AKADEMIA wtorek godz. 815
TECHNICZNO - HUMANISTYCZNA Grupa I
BIELSKO - BIAŁA
OCHRONA ŚRODOWISKA
ROK 2 SEMESTR 4
ĆWICZENIE NR: 7
Temat: Defektoskopia ultradźwiękowa.
Sekcja 5a w składzie:
Katarzyna Skalska
Dominik Wiśniewski
Wstęp teoretyczny:
Falami ultradźwiękowymi nazywamy fale akustyczne, których częstotliwość zawarta jest w przedziale od 2 ⋅ 104 do 109 Hz.
Ultradźwięki znajdują bardzo różne zastosowanie w nauce, technice i medycynie. Przykładowo wymienić można: badanie własności sprężystych i lepkosprężystych ciał stałych i cieczy, diagnostykę medyczną i materiałową, hydrolokację czy sterowanie procesami technologicznymi.
Jednym z ważniejszych zastosowań ultradźwięków jest defektoskopia ultradźwiękowych, czyli wykrywanie defektów i wad w materiałach i konstrukcjach. Przez wady rozumiemy zarówno makroniejedności występujące w materiale, takie jak pęknięcia, wtrącenia, ciała obce, jak również i mikroniejedności.
Istnieją różne metody defektoskopii ultradźwiękowej. Do najważniejszych zaliczyć można: metodę odbiciową (metoda echa), metodę rezonansową i metodę impedancji.
Impulsowana fala ultradźwiękowa wygenerowana przez przetwornik piezoelektryczny jest wprowadzana do badanego materiału. Między przetwornikiem a materiałem musi być warstwa sprzęgająca (np. ciecz), aby zapewnić odpowiednie dopasowanie akustyczne.
Wprowadzona do ośrodka i propagująca się fala akustyczna ulega odbiciu od tylnej powierzchni materiału i dociera do przetwornika, powodując powstanie - na skutek prostego efektu piezoelektrycznego - impulsu elektrycznego. Impuls ten, po odpowiedniej obróbce, jest widoczny na ekranie lampy oscyloskopowej. W wyniku kolejnych odbić tego samego impulsu, na ekranie obserwujemy ciąg kolejnych impulsów odbitych o malejącej amplitudzie.
Zmniejszanie się amplitudy ma charakter wykładniczy i spowodowane jest tłumieniem fali akustycznej w ośrodku oraz rozbieżnością wiązki ultradźwiękowej. Wyznaczając odstęp czasu między kolejnymi odbiciami można znaleźć prędkości rozchodzenia się fal ultradźwiękowych, gdy znamy grubość warstwy materiału. Mierząc natomiast wysokość kolejnych impulsów można wyznaczyć współczynnik tłumienia fali ultradźwiękowej.
Jeśli w próbce badanego materiału znajdują się pęknięcia, makroskopowe defekty, wtrącenia obcych ciał, to na skutek różnych impedancji akustycznych następuje odbicie fali ultradźwiękowej. Pojawiają się w takiej sytuacji dodatkowe impulsy, których położenie jest uwarunkowane miejscem, gdzie się znajduje defekt. Analizując położenie dodatkowych impulsów można zlokalizować defekt i wyznaczyć jego rozmiar.
Cel ćwiczenia:
W ćwiczeniu do dyspozycji mamy defektoskop ultradźwiękowy, głowice ultradźwiękowe oraz badane próbki.
W ćwiczeniu należy wyznaczyć prędkość propagacji i współczynnik tłumienia fal ultradźwiękowych oraz położenie, rozmiar i głębokość defektów znajdujących się w badanej próbce.
Obliczenia wykonane w ćwiczeniu:
Dla walca: grubość materiału wynosi 8 cm.
Prędkość rozchodzenia się fali ultradźwiękowej dla walca z defektem wynosi:
8 cm - 4 cm = 4 cm/s.
Dla klocka: grubość materiału odczytana z wykresu wynosi względem dłuższej ściany ok. 8,7 cm, a względem krótszej ściany 3 cm.
Dla badanej próbki: grubość materiału wynosi 4 cm.
Prędkość rozchodzenia się fali ultradźwiękowej dla:
pierwszego defektu wynosi: 4 - 2,6 = 1,4 cm/s,
drugiego defektu wynosi 4 - 2 = 2 cm/s,
trzeciego defektu wynosi 4 - 1,5 = 2,5 cm/s
i dla czwartego defektu wynosi 4-3 = 1 cm/s.
Wnioski
Według naszych obliczeń na badanych próbkach wynika, że prędkość rozchodzenia się fal ultradźwiękowych zależna jest od odległości pomiędzy kolejnymi impulasami. Z wykresów przedstawionych na ekranie możemy odczytać grubość warstwy materiału.
I tak kolejno dla pierwszego badanego materiału to dla walca. Pierwsze badanie było dla materiału jednorodnego, drugie dla tego samego walca z uwzględnieniem jego defektu. Z pierwszego pomiaru wnioskujemy, że grubość warstwy materiału wynosi ok. 8 cm. Natomiast z drugiego pomiaru wynika, że prędkość rozchodzenia się fal ultradźwiękowych w niejednorodnym walcu wynosi ok. 4 cm/s.
Następnie skalowaliśmy defektoskop. Po wyskalowaniu defektoskopu pierwszy pomiar pokazuje na grubość i tak w przypadku klocka grubość względem dłuższej ściany wynosi ok. 8,7 cm natomiast względem krótszej ok. 3 cm.
Ostatnim zadaniem naszym w ćwiczeniu było znalezienie defektów w próbce jak również określenie ich liczby. Pierwszy pomiar informuje nas o grubości badanej próbki i z wykresu wynika, że wynosi ona ok.4 cm. Następny wykres przedstawia tą samą próbkę z pierwszym defektem. Obliczając różnicę między kolejnymi odbiciami wnioskujemy, że prędkość rozchodzenia się fali ultradźwiękowej na przekroju pierwszego defektu wynosi 4 - 2,6 czyli 1,4 cm/s. W przypadku drugiego otworu prędkość rozchodzenia się fali wynosi 2 cm/s. Dla trzeciego otworu w badanej próbce widać, że amplituda malej, przez co od razu widać, że następuje tłumienie fali akustycznej w ośrodku spowodowane defektem materiału. Dla trzeciego defektu prędkość rozchodzenia się impulsu wynosi 4 - 1,5 = 2,5 cm/s, a w przypadku czwartego pomiaru widać, że prędkość pomiędzy kolejnymi impulsami wynosi 1 m/s.
Według naszych obserwacji wynika, że badana przez nas próbka składała nie była jednorodna, a składała się z 4 defektów oddalonych od siebie o różne odległości przez co różne były prędkości rozchodzenia się fal ultradźwiękowych dla poszczególnych defektów. Dokładny przekrój badanej próbki przedstawia schematyczny rysunek.