-

wić się jaki jest cel regulacji wzmocnienia w defektoskopie ? Ustawić ramkę lupy na 2 echo dna. Do-

brać wzmocnienie tak, aby wysokość 2-go echa dna była 0.4 H ( tzn. 40 % wysokości okna ) i zanoto-

wać tę wartość w [dB] . Następnie sprawdzić czy przyrost ( spadek ) wzmocnienia o 6 dB spowoduje

dwukrotny wzrost ( spadek ) wysokości echa. W sprawozdaniu przeprowadzić rachunkowy dowód tego

eksperymentu korzystając z definicji wzmocnienia wyrażonej w [dB] ;

− Zapoznać się z dostępnymi w programie widokami okien, korzystając z opcji menu ” Widok ” albo z pię-

ciu przycisków widoku ;

− Zapoznać się z dostępnymi w programie typami obrazowanych sygnałów ultradźwiękowych :

1. przełącznik ” LIN ” albo ” LOG ” wybiera typ wzmacniacza w odbiorniku defektoskopu-gdzie ” LIN

” oznacza odbiornik o charakterystyce liniowej a ” LOG” o charakterystyce logarytmicznej.

• Jeśli przez

A

out

oznaczymy amplitudę ( wysokość ) ech rysowanych na ekranie a przez

A

in

amplitudę sygnału z głowicy ultradźwiękowej to zależności są takie :

• dla toru liniowego

A

out

= W x A

in

; gdzie

W

- regulowane wzmocnienie defektoskopu

• dla toru logarytmicznego

A

out

= k x log ( A

in

)

;

gdzie k - stała ;

• W

tym

ćwiczeniu odbiornik logarytmiczny nie jest używany. Należy pamiętać, że napis na

przycisku jest w konwencji negacji – jeśli jest napis LOG to aktualnie wybrany jest tor liniowy i

odwrotnie.

2. przełącznik ” HF ” albo ” LF ” dotyczy tylko toru liniowego i wybiera typ rysowanego sygnału

gdzie ” HF ” oznacza tzw. sygnał wielkiej częstotliwości, taki jaki rzeczywiście odbieramy z głowicy

w wyniku oddziaływania z falą ultradźwiękową, a ” LF ” oznacza tzw. sygnał niskiej częstotliwości,

czyli sygnał HF poddany detekcji i filtracji obwiedni. Zobrazowanie LF ma mniej szczegółów i przy

typowych zastosowaniach defektoskopów, jak wykrywanie wad materiałowych, jest wygodniejsze.

Tu również napis na przycisku jest w konwencji negacji, czyli jeśli jest napis ” HF ” to aktualnie ry-

sowany jest sygnał typu LF i odwrotnie.

− Zapoznać się ze sposobem przemieszczania bramek monitorów M1 i M2 ( początek, długość , próg )

przez operacje myszką oraz z okienek dialogowych a także z automatycznymi pomiarami położenia

( metodą progową ) i wysokości ech w obszarze bramki. Jeśli bramki są niewidoczne to można je spro-

wadzić do obszaru okna opcją ” Przywołaj monitory ” z lokalnego menu ( prawy klawisz myszki ). Po-

dwójne kliknięcie na belce monitora otwiera okienka dialogowe monitorów ;

− Zapoznać się z ważną opcją skalowania okien sygnałowych – dostęp z przycisku ” Nastawy ” lub z me-

nu ” Nastawy – Nastawy-Skalowanie ” . Osie poziome okien sygnałowych mogą być opisane w jed-

nostkach czasu lub odległości, a przeliczenia są dokonywane z uwzględnieniem parametrów takich jak :

metoda, prędkość fali, kąt wnikania fali, czas korekcji ( opóźnienie własne głowicy ) ;

−

Każde okno sygnałowe ma możliwość tzw. pomiarów kursorowych – określając położenie kursora

myszki bezwzględnie lub różnicowo względem ustawianych linii odniesienia. Uaktywnianie pomiarów

kursorowych jest dostępne z lokalnego menu ( prawy klawisz myszki ) – a część ustawień jest dostępna

w opcji ” Właściwości ” lokalnego menu.

” Ultradźwięki ” Laboratorium

34

9.2 POMIAR CZASU PRZEJŚCIA PODŁUŻNEJ FALI ULTRADŹWIĘKOWEJ W ZALEŻNOŚCI OD DROGI

Wybrać drugi zestaw nastaw klikając na przycisku 2 przełącznika 1 … 8 . Obejrzeć objaśnienia do tego

zestawu nastaw. Używając głowicy 4LN13 i wzorca schodkowego zbadać dla wszystkich schodków zależ-

ność czasu przejścia fali oraz pomierzyć grubość schodka – przy włączonej korekcji czasu oraz bez korekcji.

Przechodzenie między odczytami A,B, C, D jest możliwe przez odpowiednie ustawienia w opcji ” Na-

stawy- Skalowanie ” . Dla pewności można sprawdzić suwmiarką czy podane w tabeli wymiary fizyczne

schodków są prawidłowe.

Wymiar fizyczny schodka h [mm]

40 35 30 25 20 15

Droga fali w próbce s [mm]

80 70 60 50 40 30

A. Czas przejścia t [usek]- korekcja włączona

B. Grubość z pomiaru [mm] - korekcja włączona

C. Czas przejścia t [usek]- korekcja wyłączona

” Ultradźwięki ” Laboratorium

35

D. Grubość z pomiaru [mm] - korekcja wyłączona

W sprawozdaniu :

Załączyć tabelę z pomiarami. Narysować wykresy t = f(s) . Korzystając z elementarnej definicji prędko-

ści : V = ΔS / Δt wyznaczyć tę prędkość. Z otrzymanego wykresu a także analitycznie wyznaczyć czas

opóźnienia własnego głowicy t

0

.

t = t

0

+ S / V

gdzie : t - czas przejścia, t

0

- opóźnienie własne głowicy, S – droga fali , V - prędkość fali

W najdłuższym schodku są dwa cylindrycz-

ne otwory płaskodenne, co łatwo stwierdzić

patrząc od spodu wzorca schodkowego.

Zakładając, że nie wiemy gdzie są te otwo-

ry - spróbujemy zlokalizować te otwory gło-

wicą od górnej płaszczyzny na podstawie

echa od płaskiego dna otworu. Być może

konieczne będzie zwiększenie wzmocnie-

nia. Po wykryciu zmierzyć przez pomiar

monitorowy albo kursorowy głębokość każ-

dego otworu a następnie skonfrontować to

z pomiarem mechanicznym suwmiarką.

” Ultradźwięki ” Laboratorium

36

9.3 POMIAR PRĘDKOŚCI FAL PODŁUŻNYCH W CIAŁACH STAŁYCH I CIECZACH

Wybrać trzeci zestaw nastaw klikając na przycisku 3 przełącznika 1 ... 8 . Obejrzeć objaśnienia do tego

zestawu nastaw. Używając głowicy 4LN13 i próbek walcowych z różnych materiałów (o wys. 30 mm ) wy-

znaczymy prędkość fal podłużnych bazując na elementarnej zależności :

prędkość fali = droga fali / czas przejścia

V = S / t

Jako drogę fali przyjmujemy podwójną wysokość próbki, a czas przejścia to czas między kolejnymi

echami dna próbki. Czas przejścia będzie wyznaczony wbudowaną w program procedurą korelacyjną.

” Ultradźwięki ” Laboratorium

37

W okienku ” DSP-Właściwiości DSP ” wpisujemy drogę fali 60 mm, następnie wybieramy z menu

” DSP-Korelacja ” .

Materiał

aluminium stal miedź mosiądz araldit teflon

gliceryna

woda

Droga fali s [mm]

60 60

60 60 60 60 10

10

Czas przejścia t [usek]

Prędkość fali [m/sek]

W sprawozdaniu :

Załączyć tabelę z pomiarami. Dla każdego materiału obliczyć impedancje akustyczne oraz ile % energii

fali podłużnej padającej z wody prostopadle na próbkę wniknie do t materiału.

− Ustawiamy

głowicę na zwilżonej oliwką próbce i dociskamy tak, aby uzyskać dwa kolejne echa dna.

Dobieramy wzmocnienie tak, aby wysokość pierwszego echa dna była ok. 70 ... 90% wysokości okna ;

− Ramki

” 1 ” i ” 2 ” ustawiamy myszką tak, aby całkowicie obejmowały echa. Całą ramkę przesuwa się

ciągnąc myszką jej górną lub dolną krawędź a szerokość ramki ciągnąc lewy lub prawy bok. Jeśli ramki

są niewidoczne w oknie to przywołujemy jez lokalnego menu opcją ” Przywołaj ramki ” ;

−

Czas przejscia dt = .... [μs] i prędkość fali V = .... [m/s] odczytujemy z pola wyniku nad oknem korelacji ;

− Powtarzamy

tę procedurę dla każdej próbki metalowej, czyli dla: stali, aluminium, mosiądzu i miedzi ;

−

Próbki z tworzywa sztucznego araldit oraz teflon są materiałami silnie tłumiącym fale o częstotliwości

4 MHz i trudno jest uzyskać wyraźne echa dna, zatem użyjemy głowicy 2LN13 o częstotliwości 2 MHz.

Ustawiamy głowicę na próbce z ” araldit ” i dobieramy optymalną szerokość i wzmocnienie tak, aby uzy-

skać wysokość pierwszego echa dna ok. 70 ... 90 % wysokości okna. Analogicznie jak poprzednio ram-

ki ustawiamy na pierwsze i drugie echo dna i z pola odczytu notujemy wynik ( dla araldit prędkość fali

jest około 2545 m/s ) . Jeśli drugie echo dna jest bardzo małe, to można je lokalnie wzmocnić stosując

zasięgową regulację wzmocnienia. Przykład edycji krzywej regulacji pokazano na rysunku poniżej.

” Ultradźwięki ” Laboratorium

38

−

Dla próbki teflonowej postępujemy podobnie jak dla próbki z aralditu, tu jednak tłumienie fal ultradźwię-

kowych będzie jeszcze silniejsze.

Przy pomiarze prędkości fal ultradźwiękowych w cieczach używamy specjalnego uchwytu głowicy zanu-

rzanego w cieczy. Konstrukcja uchwytu zapewnia odbicie wiązki fali od dwóch płaszczyzn odległych od sie-

bie dokładnie o 5 mm . Oznaczmy płaszczyznę czoła głowicy jako ( 0 ) . Na ekranie uzyskamy dwa echa :

pierwsze od płaszczyzny bliższej głowicy ( 1 ) – droga fali [ 0→1→0 ] a drugie od płaszczyzny ( 2 ) - droga

fali [ 0→2→0 ] . Różnica dróg fali w wodzie wynosi zatem Δs = 2 x 5 mm = 10 mm . Mierząc czas między

echami metodą korelacyjną możemy obliczyć prędkość fali w cieczy. Warto zauważyć, że w metodzie tej nie

trzeba znać bezwzględnej odległości czoła głowicy od próbki a jedynie wysokość ” schodka ” ( 5mm ) , która

jest stała i może być bardzo dokładnie określona.

Głowica
4LN13

0

2

1

3

woda

0-2-

0-1-

” Ultradźwięki ” Laboratorium

39

Pomiar prędkości fali ultradźwiękowej w wodzie przeprowadzamy następująco :

− Wybieramy

4 zestaw nastaw i oglądamy objaśnienia. Wybieramy widok ” DSP-Korelacja ” ;

−

Głowicę 4LN13 ( starannie oczyszczoną z oliwki lub żelu !! ) umieszczamy w uchwycie ,wkładamy

do naczynia i nalewamy wody do poziomu jak na rysunku. W opcji ” DSP - Właściwości DSP ” usta-

wiamy drogę fali 2x5mm =10mm ;

− Podobnie jak w poprzednich pomiarach korelacyjnych, dobieramy wzmocnienie aby 1 echo miało od

50 % do 90 % wysokości okna, ustawiamy ramki na echach i odczytujemy z pola wyniku korelacji czas

przejścia dt = .... [μs] i prędkość fali V = .... [m/s] ;

−

Ten sam eksperyment można powtórzyć z inną cieczą, np.gliceryną.

Warto jeszcze zaobserwować dalsze echa : w widoku wybrać tylko okno główne, ustawić typ zobrazowa-

nia sygnału na LF , zwiększyć zasięg do ok.80 μs, zwiększyć wzmocnienie tak aby uzyskać echa podobne

do obrazu jak na rysunku poniżej. Interesująca jest interpretacja tych ech – podstawowa umiejętność w ba-

daniach ultradźwiękowych. Na rysunku określone są drogi fal dla kilku ech. Korzystając z opcji ” Pomiary

kursorowe ” zmierzyć położenia ech i określić, jaka jest droga fali dla echa xx .

” Ultradźwięki ” Laboratorium

40

f

a: [ 0 - 1 – 0 ]; b: [ 0 - 2- 0 ] c: [ 0-1-3-1-0 ]; d: [ 0 – 2 – 3 – 1 – 0 ] ;

e: [ 0 – 2 – 3 – 2 – 0 ]; f: [ 0 – 1 – 0 – 1 – 0 ]; xx: [ 0 – ????????? – 0 ] ;

b

c

d

e

xx

a

9.4 0SZACOWANIE WSPÓŁCZYNNIKA ODBICIA FALI NA GRANICY OŚRODKÓW

Wybieramy 5 zestaw nastaw i oglądamy objaśnienia.

” Ultradźwięki ” Laboratorium

41

Upewnić się, że wybrane jest zobrazowanie LF sygnału w oknach i widok dwóch okien ( główne + lupa

). Wstawić ” klocek ” aluminiowy do pustego płytkiego naczynia. Do okrągłego wgłębienia klocka wlać kilka

kropel oliwki lub żelu i postawić głowicę 4 LN13 – głowicę obciążyć z góry małym ciężarkiem. Ramkę lupy

oraz monitor M1 ustawić tak, aby obejmowały pierwsze echo dna klocka, wybrać widok tylko okna lupy.

Wysokość echa dna H

1

jest proporcjonalna do współczynnika odbicia fali na granicy aluminium - po-

wietrze ( R

1

≈ -1 ) , a fala całkowicie odbije się i wróci w kierunku głowicy :

R

1

= (z

pow

– z

Al

)/(z

pow

+ z

Al.

)

ponieważ : z

pow

<<<z

Al.

to R

1

≈ -1 ,

zatem H

1

= k R

1

; gdzie : k – stała .

Jeśli ( nie ruszając głowicy !! ) do naczynia wlejemy wodę tak, aby dno próbki zanurzyło się, to część

fali wniknie do wody a reszta odbije się od granicy aluminium - woda i wróci w kierunku głowicy . Wysokość

echa dna spadnie do wartości H

2

i będzie proporcjonalna do współczynnika odbicia R

2

:

R

2

= ( z

wody

– z

Al

) / ( z

wody

+ z

Al.

)

ponieważ

z

wody

= 1.48x106 [kg/m2s] oraz

z

Al

. = 17.28x106 [kg/m2s] to :

R

2

≈ - 0.8573

oraz : H

2

= k R

2

Stosunek wysokości ech jest równy współczynnikowi odbicia fali na granicy aluminium-woda :

H

2

/ H

1

=

k R

2

/ k R

1

= - R

2

Spróbujmy zmierzyć doświadczalnie współczynnik R

2

i porównać wynik z obliczeniem teoretycznym

( R

2

≈ - 0.8573 ) . Do pomiaru wysokości ech użyjemy automatycznego pomiaru monitorowego.

−

Dla granicy aluminium - powietrze ( puste naczynie ) regulując wzmocnienie ustawiamy wysokość echa

na ok. 90% wysokości okna. Z okienka wyników monitorowych notujemy H

1

= ... ;

A

owietrze

p

wod

A

” Ultradźwięki ” Laboratorium

42

− Wlewamy

wodę tak, aby zanurzyć dno klocka ( uważać aby nie poruszyć głowicy !! ) - wysokość

echa nieco spadnie bo część fali przejdzie do wody a reszta wróci do głowicy. Notujemy H

2

= ... ;

− Obliczamy

współczynnik odbicia fali R

2

= - H2 / H1 .

9.5 OBSERWACJA ECH OD FAL PODŁUŻNYCH PADAJĄCYCH POD KĄTEM NA GRANICĘ

OŚRODKÓW

Wybieramy 6 zestaw nastaw i oglądamy objaśnienia.

Używając głowicy 4LN13 i specjalnej próbki aluminiowej w kształcie klina sprawdzimy, czy kąt padania

fali na granicę aluminium – powietrze jest równy kątowi odbicia. Oczywiście sprawdzenie to będzie tylko dla

jednego kąta ( 45° ) .

− Ustawiamy

głowicę na zwilżonej oliwką powierzchni ” 0 ” klina ( w środku ) . Pomimo że nie ma możli-

wości bezpośredniego odbicia fali od narożnika ( 90° ) na ekranie otrzymujemy wyraźne echo. Zatem

fala odbija się dwukrotnie pod kątem 45° i wraca do głowicy - ( droga 0-1-2-0 na rysunku poniżej ) .

Ustawić wysokość echa na ok. 90% wysokości okna przez dobór wzmocnienia i zmierzyć położenie

echa pomiarem monitorowym. Sprawdzić, czy położenie to jest równe połowie obliczonej geometrycz-

nie drogi 0-1-2-0 .

” Ultradźwięki ” Laboratorium

43

− Odsunąć głowicę w kierunku narożnika ( 45° ) na klinie. Zwiększamy wzmocnienie o kilka ( 8 ... 10 ) dB

. Obserwowane echo pochodzi od pięciokrotnego odbicia fali ( droga 0-1-2-0-2-1-0 ) . Analogicznie jak

poprzednio zmierzyć położenie echa i sprawdzić, czy położenie to jest równe połowie obliczonej geo-

metrycznie drogi 0-1-2-0-2-1-0 . Dlaczego przy przesuwaniu głowicy położenie echa nie zmienia się ?

− Odwrócić klin w podstawce i przyłożyć głowicę do zwilżonej oliwką płaszczyzny 1 albo 2 . Jaka będzie

droga fali w tym przypadku dla obserwowanego echa ?. Potwierdzić rozumowanie przez porównanie

położenia echa i połowy długości obliczonej geometrycznie drogi fali.

W sprawozdaniu :

Dla punktów 1 , 2 , 3 naszkicować drogę fali ultradźwiękowej w klinie. Porównać zmierzone położenie

echa z obliczoną geometrycznie długością drogi fali.

9.6 OBSERWACJA ECH OD FAL POPRZECZNYCH PRZY BADANIU GŁOWICĄ SKOŚNĄ

Wybieramy 7 zestaw nastaw i oglądamy objaśnienia.

klin aluminiowy

80 mm

45

90

45

0

2

powierzchni

1

0-1-2-

0-1-2-0

0-1-2-0-2-1-0

0-1-2-0-2-1-0

?

” Ultradźwięki ” Laboratorium

44

Podłączamy głowicę skośną 45

° ( np. głowica 2T45A15 firmy Unipan ) i ustawiamy na wzorcu schod-

kowym.

− Po

zwilżonej oliwką powierzchni prowadzimy

powoli głowicę obserwując echa na ekranie –

czynność wykonujemy dla obu kierunków pe-

netracji ( rys. a i b). Wyjaśnić drogę fal dla ob-

serwowanych ech ;

a

c

b

d

− Zaobserwować różnice w położeniu ech przy

włączonej i wyłączonej korekcji czasu głowicy

( opcja ” Nastawy - Skalowanie” ) ;

− Przy wybranym skalowaniu ” mm (Y) ” i włą-

czonej korekcji, sprawdzić czy poprawnie iden-

tyfikowana jest głębokość schodków ( naroży )

w pomiarach monitorowych ;

− Zaobserwować echa przy przesuwaniu głowi-

cy skośnej po powierzchni klina ( rys. c ) ;

− Zaobserwować zmianę wysokości echa przy

skręcaniu głowicy ( rys. d ) .

” Ultradźwięki ” Laboratorium

45

9.7 OBSERWACJA ECH OD FAL POWIERZCHNIOWYCH PRZY BADANIU GŁOWICĄ POWIERZCH-

NIOWĄ

Wybieramy 8 zestaw nastaw i oglądamy objaśnienia. Podłączamy głowicę fal powierzchniowych ( np.

głowica 2S15 firmy Unipan ) zwilżamy żelem tylko w jednym punkcie pod głowicą i ustawiamy na wzorcu

schodkowym jak na rysunku.

Fale powierzchniowe rozchodzą się tuż pod powierzchnią materiału wnikając na niewielka głębokość.

Każde ostre załamanie powierzchni oraz każda płaszczyzna prostopadła do kierunku propagacji fali (np.

pęknięcie powierzchniowe ) spowoduje jej odbicie i powrót do głowicy - dając echa krawędzi lub pęknięć

prostopadłych do powierzchni. Fakt, że fala biegnie po powierzchni powoduje, że jest tłumiona przez wszel-

kie przeszkody na tej powierzchni. Nawet kilka kropel wody ( żelu ) na drodze fali albo przyłożenie palca na

drodze fali spowoduje stłumienie ech. Możemy w ten sposób zidentyfikować, od których krawędzi pochodzą

echa, przesuwając palcem po powierzchni na drodze fali.

10. ZARYS OBSŁUGI PROGRAMU

Pełny opis obsługi programu i systematyczny przegląd wszystkich opcji programowych wraz z komenta-

rzem jest dostępny w instrukcji obsługi defektoskopu UMT-17. Poniżej podano tylko elementarne informacje

do obsługi programu.

Operowanie myszką

Program jest zaprojektowany tak, aby w większości przypadków dał się obsługiwać równolegle za po-

mocą myszki i klawiatury ( pewne operacje są dostępne przy użyciu tylko klawiatury albo tylko myszki ) .

Program rozróżnia trzy rodzaje akcji przeprowadzanych przez operatora za pomocą myszki :

− przesuwanie myszki - ruch jest odwzorowany na ekranie za pomocą ruchu tzw. kursora myszki ;
− ” kliknięcie " - akcja polegająca na szybkim wciśnięciu i zwolnieniu lewego klawisza myszki ;
− " ciągnięcie " - akcja polegająca na przesuwaniu myszki przy wciśniętym lewym klawiszu.

” Ultradźwięki ” Laboratorium

46

Elementy ekranu w programie

Pasek narzędzi

Okno sygnałowe lupy

Suwaki nastaw

Okno sygnałowe
główne

Linia odniesienia

Wykres sygnału

Ramka lupy

Bramka
monitora

Pola odczytów

- pole odczytów wyników pomiarów w bramkach monitorów

- pole odczytów kursorowych

- pole odczytów wyników operacji DSP (korelacja, widmo,..)

Struktura Menu głównego

Program zawiera hierarchiczną strukturę tzw. MENU , w której wyliczone jest większość operacji prze-

prowadzanych przez program. Dzięki niej można odnaleźć akcję, którą ma podjąć program i spowodować

aby ta akcja została wykonana. Na rysunku pokazano opcje z menu głównego. Każda z opcji jest rozwijana.

Menu lokalne

Kliknięcie prawym klawiszem myszki w obszarze okna sygnałowego otwiera menu lokalne do przepro-

wadzenia różnych ustawień okna i pewnych wybranych operacji ( np. Drukuj ) . Kliknięcie prawym klawiszem

myszki na przełączniku wyboru zestawu nastaw ( 1 ... 8 ) daje dostęp do objaśnień tego zestawu. Objaśnie-

nia są w postaci zdjęcia i opisu tekstowego – przykład na zdjęciu poniżej.

” Ultradźwięki ” Laboratorium

47

Pasek narzędzi

Wskazując kursorem przycisk paska narzędzi pojawia się podpowiedź do czego służy dany przycisk.

Na rysunku pokazano opis grup przycisków paska narzędzi.

Zapis/
Odczyt
definicji

Wybór widoku

Nastawy

Zapis/Odczyt
wyników

Wybór rodzaju
sygnału

Wybór zestawu nastaw 1..8
W ramach wczytanej definicji

Zmrożenie/
Odmrożenie
sygnału

Ekranowe obszary aktywne

Wiele parametrów nastaw sprzętowych defektoskopu oraz różnych parametrów liczbowych w progra-

mie możliwe są do ustawienia w dualny sposób : z klasycznych okien dialogowych dostępnych z menu albo

przez operacje na aktywnych elementach graficznych okien. Np, wzmocnienie defektoskopu można ustawić

z okienka dialogowego ( menu :” Nastawy – Nastawy - Nadajnik/Odbiornik – Wzmocnienie ” ) albo cią-

gnąc myszką aktywny element graficzny jakim jest suwak wzmocnienia. W programie dualny dostęp do pa-

rametrów jest wzajemnie uaktualniany, tzn. regulacja z okienka dialogowego uaktualnia położenie suwaka i

na odwrót.

Aktywne elementy graficzne są następujące :

−

suwaki – zmiana wartości przez ciągnięcie suwaka przy wciśniętym lewym klawiszu myszki. Dodatkowo

klikanie z lewej lub prawej strony uchwytu suwaka powoduje zmianę wartości z precyzyjnym skokiem.

− bramki monitorów - najeżdżając kursorem myszki na obszar monitora kursor zmienia postać. Przesu-

wanie całego monitora możliwe jest przez ciągnięcie myszką poziomej belki monitora. Zmiana początku

lub końca monitora realizowana jest przez ciągniecie myszką jego krańców. Podwójne klikniecie na

belce monitora otwiera dostęp do okienka dialogowego nastaw monitorów. Jeśli monitor jest poza ob-

szarem okna to można go sprowadzić z lokalnego menu wybierając” Przywołaj monitory ” ;

” Ultradźwięki ” Laboratorium

48

−

ramka lupy - ciągnąc myszką dowolną krawędź ramki lupy przemieszczamy ją w obszarze okna głów-

nego. Szerokość ramki lupy jest uzależniona od zasięgu i nie jest swobodnie regulowana. Ramka lupy

może być poza widzialnym obszarem okna – jeśli trzeba można ja sprowadzić do okna z lokalnego me-

nu wybierając ” Przywołaj ramki ” ;

−

ramki w opcji DSP” Korelacja ” – dwie ramki 1 i 2. Przesuwanie przez ciągnięcie górnej krawędzi ram-

ki, zmiana szerokości przez ciągnięcie pionowych krawędzi ramki. Szerokości obu ramek są równe,

zmiana w jednej uaktualnia szerokość w drugiej. Analogicznie jak wyżej, gdy ramki są poza obszarem

okna głównego można je sprowadzić z lokalnego menu wybierając” Przywołaj ramki ” ;

−

ramka w opcji DSP ” Transformata Fouriera ” albo ” Gęstość widmowa ” – jedna ramka DFT. Zmia-

na położenia i szerokości przez ciągnięcie krawędzi ramki jak dla korelacji.

−

linie odniesienia dla pomiarów kursorowych - zmiana położenia linii przez ciągniecie linii myszką. Jeśli

linie odniesienia są poza oknem to sprowadzamy je do okna z lokalnego menu ” Przywołaj linie od-

niesienia ” ;

−

skale poziome okien sygnałowych ( [mm] , [μs] , [MHz] ) – ciągnąc myszką za ” cyfry ” opisu skali uak-

tualniamy rozciąg liczbowy skali.

Okienka dialogowe nastaw

Opcja nastaw ma cztery zakładki.

Zakładka ” Nadajnik/Odbiornik ” grupuje wszystkie ustawienia związane z torem analogowym defek-

toskopu. Większość pól tej zakładki jest oczywista. Skomentujemy tylko niektóre :

−

Tłumienie – wybór rezystora tłumiącego elektrycznie głowicę ultradźwiękową. Mniejsza wartość rezy-

stora skraca szerokość impulsów ( ech ) poprawiając zdolność rozdzielczą, ale jednocześnie spada

amplituda sygnału z głowicy ;

−

Sygnał - to jest wybór rodzaju sygnału rysowanego w oknach. ” m.cz. ” odpowiada sygnałowi po detek-

cji natomiast ” w.cz. ” sygnałowi wielkiej częstotliwości. Dostęp do tego wyboru jest też z paska narzę-

dzi – przycisk ” LF – HF ”;

−

Częst. dolna i górna - wybór pasma przenoszenia odbiornika ;

” Ultradźwięki ” Laboratorium

49

−

Stała czasu - stopień filtracji obwiedni dla sygnału po detekcji.

Zakładka ” Monitory/DAC ” grupuje ustawienia związane z położeniem bramek monitorów oraz okre-

śla zakres aktywności krzywej DAC ( początek i koniec ) .

Zakładka ” Skalowanie ” grupuje ustawienia związane z przeliczeniami ” czas - odległość ” .

− Pole ” Skala ” - określa w jakich jednostkach są opisane skale poziome okien sygnałowych ;
− Pole ” Korekcja czasu przejścia w głowicy ” – umożliwia wprowadzenie poprawki do skalowania

okien tak, aby wynik pomiarów odpowiadał rzeczywistym wymiarom badanego obiektu.

Zakładka ” Sygnał ” grupuje ustawienia związane z zakresem obserwacji w oknie głównym i oknie lupy

oraz sposobem akwizycji sygnału.

” Ultradźwięki ” Laboratorium

50

− Pole ” Okno główne ” – umożliwia wprowadzenie zasięgu obserwacji i opóźnienia zobrazowania. Do-

stęp do tych parametrów jest też możliwy przez manipulacje suwakiem zasięgu i paskiem przewijania

okna głównego.

− Pole ” Lupa ” – określa położenie ramki lupy w oknie głównym. Tryb lupy określa z czym związany jest

początek ramki lupy. W trybie swobodnym ramkę przesuwa się ciągnąc myszką jej krawędź albo wpisu-

jąc opóźnienie lupy. Można też związać początek ramki lupy z wybraną bramką monitora.

− Pole ” Akwizycja sygnału ” – umożliwia włączenie uśredniania sygnałów ultradźwiękowych co czę-

ściowo eliminuje szumy i zakłócenia. Jest to szczególnie użyteczne przy pracy z małymi sygnałami ( np.

małe wady, duże tłumienie fal w materiale ) gdzie trzeba używać dużych wartości wzmocnień i wtedy

istotne są szumy własne wzmacniacza w odbiorniku.

Operacje wczytywania i zapisywania definicji

Wszystkie nastawy sprzętowe defektoskopu oraz parametry liczbowe dla programu

dotyczące konkretnego zadania pomiarowego są zgrupowane w jednym zbiorze i

przechowywane w postaci tzw. definicji pomiarowej. Definicja przechowywana jest w

lokalnej bazie danych programu. Zapisując definicję zapamiętujemy te wszystkie ustawienia, wczytując defi-

nicję wprowadzamy do defektoskopu i programu ustawienia zrobione wcześniej. Definicja identyfikowana

jest przez unikalną nazwę. Trzy przyciski na pasku narzędzi dają dostęp do okien dialogowych zarządzania

definicjami - z obsługą typową jak w środowisku Windows.

Operacje zapisu , przeglądania i eksportu wyników pomiarowych

Program ma wbudowaną wewnętrzną bazę danych do zapisu okien sygnałowych z

wynikami pomiarów, oraz przeglądarkę do analizy tych wyników. Trzy przyciski na pa-

sku narzędzi umożliwiają dostęp do tych opcji – obsługa jest typowa jak dla programów w środowisku Win-

dows.

” Ultradźwięki ” Laboratorium

51