Metoda ultradźwiękowa

Plan prezentacji



Podział fal sprężystych.



Podstawy teoretyczne badań ultradźwiękowych.



Oddziaływanie ultradźwięków ze środowiskiem.



Rodzaje fal.



Przetworniki ultradźwiękowe.



Efekt piezoelektryczny.



Metody badań ultradźwiękowych.



Defektoskopia ultradźwiękowa.



Literatura.

Podstawy teoretyczne badań
ultradźwiękowych



Ultradźwięki

to drgania mechaniczne cząstek ośrodka (fale

sprężyste) o częstotliwości większej niż górna granica

słyszalności ucha ludzkiego. Granicę tę określa się umownie

na 16 000 bądź 20 000 Hz. Pomiędzy parametrami fali,

którymi są: długość fali λ[m], prędkość jej rozprzestrzeniania

się c [m/s], okres drgań T [s], względnie częstotliwość drgań f

[Hz], zachodzi następujący związek:



W praktyce, dla celów badań materiałów ceramicznych stosuje

się fale o częstotliwościach od kilku setnych do kilku MHz.



Fale ultradźwiękowe rozprzestrzeniają się dzięki drganiom

sprężystym ośrodka.

Podstawy teoretyczne badań
ultradźwiękowych



Prostopadłemu padaniu fali na granicę dwóch ośrodków
towarzyszy zjawisko odbicia i przenikania. Część fali padającej
odbija się od granicy ośrodków, a część rozchodzi się w drugim
ośrodku. Wartość stosunku energii fal odbitych i przechodzących
zależy od akustycznych oporności (impedancji akustycznej)
rozpatrywanych ośrodków, oporność tę można wyrazić wzorem:

ρ- gęstość środka,
c- prędkość fali w tym ośrodku.



Zjawisko odbicia jest tym
wyraźniejsze, im większa
jest różnica oporności
akustycznych obydwu
ośrodków.

Podstawy teoretyczne badań
ultradźwiękowych



Natężenie fali ultradźwiękowej rozchodzącej się w
ośrodkach stałych ulega osłabieniu. Składają się na to dwa
czynniki:

1. Pochłanianie kiedy

część energii fali jest

tracona z powodu

ciepła wytwarzanego

na skutek tarcia

wewnętrznego

cząstek.

1. Pochłanianie kiedy

część energii fali jest

tracona z powodu

ciepła wytwarzanego

na skutek tarcia

wewnętrznego

cząstek.

2. Rozproszenie

(nieukierunkowane

odbicie) fali od

poszczególnych granic,

które występują w

ośrodkach

polikrystalicznych,

niejednorodnych pod

względem struktury czy

nawet zawierających

wady wewnętrzne o

wymiarach

makroskopowych.

2. Rozproszenie

(nieukierunkowane

odbicie) fali od

poszczególnych granic,

które występują w

ośrodkach

polikrystalicznych,

niejednorodnych pod

względem struktury czy

nawet zawierających

wady wewnętrzne o

wymiarach

makroskopowych.

Podstawy teoretyczne badań
ultradźwiękowych



Wielkość strat energii określa

energetyczny współczynnik

tłumienia γ.

Za jego pomocą określić można natężenie fali I w

funkcji jej drogi l.

– natężenie fali wyjściowej, e- podstawa logarytmów

naturalnych.



Wartość współczynnika tłumienia rośnie ze wzrostem
częstotliwości fal.



Podobny efekt wywołuje wzrost wielkości ziarna materiału. Z tego
powodu do badania materiałów o strukturze gruboziarnistej (np.
betonu) należy stosować fale ultradźwiękowe o niskich
częstotliwościach ( 40÷ 100 kHz).

Oddziaływanie ultradźwięków ze
środowiskiem

Ultradźwięki czynne

- wytwarzanie fal o znacznym natężeniu

w celu osiągnięcia określonych zmian fizycznych lub
chemicznych.

Ultradźwięki bierne

- ze względu na swe małe natężenia są

przydatne do pomiarów i diagnostyki. Ultradźwięki bierne są
ważnym narzędziem w technice pomiarowej. W badaniach
nieniszczących są dziś niezastąpione. Znalazły zastosowanie w
badaniach, materiałów m.in.:



przy wykrywaniu defektów mikrostruktury (wykrywanie wad,
rozwarstwień, pęknięć)



przy pomiarach grubości



przy wyznaczeniu stałych sprężystości



przy wyznaczaniu naprężeń mechanicznych



w diagnostyce medycznej.

Oddziaływanie ultradźwięków ze
środowiskiem



Spektroskopia



Defektoskopia

ultradźwiękowa



Tensometria



Emisja akustyczna



Diagnostyka medyczna

(wizualizacja, tomografia)



Mikroskopia



Hydrolokacja



Sterowanie procesami

technologicznymi



Koagulacja (łączenie cząstek)



Dyspergowanie (rozdrabnianie)



Terapia medyczna



Kawitacja



Sonochemia



Rozkruszanie



Formowanie ośrodków
twardych



Spajanie i lutowanie



Mycie ultradźwiękami



Ekstrakcja



Suszenie substancji

Bierne

Czynne

Rodzaje fal

Fale ultradźwiękowe

różnią się miedzy sobą

kierunkiem drgań cząsteczek ośrodka w stosunku do
kierunku rozchodzenia się fali. Rozróżniamy:



Fale podłużne



Fale poprzeczne



Fale powierzchniowe (Rayleigha)



Fale podpowierzchniowe



Fale płytowe (Lamba)



Fale Love’a

Rodzaje fal



Fale podłużne-

cząstki ośrodka drgają prostoliniowo

zgodnie z kierunkiem rozchodzenia się fali. Powstają
naprzemian zagęszczenia i rozrzedzenia ośrodka. Fale
te rozchodzą się w każdym ośrodku materialnym (L, c

);



Fale poprzeczne-

tzw. fale ścinania, powodują

naprężenia styczne. Cząstki ośrodka drgają w
płaszczyźnie prostopadłej do kierunku rozchodzenia
się fali. Rozchodzeniu się tych fal nie towarzyszą
zmiany gęstości ośrodka. Fale te rozchodzą się tylko w
ośrodkach stałych (T, c

);

Rodzaje fal



Fale powierzchniowe (Rayleigha)-

rozchodzą się na

powierzchni swobodnej ciała stałego, wnikając na
głębokość około jednej długości fali. Ruch cząstek
odbywa się po smukłej elipsie (R, c

);



Fale podpowierzchniowe-

to szczególny przypadek

fal podłużnych, powstających jako fala załamania. Fale
te wykazują brak czułości na nierówności powierzchni
(wykrywanie wad blisko powierzchni o małej gładkości).

Rodzaje fal



Fale płytowe (Lamba)-

rozchodzą się w ośrodku

ograniczonym dwoma równoległymi powierzchniami,
których odległość jest porównywalna z długością fali i nie
przekracza kilku długości fali.



Fale Love’a-

to fale poprzeczne rozchodzące się w cienkiej

warstwie znajdującej się na podłożu o innych
właściwościach akustycznych. Przesunięcia cząstek
odbywają się równolegle do powierzchni warstwy i
prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali.

Przetworniki ultradźwiękowe



Przetworniki

to takie elementy, za pomocą których

przetwarza się jeden rodzaj energii na drugi. W
przypadku metod ultradźwiękowych chodzi o zamianę
energii drgań elektrycznych na energię drgań
mechanicznych i odwrotnie.



W technice ultradźwiękowej jako źródeł najczęściej używa
się przetworników elektroakustycznych, bazujących na
odwracalnym zjawisku piezoelektrycznym.



W zakresie drgań ultradźwiękowych wykorzystywanych
do badania materiałów obecnie znajdują zastosowanie
głównie dwa typy przetworników:

przetwornik

kwarcowy

albo

przetwornik z tytanianu baru

Efekt piezoelektryczny

Efekt piezoelektryczny

w materiałach ceramicznych wynika z ich

specyficznej budowy, a mianowicie z występowania w nich
nieregularnie zorientowanych obszarów, zwanych domenami,
będących dipolami elektrycznymi.

Pod wpływem silnego pola elektrycznego oraz ogrzania, a potem

schłodzenia do temperatury pokojowej, dipole te zostają
zorientowane w określonym kierunku, przy czym polaryzacja
pozostaje po odjęciu pola. W przetworniku fal podłużnych dipole
usytuowane są pod kątem 45

do powierzchni.

Po przyłożeniu napięcia do powierzchni przetwornika dipole ulegają

obrotom zależnym od znaku potencjału na danej powierzchni zgodnie
z zasadą przyciągania się ładunków różnoimiennych. Obroty te
powodują zwiększenie lub zmniejszenie grubości przetwornika.

Efekt piezoelektryczny



W praktycznych zastosowaniach przetworniki
odpowiednio obudowuje się, dzięki czemu otrzymuje
się

głowice ultradźwiękowe



W celu tzw. sprzężenia akustycznego głowicy z
badanym materiałem, konieczne jest pokrycie
miejsca styku olejem, wodą, smarem stałym. Dzięki
temu usuwa się warstewkę powietrza, która
uniemożliwia wprowadzenie fal do badanego
ośrodka.

Budowa głowicy
ultradźwiękowej

1- obudowa;

2- przetwornik ultradźwiękowy
w kształcie cienkiej kołowej
płytki;

3- gniazdo do połączenia
końcówki kabla);

4- warstewka osłonowa z
tworzywa sztucznego;

5- specjalna warstewka
materiału zapobiegająca
promieniowaniu od tyłu;

6- przewody.

Metody badań
ultradźwiękowych

Metoda echa

wykorzystuje zjawisko odbicia fali przechodzącej

przez badany materiał od granicy z drugim ośrodkiem.



Na podstawie obserwacji tego odbicia można wnioskować o
występowaniu nieciągłości w materiale lub powierzchni
wynikającej z kształtów badanego przedmiotu.



Mierząc czas t, jaki upływa od chwili wysłania fali
ultradźwiękowej w głąb badanego materiału do chwili jej
powrotu po odbiciu, można, w oparciu o znajomość prędkości c
jej rozchodzenie się, określić przebytą przez nią drogę. Dzięki
temu możliwe staje się zlokalizowanie powierzchni odbijającej,
czyli określenie położenia wady l lub odpowiedniego wymiaru
(np. grubości g) przedmiotu, zgodnie z poniższym wzorem:

lub

Metody badań
ultradźwiękowych



Znajomość czasu przechodzenia ultradźwięków przez
próbkę materiału o znanej grubości pozwala na
wyznaczenie prędkości rozchodzenia się fal w tym
materiale.



Pomiar czasu wymaga stosowania impulsów fal, które
wysyłane są w głąb materiałów z odpowiednimi
przerwami przeznaczonymi na oczekiwanie na powrót
sygnału odbitego od przeszkody.



Punktem odniesienia do pomiaru czasu staje się
wówczas czoło impulsu.



Metoda echa wymaga jedynie jednostronnego dostępu
do badanego przedmiotu.

Metody badań
ultradźwiękowych

Metoda przepuszczenia

polega na wprowadzeniu fal

ultradźwiękowych z jednej strony i odbieraniu ich po przejściu
przez przedmiot po stronie przeciwnej.



Obserwuje się przy tym zmianę natężenia przechodzących
ultradźwięków, gdyż każda nieciągłość na ich drodze powoduje
osłabienie fali.



Metoda przepuszczania nie pozwala na lokalizację wykrytych
wad.



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

Defektoskopia ultradźwiękowa

Tłumienie fal sprężystych

Tłumienie fal ultradźwiękowych

można mierzyć metodą

przepuszczenia lub metodą echa. Najczęściej stosuje się

metodę echa. Metodę przepuszczenia stosujemy gdy nie

można dokonać pomiaru badanego ośrodka metodą echa.

Pomiar tłumienia

stosowany jest w celu wykrywania

niejednorodności budowy strukturalnej tworzywa.



Złożony układ krystaliczny posiadający wyższą energię

swobodną wykazuje wyższe tłumienie.



Zgodnie z powyższą zasadą, poprzez pomiar tłumienia,

można wykrywać lokalne naprężenia w tworzywach

ceramicznych, powstające na granicach obszarów o różnej

budowie strukturalnej oraz w pobliżu wtrąceń.

Defektoskopia ultradźwiękowa

Badanie niemetali

Charakterystyczne dla badania niemetali jest

stosowanie w szerszym zakresie niż dla metali
pomiarów tłumienia i prędkości fal ultradźwiękowych.



Wielkości te charakteryzują często nie tylko strukturę
mikroskopową, ale również ważne właściwości
eksploatacyjne takie jak: wytrzymałość na ściskanie,
rozciąganie, porowatość.



Co pozwala na kontrolę nie tylko gotowych wyrobów,
ale i procesów produkcyjnych pod kątem widzenia
wyboru optymalnych warunków przeprowadzenia
tych procesów (np. wypalanie porcelany).

Przykłady zastosowania ultradźwięków do
badań jakości i własności wytrzymałościowych
materiałów ceramicznych.



Pomiar prędkości fal podłużnych służyć może do oceny wytrzymałości
różnych materiałów ceramicznych w gotowych wyrobach i
konstrukcjach. Jednym z takich materiałów jest beton, dla którego
opracowana została norma podająca zasady wyznaczenia jego
wytrzymałości na ściskanie.



Pomiar prędkości fal w betonie wykonuje się metodą przepuszczenia.

Jakość

betonu

Prędkość

fali

podłużnej

[m/sek]

Orientacyjna

wytrzymałoś

ć na

ściskanie R

[MPa]

Bardzo zła

poniżej

2000

Zła

2000 - 3000 do 4

Niezbyt

dobra

3000-3500

do 10

Dobra

3500- 4000

do 25

Bardzo

dobra

4000- 4500

do 40

Doskonała

ponad 4500

ponad 40

Przykłady zastosowania ultradźwięków do
badań jakości i własności wytrzymałościowych
materiałów ceramicznych.



Innym zastosowaniem pomiarów prędkości fal
podłużnych jest ocena wytrzymałości na zginanie
grafitowych elektrod hutniczych. Prędkość fal mierzona
jest w kierunku prostopadłym do osi elektrody (średnica
elektrod hutniczych wynosi od 200 do 500 mm).



Na podstawie takich badań
odrzucić można elektrody o
niedostatecznej wytrzymałości
(w rozważanym przypadku
poniżej 40 MPa, co odpowiada
prędkości fal c

<1450 m/s).

Rys. Związek pomiędzy

wytrzymałością na zginanie elektrod
węglowych a prędkością fal
podłużnych.

Defektoskopia ultradźwiękowa

Diagnostyka medyczna

Metody diagnostyki ultradźwiękowej

są identyczne z metodami

badania materiałów, a mianowicie stosuje się metodę cienia lub
metodę echa. Górna granica stosowanych częstotliwości sięga 2 do
3 MHz, przy których występują nie tylko zjawiska ugięcia na
niejednorodnościach, lecz ponadto wiązka ultradźwiękowa ulega
rozproszeniu na strukturze ciała, a szczególnie ulega silnemu
odbiciu na kawernach gazowych.

Diagnostykę ultradźwiękową stosuje się w:



neurologii (wylew krwi, zmiany onkologiczne)



oftalmologii (wykrywanie guzów, odwarstwień siatkówki)



położnictwie i ginekologii (lokalizacja cyst, guzów, położenie i stan
płodu)



choroby wewnętrzne (guzy złośliwe i niezłośliwe piersi, wady płuć,
śledziony i trzustki, choroby układu krążenia, osteoporoza,
zaburzenia metabolizmu kości, postęp zrostu kostnego kości długich,
marskość wątroby, diagnostyka kamicy żółciowej i nerkowej)

Podsumowanie

1. Przy pomocy badań ultradźwiękowych możemy określić:
a) w sposób bezpośredni:



anizotropię próbek, niejednorodność



wyznaczyć wszystkie stałe sprężystości lub stałe

materiałowe próbek izotropowych i anizotropowych



defekty mikrostruktury (wykrywanie wad, rozwarstwień,

pęknięć)

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



wytrzymałość na zginanie, ściskanie, rozciąganie



współczynnik rozszerzalności cieplnej



twardość, porowatość



gęstość.

Podsumowanie

2. Metody ultradźwiękowe stosuje się:



do badania jakości, stabilności i powtarzalności warunków

technologicznych



do badań międzyoperacyjnych (kontroli poszczególnych

etapów procesu technologicznego: jednorodności zasypu,

wymieszania, prasowania, suszenia, spiekania)



do opracowania nowej technologii- optymalizacja

warunków technologicznych (upakowania materiału, dobór

optymalnego lepiszcza, techniki prasowania, spiekania).

Możliwości wykorzystania metod ultradźwiękowych

zwłaszcza w badaniach materiałów porowatych,

gruboziarnistych, anizotropowych uzależnione są od

możliwości aparatury.

Literatura



Filipczyński L., Pawłowski Z., Wehr J. Ultradźwiękowe
metody badań materiałów, Wyd. Naukowo- Techniczne,
Warszawa 1963.



Śliwiński A. Ultradźwięki i ich zastosowanie, Wyd. Naukowo-
Techniczne, Warszawa 2001.



Piekarczyk J. Metody badań. Badania ultradźwiękowe.

Document Outline