4’ WYZNACZANIE PRĘDKOŚCI ULTRADŹWIĘKÓW

Cel:

• Zapoznanie się z podstawami defektoskopii ultradźwiękowej. Obserwacja fali stojącej.

• Wyznaczenie prędkości rozchodzenia się ultradźwięków w ciałach stałych.

Pytania kontrolne:

• Co to są ultradźwięki:

Ultradźwięki są to fale dźwiękowe, których częstotliwość jest zbyt wysoka żeby usłyszał je człowiek. Ultradźwięki to częstotliwości w paśmie powyżej 16 kHz. Granica słyszalnych częstotliwości sięga około 20 kHz. Ważną ich cechą jest dość niewielka długość fal. Ultradźwięki, fale akustyczne o częstotliwości wyższej niż 16 kHz (tj. przekraczającej górny próg słyszalności dla człowieka) i niższej od 100 MHz ( hiperdźwieki). W naturze ultradźwięki emitowane są przez niektóre ssaki (nietoperze i delfiny) i wykorzystywane przez nie do echolokacji.

Metody wytwarzania ultradźwięków:

• mechaniczne - układy drgające (struny, płytki sprężyste, piszczałki). Wykorzystują one drgania samego tworzywa albo przepływ gazów czy cieczy. Typowe przykłady to syreny ultradźwiękowe, piszczałka Pohlmana-Janowskiego, wykorzystywana do wytwarzania rozmaitych emulsji w chemii i biotechnologii.

• termiczne - poprzez wyładowania elektryczne w płynach i gazach, poprzez ciągle lub impulsowe podnoszenie temperatury przewodników prądu.

• magnetostrykcja - zmiana długości rdzenia elektromagnesu pod wpływem zmiennego prądu przepuszczanego przez solenoid nawinięty na ten rdzeń. odwrócenie efektu piezoelektrycznego - polega na doprowadzeniu do przeciwległych płaszczyzn kryształu kwarcu lub innego minerału szybko zmiennego napięcia elektrycznego. Prowadzi to do rozszerzenia lub skurczenia płytki i do powstania drgań o odpowiedniej częstotliwości.

• optyczne - laserem można wytworzyć fale sprężyste w szerokim zakresie częstotliwości ultradźwiękowych aż do zakresu hiperdźwiękowego.

Wytwarzanie i wykorzystywanie ultradźwięków wymaga użycia specjalnych urządzeń nazywanych przetwornikami ultradźwięków. Gdy ściśle określony układ nieakustyczy generuje drgania odpowiadające częstotliwością ultradźwiękom, to energia drgań tego układu zostaje zamieniana na energię akustyczną. Taki układ nazywamy przetwornikiem nadawczym ultradźwięków lub po prostu ich generatorem. Natomiast tzw. przetworniki odbiorcze - odbiorniki ultradźwiękowe, odbierając energię akustyczną z fal ultradźwiękowych, przekształcają ja w odpowiedni rodzaj energii, którą pobiera się z tego przetwornika. Wyróżniamy wiele rodzajów generatorów ultradźwięków oraz ich odbiorników, np.: elektryczne, cieplne, optyczne, magnetyczne, itp. Przetworniki, które swobodnie mogą spełniać zarówno rolę generatora jak odbiornika nazywamy przetwornikami odwracalnymi.

• Od czego zależy prędkość rozchodzenia się ultradźwięków?

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

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

• Na czym polega defektoskopia ultradźwiękowa?

Defektoskopia ultradźwiękowa jest związana ze zjawiskiem rozchodzenia się fal o dużej częstotliwości ultradźwiękowej, ponad 20000 Hz. Głównym urządzeniem wykorzystywanym w defektoskopii jest przetwornik umiejscowiony w głowicy wykonany z pizoelektrycznej cienkiej płytki wytwarzającej króko trwałe drgania o częstotliwości rzędu miliona cykli na sekundę, pod wpływem prądu przemiennego. Drgania przedostają się do próbki co powoduje sprężyste odkształcenia powierzchni a także dalszych warstw. Impulsy elektryczne oraz nasłuch odbywa się za pośrednictwem urządzenia zwanego defektoskopem ultradźwiękowym. Defektoskopia, nie niszcząca metoda badań uszkodzeń i wykrywania defektów w przedmiotach, głównie metalowych (odlewach, odkuwkach, spawach itp.). Ze względu na wykorzystywane w badaniu zjawiska fizyczne rozróżnia się defektoskopię gamma, rentgenowską, luminescencyjną, magnetyczną i elektromagnetyczną oraz ultradźwiękową. W defektoskopii ultradźwiękowej bada się rozchodzenie się fali akustycznej wysokiej częstości w danym przedmiocie. Stosuje się tu metody: echa, cienia, rezonansu, impedancji oraz drgań własnych. 

Przebieg pomiarów:

Prędkość V fali ultradźwiękowej w badanym materiale wyznaczamy metodą echa. Głowica nadawczo-odbiorcza, przytknięta do badanego materiału, wysyła krótkie impulsy ultradźwiękowe. Są one wielokrotnie odbijane w próbce od obu jej powierzchni oraz wewnętrznych defektów materiałowych. Powracające sygnały są rejestrowane przez głowicę i wyświetlane na ekranie defektoskopu.

TABELA POMIAROWA:

Numer próbki	Materiał	h [mm]	n	x [mm]	V [m/s]
10	STAL	50	5	100	5920
1	ALUMINIUM	25	10	92	6434,8
2	ALUMINIUM	50	6	100	7104
3	MOSIĄDZ	25	1	14	4228,6
4	MOSIĄDZ	50	0	-	-
5	CYNK	25	7	89	4656,2
6	CYNK	50	3	77	4612,99
7	MIEDŹ	25	5	59,5	4974,8
8	MIEDŹ	50	3	71,5	4967,8
9	STAL	25	10	100	5920

2’ Wnioski

Doświadczenie polegało na wyznaczeniu prędkości ultradźwięków. Zaobserwowaniu w jaki sposób fale kaustyczne przechodzą przez próbki zbudowane z różnych materiałów. Badaniem struktury materiałów przy pomocy ultradźwięków zajmuje się defektoskopia. Mając daną prędkość z jaką fale ultradźwiękowe rozchodzą się stali, wymiary ( grubość) danej próbki a także n-te echo i położenie echa na ekranie defektoskopu oraz te same dane dla badanej próbki można wyliczyć prędkość rozchodzenia się dźwięku w danej próbce. Prędkość dźwięku w ciałach stałych rośnie wraz ze wzrostem sprężystości i zmniejsza się gdy wzrasta gęstość ośrodka., w którym fala rozprzestrzenia się. Fala akustyczna ma największa prędkość w aluminium którego gęstość wynosi 2700 kg/m3. Ultradźwięki najmniejsze prędkości osiągają w mosiądzu gdzie gęstość wynosi około 8440 kg/m3. Najmniej ech wystąpiło w próbce z mosiądzu. Jest to ściśle związane z ich strukturą. Im materiał bardziej jednorodny i regularny tym szybkość ultradźwięków większa. Pojawienie się zanieczyszczeń czy zakłóceń struktury powoduje zmniejszenie przemieszczania się ultradźwięków.