Badania ultra dźwiękowe wykorzystują zjawiska towarzyszące rozchodzeniu się fal o dużej częstotliwości ultradźwiękowej, to znaczy większej od górnej granicy słyszalności ucha ludzkiego (ponad 20000Hz).
Za wytwarzanie i wprowadzanie do badanego obiektu fal odpowiedzialna jest głowica ultradźwiękowa. Jej głównym elementem jest przetwornik, wykonany najczęściej jako cienka płytka z piezoelektrycznego materiału, wytwarzającego krótkotrwałe drgania rezonansowe o częstotliwości rzędu miliona cykli na sekundę pod wpływem prądu przemiennego. Głowicę przykłada się do powierzchni badanego obiektu poprzez cienką warstwę cieczy, która eliminuje szczelinę powietrzną pod głowicą. Drgania przetwornika przenoszone są do materiału badanego, powodując sprężyste odkształcenia powierzchni, a następnie dalszych warstw materiału. Pobudzanie przetwornika impulsami elektrycznymi oraz „nasłuch” odbywa się za pośrednictwem defektoskopu ultradźwiękowego. Fale ultradźwiękowe mogą rozchodzić się w ośrodkach stałych, ciekłych i gazowych. Poza tym wykazują podobne właściwości jak światło, czyli uginają się na przeszkodach znajdujących się na ich drodze, załamują się, odbijają na granicy dwóch ośrodków i można je skupić w cienkie wiązki. Dzięki tym własnościom są stosowane do:
- wykrywania wad materiałów, - badania struktury materiałów,
- pomiarów grubości, - oceny jednorodności materiałów.
Wykrywanie wad jest możliwe dzięki temu, że podczas przechodzenia z jednego ośrodka do drugiego ulega odbiciu część ultradźwięków - tym więcej, im większa jest różnica między oporem ich rozchodzenia się w obu ośrodkach.
Największe zastosowanie w badaniach znalazły następujące metody badań ultradźwiękowych:
- metoda echa (z użyciem głowicy normalnej fal podłużnych lub głowicy skośnej fal poprzecznych),
- metoda cienia,
- inne metody (zanurzeniowa, za pomocą fal powierzchniowych).
Badanie metodą echa:
za pomocą głowicy normalnej fal podłużnych
W metodzie tej element piezoelektryczny wysyła do kontrolowanego wyrobu krótkotrwałe impulsy drgań ultradźwiękowych. Odbite od wad lub przeciwległej powierzchni (echo) sygnały są odbierane przez ten sam lub przez oddzielny przetwornik elektroakustyczny.
Badania za pomocą głowicy normalnej stosuje się do wykrywania wad równoległych lub lekko nachylonych do powierzchni, z której wprowadzane są fale. Metodą tą można również wykryć wady objętościowe oraz mierzyć grubość materiału.
za pomocą głowicy skośnej fal poprzecznych
Dzięki możliwości skośnego wprowadzania wiązki fal ultradźwiękowych względem powierzchni metoda ta nadaje się do wykrywania wad zalegających pod obszarami nierównymi, z których wprowadzenie fal głowicą normalną jest utrudnione lub niemożliwe. Za pomocą głowicy skośnej kontroluje się między innymi złącza spawane, rury i szyny.
Metoda cienia (inaczej przepuszczania)
Ponieważ liczba odbitych od wady ultradźwięków zależy od jej wielkości, spadek natężenia drgań po przejściu przez wadę jest również zależny od tej wielkości. Różni się ona od poprzednio opisywanej metody przede wszystkim użyciem dwóch przetworników: nadawczego i odbiorczego. Przetworniki te po zwilżeniu cieczą sprzęgającą przykłada się do przeciwległych powierzchni przedmiotu dokładnie naprzeciw siebie. Określenie odległości wady od zewnętrznych powierzchni przedmiotu nie jest możliwe. Podczas wykrywania wad metodą cienia oporność przejścia między przetwornikami i badanym przedmiotem musi być stała. W wielu wypadkach jest to trudne do spełnienia i wyniki badań mogą być obarczone dużym błędem.
Metoda zanurzeniowa
Metoda zanurzeniowa wymaga specjalnego oprzyrządowania i z tego powodu jej stosowanie jest ograniczone. Metodę zanurzeniową stosuje się:
- gdy nie można uzyskać dobrej jakości podczas badań innymi metodami,
- gdy konieczne jest wykrywanie wad położonych blisko powierzchni,
- gdy fale podłużne chcemy wprowadzić pod różnymi kątami.
Badania za pomocą fal powierzchniowych
Własności fal powierzchniowych pozwalają wykryć wady wychodzące na powierzchnię elementu badanego, położone blisko powierzchni lub znajdujące się na powierzchni (rysy). Powierzchnia badanego przedmiotu musi być gładka i czysta.
Defektoskopia ultradźwiękowa