1. Podaj typowe wartości prędkości fal podłużnych i poprzecznych dla różnych ciał stałych, cieczy i gazów.

Ośrodek	CL [m/s]	CT [m/s]
Powietrze	330	-
Woda	1480	-
Pleksiglas	2730	1430
Stal	5940	3250
Węgliki spiekane	6800	4000
Szkło kwarcowe	5570	3515

c = λ/T = λ * f f = 1/T

c – prędkość rozchodzenia się fali, λ – długość fali, f – częstotliwość, T - okres

c zależy od :

- właściwości fizycznych ośrodka,

- im większa gęstość tym większa prędkość rozchodzenia się w nim fali ultradźwiękowej.

Fale podłużne rozchodzą się w każdym ośrodku materialnym. Aby w ośrodku rozchodziła 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 oznaczamy symbolem T a ich prędkość symbolem c_T, rozchodzą się tylko w ośrodkach stałych.

dla danego ośrodka c_T < c_L

1. Rodzaje fal ultradźwiękowych i ich zastosowanie.

Ultradźwiękami nazywamy mechaniczne zjawiska falowe występujące w ośrodkach stałych, ciekłych i gazowych o częstotliwości większej niż górna granica słyszalności ucha ludzkiego (16kHz). Warunki rozchodzenia się fal oraz zjawiska, które im towarzyszą, są zależne od własności ośrodka, w którym one występują.

Zależnie od ich oddziaływania rozróżniamy:

- ultradźwięki czynne – w przypadku, których są wytwarzane fale o znacznym natężeniu w celu osiągnięcia określonych zmian fizycznych i chemicznych (zmieniają własności środowiska): koagulacja, dyspergowanie, terapia medyczna, rozkruszanie, suszenie substancji, mycie ultradźwiękami, ekstrakcja,

- ultradźwięki bierne – które ze wzg na swe małe natężenie są przydatne do pomiarów i diagnostyki: spektroskopia, defektoskopia ultradźwiękowa, emisja akustyczna, mikroskopia, diagnostyka medyczna, kierowanie procesami technologicznymi.

Fale ultradźwiękowe różnią się między sobą kierunkiem drgań cząsteczek ośrodka w stosunku do kierunku rozchodzenia się fali.

Rozróżniamy:

1. Fale podłużne,

2. Fale poprzeczne,

3. Fale powierzchniowe (Rayleigha)

4. Fale płytowe (Lamba),

5. Fale Love’a,

6. Fale podpowierzchniowe.

a) Fale podłużne - cząstki ośrodka drgają prostoliniowo zgodnie z kierunkiem rozchodzenia się fali, powstają na przemian zagęszczenia i rozrzedzenia cząstek ośrodka, przy czym dochodzi również do oscylacyjnych zmian jego objętości.

Fale te rozchodzą się w każdym ośrodku materialnym (ciało stałe, ciecz i gaz). Aby w ośrodku rozchodziła 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.

Głowic nadawczych fal podłużnych używamy do:

- wykrywania wewnętrznych wad przestrzennych,

- wykrywania wewnętrznych wad płaskich usytuowanych równolegle lub nachylonych pod małym kątem do powierzchni wprowadzania fal,

- pomiarów grubości, - pomiarów tłumienia.

b) Fale poprzeczne - tzw. fale ścinania, której kierunek rozchodzenia się fali się jest prostopadły do kierunku drgań cząstek. Mogą rozchodzić się tylko w ośrodku stałym o rozmiarach znacznie większych od długości fali λ. Ten rodzaj fal nie może występować w cieczach i w gazach, ponieważ oba te stany skupienia materii nie stawiają żadnego oporu naprężeniom stycznym. Rozchodzeniu się tych fal nie towarzyszy zmiana gęstości ośrodka. Fale poprzeczne oznaczamy symbolem T a ich prędkość symbolem c_T. Prędkość rozchodzenia się fal poprzecznych c_T jest zawsze mniejsza od prędkości fal podłużnych c_L, dlatego też, przy tej samej częstotliwości mają one mniejszą długość fali niż fale podłużne.

Głowic skośnych fal poprzecznych używamy do :

- wykrywania wad poprzecznych o kształtach przestrzennych,

- wykrywania wad płaskich usytuowanych skośnie do powierzchni wprowadzania fali,

- wykrywania wad wewnętrznych tworzących naroża z powierzchnią badaną.

c) Fale powierzchniowe (Rayleigha) – nazywamy falę rozchodzącą się po swobodnej powierzchni ośrodka stałego, którego grubość jest znacznie większa od długości fali (d >> λ). Mamy tu do czynienia ze szczególnym przypadkiem fal poprzecznych, 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 wypadkowy ruch cząstek zachodzi po bardzo smukłej elipsie. Podłużna składowa fali powierzchniowej zanika wraz z głębokością szybciej niż poprzeczna. Fale powierzchniowe oznaczamy symbolem R a ich prędkość symbolem c_R. c_R < c_T <c_L

Głowice te stosujemy do:

- wykrywania wad leżących na powierzchni (rysy),

- wykrywania wad leżących blisko powierzchni badania,

- wykrywania wad wychodzących na powierzchnię (pęknięcia).

d) Fale płytowe (Lamba) - rozchodzą się w ośrodku ograniczonym dwoma równoległymi płaszczyznami, których odległość jest porównywalna z długością fali, jak cienkie rury, blachy (d = λ). Przesunięcia cząstek są wynikiem nakładania się na siebie dwóch fal powierzchniowych, biegnących po obydwu powierzchniach w tym samym kierunku. Wyróżniamy:

- Fala antysymetryczna (giętna), której cząstki ośrodka drgają w osi neutralnej poprzecznie, natomiast na powierzchni ruch przebiega po elipsie.

- Fala symetryczna (dylatacyjna), której cząstki drgają podłużnie w osi neutralnej, natomiast na

powierzchni ruch przebiega po elipsie.

e) 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.

f) 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).

1. Omów tłumienie fal ultradźwiękowych, współczynniki tłumienia (α,β, δ, Θ^-1) oraz wpływ częstotliwości na tłumienie fali.

Ośrodki rzeczywiste w przeciwieństwie do idealnych, charakteryzują się tym, że występują w nich określone odstępstwa od praw obowiązujących dla ośrodków idealnych. W ośrodku rzeczywistym fala ulega tłumieniu (osłabieniu) w miarę rozchodzenia się. Przyczynami tego są:

1. Absorpcja fal ultradźwiękowych (dyspersja) – lepkość;

fakt nieodwracalności rzeczywistych procesów akustycznych która polega na zmniejszeniu się amplitudy fali, a więc również i energii.

1. Niejednorodność ośrodków rzeczywistych (rozpraszanie i dyfrakcja) ;

W ośrodkach niejednorodnych propagacji fal towarzyszą efekty rozpraszania i dyfrakcji, co jest także przyczyną ich osłabiania. Gdy długość fali staje się porównywalna z rozmiarem niejednorodności, ośrodka nie można już traktować jako ciągłego. Z drugiej strony, wielkość efektów rozpraszania i dyfrakcji w zastosowaniach ultradźwięków są istotną informacją dla rozpoznania niejednorodności (defektoskopia ultradźwiękowa).

1. Występowanie procesów nieliniowych (duże amplitudy) – zniekształcenie postaci fali oraz wytworzenie ciśnienia promieniowania fali.

Występujące w ośrodku rzeczywistym tłumienie (zmniejszenie amplitudy) fali względem czasu rozchodzenia się charakteryzuje się za pomocą amplitudowego lub energetycznego współczynnika tłumienia.

Amplitudowy współczynnik tłumienia α określa względny zanik amplitudy na jednostkę czasu, czyli w przypadku fali płaskiej dA/A=-αΔt.

Energetyczny współczynnik tłumienia γ definiuje się analogicznie jako względny zanik natężenia na jednostkę czasu, czyli dI/I=-γΔt

Bezpośrednie scałkowanie prowadzi do wyrażeń A=A₀e^-αt, I=I₀e^-γt ,

gdzie A₀ i I₀ – są odpowiednio początkową wartością amplitudy i natężenia dla t=t₀=0, a więc dla punktu, od którego rozpoczynamy obserwację. Jak wynika z powyższego zarówno amplituda jak i natężenie maleją w postępie geometrycznym. Zachodzi przy tym następujący związek I~A²=A₀²e^-2αt, a więc γ=2α.

Do wyznaczenia współczynnika tłumienia stosuje się zarówno metodę pomiaru zmian amplitudy jak i zmian natężenia fali rozchodzącej się w ośrodku. Zasada pomiaru sprowadza się do wyznaczenia amplitudy lub natężenia w dwóch różnych miejscach na drodze rozchodzenia się, w znanej odległości.

Kolejnym czynnikiem opisującym tłumienie jest logarytmiczny dekrament tłumienia δ=ln(A_x/ A_x+1), przy czym wyznacza się go dla dwóch kolejnych amplitud.

W przypadku układów pomiarowych z falą ultradźwiękową stojącą (układy rezonansowe) stosujemy często bezwymiarowy współczynnik tłumienia Θ^-1= Δf/f₀, gdzie Δf odstęp między częstotliwościami, dla których amplituda spada do A_max/√2 (o 3 dB) od poziomu maksymalnego.

Straty energii spowodowane:

Współczynnik tłumienia jest wielkością zależną od rodzaju ośrodka, a ponadto od częstotliwości. Na rysunku przedstawiono zależność współczynnika tłumienia od częstotliwości, typową dla ośrodków stałych. Początkowo zależność ta jest liniowa, tłumienie jest w tym przypadku spowodowane stratami energii, które powstają wskutek tarcia wewnętrznego, przewodnictwa cieplnego, procesów relaksacji itp.

Jednakże przy częstotliwościach, dla których długość powstających w ośrodku fal zbliża się do wielkości ziarna materiału zaczyna występować zjawisko rozproszenia fali tym większe, im bardziej zbliżają się wymiary ziarna do długości fali. Na granicy każdego ziarna występuje wówczas częściowe odbicie fali, przy czym ze względu na nieregularne kształty ziaren fale odbijają się we wszystkich kierunkach. Wskutek tego natężenie fali biegnącej w rozpatrywanym kierunku stale się zmniejsza. Energia fali rozproszonej choć nie zamienia się w ciepło, zmniejsza energię biegnącej fali, której natężenie w końcu staje się równe zeru.

1. Omów zjawisko niesprężystości oraz podział metod pomiaru stałych materiałowych.

Stałe materiałowe:

c – prędkość propagacji fali ultradźwiękowej

E - moduł Younga

G – moduł sztywności

µ - liczba Poissona

K – adiabatyczny moduł sprężystości objętościowej (moduł ściśliwości)

c = d/t, E = C_L² q K, G = C_T² q, u = (E/2G) – 1, K = C_L² q

Z prędkości rozchodzenia się fal podłużnych w ciałach stałych można wyznaczyć moduł Younga (moduł sprężystości wzdłużnej E=σ/ε), natomiast z prędkości rozchodzenia się fal poprzecznych można wyznaczyć moduł ścinania (moduł sprężystości poprzecznej G=τ/γ). Znając wartości obu modułów sprężystości można wyznaczyć współczynnik Poissona.

Z pomiaru prędkości fal podłużnych w cieczach można wyznaczyć dla nich moduł ściśliwości (K =c_L²⋅ρ, K=δP/δV adiabatyczny moduł sprężystości objętościowej).

Dla inżynierów bardzo ważną stałą materiałową jest moduł sprężystości podłużnej (moduł Younga), który jest zdefiniowany przez prawo Hooke’a. Wielkość tą można wyznaczyć z pomiarów wytrzymałościowych i metodami ultradźwiękowymi. Jednakże obie te wartości różnią się między sobą. Wynika to z faktu niesprężystości – czy inaczej mówiąc sprężystości opóźnionej w czasie.

Prawo Hooke’a podające liniową zależność odkształcenia od naprężenia jest spełnione dla ciał idealnie sprężystych. W rzeczywistości przy bardzo szybkim przyłożeniu naprężenia do badanego ciała, jego odkształcenie nie osiąga natychmiast maksymalnej wartości odkształcenia sprężystego (zwłaszcza przy wysokich temperaturach). Występuje zatem zależność wielkości odkształcenia od czasu

działania naprężeń.

Zależność odkształcenia od czasu działania stałego naprężenia powoduje, że mierzony moduł sprężystości zmienia się w czasie.

ε_n – odkształcenie natychmiastowe, ε_r – odkształcenie maksymalne, θ – czas relaksacji

W czasie t=t_0, w którym materiał został gwałtownie obciążony uległ on odkształceniu ε_n (odkształceniu niezrelaksowanemu). Przy niezmienionym obciążeniu, w miarę upływu czasu, odkształcenie wzrasta do wartości ε_r odpowiadające odkształceniu w pełni zrelaksowanemu (t→∞). Po gwałtownym odjęciu obciążenia (w czasie t=t₁) ciało ulega natychmiastowej kontrakcji ε_n a po upływie odpowiednio długiego czasu, w porównaniu z czasem relaksacji, osiąga ponowne swoje pierwotne wymiary.

1. W jaki sposób przeprowadza się skalowanie i zerowanie defektoskopu.

Defektoskop ultradźwiękowy jest to aparatura zawierająca układy elektroniczne, których zadaniem jest wytwarzanie i odbieranie drgań elektrycznych oraz ich uwidacznianie na ekranie lampy oscyloskopowej, a także pomiar czasu przejścia lub natężenia fal ultradźwiękowych w badanym materiale.

Każdy defektoskop impulsowy posiada: nadajnik impulsów, odbiornik impulsów, układ zobrazowania.

W zależności od konstrukcji układu zobrazowania defektoskopy impulsowe dzielimy na:

- defektoskopy analogowe – sygnał z odbiornika zobrazowany jest w postaci wykresu „napięcie - czas” na ekranie lampy oscyloskopowej,

- defektoskopy analogowo – cyfrowe – sygnał z odbiornika jest przetwarzany na ciąg liczb wpisywanych do pamięci komputera, a następnie przy wykorzystaniu odpowiedniego oprogramowania, wyświetlany w formie wykresu „napięcie – czas” na ekranie monitora.

Skalowanie i zerowanie aparatu ultradźwiękowego dla fali podłużnej i poprzecznej: (dla wzorca 2us) metoda cienia:

a) określenie położenia „0” dla defektoskopu:

„0” = c = (Θ_śr / 2) - t_śr

b) określenie współczynnika „b“ (dla wzorca 2us):

b = 4 / Θ_śr (fala podłużna) [us] b = 7,28 / Θ_śr (fala poprzeczna) [us]

c) obliczenie rzeczywistego czasu przejścia fali przez wzorzec i badane kierunki próbek z wzoru:

t_rzeczyw = (t_śr + c) * b [us]

d) obliczenie prędkości rozchodzenia się fali podłużnej i poprzecznej:

V_L = d / t_rzeczyw [m/s]

1. Zasada działania defektoskopu.

Defektoskopy współpracują z głowicami ultradźwiękowymi. Charakterystyczną cechą defektoskopu impulsowego jest krótkie pobudzenie głowicy, która emituje do ośrodka badanego „impulsową” falę ultradźwiękową – oraz odbiór i zobrazowanie impulsów z głowicy, powstałych w wyniku fal odbitych powracających do głowicy.

Praca defektoskopu polega na przetworzeniu pewnego cyklu. Okres tego cyklu wyznacza generator impulsów synchronizujących powtarzanych z częstotliwością repetycji. Każdy impuls tego generatora uruchamia generator podstawy czasu i wyzwala nadajnik. Nadajnik pobudza silnym, krótkim impulsem elektrycznym głowicę nadawczą do drgań.

1. Jakie badania materiałów ceramicznych można wykonać metodami ultradźwiękowymi.

Za pomocą badań ultradźwiękowych możemy określić:

W sposób bezpośredni:

- wielkość anizotropii i niejednorodność materiałów

- wykrywanie wad i ich lokalizację w materiałach bezporowatych i porowatych

- wszystkie stałe materiałów izotropowych i anizotropowych

W sposób pośredni (o wcześniej wyznaczone korelacje):

- wytrzymałość na zginanie, ściskanie, rozciąganie,

- współczynnik rozszerzalności cieplnej,

- twardość, porowatość, gęstość.

A także (badania na tym samym jednostkowym produkcie):

- na nieniszczące śledzenie przebiegów procesów technologicznych (formowanie, suszenie, spiekanie, ….)

- na bieżącą kontrolę poszczególnych operacji technologicznych

- na śledzenie wpływu atmosfery i czasu na tę samą próbkę.

Metody ultradźwiękowe stosuje się do:

- badania jakości, stabilności i powtarzalności procesów technologicznych,

- badań międzyoperacyjnych (kontrola poszczególnych etapów procesu technologicznego),

- do opracowania nowej technologii (optymalizacja warunków technologicznych),

Możliwość wykorzystania metod ultradźwiękowych uzależniona jest od możliwości aparatury.

1. Omów nieniszczący sposób pomiaru niejednorodności i anizotropii materiałów.

a) niejednorodność:

Istnieje liniowa zależność między prędkością rozchodzenia się fali ultradźwiękowej, a gęstością pozorną badanego materiału. Jeżeli w materiale będą występować obszary o różnych gęstościach to odpowiednio również będzie przez te obszary rozchodzić się fala ultradźwiękowa z różną prędkością. Badając rozkład prędkości na powierzchni próbki można w sposób nieniszczący określić obszary mniejszej lub większej gęstości względem obszarów sąsiednich czyli określić wielkość niejednorodności próbki (rozkład gęstości w próbce). Badania te można przeprowadzić na finalnych próbkach jak i na „wyrobach zielonych”.

Maksymalną wielkość niejednorodności dla poszczególnych ścian można wyliczyć ze wzoru: N = 100 (V_max – V_min)/V_max [%],gdzie:

V_max – max wartość prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej dla badanej ściany próbki,

V_min – min wartość prędkości fali dla tej ściany.

b) anizotropia:

Sposób formowania próbek ma istotne znaczenie na wielkość anizotropii własności fizycznych tych próbek. Wielkość anizotropii określonej własności fizycznej dla badanej próbki wyznacza się poprzez pomiary danej własności w różnych kierunkach próbki - pod różnymi kątami do kierunku jej formowania. Występującą anizotropię własności w badanych próbkach można łatwo określić metodą ultradźwiękową, wykonując pomiary prędkości rozchodzenia się podłużnych fal ultradźwiękowych w kierunku II i prostopadłym do kierunku wstępnego formowania próbki w matrycy. Wielkość anizotropii prędkości można wyliczyć z wzoru: K = 100 (V_d – V_g)/V_d [%], gdzie:

V_d – średnia prędkość podłużnej fali ultradźwiękowej po długości płytki lub po średnicy

V_g - - II- po grubości

1. W jaki sposób określić metodą ultradźwiękową, sposób formowania nieznanej próbki.

Sposób formowania nieznanej próbki można określić poprzez anizotropię. Sposób formowania próbek ma istotne znaczenie na wielkość anizotropii własności fizycznych próbek. Największa anizotropia występuje w próbkach formowanych jednoosiowo, w których wydłużone ziarna i pory układają się w sposób uprzywilejowany prostopadle względem kierunku formowania próbki. Najczęstsze ułożenie ziaren i porów dłuższym wymiarem prostopadle do kierunku formowania próbki powoduje obniżenie własności fizycznych w kierunku II do kierunku formowania w wyniku wzrostu współczynnika koncentracji naprężeń dla tego kierunku. Kierunek prostopadły do kierunku formowania próbek – własności fizyczne są wyższe. Prasowanie izostatyczne zmniejsza wielkość anizotropii lub ją eliminuje. Wielkość anizotropii prędkości można wyliczyć z wzoru: K = 100 (V_d – V_g)/V_d [%], gdzie:

V_d – średnia prędkość podłużnej fali ultradźwiękowej po długości płytki lub po średnicy

V_g - - II- po grubości

W kierunku II i prostopadłym do kierunku formowania przepuszcza się falę podłużne i mierzy jej prędkość. Wielkość anizotropii określonej własności fizycznej dla badanej próbki wyznacza się poprzez pomiary danej własności w różnych kierunkach próbki - pod różnymi kątami do kierunku jej formowania. Występującą anizotropię własności w badanych próbkach można łatwo określić metodą ultradźwiękową, wykonując pomiary prędkości rozchodzenia się podłużnych fal ultradźwiękowych w kierunku II i prostopadłym do kierunku wstępnego formowania próbki w matrycy.

1. Wpływ grubości próbek i długości fali ultradźwiękowej na zmianę prędkości fal w ciałach stałych.

Stosunek grubości ośrodka do długości fali ma wpływ na prędkość rozchodzenia się tej fali.

Dla ośrodka trójwymiarowego a=b=c prędkość fali osiąga wartość maksymalną . Ścierając za pomocą papieru ściernego ten sam ośrodek i doprowadzając go do ośrodka dwuwymiarowego a=b>>c (zmniejszając stosunek c/λ ) osiąga się mniejszą prędkość fali. Nadal zmieniając stosunek c/λ docieramy do ośrodka 1wymiarowego, czyli a>b, c, otrzymujemy najmniejszą szybkość fali.

Na próbce ferrytu cynku prześledzono wpływ kształtu próbek (stosunek grubości do długości użytej fali) na mierzoną wartość prędkości rozchodzenia się podłużnych fal ultradźwiękowych. Próbkę tą w trakcie pomiarów ścieniano na papierach ściernych przechodząc z ośrodka trójwymiarowego do dwuwymiarowego. W trakcie ścieniania prędkość C_L ulegała zmniejszeniu z 5520m/s dla c(grubości)=13.5mm do 5100m/s dla c=0.5mm. Te dwie wartości graniczne C_L=5520m/s i C_L=5100m/s do których zdążają w sposób asymptotyczny wszystkie wyniki pomiarów należy uznać odpowiednio za wartości prędkości dla próbki trójwymiarowej C_L⁽³⁾ i dwuwymiarowej C_L⁽²⁾. Z przedstawionych danych ustalono warunki graniczne dotyczące kształtu i wielkości próbki.

Jeszcze większe różnice prędkości występują przy przechodzeniu do ośrodka jednowymiarowego C_L⁽¹⁾ =4900m/s.

W miarę wzrostu gęstości materiału czyli zmniejszania porowatości różnica między prędkością C_L⁽³⁾ C_L⁽²⁾ i C_L⁽¹⁾ silnie wzrasta. Wzrasta również stosunek C_L⁽³⁾ do C_L⁽²⁾ i C_L⁽¹⁾, wzrasta więc liczba Poissona µ, która zależy od stosunku tych prędkości µ=√(t(t+1))-t, t=(C_L⁽³⁾/C_L⁽²⁾)²-1. Nieprzestrzeganie warunków granicznych dotyczących kształtu i wielkości próbki może być przyczyną znacznego błędu przekraczającego 15% w pomiarach prędkości podłużnych fal ultradźwiękowych. Błąd ten w przypadku obliczeń modułu Younga może zwiększyć się do 30%.

1. Na czym polega ultradźwiękowe badanie materiału metodą echa.

Metoda echa polega na wytworzeniu i wprowadzeniu do badanego materiału impulsów fal ultradźwiękowych oraz ich odbiorze po odbiciu od wady materiałowej lub od powierzchni ograniczających.

Gdy fala pada na wadę materiałową, którą może być np. pęknięcie, pęcherz powietrza, wtrącenie innej fazy itp.., wówczas na granicy utworzonej przez ośrodek oraz przez wadę występuje zjawisko odbicia fali. Wada materiałowa jest bowiem pewnym obszarem o akustycznej oporności falowej różniącej się na ogół od akustycznej oporności falowej badanego ośrodka.

Jeśli zatem stwierdzimy, że w badanym ośrodku występuje zjawisko odbicia fal, możemy stąd wnioskować o występowaniu nieciągłości. Ponadto, jeśli potrafimy zmierzyć czas, jaki upływa od chwili wysłania fali w badany ośrodek do chwili powrotu fali odbitej od nieciągłości, to znając prędkość rozchodzenia się fali możemy znaleźć drogę przebytą przez falę. W ten sposób jesteśmy w stanie wykryć i zlokalizować wadę materiałową występującą w ośrodku ciągłym.

Poważną zaletą metody jest jej duża czułość, pozwalająca na wykrywanie bardzo małych wad leżących w dużych nawet blokach materiału. Ze względu na możliwość tylko jednostronnego dostępu do badanego elementu, jest to w wielu przypadkach jedyna metoda, którą można stosować. Jednakże koniecznym warunkiem skuteczności jest drobne ziarno badanego materiału. Ziarno to musi być znacznie mniejsze od przeszukiwanych wad, w przeciwnym bowiem przypadku, echa powstające na granicy poszczególnych ziaren przysłonią na ekranie echo wady.

Wadą metody jest jej rozdzielczość ograniczona długością nadawanego impulsu, co utrudnia zastosowanie tej metody do badania małych elementów.

1. Na czym polega ultradźwiękowe badanie materiału metodą przepuszczania.

Metoda cienia, zwana również metodą przepuszczania, polega na wprowadzeniu fal ultradźwiękowych z jednej strony badanego przedmiotu i na odbieraniu ich z drugiej strony po przejściu przez ten przedmiot, przy równoczesnej obserwacji natężenia fal przechodzących. Każda nieciągłość na drodze fal ultradźwiękowych odbija je, tworząc za sobą jak gdyby cień, co powoduje osłabienie natężenia fal przechodzących przez obszar z wadą. W metodzie tej stosuje się dwie oddzielne głowice, z których jedna jest nadawczą a druga odbiorczą. Sygnały powstające w głowicy odbiorczej są doprowadzane albo do lampy oscyloskopowej, albo też do wskaźnika wychyłowego. O obecności wady w badanym przedmiocie wnioskujemy na podstawie zmniejszenia sygnału odbiorczego przez głowicę odbiorczą.

Metodą cienia nie można ustalić, w jakiej odległości od głowicy znajduje się wada. Oprócz tego wady o tej samej wielkości, lecz położone w różnych miejscach przedmiotu, będą inaczej osłabiać wiązkę fal ultradźwiękowych wskutek tworzenia się cienia..

Krótsze fale mniej się uginają za wadą i cień wady jest wtedy ostrzejszy niż przy falach dłuższych, które szybciej „schodzą się” za wadą likwidując cień. Chcąc wykrywać małe wady należy więc przepuszczać przez badany materiał fale odpowiednio krótkie. Ograniczeniem jest tu w pierwszym rzędzie struktura materiałów, w których tłumienie i rozpraszanie energii ultradźwiękowej rośnie szybko ze zmniejszaniem się długości fal.

Metoda ta ma też jednak zalety, które w pewnych przypadkach decydują o jej zastosowaniu. Przy metodzie tej nie ma często dolnego ograniczenia grubości badanego materiału, co jest decydujące np. przy automatycznym badaniu rozwarstwień w cienkich blachach. Poważną zaletą metody cienia jest to, że umożliwia badanie materiałów o gruboziarnistej strukturze oraz materiałów o nierównej powierzchni, w których silne odbijanie fal ultradźwiękowych na granicach ziaren lub nierówności uniemożliwia otrzymanie obrazu cienia od wady przy metodzie echa.

1. Omów sposób wykrywania wad w gruboziarnistych, porowatych materiałach ceramicznych.

Posługujemy się metodą przepuszczania (cienia), która jest przystosowana do wykrywania wad w materiałach gruboziarnistych.

1. Omów sposób pomiaru grubości płyty z bezporowatego Al₂O₃ jednostronnie dostępnej.

Posługujemy się tu metodą echa, która zapewnia nam jednostronny dostęp do materiału.

1. Podaj sposób pomiaru wszystkich stałych materiałowych próbek izotropowych.

Stałe materiałowe:

c – prędkość propagacji fali ultradźwiękowej

E - moduł Younga

G – moduł sztywności

µ - liczba Poissona

K – adiabatyczny moduł sprężystości objętościowej

c = d/t, E = C_L² q K, G = C_T² q, u = (E/2G) – 1, K = C_L² K c_R = [(0.87 + 0.12u)/(1+u)] C_T

Z prędkości rozchodzenia się fal podłużnych w ciałach stałych można wyznaczyć moduł Younga (moduł sprężystości wzdłużnej E=σ/ε), natomiast z prędkości rozchodzenia się fal poprzecznych można wyznaczyć moduł ścinania (moduł sprężystości poprzecznej G=τ/γ). Znając wartości obu modułów sprężystości można wyznaczyć współczynnik Poissona.

Z pomiaru prędkości fal podłużnych w cieczach można wyznaczyć dla nich moduł ściśliwości (K =c_L²⋅ρ, K=δP/δV adiabatyczny moduł sprężystości objętościowej).

K = 1 lub 1 –u² lub [(1+u)(1-2u)]/(1-u)

1. Ultradźwiękowa zasada pomiaru modułu Younga włókien.

E= C_L²q

K = 1 dla ośrodka jednowymiarowego

Moduł Younga określamy z prędkości rozchodzenia się fali podłużnej z zależności obowiązującej dla ośrodka jednowymiarowego

1. Mając możliwość pomiaru prędkości rozchodzenia się tylko podłużnej fali ultradźwiękowej, podaj sposoby wyznaczania wszystkich stałych materiałowych w dowolnym materiale izotropowym.

E = C_L² q K

u = (E/2G) – 1

K = C_L² q

Ośrodek jednowymiarowy K = 1, czyli: E = C_L² q

Ośrodek dwuwymiarowy: K = 1 –u² czyli: E = C_L² q (1 –u²)

Jeżeli znamy i prędkość fali podłużnej i gęstość to możemy wyznaczyć u, bo:

E = C_L² q (1 –u²) u = (E/2G) – 1

E = C_L² q - C_L² qu² u + 1 = E/2G

E + C_L² qu² = C_L² q G = E/2(u+1)

u² = (C_L² q – E)/ C_L² q

1. Ultradźwiękowe badania niewyważania tarcz ściernych.

Na rysunku pokazano sposób wykonania pomiarów prędkości propagacji podłużnych fal ultradźwiękowych w ściernicach T-1;

1-12- kierunki pomiarowe, N i D – przetworniki piezoelektryczne nadawczy i odbiorczy, O – środek geometryczny średnicy, S -środek ciężkości średnicy, α - kąt między umownym kierunkiem „1” a kierunkiem, na którym leży środek ciężkości ściernicy.

Ściernice pochodzące z bieżącej produkcji miały charakterystyczny rozkład niejednorodności związany ze sposobem zasypu i rozprowadzenia mieszanki w formie.

Typowy rozkład prędkości podłużnych fal ultradźwiękowych w ściernicach przedstawiono na kolejnym rysunku.

Obserwuje się znaczny wzrost prędkości w jednej połowie tarczy na kierunkach 6-8, a obniżenie w drugiej połowie na

kierunkach 11-3. Nieizomeryczny rozkład prędkości świadczy o niejednorodnym rozkładzie gęstości w ściernicy. Większa gęstość

w ściernicy na kierunkach 6-8 powoduje przesunięcie środka ciężkości w kierunku 7, co w konsekwencji prowadzi do niewyważenia ściernicy na tym kierunku.

Aby zapobiec takiemu niewyważeniu całość mieszanki przeznaczonej na daną ściernicę, podzielono na cztery części, wsypywano do formy w sektorach leżących symetrycznie względem środka i po uformowaniu ściernicy przeprowadzono na niej pomiary ultradźwiękowe w ustalonych 12 kierunkach. W wyniku tych pomiarów uzyskano rozkład prędkości rozchodzenia się fal ultradźwiękowych w danej ściernicy. Na rysunku przedstawiono taki rozkład dla typowej ściernicy. Linia przerywana tworząca okręg odpowiada średniej wartości prędkości ultradźwięków w ściernicy. Linia ciągła zamknięta przechodzi przez punkty odpowiadające wartościom prędkości wyznaczonych dla poszczególnych kierunków pomiarowych. Z rozkładu łatwo zauważyć, że najniższą prędkość stwierdzono dla kierunku 2, 5, 8, 11, a największą w kierunkach 3-4, 6-7, 9-10, 12-1, czyli o kierunkach przechodzących przez obszary, w których wsypywano mieszankę surowcową. W pozostałych kierunkach prędkości przyjmują wartości pośrednie.

Zastosowanie porcjowania wagowego mieszanki na cztery (lub większe parzyste liczby) części pozwoliło na istotne zmniejszenie wielkości niewyważenia, a ponadto liczba braków zmniejszyła się do wartości poniżej 1%.

1. Ultradźwiękowe badania utleniania, zwęglania i grafityzacji włókien PAN.

- włókna węglowe – najczęściej stosowane do zbrojenia kompozytów,

- materiałem podstawowym do produkcji włókien węglowych jest PAN (włókno poliakrylonitrylowe),

- PAN przekształca się w włókno węglowe drogą utleniania w temp. 200-800^oC lub zwęglania w obojętnej atm. w temp. ok. 1000 ^oC, przy naprężeniach rozciągających,

- w temp. ok. 2000 ^oC włókno to ulega grafityzacji, tzn. wygrzewaniu w atm. obojętnej i przechodzi w włókno grafitowe,

- proces utleniania powoduje utworzenie się w strukturze PAN wiązań nienasyconych, grup OH^- i karbonylowych.

1. Ultradźwiękowe badania spiekania ferrytu niklu.

Grzanie 6 K/min

1. przebieg zmian prędkości fali ultradźwiękowej przechodzącej przez próbkę,

2. przebieg zmian wielkości amplitudy A fali ultradźwiękowej,

3. krzywa dylatometryczna zmian wymiarów liniowych.

1. Odparowanie wody

2. Topienie, rozkład, odparowanie substancji poślizgowych i wypalanie plastyfikatorów

3. Powstanie kontaktów międzyziarnowych; dyfuzja powierzchniowa

4. rozluźnienie struktury wypraski

5. przegrupowanie ziaren; dyfuzyjne …

1. Zależności różnych właściwości fizycznych materiałów ceramicznych (gęstość, wytrzymałość, twardość, rozszerzalność) od prędkości podłużnych fal ultradźwiękowych.

1. Wytrzymałość na zginanie:

Badane próbki charakteryzowały się różnym udziałem objętościowym drobnoziarnistej frakcji Al₂O₃ lub ZrSiO₄ lub SiO₂ w masie podstawowej. Dodatek Al₂O₃ (do 30%) powoduje najwyższy wzrost własności wytrzymałościowych próbek, zaś dodatek SiO₂ powoduje jej obniżenie. Podobnie wpływają dodatki na prędkość fal ultradźwiękowych. Zależność tę można opisać równaniem: σ_z = aC_L² + bC_L – c,

1. Twardość:

Pomiar twardości za pomocą fal ultradźwiękowych polega na obserwacji zmian częstotliwości drgań własnych pręta dociśniętego swym swobodnym końcem z pewną stałą siłą do powierzchni elementu badanego. Drugi koniec pręta jest wetknięty w masę tłumiącą. Przy pomiarze twardości częstotliwość drgań własnych rośnie tym bardziej, im bardziej powiększa się powierzchnia kontaktowa pręta z ośrodkiem badanym. Powierzchnia kontaktowa jest proporcjonalna do twardości, dlatego też wraz z jej zwiększeniem się zwiększa się też częstotliwość, a tym samym rośnie prędkość C_L.

1. Współczynnik rozszerzalności liniowej:

Dodatek Al₂O₃ (od 9,2 – 29,2%) powoduje paraboliczny wzrost współczynnika rozszerzalności liniowej, dodatek ZrSiO₄ nieznacznie obniża, a dodatek SiO₂ powoduje wzrost tego współczynnika przy równoczesnym obniżeniu prędkości podłużnych fal ultradźwiękowych. Do każdego dodatku należy ustalić inną zależność między współczynnikiem rozszerzalności cieplnej i prędkością propagacji fali ultradźwiękowej.

1. Gęstość:

W miarę wzrostu gęstości materiału czyli zmniejszania porowatości rośnie prędkość rozchodzenia się fali ultradźwiękowej.