Politechnika Warszawska WBMiP w Płocku		02.04.2009
IS	Przemysław Drzewaszewski Patryk Krac Robert Matusiak	Numer sprawozdania:	3
Temat: Badania ultradźwiękowe		Ocena:

1. Część teoretyczna:

Ultradźwięki są to drgania mechaniczne cząstek ośrodka wokół położenia równowagi o częstotliwości powyżej 16 kHz.

Fale ultradźwiękowe przechodząc przez materiał powodują powstanie naprężeń, które w odniesieniu do powierzchni można nazwać ciśnieniem akustycznym, związanym z prędkością akustyczną fal.

Ciśnienie akustyczne:

p = z × V

z - impedancja akustyczna falowa,

z = ρ × c / ρ - gęstość, c - prędkość dźwięku w materiale,

V - prędkość akustyczna.

W technice ultradźwiękowej istnieje możliwość pomiaru ciśnienia, gdyż sygnał elektryczny w przewodniku elektro-akustycznym jest proporcjonalny do wartości tego ciśnienia.

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

Wobec tego wyróżnia się między innymi:

• falę podłużną,

• falę poprzeczną,

• falę powierzchniową.

Fale podłużne - cząstki ośrodka drgają zgodnie z kierunkiem rozchodzenia się fali, występuje zjawisko zagęszczenia cząstek oraz ich rozrzedzenia czyli zmiana gęstości materiału. Fale te rozchodzą się we wszystkich ośrodkach materialnych. Aby rozchodziła się czysta fala podłużna to wymiary ośrodka muszą być wystarczająco duże w stosunku do długości tej fali. Fale podłużne oznaczamy symbolem L, natomiast ich prędkość symbolem C_L.

Fale poprzeczne, zwane inaczej falami ścinania, powodują naprężenie styczne, cząstki ośrodka drgają w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się fali. Fale poprzeczne rozchodzą się tylko w ciałach stałych. Fale te oznaczamy symbolem T, natomiast ich prędkość symbolem C_T.

Fale powierzchniowe - rozchodzą się na powierzchni swobodnej ciała stałego, wnikając w głąb około 1 długości fali poprzecznej. Jest to szczególny przypadek fali poprzecznej, gdyż drgania cząstek zachodzą w kierunku dwóch wektorów: prostopadłego i równoległego, stąd ruch cząstek odbywa się po smukłej elipsie. Fale powierzchniowe oznaczamy symbolem R , natomiast ich prędkość symbolem C_R.

Między prędkościami tych fal zachodzi nierówność:

C_R < C_T < C_L

W technice ultradźwiękowej jako źródeł fal ultradźwiękowych używa się przetworników elektro-akustycznych, które działają na zasadzie odwracalności zjawiska piezoelektrycznego. Zjawisko piezoelektryczne jest wykorzystywane do :

• wytwarzania fal,

• odbioru fal.

Jeśli do cienkiej płytki piezoelektrycznej o grubości początkowej g_o posrebrzanej po obu stronach dołączymy zmienne w czasie napięcie (według sinusoidy) U(t), to nastąpi zmiana grubości płytki w takt zmian napięcia:

Rys. 1. Wykorzystanie zjawiska pizoelektrycznego do wytwarzania fal podłużnych

Jeśli tę samą płytkę poddamy działaniu ciśnienia akustycznego p, to następuje zmiana grubości płytki, co powoduje zmianę napięcia - zjawisko to jest odwracalne:

Rys. 2. Wykorzystanie zjawiska pizoelektrycznego do odbioru fal podłużnych

W technice ultradźwiękowej do badań materiałów wykorzystuje się głowice, które można podzielić na głowice:

• normalne,

• powierzchniowe,

• skośne.

Rys. 3. Przykładowy przekrój głowicy normalnej fal podłużnych: 1) obudowa, 2) przetwornik, 3) osłona przetwornika, 4) masa tłumiąca, 5) cewka dostrajająca, 6) gniazdo

Rys. 4. a) bezpośrednia „penetracja” obszaru wady głowicą normalną; bezpośrednia „penetracja” obszaru wady głowicą skośną

Badanie ultradźwiękowe w wodzie polega na tym, że płytka jest umieszczona w głowicy, która połączona jest z defektoskopem ultradźwiękowym. Po zetknięciu głowicy z badanym materiałem, musimy uzyskać sprzężenie poprzez natarcie materiału olejem. Następnie wysyłamy impuls pobudzający, który wytwarzany jest przez defektoskop. Impuls wchodząc do wody ma odpowiednią prędkość i jest zwany impulsem nadawczym. Impuls, który powraca metodą echa po wykryciu wady nazywa się impulsem odbiorczym. Wartość odczytujemy na lampie mikroskopowej.

Układ drgań może mieć dużą bądź małą dobroć i położone blisko siebie wady możemy wykryć ustalając masę tłumiącą impuls echa wody (jest to ściśle określone w czasie).

Rys. 5.

Do badania ultradźwiękowego stosowane są urządzenia zwane defektoskopami. W zależności zobrazowania defektoskopy dzielimy na:

• analogowe,

• analogowo-cyfrowe.

W defektoskopach analogowych obraz z odbiornika przetwarzany jest na wykres U, t, który jest wyświetlany na ekranie lampy.

W defektoskopach analogowo-cyfrowych sygnał z odbiornika jest przetwarzany na ciąg liczb (próbek), które są podawane do pamięci komputera, a następnie przetwarzane za pomocą odpowiedniego oprogramowania na wykres U, t, wyświetlany na monitorze komputera.

2. Część doświadczalna:

Celem wykonywanego doświadczenia był pomiar grubości wzornika. Doświadczenie wykonywaliśmy za pomocą defektoskopu analogowo-cyfrowego. Ten defektoskop składał się z komputera, umieszczonej w nim karty defeskopowej oraz z potrzebnego oprogramowania.

Od karty defeskopowej odchodziły dwa przewody, jeden służący do pomiaru metodą echa, zaś drugi służący do pomiaru metodą cienia. Pomiar wykonywaliśmy przy pomocy głowicy o nazwie INCO 2L0°20C, której częstotliwość wynosiła - MB2S MHz.

Pomiar polegał na tym, że głowicę umieściliśmy na badanym, pokrytym olejem wzorniku, a następnie odczytaliśmy jego grubość z monitora komputera. Grubość wzornika wynosiła

99,9 m. Po wyświetleniu wykresu na ekranie mogliśmy odczytać, że podcięcie wynosi 12%, natomiast przesuw Y wynosi -11%.

3. Wnioski:

Badania ultradźwiękowe materiałów metalowych są metodą bardzo drogą. Koszty tych badań są ogromne, jednak metoda ta stosowana jest coraz częściej w różnych dziedzinach nauki. Są to jedyne badania nieniszczące materiałów metalowych. Wszystkie inne badania są czysto mechaniczne i powodują zniszczenie badanego materiału. Badania ultradźwiękowe stosowane są coraz powszechniej dzięki swej szybkości, badanie tą metodą trwa najwyżej do kilku minut. Cały sprzęt jest bardzo drogi, ale jego późniejsza eksploatacja jest względnie niedroga.

- 5 -

---